デジタル通信を支える無線技術

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デジタル通信を支える無線技術

新潟インターネット研究会勉強会 Aug. 02, 2008 鈴木一郎

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2

本日の内容

主に物理層の話です

なお、携帯電話関連技術については触れません

1. 無線LANのおさらい

2. デジタル通信の基礎技術

3. 無線LANの高速化

4. 802.11以外の無線ネットワークインフラ

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3

デジタル通信の仕組み

情報源

情報源符号

通信路符号

デジタル変調

情報

情報源復号通信路復号デジタル復調

通

信

路

（情報圧縮）（誤り訂正）

今日はここのあたりの話

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4

本日の内容

1. 無線LANのおさらい

2. デジタル通信の基礎技術

3. 無線LANの高速化

4. 802.11以外の無線ネットワークインフラ

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無線通信の速度とカバーエリア

10Kbps 100K 1M 10M 100M 1G WPAN （∼10m） WLAN （∼100m） WMAN （∼50Km） Bluetooth 802.11 WiMax UWB ZigBee

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無線LAN

電波を使うもの

IEEE802.11(1997)

• 802.11b(1999,2.4GHz/11Mbps)

• 802.11a(1999,5GHz/54Mbps)

• 802.11g(2003,2.4GHz/54Mbps)

赤外線・レーザを使うもの

802.11:物理層に赤外線DSSSの規格あり

IrDA

単なるメディアコンバータ

独自規格

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7 IEEE802.11：プロトコルスタック

IEEE802.1 高位層インターフェース（HLLI） IEEE802.2論理リンク制御（LLC） IEEE802.11 CSMA/CA .11gPHY 2.4GHz OFDM PBCC DSSS 11aPHY 5GHz OFDM .11bPHY 2.4GHz DSSS 2.4GHz FHSS 2.4GHz DSSS 赤外線 MAC LLC データリンク層プレゼンテーション層セッション層トランスポート層ネットワーク層 IEEE802.3 CSMA/CD 10BASEx 100BASEx 1000BASEx 802.11PHY 物理層 OSI参照モデル無線LAN イーサネット

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8

802.11：物理層の仕様

方式

802.11 PHY 802.11ｂ PHY 802.11a PHY 802.11g PHY 赤外線電波DSSS 電波FHSS 電波DSSS 電波OFDM 電波OFDM 電波PBCC 電波DSSS

伝送速度

1M/2Mbps

6∼54M

bps

6∼54M

bps

1M/2M 5.5M/1M bps

周波数

2.471∼2.497GHz 2.4∼ 2.484GHz 4.9∼5.0 5.15∼5.35 5.47∼5.725 GHz 2.4∼ 2.484GHz 出力 ―

_10mW/MHz

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9 2.4GHz

帯（ISMバンド）

5GHz帯

産業用、科学用、医療用、アマチュアなど他の業務と共用

#1-13（1999年）

ARIB（Association of Radio Industries and Businesses of Japan）社団法人電波産業会

2000年：5.2GHz帯 2.4GHz 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.50 ARIB STD-T66 ARIB STD-33 #14（1993年） 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 T71 T71 4.9GHz T71 STD-T71 2005年：4.9&5.3GHz帯追加 2007年：5.6GHz帯追加 WRC-03（2003）にて無線LAN用周波数が拡大 2012まで使用可

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10

802.11a/b/gのチャンネル

• 802.11b/g：14ch （同時利用は3ch）

2.40 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.50 5.17 5.19 5.21 5.23 5.25 5.27 5.29 5.31 5.33 ch1 ch6 ch11 ch2 ch7 ch12 ch3 ch8 ch13 ch4 ch9 ch11（11bのみ） ch5 ch10 ch36 ch40 ch44 ch48 ch52 ch56 ch60 ch64 ch37 ch41 ch45 ch49 ch53 ch57 ch61 ch65 ch38 ch42 ch46 ch50 ch54 ch58 ch62 ch66 ch39 ch43 ch47 ch51 ch55 ch59 ch63 ch67 5.35

• 802.11a：180ch（実際に利用できるのは8+11ch）

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11

5Ghz帯の拡張（W53/56）

（欧米の周波数と合わせる）

DFS dynamic freq. selection TPC transmitter power ctrl J 52 W 52 J 52 W 52 J 52 W 52 J 52 W 52 W 53 W 53 W 53 W 53 W 56 W 56 W 56 W 56 W 56 W 56 W 56 W 56 W 56 5.15GHz 5.25 5.47 J52 2005年5月以前 W52 2005年5月以後 W53 2005年5月に追加 W56 2007年1月に追加が必要

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12

2.4/5GHz以外の無線LAN

19GHz 製品化されたがすたれた

（要免許、25Mbps）

25GHz 製品あるも高価

今後に期待（108Mbps∼）

60GHz 製品なく実用化に期待

（156Mbps∼）

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13

無線LANのオーバーヘッド

無線フレームによるもの

CSMA/CAによるもの

上位プロトコルのオーバーヘッド

ヘッダ

ACKパケット

認証や暗号化

両者で35-50%のロス

802.11b(11Mbps)→せいぜい5Mbps

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14

CSMA/CA

802.3 CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

衝突検出付き搬送波感知多重アクセス

802.11 CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

衝突回避付き搬送波感知多重アクセス

Carrier Sense：通信開始前に、一度受信を試みて現在通信をしているホストが他にあるかどうか確認． Multiple Access：複数クライアントは同じ回線を共用し、他者の通信がなければ自分の通信を開始する． Collision Detection：送信中に通信の衝突が起こった場合にはそれを検知し、ランダムな時間待ってから再び送信． Collision Avoidance ：他のホストの送信終了を検知した場合は自分が送信を開始する前にランダムな待ち時間をとる．（無線では送信中は衝突を検知することができない）

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15 隠れホスト（hidden node）

A C B AとBはお互いにその存在がわからないため、同時にCに対して通信を試みた場合失敗し続ける可能性がある．（圏外）（圏内）（圏内）

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16 RTS/CTSによる隠れホスト対策

A C B A→Cの場合 1.AはCにRTS（送信要求）を送る． 2.CはAにCTS（送信可能）を送る． 3.BはCのCTSが見えることにより、Cが未知の相手と通信していることを知る． CTS RT_S CTS

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17

本日の内容

1. 無線LANのおさらい

2. デジタル通信の基礎技術

3. 無線LANの高速化

4. 802.11以外の無線ネットワークインフラ

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18

ベースバンドと変調

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19

アナログ変調

振幅変調（AM）：搬送波を振幅で変調周波数変調（FM）：搬送波を周波数で変調

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20 変調により占有する周波数幅が拡がる

周波数上側波帯 5 2 下側波帯搬送波周波数 5 2 搬送波変調一定幅の周波数を占有（ex.音声通信）搬送波周波数のみ占有（ex.電信）

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21

例：振幅変調

v_am :振幅変調波, (f_c − f_s) :下側波帯(LSB), (f_c + f_s) :上側波帯(USB) Vc :搬送波, Vcm :搬送波最大値, fc :搬送波周波数 Vs :信号波, Vsm :信号波最大値, fs :信号波周波数とするとき、振幅変調波は以下のように表される。 http://ja.wikipedia.org/

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22

デジタル変調

ASK(Amplitude Shift Keying)

FSK(Frequency Shift Keying)

PSK(Phase Shift Keying)

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位相変調

２位偏位変調（BPSK）４位偏位変調（QPSK）８位偏位変調（8PSK）直交振幅変調（16QAM） http://ja.wikipedia.org/ 改変振幅成分位相_成分

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24 単一通信路で複数の通信を行う方法

FDMA

周波数帯を分割

TDMA

同一周波数を時間で分割

CDMA

同一周波数を同時にユーザ毎

に異なる符号で分割

http://ja.wikipedia.org/

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25 スペクトラム拡散通信（

_S

_pread

_S

_pectrum）

広帯域の周波数を使った通信

同一帯域内で複数通信が可能（CDMA）

ノイズ、干渉、マルチパスに強い

秘匿性がある（周波数拡散に利用する符号

がわからないと復号できない）

1. DSSS

(Direct Sequence Spread Spectrum、直接拡散)

・CDMA

2. FHSS

(Frequency Hopping Spread Spectrum、周波数ホッピング)

・802.11、Bluetooth、デジタルコードレス電話

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26

SSの二つの方式

周波数→

元データ

周波数→ 周波数→

一次変調波

直接拡散（DSSS）

周波数ホッピング（FHSS）

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27

直接拡散（DSSS）

データ変調拡散符号データ拡散データ復調拡散符号逆拡散データ周波数信号 5 2 周波数周波数周波数

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周波数周波数雑音周波数信号周波数信号拡散変換復号復号された信号雑音は拡散 5 2 5 2 復号

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29

周波数ホッピング（FHSS）

時間周波数 ch3 ch2 ch1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1

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30 OFDM（直交周波数分割多重）

O

rthogonal

F

requency

D

ivision

M

ultiplexing

周波数軸上で直交した信号を半側波帯ずつ重ね合

わせて送信

周波数利用効率が極めて高い

ノイズ、干渉、マルチパスに強い

送信側

1. シリ-パラ変換にて複数の信号に分割（サブチャンネル）し変調

2. 逆フーリエ変換にてサブチャンネルを合成

受信側

フーリエ変換にてサブチャンネルに分離

パラ-シリ変換にてデータを復号

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31

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32

OFDM

GI除去 GI挿入変調器変調器変調器変調器変調器複調器複調器複調器複調器複調器 S/P 変換 P/S 変換 IFFT FFT

信号

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33

OFDMの応用

FFT/IFFT（高速DSP）の小型LSI化で実用化が進む

広帯域デジタル通信

無線LAN

デジタルテレビ

ADSL

PLC

WiMAX（IEEE802.16）

LTE（3.9G携帯）

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34

本日の内容

1. 無線LANのおさらい

2. デジタル通信の基礎技術

3. 無線LANの高速化

4. 802.11以外の無線ネットワークインフラ

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35

無線LANの高速化

目指せ600Mbps

でも、物理レイヤ（変調）による高速化は限界

→MACレイヤでの対応が必要

• 誤り訂正技術

資源（電波）はきわめて有限

そこで・・・

1. 空間多重技術：MIMO

2. チャンネルボンディング（40Mhzシステム/150Mbps）

1. .11n（2.4G）：2ch（ch3,11）

2. .11a/n（5G）：5ch（ch102,110,118,126,134）

3. MIMO（4ストリーム）&40MHz=600Mbps

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36 MIMO

(Multilpe-Input Multiple-output)

複数のアンテナから動じに異なるデータを同じ周波

数に重ねて送信（空間分割多重）

受信側では合成波から経路別の歪みを演算処理し

て元信号を取り出す

n x n個のアンテナで原理的にはn倍の通信速度が

得られる

IEEE 802.11nとして規格化（2009予定）

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37

受信送信

MIMO （802.11n）

(Multilpe-Imput Multiple-output)

データを二つに分けて

同時に送信

受信信号を演算処理に

より元のデータに戻す

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38

MIMOの特徴

マルチパスに強い

OFDMとの併用で更に強靱

周波数利用効率が極めて高い

低電力密度（低干渉）

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39

本日の内容

1. 無線LANのおさらい

2. デジタル通信の基礎技術

3. 無線LANの高速化

4. 802.11以外の無線ネットワークインフラ

(40)

40

その他の無線LAN

HiSWANa

HiperLAN

Wireless 1394

WiMAX（Mobile WiMAX）

UWB (Ultra Wide Band)

Wireless USB

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41

無線通信の速度とカバーエリア

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42

WiMAX

(Worldwide Interoperability for Microwave Access)

MAN用途：135Mbps/50Km程度の範囲のデータ転送

ラストワンマイル接続目的

• が、日本ではその目的での需要はない

• ホットスポットやモバイル用途

IEEE802.16-2004として規格化

半径10Km程度のエリアをカバー

離島・山間部など有線が困難な地域のアクセスライン

IPネットワークである

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43

Mobile WiMAX

モバイル用LAN規格

ローミングやハンドオーバー可能なWiMAX

IEEE 802.16eとして規格化

2.5GHz/3.5GHz/5.8GHz

（日本では携帯、放送、気象レーダーと共用）

Scalable OFDMA（必要に応じて速度を落とす）

カバーエリアは2-3Km（携帯と似たようなもの？）

次世代PHS=Mobile WiMAX?

携帯キャリアはLTE（3.9G携帯）に傾いている

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44

無線通信の速度とカバーエリア

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45

UWB

(Ultra Wideband)

高速な通信が可能

例：3.1G-10.6GHzを使って480Mbpsの通信

マルチパスや干渉に強い

低消費電力（短時間パルス）

位置特定が可能（空間分解能が高い）

ターゲットエリアは半径10m程度

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46 UWBのおさらい

比帯域幅が中心周波数の20%以上、または500MHz以上の極端

に広い帯域を利用した通信（広義のUWB）

弱い電波をごく短時間のパルスで送信（変調なし：狭義のUWB）

周波数通常の変調拡散変調ノイズレベル UWB 佐々木先生のプレゼン：http://www.nisoc.or.jp/~suzuki/040124/UWB_1-24-2004.pdf

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47

UWB：最近の動向

3.4∼4.8、7.25∼10.25GHz（日本）

（3.4GHz∼は4G携帯、WiMAXと競合）

二つの変調方式

1. MultiBand OFDM方式

（MS,Intel,SONY：WiMedia Alliance）

2. DS-UWB方式

（Motrola：UWB Forum）

IEEE（802.15.3a）での規格化は断念

ISO/IECではWiMediaを採用

Wireless USB：WiMedia USB

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48

WiMedia：プロトコルスタック

WiMedia UWB Radio Platform

WiMedia PHY（MB OFDM UWB）

WiMedia MAC

Adaptation Layer Adaptation Layer Adaptation Layer Adaptation Layer (WiNET) Wireless USB Wireless

IEEE1394 Bluetooth

IP TCP

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49

無線通信の速度とカバーエリア

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ZigBee

低速で狭エリア（250Kbps/30m程度）

低消費電力（ボタン電池で１年）

メッシュ/ツリー型ネットワークを構成

• ルータ機能を持つFFD／端末用のRFD

• 16bitアドレス

日本ではISMバンド（2.4GHz）が許可

IEEE802.15.4で規格化

（ちなみにBluetoothはIEEE802.15.1）