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» 2012年03月16日 19時08分 UPDATE

無線通信技術 Wi-Fi:「超」高速無線LANがやってくる、IEEE802.11ac/adが変えるモバイルの世界(技術編) (1/4)

2012年以降に実用化されるデータ伝送速度が1Gビット/秒超の高速無線LAN。既存のIEEE 802.11nに比べて大幅な高速化が図られている。そこにはどのような技術が採用されているのか? 「IEEE 802.11ac」と「IEEE 802.11ad」の高速化を支える技術的な側面に焦点を絞って解説しよう。

[前川慎光,EE Times Japan]

「超」高速無線LANがやってくる、IEEE802.11ac/adが変えるモバイルの世界(動向編)の続き。

無線通信技術の「進化」と「革新」

 動向編では市場動向や業界団体の取り組みを取り上げたが、今回はIEEE 802.11acとIEEE 802.11adの高速化を支えた、技術的な側面に焦点を絞って解説しよう。IEEE 802.11acやIEEE 802.11adは、いかにして高速化を図ったのか。そこには、無線通信技術が脈々と培ってきた「進化」と、今までになかった「革新」がある。

 要素技術の観点で言えば、無線通信のデータ伝送速度を大幅に高める方法は、それほど多くない。基本的には、「(1)帯域幅拡大」、「(2)変調信号の多値化(1回の変調で伝送できる情報量を増やす)」、「(3)空間リソースの活用(空間多重化、空間分割多元接続)」の3つだ(図1)。

図 図1 データ伝送速度を大幅に高める3つの手法 主に、「(1)帯域幅拡大」、「(2)変調信号の多値化(1回の変調で伝送できる情報量を増やす)」、「(3)空間リソースの活用(空間多重化、空間分割多元接続)」の3つがある。図の下側は、それぞれのイメージ図。 (クリックで拡大)

 これら3つの手法は、高速道路を走る自動車に例えると分かりやすい。この例えでは、データ伝送速度は、高速道路を走る自動車の数(車数)に相当する。1つ目の周波数帯域幅は、道路の幅である。道路の幅が広ければ自動車が並んで走れるため、車数も増やせる。2つ目の変調値は、道路の幅に詰め込める自動車の数だ。道路の幅が同じでも、自動車をたくさん詰め込んでしまえば、車数を増やせる。3つ目の空間多重化は、道路の車線の数に例えられるだろう。車線の数を2車線、3車線と広げると、走れる自動車の数も増える。そんなイメージだ。

 IEEE 802.11acでは、周波数帯域幅、多値化、空間多重化という3つの手法それぞれを高度化することで、高速化を図った(表1)。具体的には、IEEE 802.11nでは40MHz幅だった周波数チャネルを80MHz幅に拡大した。オプションで160MHz幅も規定した(図2)。多値化に関しては、IEEE 802.11nで最も高度な変調値だった64値QAM(Quadrature Amplitude Moduration)から、必須条件で64値QAM、オプションで256値QAMに増やした(図3)。さらに、空間多重の実現手法であるMIMO(Multiple Input Multiple Output)の構成数(最高規定)をこれまでの4×4から8×8と大きく増やした。

図 表1 IEEE 802.11nとIEEE 802.11ac、IEEE 802.11adに採用した技術の比較 (クリックで拡大)
図 図2 5GHz帯に割り当てられた無線LANの周波数チャネルの全体図 出典:EE Times (クリックで拡大)
図 図3 256QAMの多値変調を採用したときのコンスタレーション(変調シンボルの遷移をグラフ表示したもの) 多値化を進めると信号対雑音比(SN比)や変調精度の観点で、高周波回路に対する要求が厳しくなる。通信距離を伸ばすことも難しくなる。出典:National Instruments (クリックで拡大)

 多くの場合、データ伝送速度を高めることと、消費電力、通信距離、部品コスト、高周波回路に対する要求の厳しさは、トレードオフの関係にある。例えば、周波数帯域幅を増やすと1ビット当たりの送信電力が減り、通信距離は短くなる方向に働く。多値化を進めると信号対雑音比(SN比)や変調精度の観点で、高周波回路に対する要求が厳しくなる。通信距離を伸ばすことも難しくなる。

 さらに、MIMOの構成数を増やすと信号処理量が膨大になり消費電力が増加したり、高周波部品が多くなって実装面積や部品コストが増えてしまうといった具合だ。このようなトレードオフの関係を解消するための開発が、半導体ベンダー各社で進められている。

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