Wi-Fiの通信規格の話

2021年12月7日

みなさんこんにちは。高周波機器設計課の一山です。
今回は、Wi-Fiの通信規格についてお話させていただきます。

Wi-Fiの通信規格はIEEEで策定されており、変調方式や周波数帯の違いなどでいくつかの規格が存在します。ここでは、その違いや特徴について、策定された年代順に紹介させていただきます。（※表1に概要をまとめていますので、こちらも参考にしてください）

表1. Wi-Fi通信規格の概要

IEEE802.11b

2.4GHz帯の周波数を使用し、DSSS / CCK方式の変調で、最大11Mbpsまでの通信が可能です。

IEEE802.11a

5GHz帯の周波数を使用し、変調方式にOFDMを採用することで、最大54Mbpsまでの通信が可能となりました。

IEEE802.11g

2.4GHz帯の周波数を使用し、11a規格と同様に変調方式がOFDMで最大54Mbpsまでの通信が可能です。

IEEE802.11n

最近ではWi-Fi4という名称で呼ばれています。4×4までのMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能となり、帯域幅を40MHzまで拡張することで、最大600Mbpsまでの高速化を実現しました。別名でHT(High Throughput)とも呼ばれています。また11n規格以降、周波数は2.4GHz / 5GHz帯どちらもサポートされています。ちなみにMIMOに対してシングルアンテナ接続はSISO(Single Input Single Output)と呼ばれます。

IEEE802.11ac

一般名称Wi-Fi5、別名VHT(Very High Throughput)と呼ばれる規格です。
MIMOの空間ストリーム(Spatial Stream)数を8×8、変調方式を256QAM、帯域幅を160MHzまで拡張することで、最大6.93Gbpsの通信を可能としました。また11nではMIMOのストリーム数をMCS(Modulation and Coding Scheme) Indexで規定していましたが、11acからはMCS とは切り離してストリーム数が設定されるようになりましたので注意が必要です。

IEEE802.11ax

最近主流となってきたWi-Fi6がこの11ax規格です。別名はHE(High Efficiency)。
別名があらわすように、通信効率向上によるスループットの改善が特徴で、代表的な新要素のひとつがOFDMAによるマルチユーザー接続です。ひとつの信号をRU(Resource Unit)という単位で複数ユーザーに振り分けてまとめて送信できるため、複数機器を同時に接続した際の順番待ちが緩和され、スループットの低下を軽減することができます。変調方式は1024QAMをサポート、最大通信速度は9.6Gbpsと11acからの変化は少ないようにもみえますが、（特に複数機器同時接続時の）実際のスループットや安定性は大幅な向上が期待できます。ちなみにWi-Fi6Eという名前も目にすることがあると思いますが、これは同じ11axで周波数帯（6GHz帯）が拡張された規格です。

IEEE802.11be

Wi-Fi6Eの次世代規格として今まさに検討・開発が進められている規格です。別名はEHT(Extreme High Throughput)で、その名のとおり最大46Gbpsの超高速通信を謳っています。変調方式では4096QAMをサポート、帯域幅は320MHz、MIMOのストリーム数は16×16に拡張しています。

私もWi-Fi製品の開発に携わることがありますが、このような高速通信を実現するためには製品開発においても様々な要素を考慮する必要があり、その一つとして温度が影響するケースがあるということを、開発業務を通じて知りました。製品によっては、機器の温度が過剰に上昇した際に自動的に通信速度を下げて、それ以上の温度上昇を防ぐという機能が働く場合があるのです。そのため、製品の発熱量が大きいと最大スループットが出せる条件範囲が限定される場合があります。

製品の発熱量を考慮した設計には、熱シミュレーションを活用しています。

また熱シミュレーション時に想定される主要な熱源のひとつに高周波用送信パワーアンプ(PA)があげられますので、PAの発熱量を下げる（=消費電力を下げる）設計ができれば、熱的に有利となり製品開発の自由度があがります。

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当社には、通信規格の知識や熱シミュレーション、高周波アンプ・高周波回路設計の経験が豊富なエンジニアがおります。

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