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きょうすけみょうだに
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1 情報ネットワーク論無線 LAN 編産業技術科学科多田知正用語の定義計算機コンピュータのことデータ計算機で扱う情報のこと文字 ( テキスト ), 画像, 音声など通信計算機間でデータをやり取りすることネットワーク複数の計算機が接続され, 通信を行うことができる仕組み送信, 受信データを送ること, 受け取ることサーバ他の計算機にサービスを提供する計算機クライアントサーバからサービスを受ける計算機ユーザ計算機を使う人間 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 2 今回のテーマ復習 : 電気で情報を送るよくある会話無線 LAN ってなんとなく遅いのよねえほんと,11gで 54Mbpsとか言うけど実際そんなに出てないわよねえ 1. OFF で 0,ON で 1 を表す 2. 1 秒間隔でスイッチを切り替える 3. 8 個で切れる 150( ) を送りましょう ON,OFF,OFF,ON,O FF,ON,ON,OFF ON,OFF,OFF,ON, OFF,ON,ON,OFF が来た無線 LAN が遅いのは気のせいなのか? 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 4 情報を電気の波として送る無線で情報を送る情報が電気の波 ( 電圧の変化 ) として表される電気の波を線を通じて送る電波の変化によって情報を表す空気中を飛び交う電波が情報を運ぶ実はこれがすごく大変 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 6 1

2 有線の場合無線の場合電波は四方八方に広がる他の通信に干渉する電気信号は線上のみを流れる他の通信に影響しない 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 8 無線 LAN の必要条件複数の通信を同時に行えるようにするための工夫が必要複数の通信を同時に行うために情報を波として送るのではなく波に情報を乗せて送る /7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 10 波に情報を乗せる方法 ( その 1) 元となる波波に情報を乗せてもこれに, という情報を乗せるのときに振幅が小さく,1のときに振幅が大きくなる ASK(Amplitude shift keying) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 11 同時に通信が起こると電波は混ざってしまうなぜ複数の通信が同時に行えるのか 2010/7/2 情報ネットワーク論 12 2

3 復習 : 音の分解と合成音を高さによって分解したり, それらを組み合わせて元の音を再現したりできる高い音波に情報を乗せると異なる周波数 ( チャネル ) の電波で送る低い音波は周波数によって複数の波に分解することができる元の音電波が混ざっても目的の信号を切り出すことができる 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 14 ASK の欠点波の振幅 ( 信号の強弱 ) が情報をあらわしている信号の強さは様々な理由で変動する波に情報を乗せる方法 ( その 2) 元となる波元の信号遠くなると信号が弱くなるこれに, という情報を乗せるノイズや障害物の影響で信号の強さが変わる振幅が変動すると 0 と 1 の判定が難しくなる 2010/7/2 情報ネットワーク論のときに周波数が増える FSK(Frequency shift keying) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 16 FSK の利点振幅 ( 信号の強さ ) が情報を持たない元の信号 FSK よりいけてる方法実は無線 LANでは, これらとは異なる方法が用いられている振幅を変える : ASK 周波数を変える : FSK 他に何を変えられるというの? 振幅の変動によらず安定して信号を送ることができる 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 18 3

4 波に情報を乗せる方法 ( その 3) 元となる波波の周期と角度波の1 周期における位置を1 周期を360 度とした角度で表すことができる 90 度これに, という情報を乗せるのときと1のときで波の位相が異なる PSK(Phase shift keying) という位相って? 270 度 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 20 位相とは信号波の基準信号に対する時間のずれを角度で表したもの基準信号 PSK の利点 FSK よりもさらにノイズに強い位相が 90 度進んだ波同じようにノイズが加わったときに PSK の方が正しい信号を復元できる可能性が高い位相が 180 度進んだ波 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 22 PSK の改良版元となる波何が改良されたのか? 伝送中に位相がずれることがあり得るこれに, という情報を乗せるずれが少しずつ蓄積して本来の位相から大きくずれるかも知れないのときは変化なし 1のときだけ位相が180 度ずれる DPSK(Differential Phase shift keying) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 23 ある波が, 0 を表す位相なのか 1 を表す位相なのかを判定するより位相が 180 度ずれたかそうでないかを判定する方が簡単 2010/7/2 情報ネットワーク論 24 4

5 転送速度を上げるには 0 と 1 の切り替えを速く行えば良いそこで位相を 2 つ用いる場合位相を 4 つ用いる場合もちろん限界がある 1 回の切り替えで 1 ビットの情報を送れる 10 1 回の切り替えで2ビットの情報を送れる 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 26 PSK の改良版の改良版元となる波これに, という情報を乗せる半分の時間倍の情報を送ることができる位相が90 度進む位相が90 度戻る DQPSK(Differential Quarternary Phase shift keying) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 27 無線 LAN の周波数帯域現在一般的に使われている無線 LAN の規格である IEEE802.11b や IEEE802.11g では 2.4GHz 帯の帯域を利用している 2400MHz から 2497MHz ISM バンドとも呼ばれる免許不要で利用できる領域 2010/7/2 情報ネットワーク論 28 電波の無法地帯この周波数帯はさまざまな用途に用いられているかぶったら大変 Bluetooth 電子レンジコードレス電話リモコン ( 一部 ) トランシーバマイクロ波治療器 commodity/log/entry02/42.html 無線 LANで使用している周波数が他の機器と思いっきりかぶったら信号がぐちゃぐちゃになって回復できない場合がある 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 30 5

そこで必殺スペクトル拡散写真は本文と関係ありません著作権の関係により自粛 http://blog.livedoor.jp/nainaiann/archives/50946276.

( 振幅 ) を表したグラフ振幅スペクトル拡散とは信号を元の信号より広い周波数帯域に拡散した上で送信すること周波数 2010/7/2 情報ネットワーク論 33 2010/7/2 情報ネットワーク論 34 スペクトル拡散の方法 ( その 1) 周波数ホッピング

6 そこで必殺スペクトル拡散写真は本文と関係ありません著作権の関係により自粛 /7/2 情報ネットワーク論 31 復習 : 周波数成分波をコサイン波の重ね合わせで表すことができる分解されたそれぞれを周波数成分という /7/2 情報ネットワーク論 : スペクトル波の中に含まれる各周波数成分の強さ ( 振幅 ) を表したグラフ振幅スペクトル拡散とは信号を元の信号より広い周波数帯域に拡散した上で送信すること周波数 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 34 スペクトル拡散の方法 ( その 1) 周波数ホッピング元となる波の周波数をあらかじめ決められたパターンにしたがって, 短い間隔でどんどん変えていく元となる波を信号波という振幅送信側と受信側で同じパターンにしたがって変えるある時点で他の機器とぶつかっても次の切り替えで脱出できる周波数ホッピング (Frequency Hopping Spectrum Spread: FHSS) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 35 周波数 2010/7/2 情報ネットワーク論 36 6

7 周波数ホッピングの欠点周波数の切り替えに時間がかかる高速化がはかれないスペクトル拡散の方法 ( その 2) 変調した信号波にさらに周期的な別の信号を掛け合わせる信号波 = 拡散符号送信する信号現在では無線 LAN ではほとんど使われていない信号波の波長よりも十分短い直接拡散 (Direct Sequence Spectrum Spread: DSSS) という 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 38 直接拡散振幅元の信号波 ( 変調 ) 拡散後の信号逆拡散受信した信号にもう一回同じ拡散符号を掛け合わせると元の信号波が得られる受信した信号拡散符号 = 元の信号波周波数これを逆拡散と言う 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 40 スペクトル拡散の流れノイズの影響元の信号変調拡散振幅ノイズ逆拡散復調拡散後の信号周波数 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 42 7

8 逆拡散の結果振幅元の信号波無線 LAN のパケットの送り方無線 LAN のパケットの送り方は有線の LAN の場合とは少し違う逆拡散はノイズにとっては拡散になる拡散されたノイズ周波数 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 44 復習 :LAN のデータの送り方各計算機は空いていればいつでもデータの断片を送れる通信の衝突たまにこういうことも... 誰か送っているな誰か送っているな続けて送ろう空いたな送り終わった空いたな Go! 2010/7/2 情報ネットワーク論 45 あ! あ! 複数の通信が同時に発生することを通信の衝突という 2010/7/2 情報ネットワーク論 46 衝突の検出通信が衝突する =2 つ以上の計算機が同時に信号を出す信号が混じりあっておかしくなる無線の場合計算機がデータの送信中に信号の変化を見張るのは難しい ON,OFF,OFF,ON,O NONOFFON N,ON,OFF,ON OFF,OFF,ON,OFF,O N,OFF,ON,ON ON ON 計算機はデータを送信中のケーブル上の信号を見張っている信号変化がおかしい衝突が起きたことがわかるなぜか? 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 48 8

信号の強さ ( 有線の場合 ) 信号の強さ ( 無線の場合 ) 電気はケーブル内に閉じこめられている信号の強さはそれほど弱まらない 2010/7/2 情報ネットワーク論 49 電波は四方八方に拡散していく信号は距離の 2 乗に反比例して急激に弱まる 2010/7/2 情報ネットワーク論 50 電波のエネルギー同時に通信が起こった場合そこで無線 LAN ではより慎重な送り方をする

9 信号の強さ ( 有線の場合 ) 信号の強さ ( 無線の場合 ) 電気はケーブル内に閉じこめられている信号の強さはそれほど弱まらない 2010/7/2 情報ネットワーク論 49 電波は四方八方に拡散していく信号は距離の 2 乗に反比例して急激に弱まる 2010/7/2 情報ネットワーク論 50 電波のエネルギー同時に通信が起こった場合そこで無線 LAN ではより慎重な送り方をする自分の出す電波にかき消されて周りの出す電波が検出できない衝突が起きたことに気がつかない 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 52 まず確認通信を開始する前に, しばらくの間受信を試みて現在通信している計算機が他にないか確認するしばらく待つ他に通信している計算機がいる場合は終わるまで待つ誰も送っていないかなしばらく待とう 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 54 9

10 さらに待つ通信が終了しても, さらにランダムな時間だけ待つ待っている人が他にいる場合の衝突を避けるため通信開始ランダムな時間だけ待って誰も通信していなければ, パケットを送信するもう少しだけ待とう今がチャンス終わった 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 56 返事のパケットパケットを受信した計算機は返事のパケットを返す次のパケット返事のパケットを確認して次のパケットを送り出すついたで返事来た 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 58 まだある問題これで解決とは行かないアクセスポイント通常無線 LAN を使う計算機はアクセスポイントと通信する問題は他にもある 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 60 10

11 衝突の回避計算機はデータを送る前に他の計算機が通信していないか確認することで衝突を避ける誰も送っていないかな届かない電波同じアクセスポイントに接続する他の計算機の電波が届かない場合がある距離が離れすぎている障害物があるお互いの通信を検出できない 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 62 隠れ端末問題事前に確認したにもかかわらず, それぞれの計算機が同時にアクセスポイントと通信衝突が発生隠れ端末問題の解消隠れ端末の問題を解消するために, さらに面倒なことをする RTS/CTS(Request to Send/ Clear to Send) 方式というさすがにこれはオプションになっている ( 不要なら解除できる ) 隠れ端末問題という 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 64 通信のお伺い計算機は通信を行う前にアクセスポイントにお伺いを立てる通信の許可アクセスポイントは通信可能であれば許可を出す送っていいです送っていいですか送っていいです計算機からのパケットは届かない送っていいですアクセスポイントからのパケットは届く許可のメッセージを傍受する 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 66 11

許可メッセージの中身通信の開始許可を得た計算機が通信を開始するさっきリクエストした人送ってもいいです 2 秒待とう他の人は 2 秒待ってね他の計算機の待ち時間が指定されている 2 秒待とう 2010/7/2 情報ネットワーク論 67 2010/7/2 情報ネットワーク論 68

2010/7/2 情報ネットワーク論 70 無線 LAN の遅いわけこのように, 無線 LAN では有線 LAN と比べて相当慎重なデータの送り方をしているのでその分転送速度は低下するスロースタートの影響有線 LAN では転送速度は一定だが, 無線 LAN

12 許可メッセージの中身通信の開始許可を得た計算機が通信を開始するさっきリクエストした人送ってもいいです 2 秒待とう他の人は 2 秒待ってね他の計算機の待ち時間が指定されている 2 秒待とう 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 68 アクセスポイントからの返事アクセスポイントは送られたパケットについて返事を返す許可メッセージの中身データちゃんと着きましたアクセスポイントからの返事も傍受する他の人はあと 3 秒待ってね待ち時間の延長を指定される場合もある 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 70 無線 LAN の遅いわけこのように, 無線 LAN では有線 LAN と比べて相当慎重なデータの送り方をしているのでその分転送速度は低下するスロースタートの影響有線 LAN では転送速度は一定だが, 無線 LAN では環境にあわせて転送速度が異なるどのような環境でも通信できることを保証しなければならない最初は一番遅い速度で通信を開始して, その後, 両者が合意した通信速度に切り替える必ず最初に遅い通信が入るために全体の転送速度が遅くなる 2010/7/2 情報ネットワーク論 /7/2 情報ネットワーク論 72 12

13 無線 LAN の本当の性能 IEEE802.11b 公称 :11Mbps 実質 :7Mbps 以下 IEEE802.11g 公称 :54Mbps 実質 :20Mbps 以下公称速度は理想的な環境における瞬間最大速度電波状態によって遅くなるというのとは別の問題 2010/7/2 情報ネットワーク論 73 IEEE802.11a 無法地帯の2.4GHz 帯ではなく,5GHz 帯を用いる利点ノイズの影響が少ない高速 ( 同じ公称 54Mbpsの11gより速い ) らしい互換性のしがらみがないため欠点到達距離が短い使える場所 ( アクセスポイント ) が少ない屋外での利用は法律で禁止されている日本国外の利用も禁止 2010/7/2 情報ネットワーク論 74 まとめ無線 LANが遅いのは気のせいではない 54Mbpsとか絶対出ない無線であるが故のさまざまな処理のせい無線で送るのは結構大変涙ぐましい努力があるできなかった話 OFDM WEP などセキュリティがらみの話 2010/7/2 情報ネットワーク論 75 13

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Microsoft PowerPoint - inett 無線LAN.ppt 情報ネットワーク論無線 LAN 編産業技術科学科多田知正用語の定義計算機コンピュータのことデータ計算機で扱う情報のこと文字 ( テキスト ), 画像, 音声など通信計算機間でデータをやり取りすることネットワーク複数の計算機が接続され, 通信を行うことができる仕組み送信, 受信データを送ること, 受け取ることサーバ他の計算機にサービスを提供する計算機クライアントサーバからサービスを受ける計算機