全方向的だが全能ではない
ここまでかなり悪いニュースを取り上げてきましたが、まだあります。次はアンテナについてお話ししましょう。
信号強度については触れましたが、信号の方向については触れていません。ご存知の通り、ほとんどのアンテナは全方向性です。まるでリング状のスピーカーが全方向に向けて同時に大音量で鳴り響くように（付属のマイクは360度全方向から均等に受信）、全方向性マイクは優れたカバレッジを提供します。クライアントの位置は関係ありません。クライアントが範囲内にいれば、全方向性アンテナはクライアントを見つけて通信できるはずです。もちろん、欠点は、同じ全方向性アンテナが範囲内にある他のすべてのノイズ源や干渉波も拾ってしまうことです。全方向性システムは、良い音も悪い音も、不快な音も、あらゆる音を拾ってしまい、それに対してできることはほとんどありません。
人混みの中に立って、数フィート離れた人と話そうとしていると想像してみてください。周囲の騒音にかき消されて、相手の声がほとんど聞こえません。自然な対処法は何でしょうか？もちろん、片手を耳に当てます。一方向からの音に集中させながら、同時に手の後ろなど他の方向からの音を遮断するのです。さらに優れた遮音材は聴診器です。聴診器は耳を塞ぐことで周囲の音をすべて遮断し、平らなチェストピースを通して通過する音だけを聞き取ることができます。
無線の世界では、聴診器に相当するものはビームフォーミングと呼ばれる技術です。
ビームフォーミングの再考
ビームフォーミングについては、以前 Ruckus を訪問した際にかなり詳しく説明したので、ここでは簡単にレビューするだけにします。
ビームフォーミングの目的は、指向性のある高波動エネルギーゾーンを作り出すことです。その典型的な例は、プールに水滴を落とすことです。プールの上に2つの蛇口を持ち、それぞれの蛇口をちょうど良いタイミングで開き、同時に一定の間隔で水滴を放出すると、それぞれの震源地（水滴が着水する場所）から流れ出る同心円状の波動リングが重なり合うパターンを作り出します。このパターンは上の図で確認できます。波頭が重なる部分では、両方の波のエネルギーが結合し、波形にさらに大きな波頭を作り出すという加法効果が生じます。水滴の規則性により、これらの増幅された波頭は特定の方向に現れ、一種の高エネルギーの「ビーム」を形成します。
この例の波は全方向性です。発生点から均一に外側へ広がり、反対の物体またはエネルギーに到達します。全方向性アンテナから放射されるWi-Fi信号も同様に振る舞い、無線エネルギーの波を出力します。この波は、別のアンテナ源からの波と合成することで、信号強度を高めたビームを形成することができます。2つの波形が同位相にある場合、元の波のほぼ2倍の信号強度を持つビームが形成されることがあります。
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全方向性を活用
前のページの干渉写真が示すように、全方向性アンテナからのビームフォームは複数の方向に、そして多くの場合は反対方向に放射されます。各アンテナからの信号のタイミングを調整することで、ビームフォームパターンの形状を制御できます。これは、より少ない方向に電力を集中させるという点で有効です。APがクライアントが3時の方向にあることを認識している場合、9時や11時の方向にビームを送信するのは理にかなっているでしょうか？ ええ、その無駄なビームが避けられないのであれば、意味があります。
実際、全方向性アンテナでは、この無駄は避けられません。技術的に言えば、この上段に見られるのはフェーズドアレイによるものです。フェーズドアレイとは、アンテナに送られる各信号の相対位相を変化させるアンテナ群で、アレイの有効放射パターンが望ましい方向では強化され、望ましくない方向では抑制されます。これは、膨らんだ風船の中央を握るようなものです。握りを強くすると、風船の一部が一方向に大きく膨らみますが、同時に別の方向にも波が押し出されます。上の画像では、上段に2つのダイポール全方向性アンテナによって生成された異なるビームフォームパターンが示されています。
ビームフォーミング補正
当然のことながら、クライアントをカバーするにはビームフォーミングが必要です。フェーズドアレイビームフォーミングでは、上の画像（今回は3つのダイポールアンテナを使用）に示すように、APはクライアントからの信号を分析し、アルゴリズムを用いて放射パターンを変化させることで、クライアントをより正確にターゲットとするように経路方向を変更します。これらのアルゴリズムはAPのコントローラで計算されるため、このプロセスは「チップベースビームフォーミング」と呼ばれることがあります。この技術は、シスコなどの企業では送信ビームフォーミングとも呼ばれており、802.11n仕様ではオプションのコンポーネントとして扱われていますが、広く実装されているわけではありません。
チップベースのフェーズドアレイ・ビームフォーミングは、現在ビームフォーミング対応を謳っているほとんどのベンダーが採用している方式です。しかし、Ruckus社が採用している方式ではありません。この点に関して、以前の記事で誤りがありました。6ページで、「Ruckus社は『オンアンテナ』ビームフォーミングを採用しています。これはRuckus社が開発し特許を取得した技術で、複数のアンテナアレイを使用しています」と記述しましたが、これは誤りです。フェーズドアレイ・ビームフォーミングには複数のアンテナが必要ですが、Ruckus社のアプローチは不要です。
Ruckus は、各アンテナを他のアンテナから独立してビームフォーミングできます。これは、アンテナアレイ内の各アンテナの近傍に金属物体を戦略的に配置し、放射パターンに独立して影響を与えることで実現されます。これについては後ほど詳しく説明しますが、上の画像の 2 行目には、Ruckus のアプローチで生成されたさまざまな種類のビームフォーミングパターンの一部が表示されています。これら 2 つを並べて見ても、どちらが実際のパフォーマンスにおいて最高の結果をもたらすかはわかりません。トリプルアンテナ フェーズドアレイ ビームフォームは、Ruckus の相対的なカバレッジ ブロブよりも焦点が絞られているように見えます。直感的には、ビームが集中しているほど、他の条件が同じであればパフォーマンスが向上すると考えられます。これがテスト結果で明らかになるかどうかは興味深いところです。
ラララ…聞いてないよ！
耳の後ろに手を当てたときの効果を覚えていますか？不要な方向からの干渉を遮断することで、クライアントの信号出力が変化していなくても、受信品質が向上することがあります。Ruckusの数値によると、クライアントと反対方向からの信号を単に無視するだけで、干渉回避によって最大17dBの信号ゲインが追加される可能性があります。
同時に、ビームフォーミングによる順方向信号強度の改善により、信号利得が10dB増加します。信号強度がスループットに与える影響についての前述の説明を踏まえると、ビームフォーミングがなぜそれほど重要なのか、そしてこれまでワイヤレス市場のほとんどがこれらの技術を無視してきたことがいかに残念なことなのかがお分かりいただけると思います。
空間多重化
802.11n 仕様の主な機能強化の 1 つは、空間多重化の追加です。これは、いわば 1 つのプライマリ無線信号を、わずかに時間差で受信側に到達するサブ信号に自然に分割することを意味します。ジムの一方の端にアクセス ポイントがあり、もう一方の端にクライアントがいると想像してください。ジムの中央を通る直線の無線パスは、側壁に反射した信号よりもわずかに移動時間が短くなります。通常、無線デバイス間には複数の信号パス (空間ストリーム) が存在し、それぞれが異なるデータ ストリームを伝送できます。受信側はこれらのサブストリームを取得して再結合します。このプロセスは、リンク ダイバーシティと呼ばれることもあります。空間多重化 (SM) は屋内では非常にうまく機能しますが、サブストリームを作成するために信号が反射する物体がないため、オープン フィールドなどのあまり囲まれていない環境では非常にうまく機能しません。つまり、SM を実装できれば、チャネル帯域幅が拡大し、信号対雑音比が向上します。
SMとビームフォーミングの違いを視覚的に理解するために、2つのバケツを想像してみてください。片方には水（データ）が満たされ、もう片方には空になっています。データを一方のバケツからもう一方のバケツへ移動させたいとします。ビームフォーミングでは、2つのバケツを1本のホースでつなぎ、水圧を上げて液体をより速く移動させます。SMでは、2本（またはそれ以上）のホースが通常の水圧で水を移動させます。1つの無線チェーン、つまり1つの送信無線機が1つ以上のアンテナに接続されている場合、SMは通常、ビームフォーミングよりも優れた性能を発揮します。2つ以上の無線チェーンの場合は、多くの場合、その逆になります。
両方できますか?
この図にはあまり魅力を感じないのですが、これは、今日の多くのアクセス ポイントで採用されている 3 アンテナ設計で空間多重化とビームフォーミングを組み合わせることができない理由を説明しようとしています。基本的に、最初のストリームのビームフォーミングに 2 つのアンテナが費やされている場合、2 番目のストリームを実行するために 1 つのアンテナが残ります。2 つの受信ストリームがあれば SM は問題ないと思われるかもしれませんが、ビームフォーミングされたストリームはデータ レートが非常に高速になる可能性があります。非常に高速であるため、受信側クライアントは 2 つのストリームを効果的に同期できません。同期のためにこれら 2 つのストリームのデータ レートを十分に近づける唯一の方法は、ビームフォーミングされたストリームの電力を低下させることです。これは、そもそもビームフォーミングの理由全体を台無しにしてしまうことになります。前の図を再利用すると、2 つの「標準圧力」ストリームが残ります。
アンテナが4本あったらどうでしょうか？はい、確かに可能です。2本はビームフォーミングを、残りの2本はSM（シングルモード）に対応します。当然、アンテナを1本追加するとコストが増加します。エンタープライズAPの世界では、購入者は追加料金を喜んで受け入れるかもしれませんが、クライアントのことを考えてみてください。クライアントにも4本のアンテナが必要になります。ノートパソコンに3本のアンテナが搭載されるようになったのはつい最近のことですが、それも一苦労でした。4本目のアンテナはどこに搭載するのでしょうか？おそらくもっと重要なのは、消費電力にどのような影響を与えるのでしょうか？市場からの回答や熱意が得られなかったため、ベンダーは4本アンテナ設計の追求を控えてきました。
アンテナと無線
先ほど「無線チェーン」という用語を使いましたが、多くの場合、この用語だけでは十分な深さや正確性が得られません。無線チェーンと空間ストリームの関係については適切な表記法があり、無線機器を評価する際にはこの点に留意することが重要です。
1x1:1という用語を考えてみましょう。確かに、技術専門家がこれを「one by one colon one」と発音しているのをよく耳にします。本当ですか？コロンより適切な表現は見つからないのでしょうか？
1x1は送信（Tx）と受信（Rx）の無線チェーンの数を表します。:1は使用されている空間ストリームの数を表します。したがって、業界標準の802.11gアクセスポイントは1x1:1となります。
今日のほとんどの 802.11n 製品の仕様で規定されている 300 Mb/s の速度は、2 つの空間ストリームに依存しています。これらは 3x3:2 製品です。450 Mb/s の設計を目にしたことがあるかもしれません。これらは 3x3:3 ですが、理論上の速度は 450 Mb/s ですが、3x3:2 を超えるメリットはほとんどありません。なぜでしょうか。これもまた、3 つの無線でビームフォーミングと空間多重化を効果的に組み合わせることができないからです。代わりに、3 つのストリームを標準の強度で実行する必要があり、前述のように、範囲が制限され、パケットが再送されやすくなります。これが、450 Mb/s ルーターがマスマーケットの周辺で苦戦し続けている理由です。完全な条件下では 3x3:3 の方が優れていますが、私たちは完璧な世界に住んでいるわけではありません。代わりに、競合と干渉に満ちた世界に住んでいるのです。
SRC 対 MRC: 聞こえますか?
効果的なコミュニケーションには、聞くことが鍵となることは言うまでもなく、そしてどのように聞くかが重要です。先ほどの例のように、野原の片側で誰かが話し、反対側で3人が聞いている場合、様々な理由により、聞き手が全く同じ内容を聞く可能性は低いでしょう。無線通信では、「さて、3人の受信機のうち、送信機の音声を最もよく聞き取ったのは誰ですか？」と尋ねることができます。最もよく聞き取ったと思われる受信機が選択されます。これは単純比合成（SRC）と呼ばれ、チャネルゲインが最も高いアンテナを使用するアンテナスイッチングの考え方と密接に関連しています。
複数のアンテナを用いたより効果的で広く普及しているアプローチは、最大比合成（MRC）です。最も簡単に言えば、これは3つの受信機が互いに情報を共有し、意見を一致させることで、発言内容に関するコンセンサスを形成するというものです。MRCにより、クライアントはより広い無線カバレッジと優れたサービス品質を享受できます。また、アンテナの正確な位置に対するクライアントの依存度も低くなります。
もちろん、これは別の疑問を呼び起こします。3 つのアンテナが 2 つのアンテナに勝るのであれば、...
100 万本のアンテナを使わないのはなぜですか?
...何百万ものアンテナをなぜ使わないのでしょうか?
見た目の問題はさておき、今回のようなヤマアラシ型APが存在しない本当の理由は、収穫逓減の法則に大きく関係しています。テストデータによると、アンテナを2本から3本に増やしても、1本から2本に増やした場合ほど大きな変化はありません。ここでも、コストと（少なくともクライアント側では）消費電力の問題に戻ります。無指向性アンテナの場合、コンシューマー市場ではアンテナ数の最適な数は3本とされています。エンタープライズ市場では、3本以上のアンテナが使用されることもありますが、通常はそれ以上の数は見られません。
Ruckusは、指向性アンテナを使用しているため、このケースにおける数少ない例外の一つです。この記事の画像でご覧いただいた円形のアクセスポイントでは、円盤状のプラットフォームに19本の指向性アンテナが搭載されています。これら19本のアンテナのカバー範囲は、合計で360度です。全方向性アンテナを19本も搭載するのは無理かもしれませんが、19本の指向性アンテナ（APの設計によってはそれに近い数）であれば、より多くのアンテナ数から期待される利得効果が得られ、同時に消費電力もかなり抑えられます。なぜなら、常に使用されるアンテナはごく少数だからです。
