WiFiの基礎パート1：周波数とチャネル

1947年、国連機関である国際電気通信連合（ITU）は、RFスペクトルの特定の帯域をISMとして指定しました。このアイデアは、産業用、科学用、および医療用の機器用に予約された周波数の国際標準を持つことでした。皮肉なことに、電気通信は本来の目的ではありませんでした。

詳細を説明する前に、この記事は主に米国の規制ドメインに基づいていることに注意してください。異なる規制ドメインには、送信周波数と電力設定に関する特定の要件があります。

ISMバンドは12ありますが、ここではそのうちの2つに集中します。ほとんどの人はそれらを2.4GHzおよび5GHz帯域と呼びます。

2.4 GHz ISM帯域（2.400 GHz〜2.500 GHz）から始めましょう。ラップトップ、スマートフォン、タブレットの大部分が過去数年間にデュアルラジオを装備しているにもかかわらず、この小さく混雑した周波数のセットは、群を抜いて最も頻繁に使用されています。

これの理由は物理学です。一般的な経験則は、周波数が低いほど、伝播が長くなり、浸透が良くなることです。次に2つの実際の例を示します。

  • あなたはストップライトであなたの車に座っています。誰かがあなたの隣でラジオを大声で鳴らしている。彼らの音楽の好みが気に入らない場合は、ウィンドウを丸める可能性があります。その音の一部は減少しますが、おそらくその低音（低周波数）は非常によく聞こえるでしょう。
  • もう1つの例は、潜水艦と通信するために軍が使用する非常に特殊な無線システムです。これはELF（Extremely Low Frequency）と呼ばれ、必要なアンテナが数マイルにもなるほど長い波長を持っています。

さて、これで周波数が低いほどカバレッジエリアが広くなり、障害物への信号の透過性が向上することがわかりました。 2.4GHz帯域が非常に優れている場合、本当に5GHzが必要ですか？答えはイエスです。

2.4 GHzの制限

重複しないチャネルは3つだけです。 2.4GHz帯域は14チャネルに分割され、そのほとんどが5MHz離れています。その5MHzの間隔は、ワイヤレス使用のごく初期の段階では問題ありませんでした。当時のテクノロジーは、約1Mpbsのスループットに制限されていました。その後、1990年代後半に、スペクトラム拡散テクノロジーを備えた802.11bが標準になりました。

利点は、11Mbpsのスループットを実現できることです。欠点は、スペクトルの22MHzを使用したことです。たとえば、チャネル6を使用している場合、少なくともチャネル4、5、7、および8は使用できません。この制限は、古い802.11gまたは最新の802.11n（2.4GHz）WiFi機器を使用しているかどうかにかかわらず、今日も適用されます。これは最も重要な制限の1つです。

wifi limitations

混雑しています。これは、以前の制限と密接に関連しています。 802.11a（5GHz）および802.11b（2.4GHz）規格がリリースされましたが、コストの違いにより、現時点で普及しているのは802.11bだけでした。その結果、今日でもWiFiトラフィックの大部分は2.4GHz帯域を使用しています。

まともな都市のダウンタウンの通りの角に立ち、WiFiスキャンソフトウェアを実行します。おそらく、少なくとも20の信号が表示されます。ワシントンDCのダウンタウンで40人以上見ました。これらすべての信号が3つのチャネルでのみ動作していることを思い出してください。

これはISMバンドであり、定義により、他のタイプのデバイスに開放されています。電子レンジ、コードレス電話、Bluetoothデバイス、ベビーモニター、ビデオカメラ、ガレージのドア開閉装置など、干渉を引き起こす可能性のある非Wi-Fiデバイスが多数あります。

これらは、ネットワークに深刻な混乱をもたらす可能性があり、専用のスペクトルアナライザーハードウェアおよびソフトウェアなしでは検出が非常に困難です。

次に、5GHz帯についてお話します

標準のISM帯域（5.725-7.825GHz）に加えて、FCCはUNII（Unlicensed National Information Infrastructure）帯域からのスペクトラムを追加して、ワイヤレス技術の使用を促進しています。また、さまざまな規制当局が5GHz範囲で利用可能な195MHzのスペクトルを追加するプロセスを進めていることにも注意してください。

5ghz band

5GHzの制限

前に説明したように、高い周波数は遠くまで伝播せず、障害物にも侵入しません。実際の使用における2.4GHz帯域と比較してみましょう。

  • 野外では、5GHz信号は距離の約1/3からtoをカバーします。
  • 2.4 GHz信号では約3つの壁とは対照的に、1つの内壁を突き抜けると、使用可能な信号品質が大幅に低下します。

これは、別のあまり明白ではない欠点であるコストにつながります。あらゆるサイズの5GHz（まあ、デュアルバンド）WiFiネットワークを配備するための値札は、同等の2.4のみのネットワークのコストの少なくとも2.5倍です。より多くのアクセスポイントが必要です（通常は2.5倍から3倍）。ケーブル、ライセンス、メンテナンスなどを追加します。

一部のチャネルは共用です。特定のチャネルは、DFS、動的周波数選択として指定されています。 UNII-2および-2の拡張帯域にあるこれらのチャネルは、主にヨーロッパの一部のレーダーシステムとスペクトルを共有します。

このため、特定のチャネルを使用する前にレーダーパルスをスキャンするようにWiFiシステムを設計する必要があります。もちろん、レーダーパルスが検出された場合、影響を受けるチャネルがすぐに無効になります。

5GHzの利点

上の図から明らかなように、3つ以上のチャネルがあります。また、チャネル間隔にも注意してください–少なくとも20MHz。つまり、オーバーラップするチャネルはありません。すべて同時に使用できます。

はるかに混雑していません。 2.4 GHzデバイスとは異なり、5 GHzデバイスは、過去5〜6年以内に広く普及するようになりました。インフラストラクチャのアップグレードには時間がかかるという事実もあります。 2.4のみのネットワークを実行している企業はまだかなりあります。

干渉源はほとんどありません。特定の周波数の前述のレーダーを除いて、非Wi-Fi干渉の可能性は非常に低いです。

より高いスループット能力。理論的にはどちらも600Mbpsに対応しています。ただし、実際には、強化された機能の多くがチャネルボンディングに依存するため、そうではありません。これは、デバイスが複数の隣接チャネルを同時に使用するオプションのモードです。 2.4帯域で使用できるオーバーラップしないチャネルが3つしかないという事実について、先ほどどのように説明したかを覚えていますか？

この手法では、そのうち3つのうち2つを使用します。したがって、実際にネイバーを苛立たせるだけでなく、すべての同一チャネルおよび隣接チャネルの干渉により、ネットワークのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。要約すると、2.4バンドではチャネルボンディングを有効にしないでください。

他の周波数範囲を利用するいくつかの新しい規格が出てきています。それらについては、今後の記事で説明します。

FCCの公式スペクトルマップのPDFについては、次のとおりです。 http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.PDF

この記事をお楽しみいただけたでしょうか。次の質問は、異なる規格についての議論になると思います。

WiFiまたは一般的なネットワークに関するトピックの提案がある場合は、コメントでお知らせください。