Wi-Fiネットワークでのデータ転送速度の進化

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（C）ウラルDu子





IEEE 802.11ワーキンググループは1990年に初めて発表され、25年にわたってワイヤレス標準に関する作業が継続されています。 主な傾向は、データ転送速度が常に増加していることです。 この記事では、技術開発の道筋をたどり、生産性の向上がどのように達成されたか、近い将来に何が期待されるべきかを示します。 読者は、無線通信の基本原理、つまり変調の種類、変調度、スペクトル幅などに精通していることが前提となります。 Wi-Fiネットワークの基本原則を知っています。 実際、通信システムの帯域幅を増やす方法は多くなく、それらのほとんどは802.11グループの標準を改善するさまざまな段階で実装されました。



物理的標準は、相互に互換性のあるa / b / g / n / acラインから検査されます。 802.11af（地上波テレビ周波数のWi-Fi）、802.11ah（IoTコンセプトを実装するように設計された0.9 MHz帯域のWi-Fi）、および802.11ad（モニターや外部ドライブなどの周辺機器の高速通信用のWi-Fi）の標準には互換性がありません一方、それらにはさまざまな応用分野があり、長い時間間隔でのデータ伝送技術の進化の分析には適していません。 さらに、セキュリティ標準（802.11i）、QoS（802.11e）、ローミング（802.11r）などを定義する標準は、データ転送速度に間接的にしか影響しないため、検討の余地があります。 以下、いわゆる総速度と呼ばれるチャネルについて説明します。これは、無線のサービスパケットの数が多いため、実際のデータ転送速度よりも明らかに大きいです。



最初のワイヤレス標準は802.11（レターなし）でした。 2.4 GHzの無線周波数と850〜950 nmの赤外線範囲の2種類の伝送媒体が想定されていました。 IRデバイスは普及しておらず、将来開発されませんでした。 2.4 GHz帯域では、スペクトル拡張のために2つの方法が提案されました（スペクトル拡張は現代の通信システムで不可欠な手順です）：周波数ホッピング法（FHSS）と直接シーケンス法（DSSS）を使用したスペクトル拡張。 前者の場合、すべてのネットワークは同じ周波数帯域を使用しますが、再構築アルゴリズムが異なります。 2番目のケースでは、2412 MHzから2472 MHzまでの5 MHzのステップの周波数チャネルが、今日まで生き残っています。 長さが11チップのBarkerシーケンスが拡張シーケンスとして使用されます。 この場合、最大データ転送速度は1〜2 Mbit / sの範囲でした。 当時、最も理想的な条件下でWi-Fi経由の有用なデータ転送速度がチャネルの50％を超えないという事実を考慮しても、そのような速度はインターネットへのモデムアクセスの速度と比較して非常に魅力的に見えました。



802.11で信号を送信するために、2位置と4位置の操作が使用されました。これにより、悪信号対雑音条件でもシステムの動作が保証され、複雑な送受信モジュールが不要になりました。

たとえば、2 Mbit / sの情報レートを実装するには、送信された各シンボルが11文字のシーケンスに置き換えられます。







したがって、チップ速度は22 Mbpsです。 送信サイクルごとに2ビット（4信号レベル）が送信されます。 したがって、操作速度は11ボーであり、同時にスペクトルのメインローブは22 MHzを占有します。これは802.11に適用される値であり、チャネル幅と呼ばれることがよくあります（実際、信号スペクトルは無限です）。







さらに、ナイキスト基準（単位時間あたりの独立パルスの数は最大チャネル伝送周波数の2倍に制限されています）によれば、5.5 MHz帯域でこのような信号を伝送できます。 理論的には、802.11形式のデバイスは、10 MHz離れたチャネルで十分に動作するはずです（少なくとも20 MHz離れた周波数でブロードキャストする必要がある標準のその後の実装とは異なります）。



非常に迅速に、1-2 Mbit / sの速度は十分ではなく、802.11bは802.11b標準に置き換えられました。この規格では、データ転送速度が5.5、11、および22（オプション）Mbit / sに増加しました。 ブロック（CCK）および超精密（PBCC）コードの実装により、エラー訂正コーディングの冗長性を1/11から½およびさらに2/3に削減することで、速度が向上しました。 さらに、変調ステップの最大数は、送信されるシンボル1つにつき8（1ボーあたり3ビット）に増加しました。 使用されるチャネル幅と周波数は変更されていません。 ただし、冗長性の低下と変調度の増加により、信号対雑音比の要件は必然的に増加しました。 （モバイルデバイスの省エネと法的制限により）デバイスの電力を増加させることは不可能であるため、この制限は、新しい速度でのサービスエリアのわずかな縮小に現れました。 1〜2メガビット/秒の継承速度でのサービスエリアは変更されていません。 周波数ホッピングの方法によってスペクトルを拡大する方法を完全に放棄することが決定されました。 Wi-Fiファミリーでは使用されなくなりました。



速度を54 Mbpsに上げる次のステップは、802.11a規格に実装されました（この規格は802.11b規格よりも早く開発され始めましたが、最終バージョンは後でリリースされました）。 速度の向上は、主に変調深度をシンボルあたり64レベル（1ボーあたり6ビット）に増やすことで達成されました。 さらに、無線周波数部分が根本的に改訂されました。直接シーケンス法によるスペクトルの拡大は、シリアル信号をパラレル直交サブキャリア（OFDM）に分離することによるスペクトルの拡大に置き換えられました。 48個のサブチャネルで並列伝送を使用することにより、個々のシンボルの持続時間を長くすることで、シンボル間の干渉を減らすことができました。 データ送信は5 GHz帯域で行われました。 1つのチャネルの幅は20 MHzです。







802.11および802.11b標準とは異なり、この帯域が部分的に重複していても、伝送エラーが発生する可能性があります。 幸いなことに、5 GHz帯域では、チャネル間の距離は同じ20 MHzです。



802.11g規格は、データ転送速度の点で画期的なものではありませんでした。 実際、この標準は、2.4 GHz帯域の802.11aおよび802.11bの編集になりました。両方の標準の速度をサポートしていました。



802.11n標準では（2.4 GHzと5 GHzの両方の帯域で）速度が大幅に向上しました。送信されたシンボル間のガードインターバルが減少したため、最大72メガビット/秒になりました。 さらに、帯域幅を増やすために、20 MHzで2つのチャネルを組み合わせて150 Mbpsを取得することができました。 ただし、これは速度を向上させる最良の方法ではありません。2.4MHzの範囲では、40 MHzの拡張チャネルは1つしか適合しません。 速度を上げるもう1つの方法は、MIMOテクノロジーでした。同じ周波数で動作する複数のトランシーバーの使用です。 チャネルの分離は、アンテナの空間的多様性と、異なるアンテナで受信した信号の数学的操作により発生します。電波のマルチパス伝搬により異なります。 皮肉なことに、以前はネットワーク上のデータ送信に悪影響を与えていたのはマルチパス効果でしたが、エンジニアはこの病気を偉業と特定し、このスプリアスファクターを機能させて速度を上げることができました。 802.11n規格は、MIMO 4x4：4（4つの独立したチャネル）をサポートし、最大600 Mbpsの速度を提供します。







ただし、この技術には、デバイスの無線部品の高品質製造が必要です。 さらに、これらの速度は基本的にモバイル端末（Wi-Fi規格の主なターゲットグループ）では実行不可能です：十分なダイバーシティを備えた4つのアンテナの存在は、スペースの不足と十分な不足の両方の理由で、小型デバイスに実装できません4つのエネルギートランシーバー。



ほとんどの場合、600 Mbit / sの速度はマーケティング策略に過ぎず、実際には同じ部屋に設置された固定アクセスポイント間でのみ良好なS / N比で実現できるため、実際には実行できません。



伝送速度の次のステップは、802.11ac規格によって実行されました。規格で規定されている最大速度は最大6.93ギガビット/秒ですが、実際、このような速度は市場のどの機器でもまだ達成されていません。 帯域幅を80に、さらには最大160 MHzに増やすことで、速度が向上しました。 このような帯域は2.4 GHz帯域では提供できないため、802.11ac規格は5 GHz帯域でのみ動作します。 速度を上げるもう1つの要因は、変調深度がシンボルあたり256レベル（1ボーあたり8ビット）に増加することです。残念なことに、このような変調深度は、信号対雑音比の要件の増加により、ポイント付近でしか取得できません。 これらの改善により、速度を最大867 Mbpsに上げることが可能になりました。 残りの増加は、前述の8x8：8 MIMOストリームによるものです。 867x8 = 6.93ギガビット/秒 MIMOテクノロジーが改善されました。Wi-Fi規格で初めて、1つのネットワーク内の情報を、異なる空間ストリームを使用して2人の加入者に同時に送信できるようになりました。



より視覚的な形式では、表の結果は次のとおりです。







次の表に、スループットを向上させる主な方法を示します。「-」-メソッドは適用できません。「+」-この要因により速度が向上しました。「=」-この要因は変更されませんでした。



冗長性を削減するためのリソースはすでに使い果たされています。エラー訂正コード5/6の最大速度は802.11a標準で達成されており、それ以降は増加していません。 変調の深さを増やすことは理論的には可能ですが、次のステップは1024QAMです。これは、S / N比を非常に要求し、最終的に高速でアクセスポイントの範囲を縮小します。 これにより、トランシーバーのハードウェアの実行要件が増加します。 シンボル間保護間隔を短縮することも、速度を向上させる方向にはなりそうにありません。その削減は、シンボル間干渉によって引き起こされるエラーを増加させる恐れがあります。 独立したセルを編成する可能性は非常に限られているため、160 MHzを超えるチャネル帯域の増加もほとんど不可能です。 さらに現実的でないのは、MIMOチャネルの数の増加です。モバイルデバイスにとっては、2つのチャネルでさえ問題です（電力消費とサイズのため）。



記載されている伝送速度を上げる方法のうち、大半はアプリケーションの支払いとして有効なカバレッジエリアを使用します：波の帯域幅（2.4から5 GHzへの遷移）が減少し、信号対雑音比の要件が増加します（変調度を上げ、コード速度を上げます）。 そのため、Wi-Fiネットワークの開発では、データ転送速度を優先して、1つのポイントがサービスを提供するエリアを削減するために絶えず努力しています。



利用可能な改善領域として、次を使用できます。ワイドチャネルの加入者間でのOFDMサブキャリアの動的配信、サービストラフィックの削減を目的としたメディアアクセスアルゴリズムの改善、および干渉補償技術の使用。



上記を要約すると、Wi-Fiネットワークの開発動向を予測しようとします。ワイヤレステクノロジーに質的な飛躍がなければ、次の規格がデータ転送速度を大幅に高めることはないと思われます（2〜3倍以上とは思わない）：ほぼすべての可能性定量的成長が尽きました。 カバレッジの密度を上げる（電力制御によりポイントの半径を小さくする）ことと、加入者間の既存の帯域のより合理的な分配により、データ転送に対するユーザーのニーズの増大を保証することが可能になります。



一般に、サービスエリアの減少に向かう傾向は、現代のワイヤレス通信の主な傾向のようです。 一部の専門家は、LTE規格が帯域幅のピークに達しており、限られた周波数リソースに関連する根本的な理由でこれ以上開発できないと考えています。 そのため、欧米のモバイルネットワークではオフロードテクノロジーが開発されています。いずれにせよ、電話は同じ事業者のWi-Fiに接続します。 これは、モバイルインターネットを保存する主な方法の1つと呼ばれます。 したがって、4Gネットワ​​ークの開発におけるWi-Fiネットワークの役割は、低下しているだけでなく、増加しています。 これは、テクノロジーにとってこれまでにない高速の課題です。