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光ファイバーにも負けない
次世代の無線LAN「MIMO」と「IEEE802.11n」

最大600Mbpsを実現する無線LANの次世代規格であるIEEE 802.11nでの採用が有力視されている「MIMO」。すでに現在のIEEE 802.11gを、MIMO技術によって従来の2倍である最大108Mbpsの通信性能を得られるようにした製品も登場している。次世代の携帯電話でも、この技術を導入した高速通信のテストが進んでいる。

「MIMO」とは

「MIMO」(Multiple Input Multiple Output)は、米国のAirgo Networks社が開発した無線LAN通信技術の名称で、送受信に複数のアンテナを用いることにより、チャネルを複数使用することなしに無線区間での伝送容量を増大させる技術をいう。

下図は、送信に2本、受信に2本のアンテナを使用した例。送信側でまずデータを2系統に並列化し、別々のアンテナから送信、受信側では2本のアンテナで両表の信号を受ける。混合された信号に対して行列演算を行い、元の2つの信号系列に分離したあと直列化して元のデータとなる。2系統の信号を同時に送るので、IEEE802.11gのPHY Rateの最高速度である54Mbps(理論値)の2倍、108Mbpsの通信が可能となる。

MINOの技術を使った無線LANのイメージ


MIMOの技術を導入した無線LANでは、以下のようなメリットがある。

・速い

送信・受信側の両方に複数のアンテナを搭載し、同時にデータを分割しながら送受信を行うので、従来の2倍にあたる108Mbpsの高速化が実現できる。

・障害物に強い

従来の無線LAN技術では、遮蔽物(障害物)により乱反射した電波はノイズとして通信を阻害する要因になっていた。MIMOでは、乱反射した複数の電波もデータの合成処理をして復号し、活用することが可能となり、壁や床などの障害物などにより電波が届きにくかった場所でも、通信状況を改善することができる。

・安定している

複数のアンテナによる同時での送受信、また遮蔽物により乱反射した電波も有効に活用することによって、より高速で安定した通信を期待できる。

・互換性がある

MINOチップを搭載したルータは、従来の無線LANの技術であるIEEE 802.11g/bとの互換性があり、これまでの無線LANを搭載した機器や環境と共存が可能(ただし、通信速度の最大値は従来のまま)。その際でも、通信感度の向上や、実行速度を上げるといった改善効果が期待できる。

無線LANの現状と今後

現在の無線LANの規格は、以下の表のようになっている。

無線LANに使用されている標準規格

標準規格名 使用周波数 最大転送速度 標準化完了年
 802.11  2.4GHz帯/赤外線  1Mbps/2Mbps 1997
 802.11b  2.4GHz帯  11Mbps 1999
 802.11a  5.2GHz帯  54Mbps 1999
 802.11g  2.4GHz帯  54Mbps 2003
 802.11n  5.2GHz帯/2.4GHz帯  140Mbps〜500Mbps以上 2008予定


現在、無線LANアクセスポイントや無線LANアダプタは、これらのIEEE802.11a/b/gのすべてに対応した製品が多いため、ユーザーがあまり意識することなく無線LANを利用できる。

最近利用できる場所が増えている公衆無線LANも、2.4GHz帯を利用したIEEE802.11b/gの規格に準拠したサービスだが、最大11bpsの通信速度しか出ないIEEE802.11bのみを採用しているサービス提供会社も多い。

IEEE802.11bは、先の表から分かる通り、2.4GHz帯を用いる無線LANの規格だ。そして、これの高速化版となるのがIEEE802.11gであり、双方には互換性がある。この中ではIEEE802.11gが最も新しい規格になる。

IEEE802.11gでは、伝送方式に「OFDM」(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式を用いている。OFDM方式は、送信データを複数に分類し、それぞれを複数の周波数に分類し、並行して送信。互いに干渉し合うことのない程度まで密度を高めることで、高度な並列多重化を実現している。このOFDM方式は、地上デジタル放送やIEEE802.11aでも採用されている変調方式の1つである。

そして、無線LANの次世代規格として注目されているのが、IEEE802.11nだ。

IEEE802.11nの最大の特徴は、従来技術と比べて大幅にパワーアップされた通信速度。現状、2.4GHz帯で最速といわれるIEEE802.11gでは、理論値で最大54Mbpsの通信速度となっているが、IEEE802.11nでは、最初のバージョンが市場に投入された時点で100Mbpsオーバーのパフォーマンスを実現し、最終的には500Mbps超の通信速度実現を目標としている。

このIEEE802.11nへの導入が有力視されているのがMIMOの技術だ。IEEE802.11nへの導入には、2x2と4x4の2種類のMIMOが検討されているという。2x2では、送受信のアンテナをそれぞれ2本ずつ用意して、全体として20MHzの帯域を使って通信を行う。現在のIEEE802.11b/gでは、1チャネル当たり約20MHzの周波数を通信に用いており、これをそのまま移行できるのが2x2のメリットだ。4x4では、送受信のアンテナをそれぞれ4本ずつ用意して、全体として40MHzの帯域を使って通信を行う。単純計算で2x2の約2倍のパフォーマンスを出せるのが、なんといっても4x4のメリットになる。

さて、このIEEE802.11nだが、標準化のプロセスとしては2007年9月ごろにIEEE標準化協会にて最終的な仕様の投票(スポンサー・バロット)を行った後、2008年1月にIEEE役員会による投票を行い、2008年4月に最終の標準仕様が発行される予定となっている。今はドラフト段階のMIMOやIEEE802.11nを先駆けて搭載した製品がいくつか存在するが、標準化された規格の製品が揃うのは、しばらく先になるだろう。

次世代携帯電話とMIMO

現在は、NTTドコモのFOMAやKDDIのCDMA2000といった第3世代の携帯電話が中心を占めているが、2010年をめどに、50〜100Mbpsの高速通信やパーソナルに特化した端末を売りにした第4世代の携帯電話が登場する予定だ。

その中で高速通信の技術を支えることになりそうなのが、このMINOなのだ。

これまでの増速方式、たとえば複数の搬送波を使う「マルチキャリア方式」では、通信速度を2倍、3倍にするには、使用する周波数帯域が2倍、3倍と必要になった。MIMOでは複数のデータが同じ周波数で送られるので、データ通信速度が2倍、3倍になっても使用する周波数帯域は変わらず、送受信するアンテナを2本、3本と増やせば、通信速度を増やすことができる。

NTTドコモは、第4世代移動通信システムに向けた屋外実験を2006年12月25日に行い、下り最大約5Gbpsのパケット信号伝送に成功している。この実験では、神奈川県横須賀市において、基地局装置から100MHzの周波数帯域幅でMIMOの送受信アンテナ数を6本から12本に増やした上で信号を送信し、時速約10kmで走行している移動局装置でこれを受信。NTTドコモ独自の受信信号処理技術を用いて復号処理を行った結果、最大約5Gbpsのパケット信号伝送を達成していることを確認したという。

このように移動体通信の高速化にはMIMOの技術が大いに貢献していくことが予想されているが、問題もある。たとえば、受信機が受け取った電波から1つ1つのデータを分離するための計算が、かなり複雑になる。それもチャネルが増えるほど加速度的に複雑になるのだ。

MIMOを利用した次世代の携帯電話が世に出るまでには、通信実験によって実際の通信に最適な条件を見つけるのに加えて、さらに高速に処理でき、しかも省電力なマイクロプロセッサなどのデバイス開発が不可欠となってくる。

(掲載:2007年4月)

 

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