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ネットワーク(無線LAN)

無線LANや関係する周辺技術を徹底解剖し解説

進化し続ける無線ネットワーク技術を理解し使いこなしプライベートやパブリックなあらゆる環境やシチュエーションで活用し、ライフスタイルに取り入れよう。

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APが端末を認識する仕組み

APと端末を認識する仕組み

上記のインフラストラクチャモードでは、必ずアクセスポイントを経由して通信するため、アクセスポイントが重要な役割を果たす。

無線端末は「SSID(Service Set ID)」と呼ばれる一種の符合でアクセスポイントを区別し、接続先のアクセスポイントを見つけている。

アクセスポイント(正確にはBSS)は必ずSSIDを持っており、クライアントへ通知することで自らの存在を明らかにする。

つまり、SSIDはBSSを区別する識別子である。

ただし、ESSの場合は複数のアクセスポイントが同じSSIDを持つことになるので、SSIDではなく「ESSID(Extended SSID)」と呼ぶ。

ESSの場合、無線端末は同じSSID(ESSID)のビーコンを複数受信することもある。

しかし、各ビーコンには「BSSID(Basic SSID)」と呼ばれるアクセスポイント固有の識別子が含まれるため区別できる。

BSSIDはアクセスポイントのMACアドレスそのものである。

無線端末は、ビーコンの信号強度からどのアクセスポイントへ接続するかを判断する。

すでに接続済みの無線端末も、ビーコンの信号強度などを参考にしてローミングの判断を行なう。

アドホックモードでも、SSIDやビーコンを備えている。

ビーコンは各無線端末が持ち回りでブロードキャストするなど分散型のメカニズムが採用されている。

 

無線LAN - 伝送速度

無線LANでは、電波信号の強度(セルの範囲)により伝送速度が異なります。

そしてこの伝送速度は、段階的な定められた速度になります。

例えば、IEEE802.11b の場合は11Mbpsのセル範囲よりも外に位置する無線LANクライアントの通信速度は少しずつ遅くなるのではなく、規格上の理論上の速度は11Mbpsの次はいきなり5.5Mbpsとなります。

無線LANクライアントはフォールバック機能というものにより信号強度に応じて伝送速度を自動調整します。

※ IEEE802.1g のセル範囲に対する理論上の伝送速度は、変調方式により上記で記載した以外の伝送速度になる場合もあります。

 

電波に関して

アンテナと垂直な方向に電波は飛ぶ。

無線の電波は、アンテナと垂直な方向が強く、水平方向は弱い。

アンテナが可変の親機なら、傾きを調整することで、電波状態が良くなることがある。

障害物は電波を弱くする。

親機とパソコンの間に障害物があると、電波の状態が悪くなる。

障害物の影響を受けないように、パソコンと同じ程度の高さに親機を置くのが望ましい。

 

チャンネルボンディング

使用する帯域を倍にして、2倍の速度を出す IEEE802.11nは、従来のIEEE802.11a/gよりも一桁速い通信速度を実現しているが、そのために採用された高速化技術の中でもキモとなるのが、「チャンネルボンディング」と「MIMO」だ。

チャンネルボンディングとは、複数のチャンネルを結合することで、通信速度を高める技術だ。

従来の無線LAN技術では、1つのチャンネルが占有する帯域は20MHzであるが、300MHzに対応した機器では2つの隣り合ったチャンネルをまとめて40MHzの帯域として利用する。

2.4GHz帯を利用するIEEE802.11gでは、干渉せずに使えるチャンネルが実質3チャンネルしかないが、5GHz帯を利用するIEEE802.11aでは、一般的なW52とW53だけでも8チャンネルを利用できる。

IEEE802.11nではチャンネル幅を2倍の40MHzに広げることが可能だが、その場合、2.4GHz帯では2チャンネルしか利用できない。

IEEE802.11nで用いられているOFDMという技術では、利用帯域を細かく分けて(サブキャリアと呼ばれる)、データを複数に分割し、サブキャリアに割り当てて伝送を行なうため、帯域が広がればサブキャリアの数が増え、それだけ通信速度が高速になる。

20MHzの場合、データ伝送用に使われるサブキャリアは52本だが、40MHzではサブキャリアが108本になる(2倍の104本より4本多いのは、チャンネルとチャンネルの隙間にもサブキャリアを入れられるため)。

ただ使用する帯域が40MHzと広くなった分、2.4GHz帯を利用する場合、干渉せずに使えるチャンネル数がさらに減少して、わずか2つになってしまう。

チャンネル数が十分に確保できる5GHz帯と比べて、これは大きな弱点だ。


アドホックモード

無線LANの通信方式の一つ。

アクセスポイントを介さずに機器同士が直接通信を行うモードのこと。

同時に2台以上の端末と通信できないなどの制約がある。

アクセスポイントを介して通信を行うモードは「インフラストラクチャモード」。

 

インフラストラクチャモード

無線LANの通信方式の一つ。

アクセスポイントを介して通信を行うモードのこと。

アクセスポイントを介さずに機器同士が直接通信を行うモードは「アドホックモード」あるいは「インディペンデントモード」。

 

IEEE802.11a

当初のIEEE802.11規格の伝送速度が2Mbpsと遅かったため、高速化を目指して標準化された規格。

変調方式をOFDMにすることで、最大54Mbpsという高速化を実現。

IEEE802.11aは5GHz帯という高い周波数を使う。

周波数が高いほど減衰しやすいため、その他の規格に比べると電波が届きにくいという弱点がある。

さらに5.2GHzの周波数を扱うには本来は免許が必要であること、最も普及しているIEEE802.11bとの互換性がないことなどからIEEE802.11aをサポートするハードウエアも少ない。

IEEE802.11aが用いる電波は周波数が高いため、直進性が強く、陰に回り込みにくいという特性がある。

そのため、障害物が多い場所ではIEEE802.11gより速度が落ちやすい。

そこでIEEE802.11b/gとIEEE802.11aを同時に利用できるタイプの製品も存在しているが、IEEE802.11b/gのみに対応した製品よりは若干高価になる。

 

IEEE802.11b

従来のIEEE 802.11規格と互換性を持たせて、伝送速度を2Mbpsから最大11Mbpsに拡張した規格。

無線LANが一気にブレイクするきっかけとなった規格。

しかし最大でも11Mbpsしか出ないこともあり、今IEEE802.11aやIEEE802.11gにその座を奪われている。

11b/gの混在環境ではお互いの通信方式が異なるため、この伝送を安定させる仕組みがうまく働かない。

11bには、同じ周波数帯を使う11gが通信中であることを感知できないという問題もある。

そのため、11gが通信中であっても、11bが通信を始めてしまうことがある。

こうした結果、11bと11gが同じチャネルで混在している環境では、信号のふくそうが起こり、通信速度の低下を引き起こすとされているのだ。

チャネルが近いとCSMA/CAがうまく働かないことによる干渉が起こっている。

そのため、ホストが多くなったり、アクセスポイントが増加するなどの悪条件が追加されれば、11gの信号品質は大幅に悪化することが予想できる。

両者を混在させるには、アクセスポイントのみ11gに切り替えていき、優先度の高いノードについては11gだけのネットワークに参加させるといった工夫を行なうのがよいだろう。

2.4GHz帯は電子レンジやBluetoothなどでも使われている。

 

IEEE802.11g

IEEE802.11gはIEEE802.11bと同じ2.4GHz帯の周波数を使い、IEEE802.11bと互換性を保ちながらも最大54Mbpsという高速通信が可能な点がポイント。

高速化はIEEE802.11aでも使われている、OFDMの変調方式を採用することで実現している。(ただし、ISMバンドを利用しているため他の機器からの干渉を受ける可能性が高く、IEEE 802.11aに比べ実効速度は落ちると言われている。)

IEEE802.11bと互換性があるため、同一ネットワーク上でIEEE802.11bとIEEE802.11gが混在した状況でも、IEEE802.11g機器はIEEE802.11bの互換モードで通信が可能なのも特徴の1つ。

11b/gの混在環境ではお互いの通信方式が異なるため、この伝送を安定させる仕組みがうまく働かない。

11bには、同じ周波数帯を使う11gが通信中であることを感知できないという問題もある。

そのため、11gが通信中であっても、11bが通信を始めてしまうことがある。

こうした結果、11bと11gが同じチャネルで混在している環境では、信号のふくそうが起こり、通信速度の低下を引き起こすとされているのだ。

チャネルが近いとCSMA/CAがうまく働かないことによる干渉が起こっている。

そのため、ホストが多くなったり、アクセスポイントが増加するなどの悪条件が追加されれば、11gの信号品質は大幅に悪化することが予想できる。

最近の11gアクセスポイントには、「11b通信優先モード」を持っているものが多い。

これは、11gの通信中には11bのノードに対して通信中であることを示す信号を送信し、11gの通信に干渉させない仕組みのことだ。

両者を混在させるには、アクセスポイントのみ11gに切り替えていき、優先度の高いノードについては11gだけのネットワークに参加させるといった工夫を行なうのがよいだろう。

IEEE802.11gは、2.4GHz帯を利用し、最大54Mbpsでの通信が可能とされているが、54Mbpsという通信速度はあくまで理論的な最大値であり、実効速度はせいぜいその半分程度だ。

2.4GHz帯は電子レンジやBluetoothなどでも使われている。

 

IEEE802.11n

2009年9月に規格化された最新の無線LAN規格。

2.4GHz/5GHz の周波数帯域を用い、最大伝送速度 600Mbps(40MHz チャンネルボンディング,4ストリーム時)、実効速度で100Mbps以上の実現に向け策定された。

IEEE 802.11aやIEEE 802.11b、IEEE 802.11gとの相互接続も可能。

従来の11a/gの製品と混在する環境について触れておく。

11gが登場した際には、11b対応のクライアントが1台でも混在するとパフォーマンスが大きく低下することが指摘された。この状況は11nにも当てはまる。

そこで11nでは、互換性を確保したり、衝突を回避する仕組みが用意されている。

IEEE802.11nは名前は1つでも2.4GHz帯と5GHz帯の両周波数帯を利用できる。

ただし、製品によって、2.4GHz/5GHz両対応のものと、2.4GHz帯のみ対応のものがあるので注意したい。

なお2.4GHz帯での電波の干渉やチャンネル数の少なさ、5GHz帯での直進性といった弱点は基本的にそのまま受け継いでいる。

ドラフト2.0対応として販売されている製品はそのまま正式規格対応製品として利用できる。

一口にIEEE802.11n対応といっても、IEEE802.11nにはいくつかの通信仕様(プロファイル)があり、製品がどのプロファイルに対応しているかによって、最大通信速度が異なるので注意が必要だ。

ただ現在一般的な製品は最大300Mbpsもしくは150Mbpsに対応したもの。

もちろん、最大300Mbpsでの通信を行なうためには、アクセスポイントやルーターとパソコンなどの両方の機器が300Mbpsでの通信に対応している必要がある。

IEEE802.11nで用いられているOFDMという技術では、利用帯域を細かく分けて(サブキャリアと呼ばれる)、データを複数に分割し、サブキャリアに割り当てて伝送を行なうため、帯域が広がればサブキャリアの数が増え、それだけ通信速度が高速になる。

20MHzの場合、データ伝送用に使われるサブキャリアは52本だが、40MHzではサブキャリアが108本になる(2倍の104本より4本多いのは、チャンネルとチャンネルの隙間にもサブキャリアを入れられるため)。

 

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