ワイヤレスネットワーク

ワイヤレスネットワークは、ネットワークノード間でワイヤレスデータ接続を使用するコンピュータネットワークです。^[1]ワイヤレスネットワーキングにより、家庭、通信ネットワーク、およびビジネス設備は、建物内にケーブルを導入したり、さまざまな機器の場所間を接続したりするコストのかかるプロセスを回避できます。^{[2]管理通信ネットワークは通常、}無線通信を使用して実装および管理されます。この実装は、OSIモデルネットワーク構造の物理レベル（レイヤー）で行われます。^[3]

無線ネットワークの例としては、携帯電話ネットワーク、無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）、無線センサーネットワーク、衛星通信ネットワーク、地上マイクロ波ネットワークなどがあげられる。^[4]

最初のプロフェッショナル ワイヤレス ネットワークは、1969 年にハワイ大学でALOHAnet というブランド名で開発され、1971 年 6 月に運用が開始されました。最初の商用ワイヤレス ネットワークは、1986 年にNCRによって開発されたWaveLAN製品ファミリでした。

• 1973 – イーサネット 802.3
• 1991年 – 2G携帯電話ネットワーク
• 1997年6月 – 802.11「Wi-Fi」プロトコルの初リリース
• 1999 – 803.11 VoIP統合

MOSFET（MOSトランジスタ）無線技術の進歩により、デジタル無線ネットワークの開発が可能になりました。RF CMOS（無線周波数 CMOS）、パワーMOSFET、LDMOS（横方向拡散MOS）デバイスの広範な採用により、1990年代までにデジタル無線ネットワークが開発および普及し、2000年代にはMOSFET技術のさらなる進歩により帯域幅が増加しました（エドホルムの法則）。^{[5] [6] [7] 2G、3G、[5]、} 4Gなどのネットワークでは、モバイルトランシーバー、基地局モジュール、ルーター、RFパワーアンプ、[ ^6] 通信回路、^[8] RF回路、無線トランシーバー^[7]など、無線ネットワークの重要な要素のほとんどはMOSFETで構築されています。[ ^{6 ]}

• 地上マイクロ波– 地上マイクロ波通信では、衛星放送受信アンテナに似た地上の送信機と受信機を使用します。地上マイクロ波は低ギガヘルツ範囲にあるため、すべての通信は見通し内に制限されます。中継局の間隔は約 48 km (30 マイル) です。
• 通信衛星– 衛星は、地球の大気によって偏向されないマイクロ波電波を介して通信します。衛星は宇宙空間に配置されており、通常は赤道上空 35,400 km (22,000 マイル) の静止軌道上にあります。これらの地球周回システムは、音声、データ、およびテレビ信号を受信して​​中継することができます。
• 携帯電話および PCS システムでは、複数の無線通信技術が使用されています。システムは、カバーする地域を複数の地理的エリアに分割します。各エリアには、あるエリアから次のエリアに通話を中継するための低電力送信機または無線中継アンテナ デバイスがあります。
• 無線および拡散スペクトル技術– 無線ローカル エリア ネットワークは、デジタル セルラーに類似した高周波無線技術と低周波無線技術を使用します。無線 LAN は、拡散スペクトル技術を使用して、限られたエリア内の複数のデバイス間の通信を可能にします。IEEE 802.11 は、Wi-Fiと呼ばれるオープン スタンダードの無線電波技術の共通バージョンを定義します。
• 自由空間光通信では、通信に可視光または不可視光を使用します。ほとんどの場合、見通し内伝播が使用されるため、通信デバイスの物理的な配置が制限されます。

ワイヤレスパーソナル エリア ネットワーク(WPAN) は、比較的狭い範囲、通常は人の手の届く範囲内のデバイスを接続します。^[9]たとえば、Bluetooth無線と目に見えない赤外線の両方が、ヘッドセットをラップトップに接続するための WPAN を提供します。ZigbeeもWPAN アプリケーションをサポートしています。^[10]機器設計者がさまざまな消費者向け電子機器に Wi-Fi を統合し始めたため、Wi-Fi PAN は一般的になりつつあります (2010 年)。Intelの「My WiFi」とWindows 7 の「仮想 Wi-Fi」機能により、Wi-Fi PAN のセットアップと構成がシンプルかつ容易になりました。^[11]

ワイヤレス ローカル エリア ネットワーク( WLAN) は、ワイヤレス配信方式を使用して 2 台以上のデバイスを短距離でリンクし、通常はインターネット アクセス用にアクセス ポイントを介した接続を提供します。スペクトラム拡散技術またはOFDM技術を使用すると、ユーザーはローカル カバレッジ エリア内を移動しても、ネットワークに接続したままにすることができます。

IEEE 802.11 WLAN 規格を使用する製品は、Wi-Fiブランド名 で販売されています。固定無線技術は、多くの場合、見通し線上の専用マイクロ波または変調レーザー光線を使用して、2 つの離れた場所にあるコンピューターまたはネットワーク間のポイントツーポイントリンクを実装します。都市では、有線リンクをインストールせずに 2 つ以上の建物のネットワークを接続するためによく使用されます。モバイル デバイスを使用してWi-Fiに接続するには、ワイヤレス ルーターなどのデバイスを使用するか、別のモバイル デバイスのプライベート ホットスポット機能を使用します。

無線アドホックネットワークは、無線メッシュネットワークまたはモバイルアドホックネットワーク（MANET）とも呼ばれ、メッシュトポロジに編成された無線ノードで構成された無線ネットワークです。各ノードは他のノードに代わってメッセージを転送し、各ノードはルーティングを実行します。^[12]アドホックネットワークは「自己修復」が可能で、電源を失ったノードを自動的に迂回して再ルーティングします。アドホックモバイルネットワークを実現するには、距離シーケンス距離ベクトルルーティング、アソシエティビティベースルーティング、アドホックオンデマンド距離ベクトルルーティング、ダイナミックソースルーティングなど、さまざまなネットワーク層プロトコルが必要です。

ワイヤレスメトロポリタン エリア ネットワークは、複数のワイヤレス LAN を接続するタイプのワイヤレス ネットワークです。

• WiMAXは無線MANの一種であり、IEEE 802.16規格で規定されています。^[13]

ワイヤレス ワイド エリア ネットワークは、通常、近隣の町や都市、都市と郊外の間など、広いエリアをカバーするワイヤレス ネットワークです。これらのネットワークは、企業の支店間を接続するため、または公共のインターネット アクセス システムとして使用できます。アクセス ポイント間のワイヤレス接続は、通常、小規模なネットワークで使用される全方向性アンテナではなく、2.4 GHz および 5.8 GHz 帯域のパラボラ アンテナを使用したポイントツーポイントの マイクロ波リンクです。一般的なシステムには、ベース ステーション ゲートウェイ、アクセス ポイント、ワイヤレス ブリッジ リレーが含まれます。その他の構成は、各アクセス ポイントがリレーとしても機能するメッシュ システムです。太陽光発電パネルや風力システムなどの再生可能エネルギー システムと組み合わせると、スタンドアロン システムになります。

セルラー ネットワークまたはモバイルネットワークは、セルと呼ばれる陸上エリアに分散された無線ネットワークであり、各セルはセル サイトまたはベース ステーションと呼ばれる少なくとも 1 つの固定位置トランシーバーによってサービスを受けます。セルラー ネットワークでは、各セルは干渉を避けるために、隣接するすべてのセルとは異なる無線周波数セットを使用するのが特徴的です。

これらのセルを結合すると、広い地理的範囲に無線カバレッジが提供されます。これにより、多数のポータブル トランシーバー (携帯電話、ポケベルなど) が、送信中にトランシーバーの一部が複数のセルを移動している場合でも、基地局を介してネットワーク内の任意の場所にある固定トランシーバーや電話機と相互に通信できるようになります。

もともと携帯電話向けでしたが、スマートフォンの発達により、携帯電話ネットワークは電話での会話に加えて日常的にデータを伝送するようになりました。

• グローバル移動通信システム（GSM）：GSMネットワークは、交換システム、基地局システム、運用・サポートシステムの3つの主要システムに分かれています。携帯電話は基地局に接続し、基地局は運用・サポートステーションに接続します。その後、交換局に接続し、通話は必要な場所に転送されます。GSMは最も一般的な規格であり、ほとんどの携帯電話で使用されています。^[14]
• パーソナル通信サービス(PCS): PCS は、北米および南アジアの携帯電話で使用できる無線帯域です。Sprint は PCS を最初に導入したサービスです。
• D-AMPS : デジタル高度携帯電話サービス (AMPS のアップグレード版) は、技術の進歩により段階的に廃止されています。新しい GSM ネットワークが古いシステムに取って代わります。

プライベート LTE/5G ネットワークは、LTE または 5G セルラー ネットワーク ベース ステーション、スモール セル、その他の無線アクセス ネットワーク (RAN) インフラストラクチャにより、ライセンス、共有、またはライセンスなしの無線スペクトルを使用して、エッジ デバイス (スマートフォン、組み込みモジュール、ルーター、ゲートウェイ) に音声とデータを送信します。

3GPP では、5G プライベート ネットワークを、組織の信頼性、アクセス性、保守性のニーズを満たすために通常は小規模な展開を採用する非パブリック ネットワークと定義しています。

オープンソースのプライベート ネットワークは、共同作業によるコミュニティ主導のソフトウェアに基づいており、ソース コードの使用、変更、共有にはピア レビューと制作が必要です。

グローバルエリアネットワーク（GAN）は、任意の数の無線LAN、衛星カバレッジエリアなどにわたってモバイルをサポートするために使用されるネットワークです。モバイル通信の主な課題は、ユーザー通信を1つのローカルカバレッジエリアから次のカバレッジエリアにハンドオフすることです。IEEEプロジェクト802では、これには地上無線LANの連続が含まれます。^[15]

宇宙ネットワークは、通常は地球付近の宇宙船間の通信に使用されるネットワークです。この例としては、NASA の宇宙ネットワークが挙げられます。

使用例には、日常的なワイヤレス ネットワークの一部である携帯電話があり、これにより簡単に個人的な通信が可能になります。別の例として、大陸間ネットワーク システムでは、無線衛星を使用して世界中と通信します。 警察などの緊急サービスもワイヤレス ネットワークを利用して効率的に通信します。個人や企業は、小さなオフィス ビル内であろうと世界中であろうと、ワイヤレス ネットワークを使用してデータを迅速に送信および共有します。

一般的に、無線ネットワークはビジネスユーザーと家庭ユーザーの両方に幅広い用途を提供します。^[16]

「現在、業界ではいくつかの異なる無線技術が受け入れられています。各無線技術は、OSIモデルの物理層とデータリンク層の両方で固有の機能を記述する標準によって定義されています。これらの標準は、指定された信号方式、地理的範囲、周波数の使用などにおいて異なります。このような違いにより、特定の技術はホームネットワークに適しており、他の技術は大規模な組織のネットワークに適しています。」^[16]

各規格は地理的範囲が異なるため、無線ネットワークで何を実現しようとしているかによって、ある規格が次の規格よりも理想的になります。^[16] 無線ネットワークのパフォーマンスは、音声やビデオなど、さまざまなアプリケーションを満たします。このテクノロジの使用により、2Gから3G、さらに4Gや5Gテクノロジ (携帯電話のモバイル通信規格の第 4 世代と第 5 世代を表す) への拡張の余地も生まれます。ワイヤレス ネットワークが一般的になるにつれて、ネットワーク ハードウェアとソフトウェアの構成によって洗練度が高まり、より高速で大量のデータを送受信できる容量が向上します。現在、ワイヤレス ネットワークは 4G モバイル通信規格である LTE で実行されています。LTE ネットワークのユーザーは、3G ネットワークの 10 倍のデータ速度を利用できます。^[17]

空間は無線ネットワークのもう一つの特徴です。無線ネットワークは、道路や川の向こう側、建物の反対側にある倉庫、物理的には離れているが一体として機能している建物など、配線が難しいエリアで通信しようとする場合、多くの利点があります。^[17]無線ネットワークでは、ユーザーが特定の空間を指定して、そのネットワークを介して他のデバイスと通信することができます。

配線の乱雑さがなくなることで、家庭内にスペースが生まれます。^{[18]この技術により、} TP、同軸ケーブル、光ファイバーなどの高価な物理的なネットワーク媒体を設置する代わりに、代替手段が利用可能になります。

家庭にとって、プリンター、スキャナー、高速インターネット接続を共有するには、イーサネットに比べて無線技術が効果的な選択肢です。WLANは、ケーブルメディアの設置コストを節約し、物理的な設置にかかる時間を節約し、ネットワークに接続されたデバイスのモビリティも実現します。 ^{[18]無線ネットワークはシンプルで、}ルーターを介してインターネットに直接接続された単一の無線アクセスポイント のみが必要です。^[16]

物理層の通信ネットワークも、相互接続された多数の有線ネットワーク要素(NE) で構成されています。これらの NE は、単一の製造元から提供されるスタンドアロン システムまたは製品、またはサービス プロバイダー (ユーザー) またはシステム インテグレーターが複数の異なる製造元の部品を使用して組み立てた製品です。

ワイヤレス NE は、ワイヤレス キャリアがバックホールネットワークとモバイル スイッチング センター(MSC) のサポートを提供するために使用する製品およびデバイスです。

信頼性の高い無線サービスは、物理層のネットワーク要素があらゆる運用環境やアプリケーションから保護されているかどうかに依存します（GR-3171「無線ネットワークで使用されるネットワーク要素の一般要件 - 物理層基準」を参照）。^[19]

特に重要なのは、基地局(BS) キャビネットのセル タワーに配置されている NE です。取り付けハードウェアと、アンテナおよび関連するクロージャとケーブルの配置には、十分な強度、堅牢性、耐腐食性、風、嵐、氷結、その他の気象条件に対する耐性が必要です。ハードウェア、ケーブル、コネクタ、クロージャなどの個々のコンポーネントの要件は、それらが取り付けられている構造を考慮する必要があります。

有線システムと比較すると、無線ネットワークは電磁干渉の影響を受けやすい。これは、通信に使用される無線帯域内またはその近傍で電波を発生する他のネットワークや他の種類の機器によって引き起こされる可能性がある。干渉により信号が劣化したり、システムが故障したりする可能性があります。^[4]

材質によっては電磁波を吸収し、受信機に届かないようにするものもありますが、金属や導電性の材質の場合は特に反射が起こります。これにより、受信できないデッドゾーンが生じることがあります。現代の住宅ではアルミホイルで断熱すると、室内の携帯電話信号が簡単に 10 dB 低下し、田舎の長距離携帯電話信号の受信状態が悪いという苦情が頻繁に発生します。

マルチパス フェージングでは、反射により信号が 2 つ以上の異なる経路を通るため、特定の場所では信号が互いに打ち消し合い、他の場所では信号が強くなることがあります (アップフェード)。

隠れノード問題は、ある種類のネットワークにおいて、あるノードが無線アクセス ポイント(AP)からは見えるが、その AP と通信している他のノードからは見えない場合に発生します。これにより、メディア アクセス制御(衝突) に問題が生じます。

露出端末問題とは、あるネットワーク上のノードが、別のネットワーク上のノードからの 同一チャネル干渉のために送信できない場合に発生します。

無線スペクトルは限られたリソースであり、送信機の範囲内のすべてのノードによって共有されます。帯域幅の割り当ては、複数のユーザーが参加すると複雑になります。多くの場合、ユーザーは、広告されている数値 ( IEEE 802.11機器またはLTEネットワークなど) が自分の容量ではなく、他のすべてのユーザーと共有されているため、個々のユーザーのレートははるかに低いことに気づいていません。需要が増加すると、容量不足が発生する可能性が高くなります。ユーザーインザループ(UIL) は、オーバープロビジョニングのために常に新しいテクノロジーにアップグレードする代わりになるソリューションです。

シャノンの定理は、単一の無線リンクの最大データ レートを記述できます。これは、ヘルツ単位の帯域幅とチャネル上のノイズに関連します。

MIMO技術を使用すると、チャネル容量を大幅に増やすことができます。MIMO 技術では、複数のアンテナまたは複数の周波数が受信機への複数のパスを活用して、各端での周波数とアンテナの多様性の積の係数によって、はるかに高いスループットを実現します。

Linuxでは、Central Regulatory Domain Agent（CRDA）がチャネルの設定を制御します。^[20]

ネットワークの総帯域幅は、媒体の分散性（分散性が高い媒体は干渉を最小限に抑えるため、総帯域幅が広くなります）、使用可能な周波数の数、それらの周波数のノイズ、使用されるアンテナの数、指向性アンテナが使用されているかどうか、ノードが電力制御を採用しているかどうかなどによって異なります。

セルラー無線ネットワークは、指向性アンテナの使用と、隣接していないセルの無線チャネルを再利用できることから、一般的に容量が優れています。さらに、低電力送信機を使用することでセルを非常に小さくすることができ、都市では人口密度に応じてネットワーク容量を線形に拡張するために使用されています。^[4]

無線アクセスポイントも人間の近くにあることが多いが、距離が離れるにつれて電力は急速に低下し、反二乗の法則に従う。^[21]英国健康保護庁（ HPA） の見解は、「...WiFiからの無線周波数（RF）被曝は、携帯電話からの被曝よりも低い可能性が高い」というものである。また、「...学校などがWiFi機器を使用しない理由はない」とも考えている。^[22] 2007年10月、HPAは、その時点までの最近の時期にメディアで取り上げられた懸念を和らげるために、英国政府に代わってWiFiネットワークの影響に関する新しい「体系的な」研究を開始した。^[23] HPAのマイケル・クラーク博士は、携帯電話とアンテナ塔に関する発表された研究は、 WiFiを非難するものではないと述べている。^[24]

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• ワイヤレスモビリティ管理

• 発展途上国におけるワイヤレス ネットワーキング: 低コストの通信インフラストラクチャを計画および構築するための実践ガイド(PDF) (第 2 版)。Hacker Friendly LLC。2007 年。425 ページ。
• Pahlavan, Kaveh; Levesque, Allen H (1995)。ワイヤレス情報ネットワーク。John Wiley & Sons。ISBN 0-471-10607-0。
• ガイアー、ジム (2001)。ワイヤレス LAN。サムス。ISBN 0-672-32058-4。
• ゴールドスミス、アンドレア（2005年）。ワイヤレス通信。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-83716-2。
• レンチーニ、L.ルイーゼ、M.レッジャンニーニ、R. (2001 年 6 月)。 「CRDA: ワイヤレス ネットワークでデータと音声を統合するための衝突解決および動的割り当て MAC プロトコル」。通信の選択領域に関する IEEE ジャーナル。19 (6)。IEEE 通信協会: 1153–1163。土井：10.1109/49.926371。ISSN  0733-8716。
• モリッシュ、アンドレアス (2005)。ワイヤレス通信。Wiley-IEEE プレス。ISBN 0-470-84888-X。
• Pahlavan, Kaveh、Krishnamurthy, Prashant (2002)。ワイヤレスネットワークの原理-統一アプローチ。Prentice Hall。ISBN 0-13-093003-2。
• ラパポート、セオドア（2002年）。ワイヤレス通信：原理と実践。プレンティスホール。ISBN 0-13-042232-0。
• ロートン、ジョン (2001)。ワイヤレスインターネットの説明。デジタルプレス。ISBN 1-55558-257-5。
• Tse, David; Viswanath, Pramod (2005)。無線通信の基礎。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-84527-0。
• Kostas Pentikousis (2005 年 3 月)。「ワイヤレス データ ネットワーク」。インターネットプロトコル ジャーナル。8 (1) 。2011 年8 月 29 日閲覧。
• Pahlavan, Kaveh ; Krishnamurthy, Prashant (2009)。ネットワークの基礎 - ワイド、ローカル、パーソナルエリア通信。Wiley。ISBN 978-0-470-99290-6。