ホワイトペーパー AX

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ホワイトペーパー

802.11AX

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号が飛んでいない場所を見つけるほうが難しいくらいです。LTE ネットワークの構築、スモールセル、定額データプランで速度と容量を向上させてきた携帯電話ネットワークでさえ、加入者のトラフィック要件を満たすために Wi-Fi に依存しています。Wi-Fi 網との統合あってこそ今日の携帯電話があると言っても決して過言ではないでしょう。

図2：事業者別月平均データ使用量

2018 年 1 月 (Android ユーザー、単位は MB)

Wi-Fi 規格は米国電気電子技術者協会 (IEEE) によって策定され

ます。そこでは 802.11 ワーキンググループが年 6 回会合し、

合間に専門家タスクグループで電話会議を持ちながら、Wi-Fi の基盤となる技術規格の更新・拡張を進めます。IEEE が規格を策定した後、焦点は Wi-Fi Alliance へと移ります。Wi-Fi

Alliance は「Wi-Fi」商標を所有する業界団体であり、一連の

プラグフェストを開催してテスト計画および相互運用性認定プログラムの作成を推進します。こうして、エコシステムに属するあらゆるベンダーの製品において、Wi-Fi クライアン

トと Wi-Fi アクセス・ポイントの連携が確保されます。

一番最近リリースされた大きな物理層 (PHY) レベル認定規格は 802.11ac です。これは「第 1 世代 (Wave 1)」対応製品の販売が 2014 年に開始し、「第 2 世代 (Wave 2)」対応製品

の販売が 2016 年に開始しました。ただし 802.11ac 策定プロ

ジェクトは 2008 年までさかのぼります。規格の素案から具体化までにはとても時間のかかるものなのです。

ですから IEEE は早々に、それこそ 802.11ac Wave 2 対応機器の出荷が始まる前から、次の「PHY」規格である「802.11ax」の策定に着手しました。このプロジェクトは 2014 年 3 月に正式にスタートし、2018 年の初めには一連の「レター・バ

ロット (Letter Ballot)」と呼ばれる手続き段階を経て進行し

ています。標準規格範囲は設定され、改訂を重ねるごとにその内容はますます強化されています。IEEE による最終承

認は 2019 年後半を予定していますが、この規格はそれより

何ヶ月も前倒しして事実上制定されるでしょう。

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802.11 に対する以前の物理層の修正は、Wi-Fi Alliance が

IEEE と並行して作業を開始し、市場投入までの時間を短縮

するという先例を打ち立てました。802.11ax に対応する製品の認定プログラム「Wi-Fi CERTIFIED AX™」はすでに進行中で、最初のプラグフェストは 2018 年初旬に行われ、認

定は 2019 年中に開始される予定です。

認定パスと標準化に対する取り組みの重複は、市場投入を早めるために非常に重要です。標準化団体や機器のベンダーは以前の物理層の修正を経験しているので、リスクを最小限に抑えられます。

802.11ax 設計における目標

現在のリリースを超えて Wi-Fi を改善する方法を決定する際に、802.11ac、IEEE および Wi-Fi Alliance は Wi-Fi の展開と使用方法を調査し、ユーザーコミュニティ間の広範な使用と不満の原因に対する障害を特定しました。

結論は、「良い」フィールド条件下でのピークデータレートを向上させる以前のアップグレードパスから開始し、

「実際の」フィールド条件やピークパフォーマンスだけでなく、実際の環境における平均の、また、最悪の場合のパフォーマンスの改善方法にも焦点を当てることでした。

こういった実際の状況は、Wi-Fi の成功によって少なからず変化してきました。今やアクセス・ポイントは至る所に設置されており、多くの屋外スペースをカバーしています。そして、さまざまな場所で Wi-Fi の電波の混雑は深刻な問題となっています。

例えば、人が混み合う空港や駅、集合住宅、学校、大学のキャンパスなどです。

同じネットワークで管理されているかどうかにかかわらず、このような場所では数多くのアクセス・ポイントからのカバレッジが重複しており、そのすべてがクライアントデバイスに大量のデータを送信しています。そのため、IEEE と Wi-Fi Alliance は、

特にカバレッジの重複問題において、すべてのユーザーのパフォーマンスを向上させることを目指していました。例えば、

ある場所では、アクセス・ポイントを調整することによって信号の干渉を減らし、その他の場所では、プロトコルを強化して

Wi-Fi 信号を干渉に対してより強くします。

しかし、携帯電話や PC 用のインターネットサービスが Wi-Fi の唯一の用途ではありません。モノのインターネット (IoT) センサーの成長市場では多くの場所でインターネット接続に Wi-Fi が利用されていますが、いくつかの制約により、その採用は限定的なものにとどまっています。802.11ax の新機能は、低データレート接続の効率的な割り当てや、IoT センサーのバッテリー寿命の向上、および Wi-Fi 信号の範囲の拡大を可能にします。

Wi-Fi は、ワイヤレス・インターネット・サービス・プロバイ

ダー (WISP) や屋外のポイント・ツー・ポイントリンクにも使用

されています。802.11ax には、通信範囲の拡大、データレートの向上、そして干渉の影響を減らす機能が含まれています。

タイムライン

802.11ax を開発するための手順の大枠は、802.11n および 802.11ac のような「PHY」プロトコルの慣例に従いました。これにはいくつかの手順を並行して開発が行われ、Wi-Fi Alliance は IEEE が基礎となる仕様を完成させる前に認定テストの作業を開始しました。

従来の物理層プロトコルと同様に、商業的な圧力により、アクセス・ポイントとデバイスのベンダーが、2019 年半ばに予定されている Wi-Fi Alliance の認定に先立ち、2018 年後半には標準規格のデバイスを市場で先行発売できることが期待されています。

図3：エンタープライズ・アクセス・ポイントの出荷

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この圧縮されたスケジュールは、複雑な新しいプロトコルを展開するのに決して理想的な方法ではありませんが、私たちが今まで 802.11n と 802.11ac で得た経験上、

初期の 802.11ax デバイスが孤立するリスクは極めて低い

ことが分かります。ベンダーは今までに、そういった課題にうまく対処してきました。

802.11ax は、802.11ac と同様に、すでに「Wave」と呼ばれる 2 つの規格に分割されています。機能の正確な分布はまだ最終的なものではありませんが、このホワイトペーパーでは、Wave 1 で採用されると予想されているものに焦点を当て、付録では Wave 2 の機能についても説明します。Wave 1 (上のタイムラインを参照) と Wave 2 が利用可能になるまでには 2 年ほどかかるとみられています。

アップグレードのタイミング

新しく制定される物理層の Wi-Fi 標準規格では新しいハードウェアが必要になるため、Aruba にはアップグレードに適した時期についてよくご質問が寄せられます。その答えは、802.11n から 802.11ac の Wave 1 や Wave 2 に変更されたときと同じく、「いつでも準備ができたときにアップグレードすること」です。標準が更新されるにつれて、シリコンはより強力になり、機器のベンダーは機能を追加するので、ほぼ 2 年ごとに常に新しく改良された Wi-Fi アクセス・ポイントが登場するでしょう。このような記事を読むと、お客様の中には、必要な最新機能について知識を蓄

え、802.11ax が早く導入されないかと心待ちにされる方も

いらっしゃるでしょう。しかし、利用開始のスケジュールは、ほとんどの場合、予算や工事の期限などによって決定されます。ですから、購入を決めたら、利用可能な最善のテクノロジーを利用することをおすすめします。

スペクトラムと規制

新しいスペクトルを増やし、Wi-Fi のような免許の要らない無線技術の幅広い採用に対する制約を緩和するためのさまざまな取り組みや活動がありますが、802.11ax に影響を与えるための変更はほとんどなされていません。2.4 GHz および 5 GHz 帯域の規制は、802.11ac 以降大幅には変更されていません。

改良される点の 1 つとして、802.11ac は 5 GHz 帯域でのみ動作するように指定されていますが (802.11n プロトコルは 2.4 GHz に適用されます)、802.11ax は両方の帯域に適用されます。

2.4 GHz 帯は人口過密地域では使用できないほど過剰に使用さ

れていると言われていますが、Wi-Fi コミュニティは、特にその優れた伝搬特性を活用できる IoT など、まだこの帯域には活用すべき多くの機会があると考えられています。

予想通り、規制の変更によって Wi-Fi に適した無免許または軽ライセンスの使用に新しいスペクトルを割り当てることが可能になれば、IEEE および Wi-Fi Alliance は、これらの環境での運用のために 802.11ax 仕様を拡張することができます。

そして、スペクトルについて議論を進めながらも、この第 3

の Wi-Fi 帯域に注目し続けることが重要です。60 GHz 帯域を

使用する「WiGig」と呼ばれるプロトコルは、現在、IEEE と Wi-Fi Alliance の両方で採用されており、2.4 および 5 GHz の

Wi-Fi との共通点が非常に多く、異なる帯域間でシームレス

に接続を切り替えることができます。ただし、ミリ波周波数での特性が異なるため、WiGig は物理層の仕様が異なり、

802.11ax の一部ではありません。

図4：エンタープライズ・アクセス・ポイントの出荷

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LTE と 5G の収束

広域通信業界でかなりの激動の時がやってきました。携帯電話 (モバイル) 事業者は 4G 導入増加の真っ只中にありますが、そんな中、すでに 5G の準備を進めています。そして、従来のインターネット・携帯電話市場だけでなく、IoT、スマートシティ、住宅への固定ワイヤレス・ブロードバンド・アクセス、企業顧客向けのマネージドサービスなど、他の多くの機会にもチャンスを見出しています。さらに新たに認可されたスペクトラムと新技術の利用可能性により、5G は以前の 2G、3G、4G 世代よりもかなり広範な周波数帯の電波を利用します。このような新しいユースケースと市場に対応するために、5G 標準化団体はその範囲を拡大しました。

一方、5G および 802.11ax 用に提案されている無線技術

は、マルチユーザー MIMO、空間ダイバーシティ、ビームフォーミング、OFDMA、チャネル・アグリゲーションなど、多くの特性を共有しています。これは、スペクトル効率、高データレート、広範囲におよぶ通信範囲や優れたバッテリー寿命を左右する要因が、セルラー、プライベート、およびコンシューマーネットワークに共通していること、そして、組み込むべき新しい無線規格が期待される、最先端の無線技術であることによるものです。

しかし、5G は、さらに興味深い側面を持っているはずなのです。新しい市場、特にエンタープライズ・ネットワーキング市場の開拓が進められている中、5G 標準には

現在、Wi-Fi と関連認証プロトコルを 5G ネットワークに

統合するための詳細な仕様が含まれています。これは、

LTE / 5G または Wi-Fi での使用に適した軽ライセンスのス

ペクトルとともに、将来のネットワークに幅広い可能性を提供します。

そのため 5G と Wi-Fi は、無線とシステムの両方のレベル

において、3GPP と Wi-Fi Alliance がターゲットにしている市場間での重複の増加によって促進されています。

関連した Wi-Fi の標準規格と認定

いくつかの MAC 変更を伴う新しい PHY として、802.11ax はいくつかの前提条件を持っています。Wi-Fi Alliance は、

すべての Wi-Fi CERTIFIED AX™機器が Wi-Fi CERTIFIED AC™

および Wi-Fi CERTIFIED N™という認定を受けることをほぼ

義務化します。また、Wi-Fi CERTIFIED Agile Multiband™認定、クライアントがネットワーク負荷をより広く認識できるようにする機能のグループ、および最適なバンドとアクセス・ポイントに移動する (または移動する) 機能も必要になります。ほとんどのアクセス・ポイントとクライアントデバイスは、アジャイル・マルチバンドに必要な機能をすでにサポートしていますが、これは比較的最近のプログラムであり、すべての最新の機器が認定を取得しているわけではありません。

そして、すべての Wi-Fi 機器は、認証、承認、および暗号化に関する新しいセキュリティ標準を満たす必要があります。

長年使用されてきた WPA2 認定は、2018 年に WPA3 に置き換えられます。最良のセキュリティ・プラクティスをサポートするには、すべての 802.11ax 機器が WPA3 準拠となることが予想されます。

802.11ax の新機能

図5：802.11ax の主な機能 (Wave 1 と 2 両方)

IEEE 802.11ax 規格には 50 以上の機能がありますが、すべてが

Wi-Fi Alliance によって採用されるわけではありません。以下は、

Wave 1 と Wave 2 の両方を対象とした機能の概要です

• ダウンリンクおよびアップリンク OFDMA: OFDMA は、

802.11ax のより複雑な機能の 1 つです。それは、単一の送

信 (ダウンリンク OFDMA については、アクセス・ポイントが送信する) がチャネル内の周波数によって分割されることを可能にし、その結果、異なるクライアントデバイスにアドレス指定されたさまざまなフレームはサブキャリアのグループを使用します。アップリンク OFDMA はダウンリンク OFDMA と同等のものですが、この場合、複数のクライアントデバイスが同じチャネル内の異なるグループのサブキャリアで同時に送信します。アップリン

ク OFDMA は、さまざまなクライアントを調整する必要が

あるため、ダウンリンクよりも管理が困難です。アクセス・ポイントは、各クライアントが利用できるサブチャネルを示すためにトリガーフレームを送信します。

• ダウンリンク*およびアップリンクマルチユーザー MIMO:

ダウンリンクバージョンは、アクセス・ポイントがマルチパスの条件により、1 つの時間間隔で異なるクライアントデバイスにフレームを送信できると判断する既存の

802.11ac 機能を拡張したものです。802.11ax はダウンリン

ク MU-MIMO グループのサイズを増やし、より効率的な動

作を可能にします。アップリンクマルチユーザ MIMO は 802.11ax の主な機能

ダウンリンクおよびアップリンク

OFDMA

ダウンリンク*およびアップリンクマルチユーザー

MIMO

高次変調

高度な

OFDM

とコーディング屋外操作

消費電力の削減空間再利用

送信ビームフォーミング*

シングルユーザー操作

*

(* 802.11ax の新機能ではありません)

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802.11ax に新しく追加されたものですが、Wave 2 に延

期されます。アップリンク OFDMA のように、アクセス・ポイントは複数のクライアントの同時送信を調整する必要があります。

• 送信ビームフォーミング: これは、アクセス・ポイン

トがいくつかの送信アンテナを利用して、受信機のアンテナに極大信号を送信するというもう 1 つの既存の機能です。これによりデータレートが向上し、通信範囲が広がります。

• 高次変調： 802.11a/g は 64-QAM、および 802.11ac は

256 QAM のデータ変調方式をサポートしています。

802.11ax では、最高次の変調が 1024-QAM に拡張され

ています。これにより、良好な条件下でのピークデータレートが向上します (高度な SNR)。

• OFDM シンボル、サブキャリア間隔、および FFT サイ

ズはすべて、小さい OFDMA サブチャネルの効率的な動作を可能にするために変更されます。こうした変更は、シンボル効率を失うことなくガードインターバルの長さの増加を可能にします。

•

• 屋外操作：多くの機能が屋外でのパフォーマンスを向上させ

ます。最も重要なのは、構造安定性を実現するために最も機密性の高いフィールドが繰り返される新しいパケットフォーマットです。よりよい屋外操作に貢献する他の機能はより長いガードインターバルおよびエラー回復を可能にするために冗長性を導入する方式が含まれています。

• 消費電力の削減：既存の省電力モードは、より長いスリープ

間隔とスケジュールされたウェイクアップ時間を可能にする新しいメカニズムで補完されています。また、IoT デバイスの場合は、20MHz チャネルのみのモードが導入され、それのみをサポートする、よりシンプルで低電力のチップが使用されています。

• 空間再利用：送信機会を求めて競合する場合、デバイスは、

以前は強制的に待機させていたはずの、遠方への送信が許可されます。これは既定の地理的領域においてより多くの同時送信を可能にし、ネットワーク容量を増大させます。

いままでのバージョンを振り返ると、802.11ax の新機能は、主に以前の作業の拡張または改良であることがわかります。しかし、新しい領域である OFDMA と空間再利用という際立った例外はあります。

802.11AX の技術的特長

ここでは、主な技術的改善点について詳しく説明します。

新しいサブキャリア間の間隔とシンボル長

OFDM シンボルは、Wi-Fi 伝送の基本的な構成要素です。それ

は、情報を搬送するサブキャリアの変調波形の時間的に小さなセグメントで、シンボルのより多くの変数が利用可能であるほど、それがより多くの情報 (バイナリー・ビット) を搬送することができます。基本的な特性として、高速フーリエ変換 (ＦＦＴ) サイズ、サブキャリア間隔、および OFDM シンボル持続時間は、固定されたチャネル幅が与えられると、リンクされる点が挙げられます。802.11ax では、OFDM シンボル長が 4 倍になる一方で、サブキャリア間隔は 4 分の 1 になります。

図6：Wi-Fi 規格の進歩

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8 表1：802.11ac から 802.11ax までの OFDM 特性

図7：OFDM シンボル期間とサブキャリア

サブキャリア間隔の変更に対する主な推進力は、

OFDMA (後に詳しくお話します) を小さなサブチャネ

ルに拡張できるようにすることでした。各サブチャネルは少なくとも 1 つ(通常は 2 つ) のパイロットサブキャリアを必要とし、2 MHz の最小サブチャネルサイズでは、より小さいサブキャリア間隔はパイロットに対する全帯域幅のかなり小さい割合を失います。

この他にも利点があります。チャネル全体のガードサブキャリアとヌルサブキャリアの数は、使用可能なサブキャリアの数のパーセンテージとして減らすことができます。これにより、特定のチャネルの実効データレートが向上します。上の図は、4 倍の係数を考慮した後、802.11ac と比較して使用可能なサブキャリアが約 10% 増加したことを示しています。

より長い OFDM シンボルは、スペクトル効率を犠牲

にすることなく巡回プレフィックス長の増加を可能にし、それは特に屋外条件において、長い遅延拡散に対する耐性を増加させることを可能にします。巡回プレフィックスは、シンボル時間を削減することができ、マルチパス条件に対してより堅牢でありながらスペクトル効率を高めることができます。そしてそれはアップリンクマルチユーザモードのジッタ感度を減少させます。

もちろん、いくつかのデメリットもあります。より狭い間隔のサブキャリアを首尾よく復調するのに必要とされる周波数精度は非常に高いものを要求されます。また、高速フーリエ

変換 (FFT) では、もう少し複雑なチップが必要です。しかし、

312.5 kHz / 64 ポイントの FFT が 802.11 で最初に使用されてから約 20 年が経っているため、こういった影響は管理しやすいと考えられています。

OFDMA の利点

直交周波数分割多元接続 (OFDMA) は、802.11ax における 2 つのマルチユーザモードのうちの 1 つであり、もう 1 つは MU-MIMO

(Wave 1 におけるダウンリンクのみ) です。OFDMA は、セルラー

LTE のようなシステムで長年使用されてきた技術です。これは、送信を周波数の次元にわたって分割し、サブチャネルまたはメイン RF チャネルのリソースユニット (RU) で送受信するように割り当てられたデバイスのペアを用いて機能します。

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図8：シングルユーザー OFDM と比較した OFDMA

これにより、(ダウンリンク OFDMA 用の) アクセス・

ポイントは、単一の送信機会に異なるサブチャネルに複数のフレームをまとめてバンドルできます。その一方で、クライアントはそれぞれの送信を受信するために無線を異なるサブチャネルに調整します。

一見したところ、OFDMA はフルチャネルのシングルユーザー OFDM (802.11ax でもまだ利用可能です) を超える利点はありません。送信リンク速度が異ならないと仮定すると、多数の送信をカバーする長い期間を考えれば、各ステーションは同じ量のデータを送信することになります。OFDMA がチャネルの 2 分の 1 を割り当てるとき、送信には 2 倍の時間がかかり、しかも何も保存されません。ただし、綿密に調べてみると、効率が改善されていることがわかります。

802.11 CSMA/CA チャネルアクセスプロトコルでは、

各送信機会のネゴシエーションは競合するまでの時間を失います。そして媒体上で時間が失われ、全体の容量とスペクトル効率が低下します。OFDMA を使用すると、送信がまとめられ、一定量のデータを移動するのに必要な送信機会の数が減り、効率が向上します。

また、クライアント数が増えると CSMA / CA の効率が低下します。例えば、5 つのクライアントがそれぞれ 100 Mbps を達成できるとすると、50 は10 Mbps を達成できません。そして、802.11ax の目標の 1 つは、クライアントの密度が高い大規模な展開でパフォーマンスを向上させることです。OFDMA は、多数のクライアントを公平に管理する場合に特に役立ちます。そして、競合オーバーヘッドが減るということは、クライアント数が増えてもキャパシティの低下はほとんどないことを意味します。

能力の低いステーションにとっても利点があります。リンク速度が速くなると、デバイスの中には最大速度で送信するのに苦労するものもあります。フルチャネル OFDM では、最善を尽くす必要があり、おそらくメディアを埋めることはしません。一方、OFDMA では最大レートに上限を設けることができます。これにより、IoT センサー用の「20 MHz のみ」 (後に説明します) の概念と同様に、よりハードウェアの導入が簡単になり、潜在的により長いバッテリー寿命が実現します。

OFDMA は、特に低遅延または低ジッタを要求するトラ

フィックに対して、QoS を適用する機会も提供します。

シングルユーザー OFDM システムでは、送信の機会を得るためにデバイスが長時間待たなければならない場合があり

ますが、OFDMA ではあまり頻繁に送信できないため、待ち

時間とジッタが減少します。

しかし、OFDMA はいくつか巧妙な点があります。上記で見

られるように、802.11 のフレームごとの送信は、アクセス・ポイントが送信機会を競うとき、長さの異なる多数のフレームを束ねて利用しなければなりません。フレームが送信機会の長さより短い場合、パディングが追加されますが、これは、すでにご存じかもしれませんが、帯域幅の損失を使用可能にしてくれます。また、先ほど触れたよう

に、各 OFDMA サブチャネルは、パイロットトーン用に 1 ～

2 つのサブキャリアを予約しなければならず、データ送信には使用できません。そのため、アクセス・ポイントは、

提供される負荷とバッファ内のフレーム、およびクライアントの分散とリンク速度を考慮し、OFDMA の最適な使用方法を計算する必要があります。

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このように OFDMA はトラフィック管理に多くの新しい次元を切り開きますが、アクセス・ポイントはサブチャネルの割り当て方法を選択し、使用中のクライアントと調整する必要があるため、より高度な制御メカニズムも必要です。これらについては後に詳しく説明します。

ダウンリンクの OFDMA

802.11ax では OFDMA を初めて採用し、ダウンリンク・

アップリンクともに導入を予定しています。そこにはいくつかの違いがあります。例えば、アクセス・ポイントはダウンリンク OFDMA のすべての送信を制御しているので、実装するのがより簡単かもしれません。

最初にダウンリンク OFDMA 送信を処理し、後で制御をすると、アクセス・ポイントは最初に通常の方法で送信機会を求めて競合することがわかります。それから異なるクライアントのためにいくつかのフレームを組み立てますが、割り当てられたサブチャネル上で変調されます。

フレームがバンドルの最長フレームより短い場合は、長さを助長するためにパディングが追加されます。失われた帯域幅は、より小さなサブチャネルをフレームに割り当てることで減らすことができるので、送信に時間がかかりますが、全チャネル帯域幅を使用するにはバンドルにもっとフレームを追加する必要があります。

802.11ax で割り当てられている最小のサブチャネルは 26

本のサブキャリア (2 MHz) です。20 MHz チャネルには 9 つの 26 サブキャリアサブチャネルがあり、最大 9 つの異なるフレームと受信者が送信を共有できます。

IEEE は、サブチャネルを指すために「リソースユニット」(RU) と

いう用語を使用しています。例えば、上記の 26 本のサブキャリアユニットは、「RU-26」とします。フルセットは、RU-26、RU-52、 RU-106、RU-242、RU-484、および RU-996 です。

割り当てられたサブチャネル

OFDMA では、アップリンクやダウンリンク、そしてサブチャネル

は規格で定義されています。チャンネルはバイナリー形式で細分化され、チャネルが正確に分割されない場合は、26 本のサブキャリアの最小ブロックが穴埋めに使用されます。

図9：ダウンリンクの OFDMA 伝送

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前世代の OFDM においては、チャネル内のすべてのサブ

キャリアをデータに使用できるわけではありません。一部のサブキャリアは、隣接チャネル内、またはサブチャネル間での送信に干渉しないように、ガードバンド用には使

用されていません。周波数基準を提供し、信号の正確な復調を可能にするために、DC トーンまたはパイロットトーンに他のものが使用されます。

図10：OFDMA サブチャネルの割り当て

図11：OFDMA サブチャネルの割り当て

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OFDMA に使用可能なサブチャネル、サブキャリア、

データレート

以下の表では、OFDMA における RU-N (RU-26 など) サブチャネルに関するオプションメニューを挙げてい

ます。これらの RU は柔軟に割り当てることができます

が、802.11ax で指定されている特定の構成でのみ可能とな

ります。

アップリンクの OFDMA

OFDMA は、クライアントデバイスが送信し、アクセス・ポイントが受信することを除いて、ダウンリンクと同じようにアップ

リンク方向に機能します。

困難な機能は、アクセス・ポイントがクライアントの最適なグループ分けを計算し、各クライアントがいつ送信するべきか、そしてどのサブチャネルで送信するかを通知するものです。それについては後程さらに詳しくお話します。

また、各プリアンブルは全 20 MHz チャネルにわたって送信されるので、アップリンク方向におけるプリアンブルシンボルの同期は複雑です。これは IEEE の実装上の決定であり、すべてのプリアンブル波形は AP のアンテナで受信されたときに時間、周波数、および振幅が同期されている必要があります。これは、

信号強度測定値の校正、局部発振器の要件などを含む、Wi-Fi デバイスに対する多くの新しい要件を生み出しており、他の分野でも役立つ可能性があります。

OFDMA パケット本体内でも、トランスミッターが周波数精

度、トランスミッターおよび他のパラメータが隣接する RU の送信に干渉をしないように維持することは非常に重要で

す。OFDMA の実装は、上の単純な図が示すよりも複雑なの

です。

表2：OFDMA に使用可能なサブチャネル、サブキャリア、データレート

図12：アップリンクの OFDMA 伝送

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ダウンリンクのマルチユーザ MIMO 伝送

ダウンリンク MU-MIMO は 802.11ac (Wave 2) で導入され、

現在のアクセス・ポイントやクライアント機器で広く普

及しつつあります。AP から複数のクライアントへの同時送信をサポートするために、空間ダイバーシティとビームフォーミングの概念を拡張します。

図13：ダウンリンクのマルチユーザ MIMO 伝送

MU-MIMO は、伝搬特性が、あるクライアントまたはクラ

イアントのグループに対して最適化された送信が他のクライアントによって著しい信号強度で聞こえないことを AP が識別できる場合にのみ可能であり、逆もまた同様で

す。これらは各クライアントグループのために別々のデータフレームを構築し、それらを同時に送信することを可能にする条件です。

MU-MIMO の候補を識別するために、AP はサウンディン

グ動作を実行し、その全アンテナからクライアントに

NULL フレームを送信し、各 AP とアンテナをクライアント

対アンテナの組み合わせに、測定された受信レベルのキューで応答しました。サウンディングは、MIMO と同様にビームフォーミングにも使用されます。802.11ac で

のマルチユーザーサウンディングは、ビームフォーミングレポートマトリックスが大きくなり、クライアントデバイスが干渉を避けるために応答をずらさなければならないため、時間がかかる可能性があります。新しい

802.11ax マルチユーザー制御プロトコルは、同時応答で

はるかに効率的になります。

図14：ダウンリンク・サウンディング

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実環境での 802.11ac MU-MIMO の使用経験から、いくつかの制限が明らかになりました。例えば、使用可能なグループを形成することが常に可能というわけではなく、4 アン

テナの AP を使用しても、シングルユーザーモード全体の

利得は時々それほど高くないことがありました。802.11ax では、より大きい MU-MIMO グループ (4 から 8 クライアントに増加) が大きな改善を可能にします。

上の図からわかるように、802.11ax は、クライアントをグループ化し、そのグループを順番に処理することによって、多数のクライアントデバイスに対応することができます。この例では、ビームフォーミングレポート用のクライアントのグループ化を示していますが、この概念は他のパケットタイプにも拡張されています。

また、TCP/IP のように ACK を含むリンクレベルまたはト

ランスポートレベルのプロトコルであれば、ダウンリンクのパフォーマンスは向上しますが、それでもアップリンクによってボトルネックになる可能性があります。

これは、802.11ax の Wave 2 にアップリンク MU-MIMO が追加されれば解決します。

アップリンク MU-MIMO および MU-MIMO と OFDMA の組み 合わせ

アップリンク MU-MIMO、および OFDMA と MU-MIMO を組み合わせたパケットはどちらも Wave 2 に延期されます。Wave 1 では、ダウンリンクの OFDMA と MU-MIMO の組み合わせもサポートされていませんが、この組み合わせによって AP スケジューラーの可能性はさらに広がります。

パケットプリアンブル

802.11 プロトコルでは、パケットプリアンブルは、受信機が

入力信号に同期するための情報を含み、そしてそれに続くパケットのサブチャネルおよびフォーマットを識別します。次の情報は、トランスミッターの PHY レイヤーによってエンコードされています。

図15：サウンディング ― 明確なフィードバックのビームフォーミング

図16：プリアンブルとトレーニングシーケンス

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802.11ax フレームは、下位互換性のためのレガシープリ

アンブルで始まります。これらのフィールドは、802.11n より前から使用されています。古いデバイスはこれによっ

て 802.11 フレームが電波として飛んでいることが分かり

ます。これにより、CSMA/CA プロトコルは 802.11ax の送信があっても変わらず機能し続けることができます。

次のフィールド RL-SIG は、802.11g のような古いプロトコルのフレーム本体の始まりになります。それは、これに従うフレームを 802.11n 以前ではなく、802.11ax として識別します。レガシープリアンブルおよび RL-SIG フィールドは、後方互換性のために、後続の送信に使用されるす

べての 20-MHz サブチャネルで並行して送信されます。

後続のフィールドは、802.11ax の目的で使用され (「HE」は「High Efficiency」の略語で、IEEE 802.11 は 802.11ax の別名です)、低レートフィールドと下位互換性のためにレガシー変調が使用されているシンボルフォーマットを混在させて使用します。その一方で、他のフィールドは新しく狭いサブキャリア間隔と、より長い 802.11ax の

OFDMA シンボルを使用します。

1 つは HE-SIG-A フィールドで、ダウンリンクかアップ

リンクか、BSS カラー、変調 MCS レート、帯域幅と空間ストリーム情報、送信機会の残り時間など、追跡するパ

ケットに関する情報が含まれています。このフィールドは、

シングルユーザー、マルチユーザー、およびトリガーベースのフレームで異なる内容を持ち、802.11ax の「拡張範囲モード」

で繰り返されます。

HE-SIG-B フィールドは、マルチユーザーパケットにのみ含まれ

ています。すべての受信者に共通の情報、およびその他のユーザー固有のフィールドがあるため、その長さは伝送を受信しているユーザーの数によって異なります。OFDMA が使用される

とき、 HE-SIG-B クライアント固有フィールドは、後続のパケッ

ト送信に使用される各サブチャネルで同時に送信されます。これについては後程詳しく説明します。

HE-STF トレーニングフィールドにより、受信機はパケット本

体をデコードする前に入力フレームのタイミングと周波数に同期することができます。一方、HE-LTF はチャネル推定に重要であり、ビームフォーミングと MIMO 空間ダイバーシティを可能にします。

パケットテール―パディング、テールビット、およびパケッ ト拡張

802.11ax の新しい構造とアプリケーションでは、パケットの末

尾にいくつかの新しいフィールドが追加されています。

図17：パディング、テールビット、パケット拡張

パディングはパケットペイロードの後に追加することができます。OFDMA が使用され、送信機によって構築されるようなフレームがネゴシエートされた送信機会を満たすのに十分な長さではない場合に必要です。最適な帯域幅使用率を決定する計算は AP によって実行され、すべての送信が同時に開始および終了するように、送信にグループ化されたフレームのサブチャネル、MCS レート、および送信電力が変更されます。このような

CSMA/CA 競合メカニズムが正しく機能するためには、

802.11ax 以前のデバイスを含む、チャネル上の他のデバ

イスがチャネルを埋める特定の電力レベルの信号を認識する必要があるため、非常に重要です。パディングは、

前方誤り訂正 (FEC) 計算に含めることも、計算後に追加することもできます。

AP が効率よく動作しているなら (システムが最善の処理能力で動作していると仮定して)、非常に少ないパディングが使用されるでしょう。「短い」フレームがある場合は、常に MCS レートを下げて伝送のエラーレートを改善し、時間を長くすることができます。

データフィールドの後にテールビットを追加することができます。これらは BPC エラー訂正が LDPC のためではなく使用されるときだけ必要となります。このフィールドは 802.11ax 以前のものです。(バイナリー畳み込み符号 (BCC) は、誤りの訂正のため

に初期の 802.11 規格において使用されました。データレートが

増加するにつれて、BCC デコーダは複雑になり、そして今やより高いデータレートはより複雑さの低い代替案である低密度パリティチェック (LDPC) コーディングを使用します。)

(16)

パー 802.11A

X

16

パケット拡張フィールドはフレームの終わりに追加される場合があります。802.11 で初めて一部のチップが特定の機能を高速計算ハードウェアではなく低速ソフトウェアレイヤに移動させる可能性があることを認識して、受信機が独自のフレームで応答する前にフレームの内容を処理するための余分な時間を考慮します。受信したフレームを処理するために余分な時間を必要とするクライアントは、その要件を AP に知らせる必要があります。パケット拡張の許容値は 0、4、8、12、または 16 usec です。

パケット集約

パケットアグリゲーションは 802.11n で導入され、特にストリーミング動画が Wi-Fi を経由して送信される場合によく使用されています。

図18：MAC アグリゲーション

MAC アグリゲーションの価値は、より高いスループットとより大きなキャパシティのために、空間をより効率的に使用することにあります。これは 2 つの結果から生じます。

A-MSDU アグリゲーションは、シーケンスの最初のパケッ

トにのみ完全な MAC ヘッダーを必要とし、ヘッダーのオーバーヘッドを削減します。これは大きな効果ですが、

パケットごとの競合を排除することはより重要です。

A-MSDU と A-MPDU の両方のアグリゲーションで、送信機

は多くのパケットをカバーする送信機会をネゴシエートでき、競合オーバーヘッドを大幅に削減できます。

パケット集約は 802.11ax でも変更されていませんが、それでもネットワーク容量の最適化において重要な役割を果たしています。これは MU-MIMO、および OFDMA と連携して動作します。このホワイトペーパーに記載された

すべての OFDMA の図では、サブチャネル内のパケット

は頻繁に集約パケットとなっています。

マルチユーザーモードの制御

802.11ax には 2 つのマルチユーザーモードがあります。空間の

ダイバーシティを活用する MU-MIMO と、周波数次元の OFDMA です。どちらのモードでも、AP と複数のクライアントデバイス間で同時に双方向通信を行うことができ、802.11ax では共通の制御メカニズムが提供されています。

ダウンリンクとアップリンクは異なります。前者は事前のシグナリングを持たず、AP は適切なモードで送信を開始するだけで、パケットが到着すると受信機は同期します。しかし、マルチユーザー・アップリンク・トラフィックには、AP が MU-

MIMO グループと OFDMA リソースユニットをクライアントに

割り当て、その割り当てを知らせる特別な「トリガー」フレームが必要です。これには、AP がアップリンクトラフィック要件についてクライアントにポーリングすることが必要です。

ダウンリンクマルチユーザーコントロール

ダウンリンクマルチユーザ制御のための事前のシグナリングはありません。すべての関連情報は、パケットヘッダーにあり、

具体的にはダウンリンク・マルチユーザー・フレームにのみ含

まれる HE-SIG-B フィールドに含まれます。

(17)

パー 802.11A

X

.

HE-SIG-B は複雑なフィールドです。これは、AP がアドレ

ス指定しているクライアントの数や、一般的な情報とユーザー固有の情報の 2 種類の情報に応じて可変長になります。

共通フィールドは、使用される OFDMA サブチャネルまたは RU の構造を識別します (18× 26 RU または 2× 242 RU など)。すべての送信に共通の他の情報が含まれています。

共通フィールドの後には、複数のユーザー固有フィールドが続きます。AP はこれらのフィールドを使用して、空間ストリーム数、使用する MCS、およびビームフォーミングを使用するかどうかなど、各クライアントに送信する方法を正確に識別します。

802.11ax の仕様は、トランスミッターが割り当てられた

チャネルの全帯域幅を占有しながら、複数の 20 MHz チャネルにおいて同時に HE-SIG-B フィールドを形成することを要求します。したがって、AP が 80 MHz チャネルを使用している場合、AP は各 20 MHz サブチャネルに 1 つずつ、合計 4

つの HE-SIG-B フィールドを送信します。

HE-SIG-B フィールドは、それが従うべきフレームの意図さ

れた受信者であることをクライアント装置が発見するために必要とするすべての情報、およびそれが受信しそしてそのフレームを復号するために必要とする情報を提供します。

図20 では、ダウンリンクはマルチユーザーフレームが単純なフォーマットに従う方法を示しています。トリガーやシグナリングフレームは不要です。ただし、確認応答はアップリンク送信であり、マルチユーザーモードでは AP からの調整とトリガーフレームを必要とするため、確認応答を管理することはより困難になります。

トリガーフレームのオプションは、基本パケットプリアンブル内のブロック ACK 要求 (MU-BAR)、バッファステータス

レポート (BSRP)、帯域幅クエリレポート (BQRP)、およびアッ

プリンクマルチユーザ応答スケジューリング制御フィールドです。

図20：マルチユーザーダウンリンクモードの制御

(18)

パー 802.11A

X

18

ブロック ACK はダウンリンクＭＵモードと組み合わせ

て使用することができ、最大 4.096 ミリ秒の TXOP 限界まで同じ送信機会で送信される一組の MU ブロック ACK をダウンリンクデータフレームのグループの終わりまで延期することを可能にします。これにより、競合と複数の ACK によるオーバーヘッドが最小限に抑えられます。

(802.11ac はダウンリンクマルチユーザー MIMO を導入

しましたが、アップリンクマルチユーザーモードがなかったので、ダウンリンク MU 伝送の受信者は次々に確認応答しなければならず、トラフィックを無駄にしました。802.11ax アプローチは、802.11ac を改良したものです。)

アップリンクマルチユーザーコントロール

AP は最初にどのトラフィッククライアントが送信する準備ができているのかを発見する必要があるため、アップリンクはダウンリンクよりも複雑です。これに続いて、MU-MIMO グループ

と OFDMA RU の最適な割り当てを計算し、割り当て情報をクラ

イアントに通知して、計算結果を同期し、同時に送信する必要があります。

図22：マルチユーザーアップリンクモードの制御

(19)

パー 802.11A

. X

トリガーフレームフォーマットを上に示します。以下の情報が含まれています。

• アップリンク送信ウィンドウの長さ

• どのクライアントデバイスを送信するか

• 各クライアントデバイスでどの OFDMA RU を使用す

るか

• 各クライアントデバイスで使用される空間ストリーム数

• 各クライアントデバイスでどの MCS 変調レベルを使

用するか

•STBC のような機能をアップリンクで使用するかどうか

• クライアントの送信に必要な AP での信号強度 (これ

は、AP の送信電力レベル、クライアントの受信 RSSI レベル、およびチャネルの相互依存性の仮定を使用してクライアントによって計算されます)

•(アップリンク MU-MIMO は Wave 2 に延期されていますが、必要なフィールドはすべて 802.11ax 規格ですでに定義されています。)

以下に挙げたように、他の機能と連結することができるので、これは非常に広範に活用できるフレームです。

• 基本トリガーフレーム：これには追加機能はありま

せん。クライアントデバイスがいつどのように応答するかを指定します。

• ビームフォーミングレポートポール (BRP)： これは、クライアントデバイスからのビームフォーミングレポートを要求します。ユーザー情報のフィールドは、ビームフォーミングレポートのフォーマット方法を指定するものです。このフレームには共通フィールドはありません。

• マルチユーザーブロック ACK 要求 (MU-BAR)：このトリガー

フレームは、複数のクライアントデバイスから同時にブ

ロック ACK を要求します。ユーザー情報のフィールドに

は、確認するフレームを指定します。

• マルチユーザー送信要求 (MU-RTS)：このトリガーフレーム

は、シングルユーザー RTS-CTS と同様に、送信前に信号の衝突が無いよう確認するために使用されます。

• バッファ・ステータスレポートポール (BSRP)： このトリ

ガーフレームを使用すると、AP は、どのトラフィッククライアントデバイスが送信待ちのキューに入っているかを検出でき、AP はアップリンクトラフィックを効率的にスケジュールできます。

• 帯域幅クエリレポートポール (BQRP)：このトリガーフレー

ムは、クライアントデバイスに 20 MHz RF チャネルの占有状況を報告するように要求し、AP がアップリンクチャネルの使用を効率的に制御できるようにします。

• マルチユーザーブロック ACK 要求の再試行を用いるグループ

キャスト (GCR MU-BAR)：この脅威的なフレームは、AP がマ

ルチキャストグループを構築していて、グループの各メンバーからブロック Ack を要求するときに使用されます。

AP がアップリンクマルチユーザフレームのセットを開始したいときは、いつでも何らかの種類のトリガーフレームが必要とされます。

図23：マルチユーザーアップリンクモードの制御

(20)

パー 802.11A

X

20

トリガーフレームは、クライアントを該当する OFDMA RU

および MU-MIMO グループにマッピングするために使用

され、タイミングと MCS 変調レート情報、および送信電力ガイダンスを含みます。

指定された時間に、クライアントデバイスは割り当てら

れた RU または MIMO グループで送信を開始します。

AP は通常、アップリンクデータフレームに続いて確認応答フレームを送信します。これは、ブロック ACK (BA) フレームでクライアントを個別にアドレス指定するマルチユーザー送信、または 802.11ax 以前のフレームや、 802.11ax フレームに含まれる新しい「multi-STA BlockAck」フレームのいずれかとなります。

802.11ax マルチユーザーモードの AP スケジューリング

OFDMA とアップリンク MU-MIMO の追加により、AP は前の世

代の 802.11 では必要とされなかった追加機能を実行する必要

があります。ダウンリンクトラフィックとアップリンクトラフィックのスケジューリングは、負荷の高いシステムで最適なパフォーマンスを得るために重要になります。

802.11ac がダウンリンク MU-MIMO を導入すると、AP はダウンリンクトラフィックのバッファーを監視し、さまざまなパケットをグループ化して MU-MIMO グループのクライアントグループ全体で分散し、最大限に活用する方法を決定します。たとえば、伝送グループを埋めるためにバッファーを使用するのが最適な場合があります。

802.11ax では、グループの識別がより複雑になります。信

号強度 (AP からの遠近距離) を考慮すると、効率が向上する

可能性があります。将来的には、実際の配置からのデータが蓄積するにつれて、ビッグデータと機械学習がパフォーマンスを分析し、スケジューリングアルゴリズムを向上させる機会があるでしょう。

OFDMA を使用すると、ダウンリンクトラフィックグルー

ミング問題は新たな局面を見せます。AP はバッファーを予測して、MU-MIMO グループと OFDMA チャネル (およびそのクライアントのどれが 802.11ax 対応であるか) を考慮し、パケットを並べ替えてグループ化しなくてはなりません。

しかし、アップリンクはさらに複雑です。アップリンク MU- MIMO は 802.11ax Wave 2 に延期されますが、アップリンク OFDMA は 802.11ax 機器の初期 Wave の重要な機能となります。マルチユーザ操作では、AP がクライアントのバッファ状態とトラフィックストリームを学習し、次にアップリンクと同等の計算を行い、次にアップリンクマルチユーザ伝送をシグナリングして最適なシステムパフォーマンスを得るように調整する必要があります。

この機能はすでにセルラーシステムで使用されており、基地局はスケジューラアルゴリズムにかなりの専門知識と知的財産を組み込んでいます。802.11ax AP でも同様の発展が見込まれるはずです。

図24：ダウンリンク・マルチユーザー・モードの AP スケジューリング

(21)

パー 802.11A

X

図25：ダウンリンク ― アップリンク・マルチユーザー・カスケードフレーム交換

AP に利用可能な最も効率的なマルチユーザ方式は、

MU-MIMO と空間的に多重化されたマルチユーザフレー

ムのアップリンクセットとダウンリンクセットとをカスケードします (上記のように電波のみのダウンリンク

および OFDMA)。ダウンリンクパケットには Ack とトリ

ガーが含まれ、アップリンクには ACK も含まれるトリガーベースのフレームがあり、すべて AP によって制御および調整されています。

興味深いのは、802.11ax の新しいマルチユーザーモー

ドと AP による効率的なスケジューリングによって、

Wi-Fi システムがセルラーに近い (TDD + TDM/TDMA +

OFDMA) 方式で動作できることです。AP は、アップ

リンクおよびダウンリンクのための連続的なマルチユーザ送信機会をスケジュールすることができ、適切なトラフィックを用いて、従来の 802.11 プロトコルに関連するパケットごとのオーバーヘッドは、ほとんどなくなってしまうほど小さくなります。一方、クライアント数のスケーリングと OFDMA 帯域幅割り当ての粒度により、非常に広範囲のクライアント密度とトラフィックのシナリオに対応できます。

8 アンテナアクセス・ポイントとクライアントデバイス

802.11ac 規格は、アクセス・ポイントまたはクライ

アントが使用できる最大指定アンテナ数の 8 倍まで拡張されました。この場合、4 アンテナの 802.11ac アクセス・ポイントは多数ありますが、4 を超える機器ベンダーはありません。

802.11ax 規格では 8 アンテナの上限が維持されており、5G が「大

規模 MIMO」を採用するのと同じように、最大 8 アンテナで革新

的な 802.11ax 製品を開発する可能性があります。MU-MIMO 以外

の利点には、より多くのアンテナを使用したビームフォーミングおよび MRC、および AP による 1 および 2 アンテナクライアントデバイスのより効率的な空間グループ化が含まれます。

高密度の AP およびクライアントの状況、パフォーマンスに敏感

なアプリケーション、およびポイントツーポイントリンクが、考えられるシナリオの一部です。4 本以下のアンテナを備えた消費者用および企業用の量産アクセス・ポイントはまだありますが、

これらは現在ミッドレンジ製品になります。

クライアントがアンテナ数を増やす可能性は低いと見られます。

多くのスマートフォンやタブレットは 2 つの空間ストリームをサポートしています。これはパフォーマンスのニーズを満たすには十分で、追加のアンテナから得られるメリットは、AP がサポートできる全体的な容量、つまり以前よりも高いデータレートでより多くのクライアントが利用できるようになることです。

高次変調

新しい 802.11 物理層の修正が最高の変調レベルを向上させるのは

今では古く、802.11ax は 802.11ac に加えて 2 つの 1024 QAM レートを追加します。

(22)

パー 802.11A

X

22 図26：1024-QAM 変調

256 QAM から 1024 QAM に移行すると、25% のデータレートとスペクトル効率の向上のために、OFDM シンボルあたりのビット数が 8 から 10 に増加します。しかし、以前と同様に、この改善は信号レベルが高く、ノイズが低い最もきれいな条件に対してのみ有効です。これは、256 QAM の場

合は 16、64 QAM の場合は 8 のいずれかではなく、各軸に

沿った 32 の状態 (振幅と位相または直交)のいずれかを選択して、受信機が変調レベルについて決定する必要があるためです。

下のチャートは、80 MHz、1024 QAM 5/6、MCS-11) フレームをデコードするのに必要な受信電力レベルが -

45 dBm に近く、非常に高いレベルであることを示して

います。これはいくつかの 802.11ax レート表以下に示します (160 MHz チャネルは 2 x 80 MHz です)。

最初の表は、20、40、80 MHz チャネルのデータレート (単位 Mbps、短いガードインターバル) を示しています。

図27：802.11ax 受信感度の要件

(23)

パー 802.11A

X

表3：802.11ax 選択レート (Mbps、ショート GI)

(8x SS および MCS 11 の 160 MHz チャネルの最大レートは 9607.8 Mbps になりました。)

そして、以下の表はサブチャネルのデータレートを示しています (単位 Mbps、短いガードインターバルの場合)。

表4：802.11ax 選択レート (Mbps、ショート GI)

マルチユーザーモードでの送信電力制御

802.11ax のマルチユーザーモードでは、送信電力レベ

ルをより詳細に制御でき、ほとんどの制御は AP にあります。これは、クライアントのバッテリー寿命、および同一チャネル干渉を制限するのに役立ちます。例えば、クライアントは現在、高密度マルチ AP 展開で AP の電力が低下している場合でも最大電力で送信する傾向にあり、干渉半径が増加します。

サウンディングにより得られた結果として、AP は、クライアントがどのように信号を受信してるかを学習します。これにより、パス損失と RF チャネル状態を推定できます。したがって、

クライアントの特定の信号レベル、または多くの場合は信号対

雑音干渉 (SINR) レベルをターゲットにして送信電力を調整でき

ます。MCS とエラーレートは SINR に関連しているため、エラーレベルを下げるか、MCS や送信電力を上げてデータレートを上げて放送時間を短縮することで最適化を選択できます。

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