IEEE802.11ax(Wi-Fi 6/6E)のはなし

IEEE802.11axはIEEE802.11ac(2013)に続く次世代Wi-Fi規格です。「Wi-Fi6」とか「Wi-Fi6E」と呼ばれることもあり、どの用語がどの仕様範囲を指しているのか、従来の(IEEE802.11ac / Wi-Fi5)から具体的に何がどう変わったのか少々わかりにくいかも知れません。今回はこのお話です。

IEEE802.11axはIEEE802.11ac(2013)に続く次世代Wi-Fi規格です。IEEEでは「802.11なんとか」の呼称以外に各世代の仕様に略称を与えており、802.11axは「HE(High Efficiency)」とされています。過去の略称がどうなっていたかというと、

 

802.11b (1999) HR:High Rate

802.11g (2003) ER: Extended Rate

802.11n (2009) HT:High Throughput

802.11ac (2013) VHT:Very High Throughput

 

です。802.11a (1999) には略称が無いのですが、仕様書中では「OFDM PHY」というストレートな(変調方式そのまんま)な名前で呼ばれています。ついでにISMバンド以外のWi-Fiの仲間たちは

 

802.11ad (2012) DMG: Directional Multi Gigabit

802.11af (2013) VTHT: TV High Throughput

802.11ah (2016) S1G: Sub 1 GHz

 

となっています。802.11afの4文字略称「VTHT」にはいかにもネタ切れ感があって、802.11ahの「S1G」に至っては何だかもうヤケクソな感じがします。

IEEE802.11ax

 

ネット上のITニュースなどでは、IEEE802.11axは「もっと速いWi-Fi」のように語られることが多いですが、速度向上よりも効率向上に主眼を置いています。具体的には、数百台(※註１)の子機が同時接続同時通信したときにも性能低下が低く済むことを目標にしています。

(※註１) ちなみにIEEE802.11無線LANの仕様上、1台のアクセスポイントに接続可能な子機の最大数は2007台です。これはヘッダに含まれるエレメントが「全長を8bitで示す」フォーマットになっており、省電力モード時に子機への配信パケットの有無を示すTIMエレメントはヘッダ長4バイトでビットマップ最大長は251バイト=2008ビット、そのうちbit0はDTIM通知用になるためです。なお2007台はあくまで規格仕様上の最大数で、実際に何台の子機が接続可能かはAPの実装仕様次第です。

 

無線LANは802.11a/gから802.11nに進歩したとき大きな体感性能の向上を果たしましたが、変調方式自体は同じ64QAM(最大)のままでした。802.11nでの速度向上要因には
 

• 空間伝送路を多重化するMIMO
• 複数チャンネルを束ねて使うチャンネルボンディング
• 複数パケットをまとめて送信するフレームアグリゲーションとブロックACK
   

があります。802.11axのキモは、このフレームアグリゲーションに伴う多数台接続時の効率低下を緩和することです。それがなぜ起きてどうして緩和できるのかは、少し長い話になります。

 

フレームアグリゲーションとその功罪

無線LANはパケットを送信する前後(特に前)に色々やることがあって、そこで時間のロスが発生します。パケット送信前には「誰も送信していないことを一定時間確認する」必要があり、更にパケットデータ本体の手前には同期信号(プリアンブル)やMACヘッダーが付きます。アグリゲーションのない802.11gではパケットデータサイズ1500バイトのとき有効データ時間率は50%を切り、実測スループットはカタログ上最大ビットレートである54Mbpsの半分も出ません。

アグリゲーションは１回分の送信手続きに複数のデータパケット(サブフレーム)をまとめて送ることで、それによって有効データ時間率を向上するものです。802.11nではアグリゲーションフレームをA-MPDUと呼んでおり、A-MPDUの最大長はアクセスポイントが発信するビーコンのHT Capabilitiesエレメントに含まれています。長さは3bitしかなく、2^(13+A-MPDU Length)-1バイトと解釈され、つまりアグリゲーション長は8191, 16383, 32767, 65535からの４択になります。現在の市販アクセスポイントは殆どが最大値の3=65535をサポートしています。

アグリゲーションは1:1接続での最大スループットを上げるには有効な技術ですが、多数の子機がひしめいている環境では1台あたりの電波占有時間を伸ばし、共有効率を悪化させます。要するに、802.11n/acは多数接続に伴う体感性能の低下が802.11a/gよりも激しいのです。802.11axはこの問題を改善することを主眼に置いており、そのために導入された新技術がOFDMAでした。

OFDMAについて

 

OFDMは変調(搬送)方式の名前ですが、OFDMAはそれを用いた回線多重化方式の名前です。過去に解説したように、OFDMでは変調に長いシンボル時間を使うことで搬送波(サブキャリア)の占有帯域を狭くし、それを数十本束ねて同時に送信することで伝送情報量を増やしています。OFDMAも「サブキャリアを用いて伝送情報量を増やす」ところまでは同じですが、それを1:1の速度向上ではなく1:多の多重化のために使います。
 

従来のWi-Fiは時分割方式(TDMA)で、ある瞬間には子機と親機は1:1の接続になっています。子機Aへの通信が終わったあとに子機Bへの通信、その次に子機Cへの送信という風に時間軸を切って通信を多重化します。アグリゲーションを使ってフレームが長くなれば待ち時間も長くなり、また切り替えのたびにフレーム間遅延が生じます。

OFDMAはAP→子機のダウンリンクと子機→APのアップリンクで少し動作が異なります。ダウンリンクの場合、APの送信手順は多重化のないOFDMとほとんど変わりません。ただしサブキャリア毎に異なる宛先のパケットがエンコードされて一斉に配信されます。子機１台あたりに割ける帯域が減るぶんピーク速度は下がりますが、待ち時間や切り替え時間が減らせるため、台数が増えるほどTDMAよりも効率が上がることが期待できます。

アップリンクの場合、APに送信するデータを持つ子機(複数)は送信タイミングとサブキャリア割り当てをAPから通知してもらい、それぞれの子機が異なるサブキャリアで一斉に送信することになります。何だか「聖徳太子は７人からの訴えを同時に聞き取った伝説」みたいな動作になります。

サブキャリア本数を増やすため、802.11axではシンボル変調時間を802.11ac以前の3.2μ秒にから４倍の12.8μ秒に延長しています。これに呼応してサブキャリア周波数間隔は312.5KHzから78.125KHzに狭まっており、20MHz帯域中に256本のサブキャリアが格納できます。これをHE PPDUと呼び、MCS番号も802.11ac以前とは別に付けられています(※註２)。

(※註２) 例えばHE-PPDUのMCS0とVHT-PPDUのMCS0は同じ「BPSK 1/2FEC」ですが、サブキャリア間隔が違うので直接互換性はありません。

802.11axのMU-OFDMAモードでは複数サブキャリアをまとめてチャンネルとして扱い、これをRU(Resource Unit)と呼んでいます。RUは26,52,106,242,484,996から任意の組み合わせで使用できます。1チャネル20MHzには26-tone RUなら9本(つまり9台の子機への一斉配送)、52-RUなら4本のRUが格納でき、あるいは26-tone RUx4+52-tone RUx2という組み合わせで使うこともできます。

20MHz幅に割り当てるRUの例。同時配送する子機の数や、個々の子機が要求するデータ帯域に応じて組み合わせが変わる。

802.11axは11ac以前のWi-Fiとの互換性も持っており、APと旧仕様の子機が1:1で通信する場合は11ac上位互換のOFDMモード(シンボル間隔3.2μ秒のVHT-PPDU)が使われます。MU-OFDMAが発動するのは「MU-OFDMAをサポートした子機複数と同時に通信するとき」かつ「MU-OFDMAを使った方が効率が良いとAPが判断したとき」に限ります(※註４)。言い方を変えれば、AP配下の子機に802.11ac以前の「MU-OFDMA非サポート」の機器が接続されていた場合、MU-OFDMAはなかなか発動しないことになります。アクセスポイントと一部の子機だけを802.11ax対応に置き換えても、他の子機が802.11ac以前のままではあまり効率向上は期待できないわけです。

(※註４) 具体的に、どんな条件でSU-OFDMとMU-OFDMAが切り替わるかは実装に依存します。

OFDMA以外の改良点

MU-OFDMAは802.11ax最大のキモですが、前述のように多くの(望ましくは全ての)子機がMU-OFDMA対応にならないと真価を発揮できません。OFDMA以外にも、802.11axには幾つかの新規要素があります。

 

・SU-OFDMモードでの変調レート向上

HE PPDUに1024QAMを用いるMCS10,MCS11が追加され、カタログ上の最大変調レートは最大38%ほど向上しました。

 

・ガードインターバルの延長

SU-OFDM/MU-OFDMAとも、シンボル変調間隔の拡大に伴ってシンボル間隔(ガードインターバル)が最大４倍(※註５)に拡大され、乱反射の多い環境での通信耐性が向上しています。

 

・新しい省電力モードTWT(Target Wake Time)の追加

２台の子機間で「次に通信する時間」の約束を交わして通信をスケジューリングし、それ以外の時間には通信を切って節電できる機能です。もともと802.11ahで導入された機能ですが、スマートホームのようなIOT機器にも有効であろうということで802.11axにも取り入れられました。

 

・複数ネットワークの重複環境での有効時間率を改善するSpacial Reuse

これはちょっと説明が難しいのですが、複数のアクセスポイントのカバレッジ範囲が重複しているとき、混入してきた電波が「自分の所属するアクセスポイントか、他のネットワークのアクセスポイントか」を素早く判断するタグが追加されたことで、対応する振る舞い(バックオフ判断)を変えて時間効率を向上するものです。

 

(※註５) 802.11acまでのガードインターバル400(short)/800(long)ナノ秒に対し、802.11axは800,1600,3200ナノ秒から選択できます。

 

この中でよく取り上げられるのは「1024QAMによる最大データレートの向上」でしょうか。802.11axが「もっと速いWi-Fi」と理解される理由の１つになっていますが、データレート最大38%向上というのは微妙な数字で、しかも1024QAMという高密度変調が果たして実際の通信環境で使いものになるかこれまた微妙なところです。おそらく一般的な住宅環境では、アクセスポイント周辺5m以内の距離で達成できればラッキーくらいの条件でしょうか。

Wi-Fi6(E)とIEEE802.11ax

「Wi-Fi6」と「IEEE802.11ax」は基本的に同じもので、その規定団体と定義範囲が異なります。「IEEE802なんとか」という技術仕様を制定しているのはIEEEで、一方のWi-Fi Allianceは実装仕様を制定しています。両者のカバー範囲はオーバーラップしながらも重ならない部分があります。たとえばIEEE802.11axに定義されている仕様の全てがWi-Fi6で実装必須となっているわけではなく、またWi-Fi6で実装必須としているWPA3セキュリティ仕様についてはIEEE802.11axの責任範囲外です。

Wi-Fi AllianceによるWi-Fi6 Certification Programの発表は2019年9月16日でしたが、この時点ではIEEE802.11ax仕様はまだドラフト4版でした。Wi-Fi Certification Programでは互換性テストの結果をもって認証を発行するので、IEEE仕様制定がまだ完全に終わっていなくても、現時点での実装が互換性条件を満たしていればヨシとする見切り発車もしばしばあることです。

IEEE802.11axの標準化作業完了は2021年2月9日、制式仕様の公表は2021年5月19日になりました。作業開始から制式化までの間に使用周波数帯域の拡大が(ドラフト4以後で)取り入れられ、仕様書上の対応周波数は1～7.125GHzとなっています。これに呼応してWi-Fi Allianceも拡張仕様を取り込む格好で仕様を拡張し、これを「Wi-Fi6E」名で2021年1月7日にCertification Programを発表しました(またしてもフライング気味です)。

Wi-Fi6Eの目玉は6GHz帯にまで拡大された周波数帯域で、地域によって異なりますが欧州では約500MHz幅(20MHz x 24チャネル)、米国では約1.2GHz幅(20MHz x 59チャネル)の連続した帯域が使用可能になります。これによって理論上3x3MIMOで3Gbit/sec以上が出せる160MHz/チャネルがより現実的に使用できる(※註６)ほか、更に倍の速度が出せる320MHz/チャネルもIEEE802.11be規格として制定されつつあります。

(※註６) 160MHzチャネルは5GHz帯でも使えなくもないですが、北米FCCでも確保可能なのはチャネル36～64および100～128をまとめた2本だけで、しかもチャネル52～64、100～112がレーダー検出回避を義務付けられたDFS領域なので実用には厳しいものがありました。6GHz帯ではEU規格で3本、US規格では7本が確保可能になります。なお6GHz帯の屋外使用時には、地域・周波数帯域によって、DFSに相当するAFC(Automated Frequency Coordination)が義務付けられる場合もあります。

なお、IEEE802.11be(Extremely High Throughput:EHT)では320MHzチャネルだけでなく4096QAM変調も検討されていますが、コンステレーション密度が4倍(32x32→64x64)になって情報量は1024QAMの10bit/シンボルが12bitに増えるだけ(+20%)、QAMマトリックス密度は256から先に増やしてもあんまり美味しくないと思います。

Wi-Fi6Eのチャネル番号

 

古典的Wi-Fiでは2.4GHz帯が1～13(日本のみ14)、5GHz帯が36～165のチャネル番号を使っていました。チャネル番号と周波数の関係はIEEE802.11-2020仕様で規定されており(セクション19.3.15)、その定義は
 

2.4GHz: freq=2407 + 5*ch (MHz)

5GHz: freq=ChannelStartFreq + 5*ch (MHz)
 

となっています。ChannelStartFreqは更に
 

ChannelStartFreq=dot11ChannelStartingFactor * 500(KHz)
 

と規定されていて、dot11ChannelStartingFactorというのは802.11システムの管理変数の１つです。この値はデフォルト10000(つまりベース周波数5000MHz)ですが、システムが使用される地域によって変更され得る仕様になっており、その定義をOperating classと呼んでいます。Operating classの一覧はIEEE802.11-2020 Annex Eに示されており、代表的なものを並べると

となっています。5GHz帯ではどのクラスもベース周波数が共通で、割り当てられるチャネル番号も2.4GHz帯から離れた36～なので、結果的にチャネル番号だけで2.4/5GHz帯すべての周波数を指定できることになっていました。

 

さてWi-Fi6Eのチャンネル番号の定義については、IEEE802.11ax-2021仕様のセクション27.3.23.2に定義されています。freq=ChannelStartFreq + 5*ch (MHz) という式じたいは5GHz帯と同じままです。しかしAnnex Eに追加されたclassの定義は

となっており、ベース周波数が5GHzから5.95GHzに嵩上げされて、チャネル番号は1～を使うようにリセットされています。何故わざわざ既存の2.4/5GHzと重複するチャネル番号を割り当てる仕様にしたのかはわかりません。しかしIEEEの規定に従う限り、Wi-Fi6Eの6GHz帯においては「チャネル番号だけでは2.4/5GHz帯なのか6GHz帯なのか判断できない」ことは、実装と運用において注意が必要になります。

アクセスポイント機能の実装として広く普及しているhostapdでは、hostapd.confのhw_mode=(a/b/g)とchannel=(1～14, 36～165)でチャネルを指定するようになっていました。6GHz対応ではhw_mode=aのままでop_class=設定が追加され、例えばop_class=131を設定するとchannel=は6GHz帯の20MHz/ch帯域(1～233)として解釈されることになります。

まとめ

駆け足ぎみにIEEE802.11ax(Wi-Fi 6/6E)の概要について解説してみました。5G携帯網と比較されることも多いかも知れませんが、「QAM変調 x OFDM搬送 x OFDMA回線多重化」という基礎技術を共有しながらも、「固定長フレーム・中央集権の厳密な時間同期」の携帯網と「可変長フレーム・分散型同期」というWi-Fiの基本方式はだいぶ異なります。携帯電話と無線LANが異なる基礎技術の中で、互いに相手の良いところを取り入れて改良してきた経緯が伝わって戴けたなら幸いです。

従来のWi-Fiと直接互換性のないOFDMAの導入は大きな決断で、暫くは新旧の混在が続くであろう2.4/5GHz帯域でどれだけ効果を発揮できるかはやや疑問なところもあります。一方「新天地」6GHz帯の開けるWi-Fi 6Eでは必然的に全てのノードがOFDMA対応になるはずで、真価を発揮するのは6E以降かなぁという気もします。日本における6GHz帯域の開放は検討中で、米国FCCの1.2GHz幅をベースに何らかのローカライズを施した規格になると考えられており、仕様制定は2022年度になると見込まれています。

IEEE802.11be EHTは「Wi-Fi7」として2024年頃に製品化されると見込まれていますが、このブログで何度も述べてきたように、私個人としては「無線通信にカタログスペック上の高速性能を盛るのは不健全」だと考えています。無線通信は目的ではなく手段ですが、30Gbpsとかの速度性能をうたっても、それで一体何がどう便利になるのかよくわかりません。スマートフォンの小さな画面で120fps 8K動画なんか見ても実用的な意味はないでしょう。あり余る帯域を活用できる価値の創造、イノベーションに期待したいところです。