Wi-Fi7: メリットは超高速スループットだけではない

著者:  Scott Tan  - 06-28-2022 

Wi-Fi 6Eに続き、第7世代のWi-Fi®テクノロジー(IEEE 802.11beまたはWi-Fi 7とも呼ばれる)が間もなく登場します!Wi-Fi 7は、これまでで最も高速なWi-Fiテクノロジーであり、ネットワークやオンラインのユーザエクスペリエンスを大幅に向上させる画期的なものです。これは、これまでで最速のWi-Fiテクノロジーであり、日常生活におけるネットワーキングやオンライン活動において、より優れたユーザ体験を提供する、画期的なものです。8Kビデオストリーミング、完全没入型AR/VR、ゲーム、クラウドコンピューティングなど、多くの要求の厳しいアプリケーションを実現し、加速させるでしょう。この記事では、802.11be Release 1でサポートされている主要機能を確認し、Wi-Fi 7の利点と将来の接続性を実現する方法について理解します。

 

Wi-Fi 7の主な機能

  • 320 MHzチャネル帯域幅

6GHz帯がWi-Fiアプリケーションに開放されたことにより、Wi-Fi 7は6GHz帯で最大320MHzのチャネル帯域幅をサポートし、5GHzと6GHz帯の両方で20/40/80/160MHzチャネル帯域幅、2.4GHz帯では20/40MHzをサポートします。320MHzのチャネル帯域幅だけで、従来のWi-Fi 6/6Eと比較して、Wi-Fi 7の最大通信速度は2倍になります。

 

320 MHz Channel Bandwidth

図1. 320MHzのチャンネル帯域幅

 

  • 40964KQAM

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)は、搬送波の振幅と位相の変化を同時に混在させるWi-Fi変調方式として多用されている。Wi-Fi6は最大1024QAMをサポートしており、図2において左側の各コンステレーションポイントは10ビットのデータ(シンボル)を表しています。Wi-Fi7は4096 QAMをサポートし、右側の各コンステレーションポイントは12ビットのデータ(シンボル)を表します。つまり、Wi-Fi 7のQAM変調された各ポイントは、Wi-Fi 6に比べて2ビット多く情報を運ぶことができるのです。これは20%の速度向上となります。

 

1024 QAM vs. 4096 QAM

図2. 1024 QAMと4096 QAMの比較

 

  •  マルチリンクオペレーション(MLO

マルチリンクオペレーション(MLO)は、Wi-Fi 7の重要かつ有用な機能です。この機能により、デバイスは複数のバンドとチャネルで同時に送受信することができます。有線(イーサネット)ネットワークのリンクアグリゲーションやトランキング機能に似ていますが、より高度で柔軟な機能です。異なる帯域やチャンネルにある複数のリンク(無線機)を束ねたり結合したりして、接続されたピア間で1つの仮想リンクとして機能させるものです。各リンク(無線機)は独立して動作し、同時に他のリンクとの連携や、最適な集約速度、レイテンシ、範囲(カバレッジ)、または節電のための調整が可能です。Wi-Fi 7 MLOは、複数のリンクを同時に使用するためのMAC層ソリューションであり、上位層のプロトコルやサービスに対して透過的です。MLOは、スループット、リンクの堅牢性、ローミング、干渉緩和、遅延の低減を改善することができます。

 

Multi-Link Operations

図3. マルチリンクオペレーションマルチリンクオペレーション

 

たとえば、トライバンド(6 GHz、5 GHz、2.4 GHz)のメッシュノードやアクセスポイント(AP)で形成されたホームメッシュネットワークでは、MLOによってホームネットワークの高速、低遅延の無線バックボーンを形成し、メッシュノード/APに接続されたデバイスにバックホールを提供することが可能です。各メッシュノードが4x4のトライバンド同時構成をサポートする場合、集約されたバックホール(バックボーン)は、最大21.6Gbpsの速度をサポートします。MLOでは、バックホール(バックボーン)の堅牢性と信頼性も向上しています。5GHzリンクがレーダー(DFS)により遮断された場合、サービスの中断やサービス品質(QoS)の低下なしに、トラフィックを6GHzおよび2.4GHzリンクに自動的に切り替えることが可能です。Wi-Fi 7のMLOベースのバックホールと比較すると、現在のWi-Fi 6および6Eメッシュソリューションでは、4x4無線の1つを使用して無線バックホールを形成しており、4.8 Gbpsの速度しか提供できません。そのリンクに干渉や中断があると、バックホール(バックボーン)全体が影響を受けたり壊れたりして、QoSの劣化や中断の原因となります。

スマートフォンやノートパソコンなどのクライアント端末が複数の無線をサポートしている場合、MLOは端末とAPの間に太いパイプを作り、高速化、低遅延、高信頼性を実現し、シームレスローミングによるユーザ体験を向上させることができます。

 

  • マルチリソースユニット(MRU)

Wi-Fi 7では、新しいリソース・ユニット(RU)割り当ての仕組みが追加されました。APが各STA(非AP STA)に単一のRUのみを割り当てるWi-Fi 6と比較して、Wi-Fi 7では1つの非AP STAに複数の(マルチプル)リソース・ユニット(MRU)を設定することが可能です。MRUは、周波数利用効率のさらなる向上、ニーズに応じたSTAごとの帯域(QoS)制御の自由度向上、同一バンドまたはチャネルで動作する既存機器との干渉緩和・共存の強化などを実現します。

 

RU & MRU of 320 MHz OFDMA PPDU

図 4. 320 MHz OFDMA PPDU の RU と MRU

 

このような MRU メカニズムは、直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)と非 OFDMA(すなわち MU-MIMO)の両モードをサポートします。OFDMAモードは、MACとスケジューラの設計を複雑にすることなく、RU/MRUをより柔軟に割り当てることができるように、小さなMRUと大きなMRUをサポートしています。非OFDMAモードは、サブチャネルのプリアンブル・パンクチャリングに最も柔軟性を持たせています。

例えば、プライマリ以外の 20MHz のサブチャネルや、40/80MHz のチャネルを 320MHz の帯域幅でパンクチャすることができます。これにより、干渉がある場合、チャネルのスペクトルを最大限に利用した送信が可能になり、チャネルの特定のスペクトルセクションで動作する現存するデバイスがある場合、最良の共存を提供することができます。 

Wi-Fi 7には、多くの新機能と改良点があります。そのような機能には、プリアンブル・パンクチャリング、ターゲット・ウェイクタイム(TWT)と制限付きTWT(rTWT)、拡張レンジ(MCS 14およびMCS 15)などがあります。マルチAP調整(調整ビームフォーミング、調整OFDMA、調整空間再利用、共同送信)、16空間ストリーム、HARQなどの他の機能は、リリース2でサポートされる可能性がありますが、この記事ではカバーしません。

 

Wi-Fi 7はエンドユーザにどのような利点をもたらすか?

  • 極めて高いスループット

Wi-Fi 7は、電光石火の速さをサポートします。前身のWi-Fi 6(別名802.11ax)をベースにしたWi-Fi 7は、標準仕様で定義された16の空間ストリームで最大46Gbpsの生データレートを持つ極めて高いスループット(EHT)をサポートしています。これは、Cat 6/6a/7ケーブルで動作する10Gbpsイーサネットよりはるかに高速です。最も近いアクセスおよび接続技術は、Thunderbolt 3/4、USB 4、およびHDMI 2.1で、40Gbps以上の最大生データレートを提供します。

Wi-Fi 7は、Wi-Fi 6の2倍である320MHzのチャネル帯域幅をサポートしています。また、Wi-Fi 7はQAM粒度を1024(1K)から4096(4K)に向上させ、W-Fi 6/6EやWi-Fi 5 Wave 3と比較して20%高速化した。さらに、Wi-Fi 7では、アンテナ数と交換可能な空間ストリームの最大数も8から16に倍増しています。つまり、Wi-Fi 6/6Eが8空間ストリームで最大9.6Gbpsであるのに対し、Wi-Fi 7は16空間ストリームで最大46Gbps(9.6Gbps×2(帯域倍増)×1.2(QAM改善)×2(空間ストリーム))となっているのです。

このように非常に高速なため、ユーザは、2つのWi-Fiアンテナ(2つの空間ストリーム)を使って、スマートフォンやノートパソコンなどの一般的に使用されるデバイスで、最大毎秒数ギガビット(5.8Gbps)の速度を得ることができるのです。厳しい消費電力やフォームファクターの制約により、1つのアンテナを使用する多くのデバイスは、最大2.9Gbpsのデータレートをサポートすることも可能です。電力増幅器やフロントエンドモジュールを追加する必要がないため、ユーザは追加のアンテナや高い電気料金を支払うことなく、2倍以上の速度を得ることができます。これは、今後多くのアプリケーションにとってパラダイムシフトとなります。

 

  •  超低遅延

QoS(クオリティ・オブ・サービス)やユーザエクスペリエンスにとって、レイテンシもまた重要なパラメータです。特に、リアルタイム・アプリケーションでは極めて重要です。高解像度のリアルタイムビデオストリーミング、バーチャルリアリティ、拡張現実、クラウドゲーミング、リアルタイムプログラミングなど、多くのマルチメディアアプリケーションでは、20ミリ秒以下のレイテンシが要求されます。無線環境でこのような低レイテンシを実現することは容易ではありません。WAN側の遅延は、光ファイバーアクセスの場合、モデムとクラウド/サーバ間でおよそ10msか、それよりも若干長くなります。それを考慮すると、WANモデムとエンドポイントクライアントデバイス間のレイテンシバジェットは、優れたユーザエクスペリエンスを実現するために、約10ms以下である必要があります。Wi-Fi 6は、10-20msのレイテンシを実現します。そして、Wi-Fi 6Eは、より少ないレイテンシを、より争いの少ない環境で達成することができます。Wi-Fi 7は、802.11be規格の様々なツールを活用することで、遅延を10ms以下、最終的には境界が確定できる1ms以下の領域まで引き下げることができます。これらのツールには、MLO、TWT、rTWT、改良されたトリガ送信、そして最終的には統合されたタイムセンシティブネットワーク(TSN)機能などがあります。

 

  • より堅牢な接続

前述のとおり、MLO は、複数のリンク間の接続を適応させる動的なメカニズムを提供します。MLO は、パフォーマンスと堅牢性のためのリンク品質などのメトリックに基づいて、2 つのリンクピアー(AP とクライアントデバイスなど)間の接続の伝送負荷を動的にバランスすることができます(別名、ロードバランシング)。リンクの1つで干渉やリンク損失(例えば、範囲による)が発生しても、残りのリンクで接続を動作させることができ、伝送は故障したリンクから良好なリンクにシームレスに切り替えることができます(別名、高速フェイルオーバー)。MRU/RUとプリアンブル・パンクチャリングも、接続の堅牢性を高めるのに役立ちます。例えば、特定のサブチャネルや動作中のチャネルのスペクトルの特定のセクションで干渉が発生した場合、APはそれらの干渉を受けたサブチャネルやRU/MRUの使用を避け、現在の環境状況やチャネル状態に基づいて伝送を最適化することができます。また、信号のSNRを高めるために定義されたMCS14とMCS15は、リンクピアー間の距離が伸びた場合の接続の堅牢性を向上させます。

 

  • より優れた干渉緩和と共存

Wi-Fi 6とWi-Fi 6Eは、Wi-Fi 5に加え、干渉緩和と既存機器との共存のための多くの機能をすでに強化しています。Wi-Fi 6は、より柔軟なサブチャネル・パンクチャリング・パターンを提供し、OFDMAモードのRUを活用して、2MHz(26トーンの最小RU)という、より細かいレベルで干渉を回避することが可能です。Wi-Fi 6Eは、既存機器と共存するための自動周波数調整(AFC)をサポートしています。Wi-Fi 7は、MRUと、OFDMAおよび非OFDMA(MU-MIMO)モードの両方で可能なすべてのサブチャネルと高解像度パンクチャリングパターンをサポートする柔軟なプリアンブル・パンクチャリング機能により、異なるタイプのサービスに対して最適なQoSで、より優れた干渉緩和を提供します。

 

Interference Mitigation and Coexistence by Preamble Puncturing, MRU/RU and AFC

図5. プリアンブル・パンクチャリング、MRU/RU、AFCによる干渉緩和と共存

 

  • ローミング時のユーザエクスペリエンスの向上

MLOは、シームレスなローミングのためのユーザエクスペリエンスも向上させます。802.11be規格で定義されているローミング拡張機能を内蔵しています。例えば、デバイスがAPから遠く離れても、MLOはAPとデバイス間のML(マルチリンク)接続を維持し、バンドを切り替えることなく自動的に2.4GHz帯で動作することができます。逆に、デバイスがAPに近づくと、MLOは自動的に5GHzおよび6GHz帯でダイナミックに動作し、より高いパフォーマンスを発揮することができます。今日の Wi-Fi 6 および 6E AP は、アプリケーション層でバンド・ステアリングまたはクライアント・ステアリング機能に依存し、クライアントを強制的に異なるバンドに誘導する必要があります。AP はクライアントデバイスを制御できず、バンドを切り替えるかどうかはクライアントデバイスが決定するため、必ずしも期待通りに動作しません。さらに、ベンダー間の互換性も、シームレスローミングの大きな課題です。

 

Leveraging MLO for Seamless Roaming Experience

図6. MLOの活用によるシームレスローミングの実現

 

  • スペクトル効率のさらなる向上

スペクトル利用効率の観点からは、Wi-Fi 7はWi-Fi 6/6Eよりもさらに高い効率を提供します。MRU、プリアンブル・パンクチャ、MLO、4096 QAM、将来の16空間ストリーム、および調整ビームフォーミング、調整OFDMA、共同送信などの調整マルチAP機能など、複数のWi-Fi 7機能により、さらなる効率化を図ることができます。

 

  • 電力効率の向上と省電力化

320MHzの広帯域化、4096QAM、低遅延化により高速化されたWi-Fi 7は、より高い電力効率でデータを提供します。Wi-Fi 6の省電力機能をベースに、Wi-Fi 7ではこれらの機能をさまざまな方法で改善し、最適な省電力を実現しています。

MLOでは、クライアントデバイスは、DTIM(Delivery Traffic Indicator Map)ビーコンフレームを毎回リッスンする必要はなく、グループ一時キー、整合性グループ一時キー、ビーコン整合性グループ一時キー(GTK/IGTK/BIGTK)更新を実行する必要もありません。クライアントは、DTIMビーコン更新、トラフィック表示、BSSクリティカル更新のために1つのリンクを維持し、DTIMビーコン更新のために定期的にウェイクアップせずに他のリンクをディープスリープさせることができます。

Wi-Fi 6で最も期待される省電力機能であるTWTに加え、Wi-Fi 7では、いわゆるトリガ送信機会(TXOP)共有機能をサポートし、さらなる省電力化を実現しています。これは、APが取得したTXOP内の時間の一部を、関連するクライアント機器に送信用に割り当てることで、次のサービス期間(SP)で目覚める必要がないようにするものです。

オンセミは、実際のアプリケーション、リアルタイムのスループット、環境(温度など)要件に基づく、多くの独自の動的適応型省電力機能もサポートしています。

 

  • 新たなWi-Fiセンシング・アプリケーション

近年、モーション検知、Wi-Fiチャネル状態情報(CSI)に基づく測位(特に屋内)、ファインタイム測定/往復時間(FTM/RTT)などのWi-Fiセンシング・アプリケーションが、サービスプロバイダやエンドユーザから大きな関心を集めています。

Wi-Fiチャネルは干渉を受けやすく、非常に動的で周波数選択性が高いため、CSIが汚染されると動体検知の精度が劇的に低下する可能性があります。320 MHzのチャネル帯域幅により、Wi-Fi 7は最大3984トーンの豊富なCSIデータをサポートし、動体検知の精度を向上させます。また、320MHzの伝送で多くのCSIデータを取得できるため、ノイズの多いCSIデータを避けながら、干渉のないCSIの塊を十分に選択して動体検知に利用することができます。

2 倍または 4 倍のオーバーサンプリングとアップサンプリング技術により、320 MHz 信号の RTT タイムスタンプと測定精度は、サブナノ秒の分解能にすることができます。つまり、Wi-Fi 7は、レンジングと屋内測位においてサブメーター(つまり30cm)の精度をサポートし、多くの新しいWi-Fiセンシング・アプリケーションを可能にします。  

 

まとめ

Wi-Fi 7は、多くの点でユーザ体験を大幅に向上させ、より経済的に効率化されます。クラウドゲーミング、没入型AR/VR、8Kビデオストリーミング、インダストリー4.0など、多くの要求の厳しいアプリケーションを実現し、強化することができるのです。ユーザは、既存のWi-Fi 6/6Eが提供できるものよりはるかに高速で低遅延、そしてより堅牢なWi-Fi 7を期待することができます。オンセミの現在のWi-Fiソリューションをご覧ください。

 

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