IEEE 802.11n-2009

IEEE 802.11n-2009、または802.11nは、複数のアンテナを使用してデータレートを向上させる無線ネットワーク規格です。Wi -Fi Allianceは、この規格の技術を遡及的にWi-Fi 4と名付けました。^{[9] [10]}この規格では、MIMO（Multiple Input Multiple Output ）、フレーム集約、セキュリティの改善などのサポートが標準化されており、2.4GHzまたは5GHzの周波数帯域で使用できます。

MIMOサポートを導入した最初のWi-Fi規格であるため、802.11n規格（またはそのドラフト版）をサポートするデバイスやシステムは、特に次世代規格が導入される前は、MIMO Wi-Fi製品と呼ばれることがありました。^{[11] 802.11aと同じスペクトルを維持しながらデータレートを上げるためにMIMO-} OFDM（直交周波数分割多重方式）を使用することは、Airgo Networksによって初めて実証されました。 ^[12]

この規格の目的は、802.11aと802.11gという2つの以前の規格よりもネットワークスループットを向上させることです。20MHzチャネルの単一の空間ストリームで最大ネットデータレートを54Mbit/sから72Mbit/sに大幅に増加し、 40MHzのチャネル幅で4つの空間ストリームを使用すると600Mbit/s（エラー訂正コードなどを含む総ビットレートはわずかに高く、最大スループットはわずかに低くなります）になります。 ^{[13] [14]}

IEEE 802.11n-2009 は、 IEEE 802.11-2007無線ネットワーク規格の修正版です。802.11は、無線ネットワークの伝送方法を規定する一連のIEEE規格です。これらは現在、家庭や企業で無線接続を提供するために、 802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac 、および802.11axバージョンで広く使用されています。802.11n の開発は、公開の 7 年前の 2002 年に始まりました。802.11n プロトコルは現在、公開されたIEEE 802.11-2012規格の条項 20 であり、その後、公開された IEEE 802.11-2020 規格の条項 19 に名前が変更されました。

IEEE 802.11n は、 IEEE 802.11k-2008、IEEE 802.11r-2008、IEEE 802.11y-2008、およびIEEE 802.11w-2009によって修正された IEEE 802.11-2007 の修正であり、以前の 802.11 標準に基づいて、複数入力複数出力(MIMO) システムと 40 MHz チャネルをPHY (物理層)に追加し、フレーム集約をMAC 層に追加しました。802.11g および 802.11a テクノロジに基づいたXpress、Super G、Nitroなどの MIMO と 40 MHz チャネルの古い独自の実装はありましたが、これがすべての無線メーカー間で標準化されたのはこれが初めてでした。

MIMO は、複数のアンテナを使用して、単一のアンテナで可能な情報よりも多くの情報をコヒーレントに解決するテクノロジです。これを実現する方法の 1 つは、空間分割多重(SDM) です。これは、複数の独立したデータ ストリームを空間的に多重化し、1 つのスペクトル チャネルの帯域幅内で同時に転送します。MIMO SDM では、解決される空間データ ストリームの数が増えるにつれて、データ スループットが大幅に向上します。各空間ストリームには、送信側と受信側の両方に個別のアンテナが必要です。さらに、MIMO テクノロジでは、アンテナごとに個別の無線周波数チェーンとアナログ/デジタル コンバーターが必要なため、非 MIMO システムよりも実装コストが高くなります。

40 MHz 幅で動作するチャネルは、802.11n に組み込まれたもう 1 つの機能です。これにより、以前の 802.11 PHY の 20 MHz からチャネル幅が 2 倍になり、データを送信できるようになり、単一の 20 MHz チャネルで利用できる PHY データ レートが 2 倍になります。これは、5 GHz モードで有効にすることも、同じ周波数を使用する他の 802.11 または非 802.11 システム (Bluetooth など) と干渉しないことがわかっている場合は、2.4 GHz モード内で有効にすることもできます。^{[15] MIMO アーキテクチャは、より広いチャネルと相まって、標準の}802.11a (5 GHz) および802.11g (2.4 GHz)よりも高い物理転送速度を実現します。^[16]

送信機と受信機は、それぞれプリコーディングとポストコーディングの技術を使用して、MIMO リンクの容量を実現します。プリコーディングには空間ビームフォーミングと空間コーディングが含まれ、空間ビームフォーミングはデコード段階での受信信号の品質を向上させます。空間コーディングは、空間多重化によってデータ スループットを向上させ、 Alamouti コーディングなどの技術を通じて空間ダイバーシティを活用して範囲を拡大することができます。

同時データ ストリームの数は、リンクの両側で使用されるアンテナの最小数によって制限されます。ただし、個々の無線によって、一意のデータを伝送できる空間ストリームの数はさらに制限されることがよくあります。a × b  : c表記は、特定の無線の機能を識別するのに役立ちます。最初の数字 ( a ) は、無線で使用できる送信アンテナまたは送信 TF チェーンの最大数です。2 番目の数字 ( b ) は、無線で使用できる受信アンテナまたは受信 RF チェーンの最大数です。3 番目の数字 ( c ) は、無線で使用できるデータ空間ストリームの最大数です。たとえば、2 つのアンテナで送信し、3 つのアンテナで受信できるが、送受信できるデータ ストリームは 2 つだけである無線は、2 × 3 : 2 になります。

802.11n ドラフトでは、最大4 × 4 : 4までが許可されています。11nデバイスの一般的な構成は、2 × 2 : 2、2 × 3 : 2、および3 × 2 : 2です。3 つの構成はすべて最大スループットと機能が同じで、アンテナシステムが提供するダイバーシティの量のみが異なります。さらに、追加のデータストリームによりスループットがより高い3 × 3 : 3 という4 番目の構成が一般的になりつつあります。^[17]

802.11g ネットワークが 54 メガビット/秒 (1 つのアンテナで単一の 20 MHz チャネル) を達成するのと同じ動作パラメータであると仮定すると、802.11n ネットワークは 72 メガビット/秒 (1 つのアンテナで単一の 20 MHz チャネル、400 nsガード間隔) を達成できます。近隣に他の Bluetooth、マイクロ波、または Wi-Fi 放射がない場合、2 つの 20 MHz チャネルを 40 MHz モードで使用することで、802.11n の速度は最大 150 メガビット/秒まで向上する可能性があります。より多くのアンテナを使用する場合、802.11n は 4 つのアンテナで 20 MHz モードで最大 288 メガビット/秒、4 つのアンテナで 400 ns ガード間隔の 40 MHz モードで最大 600 メガビット/秒まで向上できます。 2.4 GHz 帯域はほとんどの都市部で深刻な混雑状態にあるため、802.11n ネットワークでは、通常、40 MHz モードで動作させるよりも、20 MHz モードでより多くのアンテナを利用することでデータ レートを向上できます。これは、40 MHz モードでは、都市から離れた田舎でのみ利用可能な比較的自由な無線スペクトルが必要になるためです。したがって、802.11n ネットワークをインストールするネットワーク エンジニアは、できるだけ多くのアンテナ (802.11n 規格で指定されている 1、2、3、または 4) を備えたルーターとワイヤレス クライアントを選択し、20 MHz モードでもネットワークの帯域幅が十分であることを確認する必要があります。

600 Mbit/s までのデータレートは、1 つの 40 MHz 幅のチャネルを使用して最大 4 つの空間ストリームでのみ達成されます。さまざまな変調方式と符号化レートが標準で定義されており、それぞれに任意の番号が割り当てられています。この番号は、変調および符号化方式インデックス、またはMCS インデックスです。次の表は、最大データレートを可能にする変数間の関係を示しています。GI (ガードインターバル): シンボル間のタイミング。^[18]

20 MHz チャネルは64 のFFTを使用します。そのうち 56 のOFDMサブキャリア、52 はデータ用、4 はパイロット トーンで、キャリア間隔は 0.3125 MHz (20 MHz/64) (3.2 μs) です。これらのサブキャリアはそれぞれ、BPSK、QPSK、16- QAM、または 64- QAMにすることができます。総帯域幅は 20 MHz で、占有帯域幅は 17.8 MHz です。総シンボル持続時間は 3.6 または 4マイクロ秒で、これには0.4 (ショート ガード インターバル (SGI) とも呼ばれる) または 0.8 マイクロ秒のガード インターバルが含まれます。

PHY レベルのデータ レートは、競合プロセス、フレーム間間隔、PHY レベル ヘッダー (プリアンブル + PLCP)、確認応答フレームなどの 802.11 プロトコル オーバーヘッドのため、ユーザー レベルのスループットと一致しません。パフォーマンスの向上を実現する主なメディア アクセス制御(MAC) 機能は集約です。集約には次の 2 つのタイプが定義されています。

1. MAC の先頭にあるMACサービス データ ユニット(MSDU) の集約 (MSDU 集約または A-MSDU と呼ばれる)
2. MAC の下部にあるMACプロトコル データ ユニット(MPDU) の集約 (MPDU 集約または A-MPDU と呼ばれる)

フレーム集約は、複数の MSDU または MPDU をまとめてオーバーヘッドを削減し、複数のフレームにわたって平均化することで、ユーザー レベルのデータ レートを向上させるプロセスです。A-MPDU 集約には、802.11e で導入され、802.11n で最適化された ブロック確認応答(BlockAck) を使用する必要があります。

802.11g が既存の 802.11b デバイスと帯域を共有するためにリリースされたとき、レガシー デバイスと後継デバイス間の下位互換性を確保する方法が提供されました。802.11n は共存管理を拡張し、 802.11g、802.11b、802.11aなどのレガシー デバイスからの送信を保護します。以下に示す MAC レベルおよび PHY レベルの保護メカニズムがあります。

1. PHY レベルの保護: 混合モード フォーマット保護 (L-SIG TXOP 保護とも呼ばれます): 混合モードでは、各 802.11n 送信は常に 802.11a または 802.11g 送信に埋め込まれます。20 MHz 送信の場合、この埋め込みによって 802.11a および 802.11g の保護が行われます。ただし、802.11b デバイスではCTS保護が依然として必要です。^{[引用が必要]}
2. PHY レベルの保護: 802.11a または 802.11g クライアントが存在する場合に 40 MHz チャネルを使用して送信する場合は、レガシー デバイスとの干渉を防ぐために、40 MHz チャネルの両方の 20 MHz の半分でCTS保護を使用する必要があります。^{[引用が必要]}
3. MAC レベルの保護: RTS/CTS フレーム交換または従来のレートでの CTS フレーム送信を使用して、後続の 11n 送信を保護できます。^{[引用が必要]}

最大出力を得るには、純粋な 802.11n 5 GHz ネットワークが推奨されます。5 GHz 帯は、重複しない無線チャネルが多く、2.4 GHz 帯に比べて無線干渉が少ないため、かなりの容量があります。^[19] 802.11n のみのネットワークは、依然として 802.11b/g のみのレガシー機器をサポートする必要があるため、多くのユーザーにとって実用的ではない可能性があります。混合モード システムでは、デュアル無線アクセス ポイントを使用し、802.11b/g トラフィックを 2.4 GHz 無線に配置し、802.11n トラフィックを 5 GHz 無線に配置するのが最適なソリューションです。^[20]このセットアップでは、すべての 802.11n クライアントが 5 GHz 対応であることを前提としていますが、これは標準の要件ではありません。5 GHz は Wi-Fi 4 ではオプションです。 Wi-Fi 4対応デバイスの多くは2.4GHzのみをサポートしており、5GHzをサポートするようにアップグレードする実用的な方法はありません。一部のエンタープライズグレードのAPはバンドステアリングを使用して802.11nクライアントを5GHz帯域に送信し、2.4GHz帯域をレガシークライアントに残します。バンドステアリングは、デュアルバンドクライアントからの2.4GHz要求ではなく、5GHzアソシエーション要求にのみ応答することによって機能します。^[21]

2.4 GHz  ISM バンドはかなり混雑しています。802.11n では、チャネルあたりの帯域幅を 40 MHz (ファット チャネル) に倍増するオプションがあり、データ レートが 2 倍強になります。ただし、北米では、2.4 GHz の場合、このオプションを有効にすると、ライセンス不要のバンドの最大 82% が消費されます。たとえば、チャネル 3 SCA (上記のセカンダリ チャネル) は、3+7 とも呼ばれ、使用可能な 11 チャネルのうち最初の 9 チャネルを予約します。ヨーロッパや、チャネル 1 ～ 13 が使用可能なその他の場所では、1+5 を割り当てると、チャネルの 50% 強が使用されますが、9+13 との重複は通常、バンドの端にあるためそれほど重要ではありません。そのため、送信機が物理的に非常に接近していない限り、2 つの 40 MHz バンドは通常機能します。^{[オリジナル リサーチ? ]}

仕様では、1 つのプライマリ 20 MHz チャネルと、±20 MHz 離れたセカンダリ隣接チャネルが必要です。プライマリ チャネルは、40 MHz モードに対応していないクライアントとの通信に使用されます。40 MHz モードの場合、中心周波数は実際にはプライマリ チャネルとセカンダリ チャネルの 平均になります。

地域の規制により、特定のチャネルの動作が制限される場合があります。たとえば、チャネル 12 と 13 は、通常、北米ではプライマリ チャネルとしてもセカンダリ チャネルとしても使用できません。詳細については、「WLAN チャネルのリスト」を参照してください。

Wi -Fiアライアンスは、 2.0以降に確定したいくつかの機能強化について、互換性テストスイートをアップグレードしました。さらに、ドラフトn認定製品はすべて、最終規格に準拠した製品と互換性があることを確認しました。^[22]

IEEE 802.11n 規格の最初のドラフトが 2006 年に公開された後、多くのメーカーが、規格が確定する前であっても、規格ドラフトに準拠していると主張する、いわゆる「ドラフト n」製品を生産し始めました。つまり、これらの製品は、規格の公開後に IEEE 802.11 規格に従って生産された製品と相互運用できない可能性があり、メーカー同士でも相互運用できない可能性があります。^[23] Wi-Fi Alliance は、2007 年半ばに IEEE 802.11n ドラフト 2.0 に基づく製品の認証を開始しました。^{[24] [25]}この認証プログラムは、一連の機能と、それらの機能をサポートするベンダー間での相互運用性のレベルを確立し、互換性と相互運用性を確保するために「ドラフト n」の 1 つの定義を提供しました。ベースライン認証は、20MHzと40MHzの両幅のチャネルと最大2つの空間ストリームをカバーし、最大スループットは20MHzで144.4Mbit/s、40MHzで300Mbit/s（短いガードインターバル付き）です。消費者向けと企業向けの両方の分野で、多くのベンダーがこの認証を取得した製品を開発しています。^[26]

802.11nの開発におけるマイルストーンは以下のとおりです。^[27]

2002年9月11日

高スループット研究グループ (HTSG) の最初の会議が開催されました。その年の初めに、ワイヤレス次世代常任委員会 (WNG SC) で、変更が必要な理由と、修正を正当化するために必要な目標スループットについて説明がありました。2002 年 5 月に妥協案が成立し、研究グループの開始を 9 月まで延期して、2002 年 7 月のセッション中に 11g が主要な作業を完了できるようにしました。

2003年9月11日

IEEE-SA 新規格委員会 (NesCom) は、802.11-2007 規格の修正を目的としたプロジェクト認可要求 (PAR) を承認しました。新しい 802.11 タスク グループ (TGn) は、新しい修正を開発します。TGn 修正は、IEEE Std 802.11k-2008、IEEE Std 802.11r-2008、IEEE Std 802.11y-2008、および IEEE P802.11w によって修正された IEEE Std 802.11-2007 に基づいています。TGn は、802.11-2007 規格の 5 番目の修正となります。このプロジェクトの範囲は、802.11 物理層 (PHY) と 802.11 メディア アクセス制御層 (MAC) の両方に対する標準化された変更を定義する修正を定義し、MAC データ サービス アクセス ポイント (SAP) で測定された最大スループットが少なくとも 100 Mbit/s の、はるかに高いスループットが可能な動作モードを有効にすることです。

2003年9月15日

新しい 802.11 タスク グループ (TGn) の最初の会議。

2004年5月17日

公募が開始されました。

2004年9月13日

第一ラウンドの提案32件が審議されました。

2005年3月

提案は 1 つに絞り込まれましたが、1 つの提案に対して 75% の合意が得られませんでした。次の 3 回のセッションでさらに努力を重ねましたが、1 つの提案に同意することはできませんでした。

2005年7月

これまでの競合相手であるTGn Sync、WWiSE、そして第3のグループであるMITMOTは、それぞれの提案をドラフトとして統合すると述べた。標準化プロセスは2009年第2四半期までに完了する予定である。^[28]

2006年1月19日

IEEE 802.11nタスクグループは、EWCのドラフト仕様によって強化された共同提案の仕様を承認した。^[28]

2006年3月

IEEE 802.11 ワーキング グループは、802.11n ドラフトを最初の書簡投票に送り、500 人以上の 802.11 投票者がドキュメントを確認し、バグ修正、変更、改善を提案できるようにしました。

2006年5月2日

IEEE 802.11 ワーキング グループは、提案された 802.11n 標準のドラフト 1.0 を転送しないことに投票しました。投票を承認したのは 46.6% のみでした。IEEE 標準プロセスの次のステップに進むには、75% の多数決が必要です。この書面投票では、予想をはるかに上回る約 12,000 件のコメントも寄せられました。

2006年11月

TGn は、この会議の前に承認されたすべての技術および編集コメントの決議を組み込んだドラフト バージョン 1.06 を承認することに投票しました。11 月のセッション中にさらに 800 のコメント決議が承認され、ドラフトの次の改訂版に組み込まれます。この会議の時点で、5 月に設立された 18 のコメント トピック アドホック グループのうち 3 つが作業を完了し、技術コメントの 88% が解決され、約 370 件が残っています。

2007年1月19日

IEEE 802.11 ワーキング グループは、802.11n タスク グループによる、提案された標準規格の新しいドラフト 2.0 を発行するという要求を全会一致 (賛成 100、反対 0、棄権 5) で承認しました。ドラフト 2.0 は、タスク グループのワーキング ドラフト バージョン 1.10 に基づいています。ドラフト 2.0 は、この時点で、以前のすべてのコメントに基づいて 11n ドキュメントに加えられた何千もの変更の累積結果でした。

2007年2月7日

15 日間の手続き投票であるレター投票 95 の結果は、97.99% の承認と 2.01% の不承認で可決されました。同日、802.11 ワーキング グループはレター投票 97 の開始を発表しました。詳細な技術コメントの募集は 2007 年 3 月 9 日に締め切られました。

2007年3月9日

ドラフト 2.0 を承認するための 30 日間の技術投票であるレター投票 97 が終了しました。これは、2007 年 3 月 12 日のオーランド総会で IEEE 802 のリーダーシップによって発表されました。投票は 83.4% の承認を得て通過し、承認最低基準の 75% を超えました。まだ約 3,076 のコメントが残っており、ドラフト 2 の次の改訂版に組み込むために個別に検討される予定です。

2007年6月25日

Wi-Fi Alliance は、ドラフト 2.0 に基づくデバイスの公式認定プログラムを発表しました。

2007年9月7日

タスク グループは、ドラフト 2.07 のすべての未解決の問題について合意しました。ドラフト 3.0 は承認され、2007 年 11 月にスポンサー投票が行われる予定です。

2007年11月

草案 3.0 が承認されました (賛成 240 票、反対 43 票、棄権 27 票)。編集者は草案 3.01 を作成する権限を与えられました。

2008年1月

ドラフト 3.02 が承認されました。このバージョンには、以前に承認された技術コメントと編集コメントが組み込まれています。未解決の技術コメントは 127 件残っています。残りのコメントはすべて解決され、TGn と WG11 は 3 月の会議後にワーキング グループの再循環投票用にドラフト 4.0 をリリースすることが予想されました。

2008年5月

ドラフト4.0が承認されました。

2008年7月

ドラフト 5.0 が承認され、予想される公開タイムラインが変更されました。

2008年9月

ドラフト6.0が承認されました。

2008年11月

ドラフト7.0が承認されました。

2009年1月

草案 7.0 はスポンサー投票に送られ、スポンサー投票は承認されました (賛成 158、反対 45、棄権 21)。241 件のコメントが寄せられました。

2009年3月

草案 8.0 は、スポンサー投票の再循環に進み、投票は 80.1% の多数決 (必要な投票数の 75%) で可決されました (投票数 228、承認 169、不承認 42)。スポンサー投票プールには 277 名のメンバーがいます。コメント解決委員会は、受け取った 77 件のコメントを解決し、編集者に草案 9.0 を作成してさらに投票することを許可しました。

2009年4月4日

草案 9.0 はスポンサー投票の再循環を通過しました。投票は 80.7% の多数決 (必要な 75%) で通過しました (投票数 233、承認 171、不承認 41)。スポンサー投票プールには 277 名のメンバーがいます。コメント解決委員会は、受け取った 23 件の新しいコメントを解決しており、編集者にさらなる投票のための新しい草案の作成を許可します。

2009年5月15日

ドラフト 10.0 はスポンサー投票の再循環を通過しました。

2009年6月23日

ドラフト 11.0 はスポンサー投票の再循環を通過しました。

2009年7月17日

最終WG承認は、賛成53、反対1、棄権6で可決された。^[29]最終WG草案11.0を改訂委員会に送付することが全会一致で承認された。^[30]

2009年9月11日

RevCom/Standards Boardの承認。^[31]

2009年10月29日

出版された。^[14]

• WLAN チャネルのリスト
• スペクトル効率比較表
• WiMAXMIMO

• IEEE 802.11n-2009—修正5: スループット向上のための機能強化。IEEE -SA。2009年10月29日。doi : 10.1109/ IEEESTD.2009.5307322。ISBN 978-0-7381-6046-7。
• IEEE 802.11n-2009 2013-02-03 にWayback Machineでアーカイブされました

• 「WLAN 802.11n - SISO から MIMO へ」(PDF)。
• 「3 つの空間ストリーム: 良いもの、悪いもの、そして醜いもの」。
• 「空間ストリームの基礎」。
• 「すべてのストリームが同じように作られているわけではない」。2015 年 12 月 22 日にオリジナルからアーカイブ。2015年 12 月 16 日に取得。