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Keysight Technologies
IEEE802.11ac
規格と
RF 測定
Application Note
はじめに
1990 年、無線 LAN の統一規格を作成するためのワーキンググ ループである802.11 が設立されてから 20 年以上が経ちました。 その間、IEEE802.11 は市場の要求に答えるべく、802.11a/b/g と新たな規格を作ってきました。 そして、実効速度 100MBps というさらなる高速化を実現し、新 たにMIMO 技術を使用した規格、802.11n が 2009 年に策定さ れ、現在広く用いられています。 しかしながら昨今では無線 LAN も単なるデータ通信用途だけで はなく、音声や高画質映像のストリーミングなどリアルタイム性 の要求も高まり、さらに高速な通信が必要となっています。その 要求に答えるべく2013 年に 802.11n を拡張し、1GB/s のスル ープットを目指す802.11ac 規格が策定予定です。 本アプリケーション・ノートではIEEE802.11ac の規格と RF 測定 について説明します。 本 ア プ リ ケ ー シ ョ ン で は www.ieee802.org か ら 最 新 の 802.11ac ドラフト仕様、IEEE P802.11ac™/D3.1 を参照していま す。内容
はじめに
... 2
１．無線
LAN 各規格の位置付け ... 3
２．802.11ac の使用周波数 ... 4
３．802.11n 技術との違い ... 4
４．パケットフォーマットとサブキャリア配置 ... 5
５．MCS Index ... 7
６．Multi User MIMO... 8
７．RF テスト項目 ... 9
８．まとめ ... 10
付録
A Keysight 関連製品 ... 11
１．無線
LAN 各規格の位置付け
802.11ac の説明に進む前に、現在使用されている IEEE802.11 各規格の概要を表 1 にまとめます。802.11b 以外の規格で OFDM が用いられています。802.11n は 802.11a/g の拡張、 802.11ac は 802.11n の 拡 張 規 格 と 言 え ま す 。 周 波 数 は 2.4GHz 帯と 5GHz 帯が用いられています。 表 1 無線 LAN 各規格のまとめ 規格 周波数 帯域幅 変調方式 最大データレート 802.11b 2400~2483.5MHz(ch1~13) 2471～2497MHz(ch14) 26MHz 以下 DSSS/CCK （スペクトラム拡散） 11Mbps 802.11g 2400~2483.5MHz(ch1~13) 26MHz(CCK) 18MHz(OFDM) DSSS/CCK OFDM 11Mbps 54Mbps 802.11a 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz 18MHz 以下 OFDM 54Mbps 802.11n 2400~2483.5MHz(ch1~13) 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz 18MHz 以下 38MHz 以下 OFDM 600Mbps （実効レート 100Mbps～） 802.11ac 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz 18MHz 以下 38MHz 以下 80MHz 以下1 160MHz 以下1 OFDM 6.93Gbps (スループット 1Gbps ~ ) 1 規格策定前のためチャネル幅を記載２．802.11ac の使用周波数
802.11ac は 802.11a や 802.11n が使用している 5GHz 帯域を 使用します。なお、5GHz 帯の中で 5.2GHz 帯、5.3GHz 帯は屋 内 専 用 、5.6GHz 帯 は 屋 外 利用 可 能 と な って い ます 。 ま た 5.3GHz 帯、5.6GHz 帯は、気象レーダが使われている帯域のた め、レーダを探知したチャネルは一定期間使用することができま せん。 802.11ac は 802.11n と同様の 20MHz, 40MHz のチャネルに 加えて80MHz, 160MHz のチャネルを使用することが可能です。 さらに連続した 160MHz 帯が確保できない場合においても 160MHz 伝送と同等の伝送速度を実現する 80+80 MHz non-contiguous mode が定義されています。設定可能な 80+80MHz non-contiguous チャネル配置を含む日本における具体的な周 波数割り当てを図1 に示します。 なお、国内では2012 年 12 月現在、法制度化がされていないた め80MHz、160MHz のチャネルは使用することができません。 図 1 日本における周波数割り当て（図中数字はチャネル番号）３．802.11n 技術との違い
802.11ac の物理層は 802.11n 規格の拡張であり、下位互換性 があります。表 2 は 802.11n の主な仕様、表 3 はどのように 802.11ac が拡張しているかが示されています。802.11n の理論 的な最大データレートは 40MHz 帯域、4 ストリームを使用した 時の 600MB/s となります。ただし多くのコンシューマ・デバイス は 2 ストリームに限られています。この場合最大のデータレート は300MB/s です。 802.11ac の理論的な最大データレートは 6.93Gb/s です。これ は160MHz 帯域、8 ストリーム、256QAM を用いた MCS9、ショ ート・ガード・インターバルを使ったときの値です。コンシューマ・ デバイスのより現実的な最大データレートの例として 80MHz、4 ストリーム、MCS9、ノーマル・ガード・インターバルを用いたと場 合1.56GB/s となります。 表 2 802.11n の主要な仕様 特性 必須 オプション 伝送方式 OFDM チャネル帯域 20 MHz 40 MHz FFT サイズ 64 128 サブキャリア数 / パイロット 52 / 4 108 / 6 サブキャリア間隔 312.5 kHz OFDM シンボル間隔 4 us 3.6 us ＋ショート・ガード・インターバル 変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM前方誤り訂正 Binary convolutional coding (BCC) Low density parity check (LDPC) コーディング・レート 1/2, 2/3, 3/4, 5/6
MCS 対応 0 to 7, 0 to 15 for access points 8 to 76, 16 to 76 for APs MIMO ストリーム数 1, 2 for access points
direct mapping 3 or 4 streams Tx beamforming, STBC オペレーティングモード / PPDU フォーマット Legacy/non-HT (802.11a/b/g)
表 3 802.11ac の主要な仕様
特性 必須 オプション
チャネル帯域 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz 160 MHz, 80+80 MHz
FFT サイズ 64, 128, 256 512
サブキャリア数 / パイロット 52 / 4, 108 / 6, 234 / 8 468 / 16
変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 256QAM
MCS 対応 0 to 7 8 and 9
MIMO ストリーム数 1 2 to 8
Tx beamforming, STBC
Multi-user MIMO (MU-MIMO)
オペレーション・モード / PPDU フォーマット Very high throughput / VHT
４．パケットフォーマットとサブキャリア
配置
フレーム構造内のプリアンブルとトレーニング・フィールドにより 受 信 機 は 物 理 層 の 規 格 を 自 動 で 認 識 し ま す 。802.11n と 802.11ac のプリアンブルフォーマットを図 2 に示します。 Legacy (non-HT, non-VHT) STF, LTF,や SIG は下位互換性を保 つために送信されます。
VHT プリアンブルを詳細に見ていくと、まず 20MHz よりも広い 帯域ではLegacy フィールドはそれぞれの 20MHz サブバンドに 適切な位相回転をして複製されています。サブキャリアは Peak-to-average Power ratio（PAPR）を減らすために 90 度または 180 度回転されます。VHT 伝送であることを示すため、そして自 動識別可能にするための VHT-SIG-A の 1 番目のシンボルは BPSK となり、2 番目の VHT-SIG-A シンボルは 90 度位相が 回 転している BPSK(QBPSK)となります。802.11n の HT-SIG はど ちらのシンボルも QBPSK 変調を用いているので VHT-SIG と HT-SIG は異なっています。VHT-SIG-A フィールドは VHG パケ ットの情報、すなわち 帯域、ストリーム数、ガード・インターバル、 コーディング、MCS、ビーム・フォーミングが要求されます。プリア ンブル中の残りのフィールドは VHT デバイスのみに対して使用 されます。VHT-STF は MIMO における自動ゲイン・コントロール の推定に使われます。次に受信機が送信と受信のアンテナ間 の MIMO チャネルを推測するためのロング・トレイニング・シー ケンスがあります。VHT-LTF の数はスペース・タイム・ストリーム の数に依ります。 1, 2, 4 の VHT-LTF のマッピングは 802.11n と同じです。6 もしく は8 の VHT-LTF が追加されています。 VHT-SIG-B フィールドはシングルもしくはマルチユーザモードに おけるデータ長とMCS を記述しています。 次にサブキャリア配置について見ていきます。20MHz、40MHz チャネルではサブキャリア数とパイロットは 802.11n と同じです。 80MHz チャネルに新規の値が定義されています。図 3、図 4 に キャリア配置を示します。160MHz と 80+80MHz チャネルは 2 つの80MHz と同様に定義されます。 まず、プリアンブル部分ですが、80MHz の帯域幅では 40MHz の帯域幅のサブキャリア配置を2 つならべ、160MHz の帯域幅 では80MHz の帯域幅のサブキャリア配置を 2 つならべていま す。一方、データ部分のサブキャリア配置は、80MHz の帯域幅 では242 本、160MHz の帯域幅では 484 本のサブキャリア数と なっています。 図 2 802.11n/ac のプリアンブルフォーマット
図 3 キャリア配置 - プリアンブル
５．MCS Index
MCS 番号は 802.11n と番号の付け方が変わりました。802.11n では 0～76 までの番号ですべての状態を表していましたが 802.11ac では各帯域幅、ストリームの数において 0～9 までの MCS 番号を使用し、変調方式、符号化率、GI 時間、データレー トの状態を表す形に変更されました。 表4 は 20MHz の帯域で 1 ストリームの時の状態になります。 Mandatory となっていますが MCS8, 9 は全条件で Optional で す。表 5 は最大の帯域幅である 160MHz、最大のストリーム数 である8 ストリーム時の状態になります。MCS9 の時、最大の転 送レート6933.3Mbps が実現されます。表 4 VHT MCSs for mandatory 20MHz, NSS = 1 （MCS 8, 9 は Option）
MCS
Index Modulation R NBPSCS NSD NSP NCBPS NDBPS NES Data Rate(Mb/s)
800ns GI 400ns GI 0 BPSK 1/2 1 52 4 52 26 1 6.5 7.2 1 QPSK 1/2 2 52 4 104 52 1 13.0 14.4 2 QPSK 3/4 2 52 4 104 78 1 19.5 21.7 3 16-QAM 1/2 4 52 4 208 104 1 26.0 28.9 4 16-QAM 3/4 4 52 4 208 156 1 39.0 43.3 5 64-QAM 2/3 6 52 4 312 208 1 52.0 57.8 6 64-QAM 3/4 6 52 4 312 234 1 58.5 65.0 7 64-QAM 5/6 6 52 4 312 260 1 65.0 72.2 82 256-QAM 3/4 8 52 4 416 312 1 78.0 86.7 9
Note: MCS9 is invalid due to mod (NCBPS/NES, DR) not being equal to 0.
R –Coding Rate, NBPSCS – Bits/Subcarrier (per Spatial Stream) , NSD – Modulated Data Symbols,
NSP – Pilot Symbols, NCBPS – Coded Bits/Symbol, NDBPS – Data Bits / Symbol,
NES –Data Field BCC Encoders
表 5 VHT MCSs for optional 160 MHz, NSS = 8 MCS Index Modulation R N BPSCS NSD NSP NCBPS NDBPS NES Data Rate(Mb/s) 800ns GI 400ns GI 0 BPSK 1/2 1 468 16 3744 1872 1 468.0 520.0 1 QPSK 1/2 2 468 16 7488 3744 2 936.0 1040.0 2 QPSK 3/4 2 468 16 7488 5616 3 1404.0 1560.0 3 16-QAM 1/2 4 468 16 14976 7488 4 1872.0 2080.0 4 16-QAM 3/4 4 468 16 14976 11232 6 NA 36120.0 5 6 64-QAM 3/4 6 468 16 22464 16848 8 4212.0 4680.0 7 64-QAM 5/6 6 468 16 22464 18720 9 4680.0 5200.0 8 9 256-QAM 5/6 8 468 16 29952 24960 12 6240.0 6933.3 Note: MCS9 is invalid due to mod (NCBPS/NES, DR) not being equal to 0.
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６．Multi User MIMO
従来の WLAN 規格ではアクセスポイントとデバイス間は 1 スト リームのみです。MIMO 伝送が 802.11n から取り入られること により、2 つ以上の完全に分離した伝送・受信チェーンで通信す ることが可能になりました。802.11n に用いられている MIMO の 目的は単一ユーザのデータレートを上げることです。ここでいう“MIMO”すなわち”Multi Input Multi Output”の“Input”と“Output” はRF コンポネンツを含む送信機と受信機の伝達経路、いわゆる “チャネル“に対する入出力です。2 つの送信機を持ったアクセス ポイントから 2 つのチャネルに入力がある場合”MI”と表し、逆に 2 つの受信機を持つデバイスに対してチャネルから 2 つの出力 がある場合”MO”と表します。
Single Input Single Output (SISO) は多くシステムにおける標準的な伝送モードです。より複雑な システムの容量や測定されるデータレートはSISO と比較して表されます。
Single Input Multiple Output は受信ダイバーシティと呼ばれます。一つの送信機から単一のデ ータストリームが2 つの受信機に送られます。S/N が悪い場合の受信データの品質の向上が 目的です。エラー率や再送の減少によるデータレートの向上が期待できますがデータ容量は 変わりません。
Multiple Input Single Output は送信ダイバーシティ技術です。送信機が同じデータを違うタイミン グで送る”Space Time Block Coding”が信号のロバストネスを向上するために使われます。
左図にあるように独立したデータを 2 つの送信機と２つの受信機で送受する Multiple Input Multiple Output は”Spatial Multiplexing”とも知られています。 それぞれの受信機は送信機から の出力の合成であるチャネルの出力を見ます。チャネル推定技術を使って受信機は２つのデ ータストリームを分け、データを復調するために行列式を用います。ストリーム間で最大の相 関除去ができる理想的な状態であればデータ容量は2 倍になりますが実際にはシステムに は必ずノイズが乗ります。S/N が良くかつアンテナ間の相関が低いほど理論値に近づきます。
現在の802.11n のコンシューマ・デバイスは MIMO をサポートしていても 2 つの Spatial Stream のみサポートしている製品が多くを占めています。最大ストリーム数が8 の 802.11ac でも当面 は2～4 ストリーム程度となるのではないかと言われています。
802.11ac に取り入られた新しい技術として Multi-user MIMO (MU-MIMO)があります。MU-MIMO は個々のデバイスのデータレートは変えずに効率的にネットワーク全体のスループットを向上 します。802.11n で採用しているシングルユーザ MIMO 技術は、1 対 1 の通信ですのでアクセ スポイントと 1 つのデバイスが通信している間、他のデバイスは通信できません。またアクセ スポイントがMIMO 機能を持っていたとしても端末側が SISO であれば SISO 通信をすることに なるためこの点からもシステムの効率は良くありません。 一方、MU-MIMO はアクセスポイントが持っている MIMO のストリームを各端末デバイスに割り 当て、各デバイスと同時通信が可能になりますのでシステム効率が上がります。802.11ac の MU-MIMO は最大 4 ユーザ、1 ユーザにつき最大 4 ストリーム、1 システムあたり最大 8 ストリ ームまでの使用が可能です。 図 5 伝送モード
７．RF テスト項目
802.11ac の送信、受信テストを表 4 に示します。802.11n と似 ていますが 802.11ac で加わった規格をカバーするべくいくつか 新たな定義と仕様が追加されています。ここでは 802.11ac ドラ フト仕様（Draft 3.1）から送信系の仕様、22.3.19 と受信系の仕 様 22.3.20 を引用しています。80、160MHz のスペクトラル・マ スク試験は 100kHz の RBW, 30kHz の VBW で測定される 40MHz のマスクの拡張です。80+80MHz ではマスクは離れた 周波数における80MHz マスクの和になります。（図 6） 表 6 テスト項目 送信系試験 受信系試験Transmit Spectrum Mask Receiver Minimum input level sensitivity Spectral Flatness Adjacent channel rejection
Transmit center frequency and symbol clock frequency tolerance Nonadjacent channel rejection Modulation Accuracy
– Transmit center frequency leakage
– Transmitter constellation error and Transmitter modulation accuracy(EVM)
Receiver maximum input level
Clear channel assessment(CCA) sensitivity RSSI 図 1 中心周波数が 160Mhz 離れている場合の 80＋80MHｚモードのスペクトラル・マスク (出典元：IEEE P802.11ac™/D3.1) 表 7 は 802.11n と 802.11ac のスペクトラル・フラットネスの仕 様 で す 。802.11ac Draft 3.1 で 記 載 さ れ て い る リ ミ ッ ト は 802.11n-2009 で定められている 802.11n のリミットに対して 2dB 緩和されています。ちなみに 802.11-2012 では 802.11n の 5GHz 帯の仕様が 802.11ac と同じ値に変更されました。 (2.4GHz 帯では 802.11n-2009 から変更はありません。)
表8 は 802.11n と 802.11ac の Relative Constellation Error (RCE) (= EVM)の仕様です。256QAM が追加されコーディング・ レート5/6 のときに最も厳しい-32dB となります。また 802.11n の 5GHz 帯における 64QAM, コーディング・レート 5/6 時の EVM 仕様は 802.11n-2009 では-28dB, 802.11-2012 では -27dB に変更になっています。こちらも 802.11ac に合わせる形 となっています。
表 7 スペクトラル・フラットネスの仕様 帯域 (MHz) 平均パワーを算出するための サブキャリア テストするサブキャリア インデックス 802.11n 最大偏差(dB) IEE802.11n-2009 802.11ac 最大偏差(dB) 20 -16 ～-1 +1 ～+16 -16 ～-1 ,+1 ～+16-28 ～-17, +17 ～+28 +/- 2+2 / -4 +/- 4+4 / -6 40 -42 ～-2 +2 ～+42 -42 ～-2, +2 ～+42-43 ～-58, +43 ～+58 +/- 2+2 / -4 +/- 4+4 / -6 80 -84 ～-2 +2 ～+84 -84 ～-2, +2 ～+84-122 ～-85, +85 ～+122 +/- 4+4 / -6 160 -250 ～-6 +6 ～+250 -250 ～-6, +6 ～+250 +4 / -6 40 Non-HT Duplicate -42 ～-33, -31 ～-6, +6 ～+31, +33 ～+42 -42 ～-33, -31 ～-6, +6 ～+31, +33 ～+42 -43 ～-58, +43～+58 +/- 2 +2 / -4 +/- 4 +4 / -6 80 Non-HT Duplicate -84 ～-70, -58～ -33, -31 ～-6, +6 ～+31, +33 ～+58, +70 ～+84 -84 ～ -70, -58 ～-33, -31 ～-6, +6 ～+31, +33 ～+58, +70 ～+84 -122 ～-97, -95 ～-85, +85 ～+95, +97 ～+122 +/- 4 +4 / -6 表 8 Transmitter Relative Constellation Error (RCE) （＝EVM）
Modulation Coding Rate 802.11n
RCE(dB) 802.11n-2009 802.11ac RCE (dB) BPSK 1/2 -5 -5 QPSK 1/2 -10 -10 QPSK 3/4 -13 -13 16QAM 1/2 -16 -16 16QAM 3/4 -19 -19 64QAM 2/3 -22 -22 64QAM 3/4 -25 -25 64QAM 5/6 -28 -27 256QAM 3/4 N/A -30 256QAM 5/6 N/A -32
８．まとめ
802.11ac は 1GB/s を達成するため 80MHz, 160MHz の広帯 域の追加、256QAM 変調の追加、MU-MIMO の採用といった技 術が採用されています。しかしながらこのような複雑な仕様を採 用することにより開発には 802.11n に比べ厳しいチャレンジが 必 要 で ある と 言 え るで し ょう 。 キ ー サ イ ト ・ テ ク ノロ ジ ー で は 802.11ac の 160MHz 帯域、MIMO に対応した、送信・受信測定 ソリューションをご提供することが可能です。付録
A Keysight 関連製品
信号生成ソリューション
N7617B Signal Studio for WLAN 802.11a/b/g/n/ac
Signal Studio は basic 802.11ac option (GFP) と advanced 802.11ac option (TFP)の 2 つのオプションがあります。使用する信 号が限定的である部品テストにはGFP、受信機の感度測定などのテ ストにはTFP が推奨です。 主な特長: BCC または LDPC チャネルコーディングを含む 802.11ac 信号の 生成 全ての変調とコーディング・レート(MCS 0-9）に対応 1 台の信号発生器で 20, 40, 80, 160MHz 帯域までの信号生成に 対応（最大帯域はハードウェアに依存） RF コンバイナと 2 つの信号発生器を使うことにより 80+80MHz 信号の生成可能 柔軟なSpatial Stream 構成によりシングルまたは 4 ストリーム・ アンテナまでのマルチ・ユーザMIMO（MU-MIMO）に対応
信号発生器、N5172B, N5182A/B, E4438C, E8267D と N5106B PXB ベースバンド・ジェネレータ＋チャネル・エミュレータ（E8267D はMIMO 未対応）に対応
N5182B MXG Vector Signal Generator1
主な特長: 9 kHz ～ 6 GHz 内蔵ベースバンド・ジェネレータで160 MHz までの RF 変調帯域 1GSa ベースバンド・メモリ搭載 外部I/Q 入力で 200 MHz バンド幅 ビルトインI/Q スキューとチャネルコレクション機能で EVM 性能の 改善 複数の EXG のベースバンド・ジェネレータをシンプルに同期させ MIMO に対応 オプション012 により MIMO のための位相同期を実現
N5172B EXG Vector Signal Generator1
主な特長: 9 kHz ～ 6 GHz 内蔵ベースバンド・ジェネレータで120 MHz までの RF 変調帯域 512 MSa ベースバンド・メモリ搭載 外部I/Q 入力で 200 MHz バンド幅 ビルトインI/Q スキューとチャネルコレクション機能で EVM 性能の 改善 複数の EXG のベースバンド・ジェネレータをシンプルに同期させ MIMO に対応 オプション012 により MIMO のための位相同期を実現
信号解析ソリューション
89600 Vector Signal Analysis Software Option BHJ 802.11ac 変調解析ソフトウェア
主な特長:
全ての帯域と変調方式に対応
自動またはマニュアル検出による4Spatial stream に対応
EVM, OFDM エラー、IQ パラメータ、シングルチャネルとクロスチャ ネルパワー測定に対応
ストリームごとの EVM、チャネル周波数応答、チャネル・マトリック ス、Condition Number を含む MIMO 測定に対応
OFDM データ・バースト情報と VHT-SIG 情報の表示 様々なハードウェアの構成に対応しているので性能、帯域、チャ ネル数の要求に柔軟に対応できます。 シグナルアナライザ、80000、90000 シリーズオシロスコープ、PXI モジュールなどに対応しています。 対応ハードウェアについて詳しくは Technical Overview 5990-6389EN をご確認ください。
N9077A WLAN 802.11ac Measurements Application 主な特長: 全ての802.11a/b/g/n/ac 規格に対応 ワンボタンでIEEE 規格、送信項目の Pass/Fail 測定が可能 PXA などの X-series シグナルアナライザの内部で駆動 容易に自動測定プログラムの構築が可能
N9030A PXA Signal Analyzer
主な特長: 2Hz – 最大 50GHz 最大160MHz 帯域 89600VSA と同様 25 の内蔵測定アプリケーションに対応 表示平均雑音レベル -172dBm/Hz 残留EVM 0.4%(実測値)
Wideband MIMO PXI Signal Analyzers
主な特長: 10 MHz ～ 26.5 GHz 4 チャネルの位相同期可能なダウンコンバータを使用 最大2GSa/s、12 bit レンジのデジタイザを使用 89600VSA と使用すること 最大 800 MHz 帯域 1 シャーシで最大 4 チャネル搭載可能
付録
B 関連文献
IEEE P802.11ac/D3.1
Testing New-generation Wireless LAN Application Note, 5990-8856EN N7617B Signal Studio for WLAN 802.11a/b/g/n/ac
Technical Overview, 5990-9008EN
89601B/BN-B7R, 89601B/BN-B7R, 89601B/BN-B7Z WLAN
Modulation Analysis VSA Software Technical Overview, 5990-6389EN
MXG/EXG Xシリーズ標準信号源, 5990-9957JAJP
N9077A & W9077A WLAN X-series Measurement Application Technical Overview, 5990-9642EN
Testing Very High Throughput 802.11ac Signals Application Note, 5990-9987EN
次世代802.11ac無線LANトランスミッタのデザイン検証, 5990-9872JAJP
MIMOの基礎とMIMO受信機の性能試験, 5991-0671JAJP MIMO無線LAN物理層の測定, 5989-3443JAJP
©Keysight Technologies. 2015
Published in Japan, August 13,2015 5991-1012JAJP 0000-08A www.keysight.co.jp
