目 次 1. 無 線 LAN の 歴 史 無 線 LAN 物 理 層 の 特 性... 6 主 な 無 線 LAN 関 連 技 術... 9 理 論 上 のデータレートの 計 算 無 線 LAN 計 測 の 計 測 器 構 成 送 信 計 測... 25

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2 目 次 1. 無 線 LAN の 歴 史 無 線 LAN 物 理 層 の 特 性... 6 主 な 無 線 LAN 関 連 技 術... 9 理 論 上 のデータレートの 計 算 無 線 LAN 計 測 の 計 測 器 構 成 送 信 計 測 最 大 送 信 電 力 変 調 品 質 スペクトル 計 測 受 信 機 計 測

3 1. 無 線 LAN の 歴 史 基 本 の 無 線 ローカルエリアネットワーク(WLAN) 設 計 は アクセスポイントとクライアントという 考 え に 基 づいています アクセスポイントまたはルータは セルラーネットワークにおける 基 地 局 と 同 じ 役 割 を 果 たすもので 有 線 の 基 幹 回 線 と 無 線 のクライアントトラフィックとの 橋 渡 しとなります クライアントデ バイスには デスクトップ PC ノート PC スマートフォン ゲーム 機 プリンタなどがあります 1997 年 には IEEE Working Group が IEEE を 世 界 初 の 無 線 LAN 規 格 として 承 認 しました この 規 格 では 1 Mb/ 秒 と 2 Mb/ 秒 のデータレートをサポートしていました 1999 年 には 当 初 の 規 格 に 2 つの 重 大 な 改 正 が 承 認 されました IEEE a-1999 は a として 知 られるもので OFDM 技 術 を 利 用 して 5 GHz 帯 域 で 最 大 54 Mb/ 秒 のデータレートを 実 現 できます IEEE b-1999 は b として 知 られるもので 直 接 シーケンススペクトラム 拡 散 (DSSS direct sequence spread spectrum) 技 術 の 使 用 を 拡 大 して 2.4 GHz の ISM バンドで 最 大 11 Mb/ 秒 を 実 現 できます a は 2003 年 にリリースされた g の 基 となったもので 全 く 同 じ 直 交 周 波 数 分 割 多 重 (OFDM orthogonal frequency division multiplexing) 物 理 層 構 造 を 採 用 していますが 2.4 GHz 帯 となっています g が 求 められるようになったのは 商 用 のチャンネル 数 が 限 られていた 5 GHz 帯 での a の 普 及 が 進 まなかったためです 業 界 のトップ 企 業 によるコンソーシアムである Wi-Fi Alliance(WFA)は 多 彩 なベンダが 提 供 する IEEE デバイスの 相 互 運 用 性 品 質 操 作 性 を 高 めることを 目 的 として 1999 年 に 設 立 されたものです IEEE デバイスのメーカーは 同 団 体 から Wi-Fi 認 定 を 求 めることができます それにより 図 1.1 に 示 すような Wi-Fi ロゴを 無 線 LAN 製 品 に 貼 付 することが 可 能 となります 図 1.1. Wi-Fi ロゴ 3

4 1990 年 代 後 半 以 来 IEEE ファミリの 規 格 は 継 続 的 に 進 化 し データレートの 高 速 化 をもたらしまし た IEEE n は 2009 年 に 正 式 にリリースされたものですが 暫 定 仕 様 にもとづいた 製 品 は 2006 年 か ら 販 売 されていました この 規 格 では 既 存 の a b g の 各 規 格 に 比 べ データレートが 大 幅 に 向 上 しています IEEE n は より 広 いチャンネル 帯 域 幅 に 対 応 し(20 MHz から 40 MHz に 向 上 ) 無 線 LAN 規 格 として 初 めて 最 大 4x4 MIMO(multiple input, multiple output)を 採 用 し 複 数 のアンテナでのデ ータストリームを 定 めました その 結 果 n では 理 論 上 のデータスループットが 20 MHz チャンネル で 54 Mb/ 秒 から 300 Mb/ 秒 に 40 MHz チャンネルでは 600 Mb/ 秒 に 向 上 し 向 上 しました 2012 年 には n よりデータレートが 大 幅 に 改 善 した 最 終 的 な ac 暫 定 改 正 案 がリリースされま した ac では 最 大 160 MHz のチャンネル 帯 域 幅 256-QAM などの 高 次 変 調 方 式 最 大 8x8 の MIMO 構 成 を 使 用 することで 理 論 上 の 最 大 データスループットは 6.93 Gb/ 秒 となっています 表 1.1 は 規 格 の 進 化 の 概 要 を 説 明 したものです 年 規 格 スループット 1 目 的 Mb/ 秒 最 初 のリリース 物 理 層 (PHY)に 基 づき 2.4 GHz の ISM 帯 域 でデータレートは 1 Mb/ 秒 および 2 Mb/ 秒 a 54 Mb/ 秒 5 GHz 帯 域 で OFDM ベースの PHY を 追 加 b 11 Mb/ 秒 最 初 の 規 格 からの ISM 帯 域 における DSSS PHY を 最 大 11 Mb/ 秒 に 拡 張 g 54 Mb/ 秒 a で 導 入 された OFDM ベースの PHY( 最 大 54 Mb/ 秒 ) を 2.4 GHz の ISM 帯 域 に 実 装 複 数 の 改 正 規 格 (802.11a,b,g 等 )を に 統 合 n 600 Mb/ 秒 2.4 GHzと 5 GHzの 量 帯 域 で MIMO オプションを 追 加 最 大 デ ータレートは 54 Mb/ 秒 ( 必 須 )から 600 Mb/ 秒 ( 任 意 )の 範 囲 複 数 の 改 正 規 格 (802.11k,r,y 等 )を に 統 合 ac 6.93 Gb/ 秒 5 GHz 帯 域 での HT(802.11n) 仕 様 を 拡 張 し より 広 いチャンネル 帯 域 幅 におけるスループットの 向 上 高 密 度 変 調 追 加 の MIMO ス トリームを 実 現 複 数 の 局 と 任 意 の 仕 様 を 合 わせて 使 用 すること で 6.77 Gb/ 秒 という 理 論 上 のスループットを 実 現 可 能 TDB ad 7 Gb/ 秒 60 GHz 帯 域 で 極 めて 高 い 理 論 上 のスループット(7 Gb/ 秒 )を 実 現 す る 最 新 規 格 表 1.1 無 線 LAN 規 格 リリースの 歴 史 4

5 命 名 規 則 a b g ac といった 各 IEEE 規 格 は 使 用 している 特 定 の 技 術 を 識 別 するものでしたが 仕 様 の 2012 版 では 各 規 格 について 特 定 の 命 名 基 準 を 設 けています 表 1.2 は それぞれの 技 術 の 代 替 名 を 示 しています 規 格 代 替 名 実 現 技 術 b DSSS または HR/DSSS DSSS CCK a OFDM OFDM g OFDM OFDM n HT OFDM MIMO ac VHT OFDM MIMO MU-MIMO 表 規 格 の 代 替 名 表 1.2 に 示 すように a および g 修 正 は 集 合 的 に OFDM 修 正 の 一 部 とみなされています 1 記 載 されているスループットは 規 格 では 必 須 でない 任 意 仕 様 を 含 む 最 大 可 能 値 です 5

6 2. 無 線 LAN 物 理 層 の 特 性 帯 域 とチャンネル 無 線 LAN は 2.4 GHz と 5 GHz 付 近 の ISM(industrial, scientific, medical)バンドで 稼 働 するよう 設 計 され たものです b g n で 使 用 される 2.4 GHz 帯 は 表 2.1 のように GHz~2.484 GHzの 14 チャンネルから 構 成 されます 全 ての 地 域 で 全 てのチャンネルが 使 用 されるわけではなく どの チャンネルを 使 用 するかは 各 国 の 規 制 によって 決 まります チャンネル 中 心 周 波 数 GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz 表 チャンネルの 周 波 数 割 り 当 て 一 方 a n ac の 各 規 格 は 全 て 5.15 GHz~5.875 GHzの 5 GHz 帯 を 使 用 しています 5 GHzの 無 線 LAN で 利 用 できる 無 線 帯 域 は ISM バンドと U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure) 帯 の 混 合 です 表 2.2 は 5 GHzの 無 線 LAN 帯 域 を 示 しています U-NII U-NII Low (U-NII-1) U-NII Mid (U-NII-2) U-NII Worldwide (U-NII-2e) U-NII Upper (U-NII-3) ISM 帯 域 GHz GHz GHz GHz GHz 表 2.2. 無 線 LAN の 5 GHz 帯 2.4 GHz 帯 と 同 様 どの 帯 域 が 利 用 できるかについては 各 国 の 規 制 によって 決 まります ISM バンドと U- NII 帯 には 無 許 可 スペクトラムが 含 まれるため この 帯 域 で 動 作 するデバイスは 他 のデバイスからの 干 渉 信 号 を 許 容 する 必 要 があります 6

7 帯 域 幅 構 成 最 初 の 仕 様 で 利 用 可 能 なチャンネル 帯 域 幅 は 20 MHz でしたが 表 2.3 に 示 すとおり 以 降 のレビジ ョンで 40 MHz 80 MHz 160 MHz に 拡 張 されています PHY 規 格 動 作 帯 域 (GHz) チャンネル 帯 域 幅 (MHz) 最 大 MIMO 最 高 次 変 調 方 式 DSSS b N/A DQPSK 11 OFDM a/g 5 / N/A 64 QAM 54 HT n 5 / /40 4x4 64 QAM 600 VHT ac 5 20/40/80/160 8x8 256 QAM 6933 表 規 格 の 帯 域 幅 構 成 理 論 上 の 最 大 スループット (Mb/ 秒 ) 表 2.3 に 示 すように DSSS 技 術 は b 規 格 の 一 環 であるため 2.4 GHz 帯 に 限 定 されています さら に VHT 仕 様 は 5 GHz 帯 のみに 対 応 しています n と ac の 帯 域 幅 構 成 n では 20 MHz と 40 MHz の 帯 域 幅 が 利 用 できます ac では 20 MHz 40 MHz 80 MHz MHz および 160 MHz の 帯 域 幅 が 利 用 可 能 です ac では 図 2.1 に 示 すように 広 範 なチャンネル 帯 域 幅 割 り 当 てオプションに 対 応 しています ac は 5 GHz 帯 のみで 利 用 でき 2.4 GHz 帯 には 対 応 していません 7

8 5170~5330 MHz 5490~5730 MHz 5735~5835 MHz 20 MHz 40 MHz 80 MHz 160 MHz 不 連 続 図 ac と n の 帯 域 幅 割 り 当 て(20 MHz 40 MHz のみ) ac では 連 続 および 不 連 続 の 160 MHz 帯 域 幅 が 利 用 できます 不 連 続 の 160 MHz 伝 送 は 一 般 に モードと 呼 ばれます 連 続 160 MHz 伝 送 の 信 号 は 2 つの 80 MHz 伝 送 が 隣 接 しており 160 MHz の 連 続 スペクトルを 占 有 しています それを 図 2.2 に 示 します 電 力 周 波 数 図 ac の 160 MHz 帯 域 幅 伝 送 のスペクトルシグネチャ 図 2.2 からわかるように 160 MHz 信 号 は 2 つの 80 MHz 搬 送 波 が 合 わさった 構 造 をしています そ のため それぞれの 搬 送 波 は 別 々に 復 調 することができます ac では 連 続 160 MHz 帯 域 幅 モードに 加 え の 不 連 続 160 MHz モードもサポートしています 8

9 この 帯 域 幅 割 り 当 てを 使 用 する 際 デバイスは 合 わせて 160 MHz の 伝 送 帯 域 幅 になるよう 任 意 の 2 つの 80 MHz チャンネルを 使 用 できます 不 連 続 160 MHz モードでは 図 2.3 に 示 すようにチャンネルを 80 MHz 以 上 離 すことが 可 能 です 構 成 の 場 合 無 線 LAN デバイスは 通 常 2 つの RF 受 信 機 を 使 用 し ます 電 力 図 ac の MHz 伝 送 のスペクトルシグネチャ 周 波 数 160 MHz モード 伝 送 は 2 つの 隣 接 する 80 MHz 搬 送 波 を 合 わせた 構 造 となっているため 2 つの 送 受 信 機 を 使 用 して オプションをサポートするシステムは 160 MHz モードもデフォルトでサポートしています 主 な 無 線 LAN 関 連 技 術 仕 様 は スペクトルの 適 度 な 利 用 で 高 データレートを 確 実 に 実 現 できる 様 々な 主 要 技 術 を 使 用 します 例 えば DSSS の 場 合 2.4 GHzスペクトルでは 干 渉 に 対 する 高 い 耐 性 がありますが それは 他 の 無 線 技 術 も 使 用 します また 規 格 の a-1999 レビジョンは 商 用 無 線 規 格 として 初 めて OFDM を 採 用 しまし た また n は 最 大 4x4 MIMO を 可 能 にした 初 の 商 用 規 格 の 1 つです 以 降 のセクションでは 主 な 無 線 LAN 技 術 についてさらに 詳 しく 説 明 し 実 装 について 具 体 的 に 紹 介 します 9

10 DSSS (direct sequence spread spectrum) 最 初 の 規 格 (1997)の 開 発 時 には 2.4 GHzのISMスペクトルを 使 用 する 無 線 規 格 が 増 えること への 大 きな 懸 念 がありました 結 果 として IEEE 委 員 会 は 干 渉 から 守 るため DSSS 技 術 を 採 用 し ました DSSS 伝 送 では 変 調 信 号 が 疑 似 ランダム 拡 散 符 号 によって 乗 算 され 受 信 機 が 信 号 を 復 調 するに は 信 号 の 追 跡 において 同 じ 拡 散 コードを 適 用 する 必 要 があります 拡 散 コードを 使 用 することで 望 まし い 信 号 の 信 号 電 力 が 強 化 され 正 しい 拡 散 コードを 使 用 していない 信 号 の 信 号 電 力 が 減 衰 されます そのた め 受 信 機 は 干 渉 を 無 視 できるようになり 狭 帯 域 および 広 帯 域 の 干 渉 に 対 し 耐 性 を 持 つようになります 図 2.4. 周 波 数 領 域 で DSSS の 画 像 が 表 示 できます 1 Mb/ 秒 および 2 Mb/ 秒 データレートの 拡 散 コードとして 11 ビットのバーカーシーケンス(Barker sequence)を 使 用 しました 5.5 Mb/ 秒 および 11 Mb/ 秒 のデータレートでは 8 ビット 拡 散 コードを 使 用 す る CCK( 相 補 型 符 号 変 調 )を 採 用 しています 現 在 b 規 格 は DSSS HR/DSSS とも 呼 ばれています HR とは 高 レート(high rate)のことで b では 5.5 Mb/ 秒 と 11 Mb/ 秒 に 相 当 します 10

11 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 一 部 の 例 外 を 除 いて ほとんどの 無 線 LAN では OFDM 伝 送 を 利 用 します OFDM は 当 初 a 仕 様 の 一 環 として 採 用 され その 後 g 仕 様 でも 採 用 されました 最 新 の 規 格 では a と g の 改 正 をまとめて OFDM 仕 様 と 呼 んでいます a/g 以 降 n を 含 む 規 格 の 全 主 要 レビジョンと ac は OFDM 技 術 に 基 づいています OFDM の 基 本 設 計 では 広 帯 域 のシングルキャリアではなく 大 量 の 狭 帯 域 直 交 サブキャリアを 使 用 して データ 伝 送 を 個 別 に 並 列 処 理 します OFDM 固 有 の 機 能 として 複 数 の 直 交 サブキャリアを 変 調 するメカ ニズムは 図 2.5 に 示 すように 逆 離 散 フーリエ 変 換 (IDFT)によって 実 現 しています ビット デ シ リ ア ラ イ ザ シンボル マッピング 逆 DFT シ リ ア ラ イ ザ サイクリック プレフィックス 挿 入 IQ 図 2.5. 基 本 的 な OFDM 伝 送 のブロック 図 図 2.5 は 各 サブキャリアが 個 別 に 変 調 されていることを 示 しています OFDM 伝 送 で 各 サブキャリア に 対 し 固 有 の 変 調 方 式 を 使 用 することは 理 論 上 は 可 能 ですが(LTE などのモバイル 通 信 規 格 に 実 装 ) 無 線 LAN 伝 送 では 全 てのサブキャリアに 同 じ 変 調 方 式 を 採 用 する 必 要 があります さらに 図 2.5 では 逆 DFT の 後 にサイクリックプレフィックスが 挿 入 されています サイクリックプレフィックス(CP, cyclic prefix)は 時 間 領 域 でガードインターバル(guard interval)の 役 割 を 果 たします そのため 連 続 する OFDM シンボル 間 に おけるシンボル 間 干 渉 (ISI intersymbol interference)の 影 響 が 最 小 限 に 抑 えられ サブキャリア 間 の 直 交 性 が 維 持 されます OFDM 伝 送 の 逆 DFT は シンボルを 部 分 的 に 重 複 するサブキャリア 上 に 変 調 します ただし 図 2.6 に 示 すとおり 全 てのサブキャリアがデータ 伝 送 に 使 われるわけではありません 多 くのデータサブキ ャリアに 加 え パイロットサブキャリアがチャンネル 全 体 に 配 置 されています パイロットサブキャリアは 同 期 とチャンネル 推 定 に 使 用 します 図 2.6 では チャンネル 内 でサブキャリアが 抑 制 されている 領 域 があることがわかります 通 常 それらの 領 域 はヌルサブキャリアと 呼 ばれます ヌルサブキャリアは チャンネル 間 干 渉 から 保 護 するため チャン ネルのエッジに 配 置 されています 最 も 顕 著 なのが チャンネルの 中 央 でのヌルサブキャリアの 使 用 です これにより その 領 域 での OFDM 変 調 の 質 を 低 下 させている 中 心 周 波 数 関 連 の 問 題 つまり LO リークがミ 11

12 キサから 除 去 されます ヌルサブキャリア (ガードバンド) パイロット サブキャリア ヌルサブキャリア (LO リーク) データ サブキャリア 周 波 数 図 2.6. 周 波 数 領 域 における OFDM サブキャリア OFDM システムで 複 数 の 狭 帯 域 キャリアを 使 用 すると 1 つの 広 帯 域 キャリアを 使 用 する 場 合 に 比 べいくつ かのメリットがあります 中 でも 最 も 顕 著 なのが ISI の 低 減 で チャンネル 等 化 (channel equalization)が 劇 的 に 簡 素 化 されます シングルキャリア 変 調 方 式 のチャンネル 帯 域 幅 が 増 えると シンボル 周 期 はそれに 伴 って 短 縮 します モバ イル 通 信 環 境 では 低 シンボル 周 期 で ISI が 大 きくなる 可 能 性 があります それは マルチパス 反 射 が 直 接 経 路 からの 信 号 に 対 し 遅 延 して 受 信 機 に 到 着 する 可 能 性 があるためです OFDM では 比 較 的 長 いシンボル 周 期 で 大 量 の 狭 帯 域 サブキャリアを 使 用 することで 広 帯 域 チャンネルの ISI を 軽 減 することができます 図 2.7 に 示 すように 比 較 的 長 いシンボル 周 期 での 伝 送 は 短 いものに 比 べシンボル 間 干 渉 の 影 響 を 受 けにくく なっています 12

13 電 力 シンボル 間 干 渉 短 いシンボル 周 期 電 力 ISI の 減 少 長 いシンボル 周 期 時 間 図 2.7. 長 いシンボル 周 期 での 伝 送 は ISI の 影 響 を 受 けにくい 時 間 無 線 LAN 伝 送 では OFDM サブキャリアはシンボルレートが 比 較 的 低 く(312.5 khz) シンボル 周 期 が 比 較 的 長 くなっています 長 いシンボル 周 期 とサイクリックプレフィックスの 実 装 という 組 み 合 わせにより 広 帯 域 シングルキャリア 伝 送 と 比 較 して OFDM 伝 送 における ISI が 軽 減 されます a/g n ac など Wi-Fi に 使 用 した の 最 も 一 般 的 な 実 装 では OFDM 伝 送 は 全 て の 帯 域 幅 構 成 について 一 定 のシンボルレート(つまり 一 定 のサブキャリア 間 隔 )を 使 用 します 表 2.4 は FFT サイズを 大 きくすることでより 多 くのサブキャリアを 使 用 することにより 広 帯 域 オプションが 実 装 さ れることを 示 しています 帯 域 幅 FFT サイズ データ サブキャリア 20 MHz MHz MHz (VHT のみ) 160 MHz (VHT のみ) 表 2.4. HT および VHT PHY の 帯 域 幅 構 成 と FFT サイズ パイロット サブキャリア 13

14 MIMO 受 信 機 と 送 信 機 で 複 数 のアンテナを 使 用 する MIMO 技 術 は 無 線 LAN 規 格 で 採 用 されている 重 要 な 技 術 です MIMO を 使 用 すると 無 線 チャンネル 経 由 での 通 信 の 信 頼 性 とスループットを 向 上 させることができます MIMO は 当 初 n の 一 環 として 無 線 LAN に 採 用 され 次 に ac に 拡 大 されました n では SISO(single input, single output)から 4x4 MIMO までのアンテナ 構 成 をサポートしており ac では それが 8x8 MIMO にまで 拡 大 されています 4x4 や 8x8 などの 高 多 重 MIMO 実 装 は 関 連 コストの 複 雑 さと 物 理 サイズの 制 約 の 両 方 の 理 由 で 通 常 アク セスポイントとして 予 約 されています 携 帯 電 話 やコンピュータ タブレット 端 末 などのエンドデバイスは 当 初 よりアンテナを 1 つしか 実 装 していません ただし 統 合 テクニックの 進 歩 のおかげで 多 くのエンド デバイスは 2x2 や 3x3 といったシンプルな MIMO 構 成 を 使 用 するようになりました PHY 改 正 MIMO 構 成 備 考 DSSS b SISO OFDM a/g SISO HT n SISO~4x4 MIMO シングルユーザ MIMO VHT ac SISO~8x8 MIMO シングルユーザ MIMO マルチユーザ MIMO 表 規 格 の 帯 域 幅 構 成 表 2.5 に 示 すように ac ではシングルユーザとマルチユーザ(MU)の MIMO をサポートしてい ます MU-MIMO では クライアントリストごとに 様 々な 数 の 空 間 ストリームを 使 用 して アクセスポイン トで 複 数 のクライアントに 同 時 にブロードキャストできます Wi-Fi のアクセスポイントとクライアントは MIMO とマルチアンテナ 技 術 を 多 様 な 方 法 で 使 用 します 無 線 LAN における MIMO の 最 も 一 般 的 な 使 い 方 の 1 つとして 複 数 の 空 間 ストリームの 使 用 によるデータレ ートの 向 上 があります このテクニックは 空 間 多 重 化 と 呼 ばれるもので デバイスは 様 々なアンテナ 経 由 で 固 有 のデータストリームを 送 受 信 することができます MIMO 技 術 の 使 い 方 として 次 に 一 般 的 なのが 空 間 ダイバーシティによる 伝 送 の 多 様 性 や 冗 長 性 の 向 上 です Wi-Fi システムは 送 信 機 受 信 機 またはその 両 方 で 複 数 のアンテナを 実 装 することで より 高 い 空 間 ダイ バーシティを 実 現 できます 空 間 ダイバーシティによって 空 間 ストリームが 向 上 することはありませんが 受 信 機 の 有 効 な S/N 比 (SNR)を 上 げることで より 難 度 の 高 い 信 号 伝 搬 環 境 でデータレートを 高 めること ができます 実 用 においては 多 くの Wi-Fi システムは 空 間 多 重 化 と 空 間 多 様 性 を 組 み 合 わせることで 高 データレートと 堅 牢 性 の 向 上 を 両 立 しています 14

15 空 間 多 重 化 MIMO によって 高 データレートが 実 現 するメカニズムは 空 間 多 重 化 の 原 理 によるものです 空 間 多 重 化 とは 複 数 のデータストリームを 複 数 のアンテナを 使 って 同 じチャンネルに 同 時 に 送 受 信 することです 基 本 概 念 は 図 2.8 に 示 すとおり 受 信 機 は 無 線 伝 送 路 の 特 性 から 各 送 信 ストリームを 再 構 築 できるというも のです 空 間 多 重 化 空 間 非 多 重 化 デシリア ライザ 図 2.8. MIMO システムでは 空 間 多 重 化 によってデータレートを 向 上 図 2.8 では 送 信 機 も 受 信 機 も 複 数 のアンテナを 使 用 しています また 任 意 の 時 点 で 各 送 信 アンテナ は 異 なるシンボルを 生 成 します 各 アンテナからの 伝 送 は 図 2.9 のように 互 いに 干 渉 し 合 っているように 見 えます 送 信 (x 1 ) 受 信 (y 1 ) 復 元 (x 1 ) 空 間 非 多 重 化 復 元 (x 2 ) 送 信 (x 2 ) 受 信 (y 2 ) 図 2.9. MIMO チャンネル[2]のコンスタレーション 図 15

16 図 2.9 ではまた いずれの 伝 送 も 受 信 機 にて 高 度 な 信 号 処 理 ( 空 間 デマルチプレクサ)を 行 うことで 同 時 に 復 元 できることもわかります そのため 送 信 された 各 ストリームは コンスタレーションプロット 上 の 最 適 なシンボルにマッピングできます 各 送 信 信 号 が 再 構 築 可 能 であるためには 複 数 の 受 信 アンテナを 使 用 す ることで チャンネルを 正 確 に 推 定 する 必 要 があります MIMO システムで 空 間 多 重 化 を 行 うと 複 数 のデータストリームを 並 列 で 送 受 信 できるようになるため 根 本 的 にデータレートが 向 上 します 一 般 に MIMO システムの 理 論 上 の 最 高 データレートを 特 定 するには SISO システムの 最 高 データレートに 空 間 ストリーム 数 を 乗 算 します 例 えば SISO システムで 100 Mb/ 秒 のデータレートを 実 現 できる 場 合 8 個 の 空 間 ストリームを 持 つ 8x8 MIMO システムは 最 大 で 800 Mb/ 秒 の データレートを 実 現 することが 可 能 です MIMO システムを 数 学 的 に 理 解 するためには 各 アンテナで 受 信 した 信 号 が 各 送 信 アンテナを 組 み 合 わせた ものであることをまず 考 慮 します さらに 図 2.10 に 示 すとおり 受 信 信 号 もチャンネル 特 性 の 影 響 を 受 け ます 図 受 信 信 号 は 送 信 信 号 とチャンネル 特 性 を 合 わせたものです 16

17 図 2.10 に 基 づき チャンネルモデルは 式 2.1 および 2.2 に 示 す 式 で 数 学 的 に 表 すことができます y 1 h 11 x 1 + h 21 x 2 + n 1 y 2= h 12 x 1 + x 22 x 2 + n 2 式 2.1 および 2.2 MIMO チャンネルの 式 x i は 送 信 アンテナ i から 送 信 された 信 号 h ij はアンテナ j を 受 信 するための 送 信 アンテナ i からのチャンネル y i は 受 信 アンテナ i で 受 信 した 信 号 n i は 受 信 アンテナ i における 付 加 ノイズ 式 X および Y は 式 2.3 および 2.4 に 示 すように さらに 簡 素 化 して 行 列 形 式 にすることができます y 1 y = h 11 h 21 x 1 2 h 12 h 22 x + n 1 2 n 2 y = H x + n 式 2.3 および 2.4 MIMO チャンネルの 行 列 表 示 上 記 の 一 連 の 式 が 示 すように チャンネル 行 列 [H]が 既 知 であれば 受 信 機 は 送 信 ストリームとチャンネル 特 性 の 両 方 の 関 数 である 信 号 を 復 元 することができます そのため MIMO システムが 動 作 するには 各 チャ ンネルディスクリプタの 位 相 /ゲイン 特 性 を 正 確 に 推 定 する 必 要 があります 実 用 においては まず 既 知 のプリアンブルシーケンスもしくはパイロットサブキャリアを 合 わせたものから チャンネル 行 列 を 推 定 します この 行 列 が 既 知 になれば 以 降 の 伝 送 ではデータサブキャリアに 適 用 するこ とができます 17

18 空 間 ダイバーシティ MIMO 技 術 を 利 用 するのは データレートの 向 上 だけが 目 的 ではありません 規 格 では MIMO を 使 用 して 送 信 機 受 信 機 またはその 両 方 で 空 間 ダイバーシティを 実 装 しています 受 信 ダイバーシティのシンプルな 実 装 方 法 として 1x2 の SIMO(single input, multiple output) 構 成 で 最 大 比 合 成 (MCR maximum combining ratio)を 使 用 する 方 法 があります この 方 法 は 図 2.11 に 示 すように 受 信 機 は 各 受 信 アンテナから 集 録 した 信 号 を 単 に 結 合 するのみです 図 x2 SIMO 構 成 の 受 信 多 様 性 各 受 信 アンテナ~の 集 録 信 号 を 結 合 することで 受 信 機 は 受 信 信 号 の 有 効 SNR を 高 めることができます 受 信 ダイバーシティの 実 装 により 信 号 強 度 の 低 い 環 境 で 受 信 機 の 性 能 を 高 めることができます 無 線 LAN システムによく 実 装 されている 空 間 ダイバーシティの 2 つ 目 のテクニックは 時 空 間 ブロック 符 号 化 (STBC space-time block coding)です STBC 伝 送 では 時 間 により 異 なるシンボルを 伝 送 します が 各 シンボルは 複 数 回 送 信 されるよう 各 アンテナを 構 成 します STBC テクニックで 最 もシンプルなのは 1990 年 代 後 半 に Siavash Alamouti 氏 によって 開 発 された Alamouti 符 号 です 図 2.12 に 示 すように 2x1 MIMO 構 成 では 送 信 機 が 各 シンボルを 2 回 生 成 することが 可 能 です 時 間 空 間 図 Alamouti STBC 図 2.12 では 各 シンボルは 各 送 信 アンテナによって 1 回 送 信 されています 最 初 のタイムスロットで アンテナ Tx1 および Tx2 はそれぞれシンボル a1 および a2 を 送 信 します ただし 2 番 目 のタイムスロットでは アンテナ Tx1 はシンボル a2 の 負 の 複 素 共 役 を 送 信 し Tx2 はシンボル a1 の 複 数 共 役 を 送 信 します このシン プルな 開 ループ 符 号 化 方 式 なら 受 信 アンテナが 1 つしかなくても チャンネルフェーディングへの 抵 抗 力 に 優 れた 堅 牢 な 伝 送 が 可 能 です 18

19 マルチユーザ(MU)MIMO MU-MIMO は 空 間 多 重 化 での 使 用 に 加 え システムの 使 用 可 能 なリソースを 最 適 化 することができま す 空 間 多 重 化 を 使 用 した 場 合 の 性 能 の 向 上 は 顕 著 ですが アンテナとフィルタという 追 加 のハードウェア が 必 要 になります このハードウェアは 携 帯 電 話 やタブレット 端 末 プリンタ その 他 の Wi-Fi 接 続 型 エ ンドデバイスなど コストが 重 視 される 製 品 には 通 常 搭 載 されていません ただし 基 地 局 やアクセスポ イントはそのようなハードウェアを 搭 載 していることが 多 く 完 全 な MIMO 機 能 を 実 現 できます MU- MIMO なら 基 地 局 で N 個 のアンテナを 動 的 に 使 用 して エンドデバイスのサブセットと 個 別 に 通 信 するこ とが 可 能 です 図 2.13 は アクセスポイントに 8 個 のアンテナを 持 つ MU-MIMO 構 成 を 示 しています アンテナのうち の 2 個 は メディアサーバの 帯 域 幅 のニーズに 対 応 するよう 設 計 されています メディアサーバもスループッ ト 向 上 のため 2 個 のアンテナを 搭 載 しています アクセスポイントのアンテナは それぞれ 1 つのアンテナ のみ 搭 載 したシンプルなデバイス 専 用 とすることができます アクセスポイントからは 複 数 のエンドデバ イスが 1 つのアンテナを 共 有 できます 図 MU-MIMO 構 成 可 能 な 場 合 は 通 信 を MU-MIMO 伝 送 に 分 けることをお 勧 めします 例 えば 各 ユーザのデータストリー ムを 個 別 にし 電 力 レベルを 個 別 に 管 理 することができます その 結 果 アクセスポイントは 必 要 なデバイ スには 電 力 伝 送 を 高 め 同 時 に 損 失 の 少 ないチャンネルを 使 用 するデバイスでは 送 信 電 力 を 最 小 限 にするこ とが 可 能 となります これによりアクセスポイントの 消 費 電 力 が 低 減 し 放 射 される 総 エネルギー 量 が 削 減 されますので 全 ユーザの 通 信 チャンネルが 改 善 されます 19

20 理 論 上 のデータレートの 計 算 無 線 LAN 技 術 が 規 格 から 進 化 したように 以 降 の 改 正 では 高 次 変 調 方 式 や 高 帯 域 幅 MIMO 技 術 な どを 組 み 合 わせてより 高 いデータレートを 実 現 してきました 表 2.6 は 主 な 規 格 の 最 大 データレ ートを 示 しています 規 格 最 大 データレート Mb/ 秒 b 33 Mb/ 秒 a 54 Mb/ 秒 g 54 Mb/ 秒 n 600 Mb/ 秒 ac Gb/ 秒 表 2.6. 無 線 LAN の 最 大 データレート a/g は 20 MHz の 帯 域 幅 で SISO リンクをベースに 54 Mb/ 秒 を 実 現 しますが n と ac は MIMO 高 次 変 調 方 式 広 いチャンネル 幅 (より 多 くの OFDM サブキャリアを 使 用 )といった 上 級 機 能 を 実 装 することで データスループットを 大 幅 に 高 めることができます 最 大 データレートは 式 2.5 で 特 定 で きます 最 大 データレート = (データキャリア 数 空 間 ストリーム 数 ビット 数 /シンボル コードレート) / シンボルの 持 続 時 間 式 2.5: デジタル 通 信 リンクの 最 大 スループット 命 名 法 について 考 慮 すべきなのは 空 間 ストリーム 数 変 調 タイプ コードレートのそれぞれの 組 み 合 わせ は 規 格 の 様 々なレビジョン 内 で 異 なる 表 記 となっている 点 です 例 えば a/b/g の 場 合 表 2.7 のように 変 調 レートと 符 号 化 方 式 のある 特 定 の 組 み 合 わせをデータレートによって 区 別 するのが 普 通 で した 規 格 データレート(MB/ 秒 ) b 1,2,5.5, a/g 6,9,12,18,24,36,48,54 表 2.7. 無 線 LAN 旧 レビジョンのデータレート 理 論 上 のデータレートが 同 じになる 空 間 ストリーム 変 調 タイプ 符 号 化 レートの 組 み 合 わせは 複 数 あるの で n や ac といった 比 較 的 新 しい 規 格 では MCS(Modulation and Coding Scheme)という 用 語 を 用 います 20

21 802.11n の MCS インデックスは MCS0 から MCS76 までの 範 囲 にわたり 大 きい MCS インデックス 値 は 主 に n でサポートする 付 均 等 変 調 (unequal modulation)によるものです 不 均 等 変 調 の 例 として MSC33 ではストリーム 1 が 16-QAM ストリーム 2 が QPSK 変 調 を 使 用 します 空 間 ストリーム 数 も n の MCS インデックスと 関 連 付 けられています ac では 空 間 ストリーム 数 は MCS インデックスには 考 慮 されません そのため ac の MCS インデックスは MCS0 から MCS9 のみです 空 間 ストリーム 数 を 示 すには 別 の 用 語 が 使 用 されます 不 均 等 変 調 は ac ではサポートされていません a/g のデータレート 計 算 a と g は 信 号 構 造 がほぼ 同 じ( 帯 域 は 異 なる)で データキャリア 数 シンボルレート 符 号 レ ートも 同 じです これらの 規 格 の 理 論 上 のデータレートを 計 算 するには 表 2.8 のパラメータを 使 用 しま す 属 性 値 備 考 データサブキャリア 48 FFT サイズ 64 を 使 用 空 間 ストリーム 1 全 ての SISO リンクに 適 用 ビット 数 /シンボル 6 log 2 64 = 6 符 号 レート ¾ 最 高 次 変 調 方 式 での 符 号 レート シンボル 持 続 時 間 4 µs 800 ns の 保 護 間 隔 を 含 む 表 a/g データレートに 影 響 するパラメータ 表 2.8 のデータから 式 2.6 を 用 いて a/g システムの 最 大 データレートを 求 めることができます n のデータレート 計 算 a/g の 最 大 データレート = ( )/4 µs = 54 Mbps 4 式 a/g のデータレート 計 算 a/g と 異 なり n では 40 MHz 帯 域 幅 の 高 スループット(HT)オプションにより より 多 くの サブキャリアを 追 加 できます 20 MHz 帯 域 幅 におけるデータサブキャリアの 数 も a/g の 48 に 対 し 52 に 増 えています n は 4x4 MIMO を 実 装 することで 空 間 ストリーム 数 が 1(SISO)から 4 に 拡 張 されています n のデータスループットは 表 2.9 の 設 定 を 使 用 して 計 算 します 属 性 値 備 考 データサブキャリ 108 FFT サイズ 128 を 使 用 空 間 ストリーム 4 4x4 MIMO と 仮 定 ビット 数 /シンボル 6 log = 6 符 号 レート 5/6 最 高 次 変 調 方 式 での 符 号 レート シンボル 持 続 時 間 3.6 µs 400 ns の 保 護 間 隔 を 含 む 表 n のデータレートに 影 響 するパラメータ 21

22 表 2.9 の 属 性 から 式 2.7 を 使 用 して 理 論 上 の 最 大 データレートを 計 算 できます 最 大 データレート = /3.6μs = 600Mbps 6 式 n の 最 大 データレートの 計 算 式 2.7 に 示 すとおり n は a/g に 比 べスループットがおよそ 1 桁 高 速 になっています 表 2.10 は n でサポートされる MCS の 範 囲 を 示 しています MCS ストリーム 数 最 大 データレート(40 MHz) 備 考 均 等 150 Mb/ 秒 (MCS 7) BPSK~64-QAM 均 等 300 Mb/ 秒 (MCS 15) BPSK~64-QAM 均 等 450 Mb/ 秒 (MCS 23) BPSK~64-QAM 均 等 600 Mb/ 秒 (MCS 31) BPSK~64-QAM 32 1 均 等 6.7 Mb/ 秒 BPSK および SISO 不 均 等 225 Mb/ 秒 (MCS 38) 不 均 等 360 Mb/ 秒 (MCS 52) 不 均 等 495 Mb/ 秒 (MCS 76) ac のデータレート 計 算 表 無 線 LAN n データレート a/g および n と 異 なり ac では 160 MHz 帯 域 幅 の 超 高 速 スループット(VHT very high throughput)オプションにより より 多 くのサブキャリアを 追 加 できます 最 大 データスループットには 追 加 の 空 間 ストリーム 256-QAM 変 調 方 式 高 速 符 号 レートも 関 係 します ac の 最 大 データスルー プットを 計 算 するには 表 2.11 に 示 すとおり 規 格 の 主 要 属 性 を 使 用 します 属 性 値 備 考 データサブキャ 468 FFT サイズ 512 を 使 用 空 間 ストリーム 8 8x8 MIMO と 仮 定 ビット 数 /シンボ 8 log = 8 符 号 レート 5/6 最 高 次 変 調 方 式 での 符 号 レート シンボル 持 続 時 3.6 µs 400 ns の 保 護 間 隔 を 含 む 表 ac のデータレートに 影 響 するパラメータ 表 2.11 の 設 定 から 式 2.8 を 使 用 して 理 論 上 の 最 大 データレートを 計 算 できます 最 大 データレート= /3.6μs = Ggps 6 式 ac の 最 大 データレート 計 算 Gb/ 秒 は ac の 理 論 上 の 最 大 データレートですが サポートされる 帯 域 幅 と 空 間 ストリーム 数 では 広 範 なデータレートが 実 現 可 能 です 表 2.12 は ac のそのような 構 成 をいくつか 示 しています 22

23 チャンネル 空 間 ストリーム 変 調 方 式 コード データ BW レート サブキャリア データレート 20 MHz QAM 3/ Mb/ 秒 40 MHz QAM 5/ Mb/ 秒 80 MHz QAM 5/ Gb/ 秒 160 MHz QAM 5/ Gb/ 秒 表 無 線 LAN ac データレート 最 大 表 2.12 の 最 大 データレートによって 決 まるのは 理 論 上 の 最 大 データレートのみです 現 実 には パ ケットのオーバーヘッドやメディア 共 有 などの 要 因 により 実 際 のデバイスのレートは 理 論 上 の 最 大 データ レートを 大 幅 に 下 回 ることがあります 無 線 LAN 物 理 層 計 測 物 理 層 計 測 を 理 解 することは デバイスの 製 造 プロセスと 設 計 プロセスの 両 方 にとって 極 めて 重 要 です 無 線 LAN デバイスの 開 発 プロセス 全 般 にわたって 様 々な 物 理 層 計 測 を 行 うことでデバイスの 性 能 を 理 解 し 評 価 します このセクションでは 2 種 類 の 無 線 LAN 計 測 について 説 明 します 1 つは デバイスからの 信 号 出 力 を 特 定 する 送 信 計 測 もう 1 つはデバイスが 受 信 信 号 を 復 調 する 能 力 を 評 価 する 受 信 計 測 です デバイスの PHY 層 テストは 仕 様 で 説 明 されています の 各 レビジョンの 計 測 の 多 くは 似 ていますが それぞれの 計 測 は 仕 様 書 の 対 応 するセクションで 個 別 に 定 義 されています 表 2.13 は 仕 様 書 で 各 技 術 について 無 線 LAN デバイスの 送 信 機 (Tx)/ 受 信 機 (Rx) 仕 様 を 定 義 している セクションを 示 しています 改 正 PHY Tx 仕 様 Rx 仕 様 b DSSS セクション , セクション , a OFDM セクション セクション g OFDM セクション セクション n HT セクション セクション ac VHT セクション セクション 表 仕 様 書 のセクション 表 2.13 に 示 した ac 送 信 機 / 受 信 機 計 測 のセクションは の 2013 D5 レビジョンに 基 づいていま す 無 線 LAN 計 測 の 計 測 器 構 成 完 全 統 合 型 の 無 線 LAN デバイスのテストと 計 測 には 一 般 にベクトル 信 号 発 生 器 (VSG vector signal generator)とベクトル 信 号 アナライザ(VSA vector signal analyzer)を 併 せて 使 用 する 必 要 があります 場 合 によっては 両 製 品 を 無 線 テストセットと 呼 ばれる 1 つの 計 測 器 に 統 合 することもあります ナショナ ルインスツルメンツでは ユーザプログラマブルな FPGA を 搭 載 し VSG と VSA を 統 合 したベクトル 信 号 トランシーバ(VST vector signal tranceiver)を 提 供 しています 23

24 組 み 立 て 済 みの 無 線 LAN デバイスをテストする 場 合 デバイスの 送 信 機 能 と 受 信 機 能 は 1 つのポートに 統 合 されています そのためテストセットアップでは 図 2.14 に 示 すように 無 線 LAN デバイスを VSG と VSA の 両 方 に 接 続 するために RF スイッチまたは 結 合 器 /スプリッタが 必 要 です VSG VSA 無 線 LAN デバイス 図 無 線 LAN デバイスの 一 般 的 なセットアップ 無 線 LAN パワーアンプ(PA)をテストする 場 合 は テスト 構 成 は 図 2.14 に 示 した 例 よりはるかにシンプル になります この 場 合 は 図 2.15 のように VSG は 無 線 LAN 信 号 を 供 給 し VSA は PA の 出 力 に 接 続 され ています VSG VSA 無 線 LAN PA 図 無 線 LAN PA の 一 般 的 なセットアップ 一 般 に 送 信 計 測 は 統 合 型 無 線 LAN デバイスや PA や 低 ノイズアンプ(LNA)などの 離 散 コンポーネント に 適 用 されます ただし 受 信 計 測 は 全 受 信 機 を 含 む 統 合 された 無 線 LAN デバイスをテストする 際 にの み 必 要 となります 無 線 LAN テスト 用 に 信 号 アナライザを 選 んだ 場 合 無 線 LAN 送 信 機 計 測 でスペクトルリークと 変 調 品 質 の 測 定 基 準 も 含 まれる 点 にご 注 意 ください したがって 信 号 アナライザが 信 号 を 復 調 するためには 復 調 に 対 応 するベク トル 解 析 機 能 が 必 要 です 24

25 3. 送 信 計 測 無 線 LAN 送 信 機 計 測 には 電 力 変 調 品 質 スペクトル 品 質 という 3 つのカテゴリがあります 様 々な 技 術 の 計 測 はほとんどが 似 ていますが 全 ての 計 測 が 全 ての 規 格 に 適 用 できるわけではありません 表 3.1 は それぞれの 計 測 が 適 用 可 能 な 規 格 と の 中 でその 計 測 が 定 義 されているセクション を 示 しています 本 ドキュメントでは 規 格 (802.11b a/g n ac)の 別 名 (DSSS OFDM HT VHT)も 同 時 に 使 用 しています 計 測 カテゴリ 電 力 変 調 品 質 計 測 送 信 電 力 DSSS (802.11b) OFDM (802.11a/g) HT (802.11n) 各 国 法 令 により 定 義 VHT (802.11ac) 電 源 投 入 時 / 切 断 時 のランプ(DSSS) N/A N/A N/A 変 調 精 度 チップクロック 周 波 数 公 差 (DSSS) N/A N/A N/A シンボルクロック 周 波 数 公 差 N/A (OFDM) 中 心 周 波 数 公 差 , スペクトル スペクトルマスク , スペクトル 平 坦 性 N/A 搬 送 波 抑 圧 (DSSS) N/A N/A N/A 中 心 周 波 数 リーク(OFDM) N/A 表 3.1. 送 信 機 計 測 向 けの 仕 様 表 3.1 に 示 した ac 送 信 機 / 受 信 機 計 測 のセクションは の 2013 D5 レビジョンに 基 づいていま す 最 大 送 信 電 力 最 大 送 信 電 力 の 値 は 表 3.2 に 示 す 送 信 仕 様 には 含 まれていません それは 無 線 LAN デバイスの 最 大 送 信 電 力 はデバイスが 認 定 される 国 の 政 府 規 制 機 関 によって 定 義 されるためです 最 大 出 力 電 力 は 最 大 の 等 価 等 方 放 射 電 力 (EIRP equivalent isotropically radiated power)として 指 定 され 送 信 機 の 出 力 電 力 とアンテ ナのゲインによって 決 まります 一 般 に 最 大 送 信 出 力 電 力 は ほとんどの 国 で 60 mw~1 W(EIRP)です そのような 制 限 値 は 通 常 帯 域 によって 指 定 され 屋 内 用 と 屋 外 用 のデバイスでも 異 なることがあります 表 3.2 は 一 部 の 国 における 最 大 制 限 値 を 示 しています 25

26 国 帯 域 最 大 送 信 電 力 mw ( 無 線 Tx+アンテナゲイン=EIRP) 屋 内 用 / 屋 外 用 米 国 a 200 屋 内 用 b/g 1,000 両 用 ブラジル a 200 屋 内 用 b/g 1,000 両 用 南 アフリカ a N/A N/A b/g 1,000 両 用 フランス a 200 屋 内 用 b/g 100 両 用 中 国 a 600 両 用 b/g 600 両 用 表 3.2. 国 別 の 最 大 送 信 電 力 では 無 線 LAN デバイスの 最 大 電 力 要 件 を 具 体 的 に 指 定 していませんが 電 力 計 測 は 他 の 送 信 計 測 の 指 標 として 重 要 な 特 性 となります 例 えば 変 調 精 度 (EVM error vector magnitude)といった 変 調 品 質 計 測 は 送 信 機 の 線 形 性 の 影 響 を 強 く 受 けることが 多 く 線 形 性 は 出 力 電 力 に 依 存 しています 平 均 電 力 平 均 電 力 は おそらく 最 もよく 使 用 される 電 力 計 測 です 平 均 電 力 とは バーストの 時 間 内 における パケットの 時 間 平 均 電 力 レベルです 最 新 のテスト 機 器 は 様 々な 方 法 で 平 均 電 力 レベルを 指 定 する ことができます 中 でも 一 般 的 なのが 時 間 ゲート(time-gated) 平 均 電 力 で バーストにおける 平 均 電 力 を 計 測 するものです またバースト 電 力 と 待 機 時 間 も 含 めた 電 力 を 計 測 することもできます この 計 測 で は バーストのデューティサイクルが 平 均 電 力 に 大 きく 影 響 します 無 線 LAN 伝 送 の 平 均 電 力 は 通 常 ゲート 電 力 計 測 なので この 計 測 には 一 般 に VSA が 必 要 です 平 均 電 力 は 送 信 電 力 とも 呼 ばれ 他 の 全 ての 計 測 の 主 要 な 指 標 となるものです 受 信 機 テストの 際 は 平 均 電 力 が DUT の 入 力 電 力 レベルを 表 します また MIMO 計 測 では 各 物 理 チャンネルの 平 均 電 力 を 計 測 します ピーク 電 力 信 号 特 に 高 次 OFDM タイプは ピーク 対 平 均 電 力 比 (PAPR peak-to-average-power ratios)が 極 めて 大 きくなることがあります 信 号 の PAPR を 計 測 するには 送 信 信 号 のピーク 電 力 を 平 均 電 力 とともに 計 測 します OFDM 信 号 は 信 号 自 体 の 構 造 により 比 較 的 PAPR が 高 い 特 性 を 持 っています OFDM 伝 送 では 大 量 のサブキャリアが 並 行 して 送 信 されますので それぞれの 時 点 でサブキャリアが 互 いに 加 算 または 減 算 されま す その 結 果 OFDM 伝 送 の 電 力 統 計 はほぼガウス 分 布 となりますので PAPR は 通 常 10 db~12 db の 範 囲 になります 26

27 伝 送 された 無 線 LAN 信 号 の 実 際 の PAPR は デバイスの 動 作 範 囲 内 で 比 較 的 一 定 になるはずですが 必 ずし もそうとは 限 りません より 高 出 力 の 電 力 レベルの 送 信 機 の 場 合 出 力 PA が 非 線 形 領 域 で 動 作 している 場 合 クリッピングにより PAPR は 減 少 し 始 めます その 結 果 PAPR は 変 調 品 質 の 低 い 送 信 機 のトラブルシ ューティングの 重 要 な 基 準 となります 変 調 の 品 質 ( 変 調 精 度 :EVM)の 低 さが 出 力 PA の 非 線 形 性 による ものなら 通 常 変 調 品 質 は PAPR と 関 連 します また 信 号 の PAPR は 信 号 アナライザの 計 測 設 定 にも 大 きな 影 響 を 及 ぼします 計 測 を 行 う 際 は VSA の 基 準 レベルを 適 切 に 設 定 して 送 信 パケットの 振 幅 範 囲 内 にする 必 要 があります 通 常 パケット 電 力 レベルは 平 均 電 力 として 指 定 されます この 場 合 基 準 レベルは 平 均 電 力 にパケットの 予 測 PAPR を 加 え たものより 大 きい 値 に 設 定 する 必 要 があります PAPR の 統 計 をより 正 しくグラフ 表 示 するには CCDF 計 測 のセクションを 参 照 してください また MIMO 計 測 では 各 物 理 チャンネルについて 平 均 電 力 を 計 測 します 電 力 対 時 間 電 力 対 時 間 トレース(power versus time trace)とは 時 間 に 対 する 伝 送 信 号 の 瞬 時 電 力 を 表 すものです 電 力 対 時 間 による 信 号 のグラフ 表 示 は 送 信 機 の 性 能 基 準 よりむしろトラブルシューティングの 目 的 に 利 用 で きます 計 測 された 電 力 をバーストの 特 定 の 時 間 部 分 に 相 関 させることで 時 間 に 依 存 する 電 力 の 問 題 を 特 定 することができます 図 3.1. 電 力 対 時 間 トレース 例 えば 電 力 対 時 間 計 測 を 拡 大 してみると バーストの 立 ち 上 がり 時 間 と 立 ち 下 がり 時 間 を 検 出 し 有 効 なバーストが 捉 えられたかどうかを 特 定 することができます 27

28 クロスパワー(MIMO) クロスパワー 計 測 は MIMO 構 成 に 特 有 のものです クロスパワーとは 1 つのストリームからの 電 力 がどの 程 度 他 のチャンネルに 流 れ 込 んでいるかの 測 定 基 準 です 4x4 MIMO 構 成 でのマッピング 行 列 M を 使 用 したシンプルなダイレクトチャンネルマッピングの 例 を 見 てみます M = 式 x4 MIMO 構 成 のダイレクトマッピング 行 列 現 実 には M の 対 角 の 外 側 のヌル 要 素 ( 交 差 項 )は 微 小 な 値 になります 交 差 項 が 増 えると 異 なる チャンネルからの 干 渉 による 特 定 のチャンネルの 電 力 は 意 図 した 動 作 の 干 渉 を 始 め チャンネルベースの 測 定 基 準 が 低 下 することがあります 理 想 的 な 交 差 項 (CPid)と 計 測 された 交 差 項 (CPms)を 式 3.2 で 比 較 します NA CP id = NA NA NA CP2,1 CP 3,1 CP 4,1 CP, and CP ms = 1,2 NA CP 3,2 CP 4,2 CP 1,3 CP 2,3 NA CP 4,3 NA CP 1,4 CP 2,4 NA CP 3,4 式 x4 MIMO 構 成 での Cpid と CPms の 比 較 いずれの 場 合 も 対 角 要 素 CPi,i は 未 定 義 で 交 差 要 素 は db で 計 測 します 理 想 的 なケースでは 交 差 要 素 は 全 て db に 等 しくなります これは いずれのストリームからの 電 力 も 意 図 しないチャンネル には 漏 れ 出 してことを 示 します 実 際 に 計 測 したケースでは CPii,j(dB)はストリーム i からチャンネル j に 漏 れ 出 す 相 対 電 力 を 表 します クロスパワーが 低 下 するケースでは DUT のチャンネル 絶 縁 を 行 ってこの 問 題 を 解 決 します パワーの 立 ち 上 がり/ 立 ち 下 がり(Power-On and Powe-Down Ramp) 仕 様 で 定 義 されている 具 体 的 なダイナミックパワー 特 性 の 1 つに パワーの 立 ち 上 がり/ 立 ち 下 がりが あります 無 線 LAN デバイスは 時 分 割 二 重 (TDD time division duplexed) 方 式 で 動 作 する M ため 送 受 信 を 高 速 化 するには 高 速 のランプアップ/ランプダウンが 必 要 となります 電 源 投 入 時 / 切 断 時 要 件 は DSSS または b にのみ 適 用 されます の 仕 様 によると バーストが 最 大 電 力 の 10%から 90%に 上 がる 時 間 として 定 義 された 送 信 パワーの 立 ち 上 がり(power-on ramp)は 2µ 秒 を 超 えてはなりません 送 信 のパワーの 立 ち 下 がり(power-down ramp)は 信 号 が 最 大 電 力 の 90%から 10%に 低 下 する 時 間 として 定 義 され 2 µ 秒 を 超 えることはありませ ん パワーの 立 ち 上 がり/ 立 ち 下 がりを 計 測 する 際 は 信 号 アナライザの 集 録 長 にはパケット 全 体 を 含 める 必 要 があります 28

29 変 調 品 質 無 線 LAN 伝 送 の 変 調 品 質 により 大 きなフレームやビット 誤 差 を 発 生 させずに 復 調 できる 可 能 性 が 高 まりま す 変 調 品 質 には 変 調 精 度 (EVM) チップ/シンボルクロック 周 波 数 許 容 度 (symbol clock frequency tolerance) 中 心 周 波 数 許 容 度 (center frequency tolerance)という 3 つのカテゴリがあります エラー ベクトル 振 幅 (EVM Error Vector Magnitude) 変 調 精 度 (EVM)とは 送 信 機 の 変 調 品 質 を 測 る 主 要 な 指 標 です EVM は 変 調 伝 送 の 広 範 な 障 害 を 捉 えるので 送 信 機 の 性 能 の 測 定 指 標 としても 極 めて 有 用 です EVM のレポートの 際 は RF 信 号 アナライ ザがまず 変 調 シンボルの 位 相 / 振 幅 誤 差 を 計 測 します この 計 測 では エラーベクトルはシンボルの 位 相 と 振 幅 の 理 想 値 と 計 測 値 における 位 相 / 振 幅 誤 差 に 基 づいています EVM を 計 算 するには エラーベクトルを 理 想 的 なシンボルの 振 幅 ベクトルで 除 算 します そうして 求 められた 比 率 が EVM です 図 3.2 は 計 測 された ベクトル 理 想 的 なベクトル そしてエラーベクトルの 関 係 を 示 しています 計 測 されたシンボル 位 置 振 幅 誤 差 エラーベクトル 振 幅 ベクトル 理 想 のシンボル 位 置 位 相 誤 差 図 3.2. エラーベクトルとその 成 分 EVM はエラーベクトルと 振 幅 ベクトルの 比 率 として 表 されますが 結 果 はパーセント(%)または db で 表 記 します 式 3.3 を 使 用 すると EVM の 計 算 をパーセントから db に 変 換 できます 29

30 EMV db = 20 log(evm % ) 式 3.3. EVM をパーセントから db に 変 換 1 つのキャリア 変 調 を 使 用 した 無 線 規 格 では 通 常 EVM リミットをパーセントで 指 定 しますが OFDM シス テムは 一 般 に EVM リミットを db で 指 定 します EVM は 基 本 的 に 1 シンボルのみの 変 調 品 質 の 測 定 指 標 な ので この 指 標 は 通 常 大 量 のシンボルにおけるピーク 値 または 二 乗 平 均 平 方 根 (RMS)のいずれかで 表 記 し ます DSSS 伝 送 では 最 高 次 変 調 方 式 は DQPSK( 差 動 四 位 相 偏 移 変 調 )です 図 3.3 のコンスタレーション 図 に 示 すように 全 てのシンボルは 原 点 から 同 じ 振 幅 で 互 いに 同 じ 位 相 オフ セットにあります そのため では DSSS 伝 送 のピーク EVM リミットを 指 定 しています 図 3.3. DQPSK コンスタレーション DSSS サブセクションは EVM 値 としてシンボルのピーク 誤 差 を 指 定 しますが OFDM HT および VHT 伝 送 は RMS 値 に 基 づく EVM 要 件 を 指 定 します 図 3.4 に 示 すように 64 QAM のような 高 次 変 調 方 式 の 振 幅 ベクトルは シンボルの 位 置 によって 大 きく 異 なります 30

31 図 QAM コンスタレーション 図 3.4 で ピーク EVM 計 測 は 振 幅 が 小 さく 原 点 に 近 いシンボルが 大 半 を 占 めています そのため ピーク EVM は RMS EVM ほど 有 用 ではありません したがって a/g/n/ac のような OFDM ベースの 伝 送 は EVM 要 件 を RMS 値 で 指 定 します さらに 仕 様 では 送 信 機 が 伝 送 に 使 用 する 各 変 調 方 式 の 様 々な RMS EVM リミット( 制 限 値 )を 指 定 しています 各 規 格 で 変 調 方 式 やコードレートの 様 々な 組 み 合 わせにおいて EVM 要 件 は 似 通 って いますが 表 3.3 に 示 すように 全 ての 変 調 方 式 とコードレートの 組 み 合 わせがいずれか 1 つの 規 格 でサポ ートされているわけではありません 変 調 方 式 符 号 レート EVM リミット (802.11a/g) EVM リミット (802.11n) EVM リミット (802.11ac) BPSK ½ -5 db - 5 db - 5 db BPSK ¾ -8 db N/A N/A QPSK ½ -10 db -10 db -10 db QPSK ¾ -13 db - 13 db - 13 db 16-QAM ½ -16 db -16 db -16 db 16-QAM ¾ -19 db -19 db -19 db 64-QAM 2/3-22 db -22 db -22 db 64-QAM ¾ -25 db -25 db -25 db 64-QAM 5/6 N/A -27 db -27 db 256-QAM ¾ N/A N/A -30 db 256-QAM 5/6 N/A N/A -32 db 表 3.3. OFDM HT VHT の EVM リミット 31

32 表 3.3 を 見 ると 伝 送 の 変 調 品 質 と 変 調 方 式 の 複 雑 さに 明 らかな 関 連 性 があります 例 えば 256 QAM な どの 高 次 変 調 方 式 では BPSK のような 低 次 方 式 に 比 べより 高 い 変 調 品 質 が 求 められます 図 3.5 で 256 QAM コードレート 伝 送 のコンスタレーションプロット 上 に 仕 様 の 制 限 値 が 重 ねて 表 示 されています 図 ac のコンスタレーションプロット 伝 送 の 変 調 品 質 は 送 信 機 の 精 度 に 関 連 し 伝 送 の 変 調 方 式 とは 通 常 無 関 係 です 例 えば 16 QAM で-36 db の EVM を 提 供 する 送 信 機 は 256 QAM を 使 用 して 信 号 を 送 信 する 際 の EVM 性 能 と 同 じです 256 QAM(802.11ac デバイス) 伝 送 を 生 成 するのに 必 要 な 送 信 機 は 64-QAM(802.11a/g/n)を 生 成 する ための 送 信 機 に 比 べ 変 調 方 式 の 要 件 が 高 くなります コンスタレーション 誤 差 主 EVM 計 測 もシンボルコンスタレーションから 導 き 出 されますが それらは 原 因 となる 全 ての 誤 差 の 一 般 的 集 合 です また コンスタレーションには 誤 差 の 原 因 を 示 す 情 報 も 含 まれます コンスタレーションか ら 得 られるその 他 の 測 定 指 標 として コモンパイロットエラー(common pilot error) IQ ゲイン 不 均 衡 (IQ gain imbalance) 直 交 位 相 スキュー(quadrature skew) タイミングスキュー(timing skew)などがあります 32

33 タイミングスキュー(OFDM) タイミングスキュー(timing skew)とは 複 合 ベースバンド 信 号 の 位 相 内 (I) 成 分 と 直 交 位 相 (Q) 成 分 のサ ンプリングインスタンスの 差 を 言 います 直 交 位 相 スキュー(Quadrature Skew) 直 交 位 相 スキューとは 位 相 内 (I) 信 号 と 直 交 位 相 (Q) 信 号 の 間 における 90 からの 角 度 偏 差 のこと です I/Q ゲイン 不 均 衡 (I/Q gain imbalance) I/Q ゲイン 不 均 衡 とは 直 交 位 相 (Q) 信 号 の 平 均 振 幅 に 対 する 同 相 (I) 信 号 の 平 均 振 幅 の 比 率 を db で 表 し たものです チップ 周 波 数 公 差 (Chip Frequency Tolerance DSSS)と シンボルクロック 周 波 数 公 差 (Symbol Clock Frequency Tolerance OFDM) この 計 測 は I 信 号 と Q 信 号 を 生 成 している 各 D/A コンバータ(DAC)のサンプルクロック 間 の 差 を 示 すもの です 中 心 周 波 数 許 容 範 囲 (Center Frequency Tolerance) 伝 送 の 変 調 品 質 に 関 連 する 最 後 の 特 性 として 中 心 周 波 数 許 容 範 囲 があります 理 想 では 送 信 機 が GHz の 信 号 を 出 力 するよう 設 計 されている 場 合 その 信 号 の 正 確 な 中 心 周 波 数 は GHz になりま す ただし 送 信 機 のクロック 回 路 に 障 害 があると 望 ましい 位 置 よりわずかに 周 波 数 がずれた 伝 送 となる 可 能 性 があります 無 線 LAN システムの 送 信 機 と 受 信 機 のいずれかで 周 波 数 の 精 度 が 低 い 場 合 受 信 機 が 無 線 伝 送 を 復 調 できなくなることがあります 仕 様 では 具 体 的 な 周 波 数 精 度 を PPM(perts per million)で 示 す 必 要 があり この 結 果 は VSA を 使 って 計 測 されます 例 えば キャリア 周 波 数 オフセットが 4 KHz で 中 心 周 波 数 が 2412 MHz の 場 合 これは ppm((4 KHz/2,412 MHz)*1*10e6)に 相 当 します 表 3.4 は それぞれの PHY について 10~25 ppm の 範 囲 の 周 波 数 精 度 要 件 を 示 しています PHY +/- ppm DSSS 25 OFDM 20 HT 2.4 GHz 帯 域 25 HT 5 GHz 帯 域 20 VHT 20 表 3.4. キャリア 周 波 数 オフセットの 範 囲 33

34 スペクトル 計 測 無 線 LAN 送 信 機 の 性 能 を 評 価 する 最 後 の 計 測 は スペクトル 計 測 です 対 応 する 受 信 機 が 送 信 信 号 を 正 しく 復 調 できることを 確 認 するための 変 調 精 度 計 測 とは 異 なり 周 波 数 領 域 計 測 は 信 号 が 他 の 信 号 に 干 渉 し ないことを 保 証 するのが 目 的 です 多 くの 周 波 数 領 域 計 測 では 信 号 の 位 相 成 分 は 必 要 としません そ のため VSA が 使 用 できない 場 合 は そのような 計 測 にはスペクトルアナライザを 使 用 できます スペクトルマスク スペクトルマスク 計 測 では 送 信 されたパケットのパワースペクトル 密 度 に 重 ね 合 わされた 一 連 の 制 限 値 を 特 定 します スペクトルマスクとは 隣 接 チャンネルにおける 干 渉 を 測 る 指 標 なので 制 限 値 は 送 信 チャンネ ルの 中 心 から 離 れるにつれてより 厳 しくなります 送 信 された 統 合 電 力 を 特 定 する UMTS や LTE のようなセ ルラー 通 信 と 異 なり 無 線 LAN のスペクトルマスクは 電 力 ピークが 制 限 値 を 超 える 周 波 数 ビンの 評 価 のみ を 目 的 としています スペクトルマスクは マスクを 信 号 のスペクトルと 比 較 する 合 否 テストです DSSS では スペクトルマスク 計 測 は 100 khz の 分 解 能 帯 域 幅 (RBW)と 30 khz のビデオ 帯 域 幅 (VBW) を 使 用 します OFDM 技 術 では スペクトルマスク 計 測 の RBW と VBW はいずれも 100 khz が 必 要 です DSSS スペクトルマスク DSSS 伝 送 におけるスペクトルマスクプロファイルは キャリアから 11 MHz~22 MHz のオフセットと 22 MHz を 超 えるオフセットの 帯 域 幅 における 最 大 放 射 電 力 (maximum emitted power)を 定 義 します 図 3.6 では DSSS マスクは 基 準 点 0 dbr を 特 定 の 基 準 点 に 対 し 0 db と 定 義 しています 基 準 点 は 伝 送 の 最 大 スペクトル 密 度 (maximum spectral density)と 定 義 されます 電 力 送 信 スペクトル マスク フィルタなし (Sin X)/X 図 3.6. DSSS スペクトルマスク 制 限 値 周 波 数 図 3.6 に 示 すように DSSS 伝 送 はキャリアから 11 MHz~22 MHz のオフセットで-30 dbr を 超 えることは できません さらに 伝 送 のパワースペクトル 密 度 は キャリア 周 波 数 から 22 MHz を 超 えるオフセットで -50 dbr を 超 えることもありません 34

35 OFDM HT VHT スペクトルマスク a/g/n/ac では スペクトルマスクのプロファイルは 似 ていますが ac の 広 い 帯 域 幅 または 帯 域 幅 構 成 により 適 しています OFDM HT VHT のスペクトルマスク の 一 般 的 な 解 説 として ここでは OFDM のスペクトルマスクについて 検 証 します 図 3.7 に 示 すように OFDM 伝 送 の 主 要 なマスク 制 限 値 は -20 dbr -28 dbr -40 dbr です 電 力 送 信 スペクトル マスク 通 常 の スペクトル 周 波 数 (MHz) 図 a の OFDM スペクトルマスク 20 MHz 帯 域 幅 信 号 の 主 要 オフセットは 9MHz 11 MHz 20 MHz および 30 MHz です 表 3.5 は 様 々な 帯 域 幅 の 信 号 の 主 要 オフセットを 示 しています 信 号 帯 域 幅 オフセット A オフセット B オフセット C オフセット D 20 MHz ± 9 MHz ± 11 MHz ± 20 MHz ± 30 MHz 40 MHz ± 19 MHz ± 21 MHz ± 40 MHz ± 60 MHz 80 MHz ± 39 MHz ± 41 MHz ± 80 MHz ± 120 MHz 160 MHz ± 79 MHz ± 81 MHz ± 160 MHz ± 240 MHz 表 マスクの 周 波 数 オフセット の 各 規 格 を 区 別 する 要 素 として キャリアから 最 も 遠 いオフセットの 外 側 での 最 大 エミッションがあ ります HT 2.4 GHz を 除 く 全 ての 伝 送 で 最 も 遠 いオフセットの 制 限 値 は-40 dbr となります HT 2.4 GHz では 最 も 離 れたオフセットの 外 側 での 伝 送 における 最 大 エミッションは-45 dbr です 35

36 電 力 電 力 周 波 数 (MHz) 周 波 数 (MHz) 図 GHz 帯 域 での HT の 20 および 40 MHz エミッションマスク 36

37 802.11ac の モードでは 図 3.9 に 示 すように 伝 送 されたスペクトルマスクは 2 つの 80 MHz マスク の 線 形 和 によって 計 算 します 電 力 電 力 周 波 数 (MHz) 周 波 数 (MHz) 電 力 周 波 数 (MHz) 図 3.9 VHT の MHzチャンネルスペクトルマスク 制 限 値 図 3.9 で 構 成 のスペクトルマスクの 外 側 エッジは 80 MHz の 帯 域 幅 オプションの 外 側 エッジと 一 致 します ただし 重 複 する 部 分 は 2 つの 制 限 値 の 合 計 なので 要 件 がより 厳 しくなります 例 えば -39 MHz と 39 MHz の 周 波 数 オフセットでは 制 限 値 は-28 dbr dbr = -25 dbr で-25 dbr となります 搬 送 波 抑 圧 (DSSS) 理 想 的 な 直 交 変 調 器 の 内 部 発 振 器 (LO local oscillator)は RF 出 力 で 漏 れは 生 じませんが 現 実 にはそうは いきません 直 交 変 調 器 の DC オフセットにより デバイスの 出 力 でスプリアスがちょうど LO の 周 波 数 で 発 生 します このスプリアスは 中 心 周 波 数 リークまたは LO リークです b の DSSS 伝 送 の 場 合 LO リークは 搬 送 波 抑 圧 計 測 で 観 測 できます チャンネルの 中 心 周 波 数 で 計 測 した RF 搬 送 波 抑 圧 は ピーク SIN(x)/x パワースペクトルより 少 なくとも 15 db 低 くなります DSSS はシングルキャリア 変 調 方 式 なの で キャリアリークは 送 信 機 が 反 復 的 シンボルパターンを 生 成 している 時 のみ 計 測 できます 37

38 例 えば スクランブラを 無 効 にして 反 復 的 な 01 データシーケンスを 生 成 するよう 送 信 機 を 設 定 することで 送 信 機 は 同 じシンボルを 繰 り 返 し 生 成 するようになります 周 波 数 領 域 では スペクトルは 伝 送 の 中 心 周 波 数 からオフセットしたシングルトーンのように 表 示 されます そのため LO リークは 中 心 周 波 数 の 放 射 電 力 を 計 測 することで 特 定 できます 中 心 周 波 数 の 放 射 電 力 は 100 khz の 分 解 能 帯 域 幅 を 使 用 して スペクト ルアナライザまたは VSA で 計 測 することができます 中 心 周 波 数 リーク(Carrier Frequency Leakage: OFDM HT VHT) a/g/n/ac の 伝 送 では OFDM 技 術 が 利 用 され 重 なった 変 調 サブキャリアの 生 成 原 理 に 基 づいています OFDM 技 術 は LO リークの 難 題 を 回 避 するため 中 央 のサブキャリアをヌルに 保 っています そのため 図 3.10 に 示 すように 中 心 サブキャリアの 放 射 電 力 を 計 測 することで 送 信 機 がデータ 生 成 中 でも LO リークを 計 測 することができます 図 周 波 数 領 域 における LO リークの 計 測 厳 密 に 定 義 すると キャリア 周 波 数 リークとは 全 サブキャリアの 平 均 電 力 の 総 エネルギーに 対 する DC サブキャリアのエネルギーの 割 合 を db で 表 したものです 20 MHz の a/g/n 伝 送 では 最 大 LO リークは 送 信 電 力 に 対 し-15 db 同 様 にその 他 のサブキャリアの 平 均 エネルギーに 対 し+2 db を 超 えて はなりません 38

39 40 MHz の n 伝 送 では リークは 送 信 電 力 全 体 に 対 し-20 db 同 様 にその 他 のサブキャリアの 平 均 エネ ルギーに 対 し 0 db を 超 えてはなりません VHT の LO リーク 要 件 は 特 有 です MHz 伝 送 を 除 く 全 て の VHT 帯 域 幅 構 成 では 最 大 LO リークは 各 サブキャリアの 平 均 電 力 を 下 回 る 必 要 があります 無 線 LAN デバイスは MHz 伝 送 を 2 通 りの 方 法 で 実 装 でき LO リーク 要 件 はそれぞれの 方 法 で 異 なり ます 信 号 が 1 つの 変 調 器 から 伝 送 される 場 合 は LO は 伝 送 の 中 心 に 表 示 されます その 状 況 では RBW khz を 使 用 して 伝 送 の 中 心 で 計 測 した 電 力 は サブキャリアあたりの 平 均 電 力 を 超 えることはできませ ん MHz 伝 送 は 2 つの 送 信 機 で 実 装 することもできます この 場 合 LO リークは 各 送 信 機 の 中 心 周 波 数 に 現 れ チャンネルの 中 心 には 存 在 しません ここで 送 信 帯 域 幅 の 中 心 で 計 測 された 電 力 は 全 送 信 電 力 に 対 し 最 大 で-20 dbm と-32 db を 超 えてはなりません LO リークが 周 波 数 80 MHz の 両 伝 送 から 外 れて いる 場 合 RF LO はスペクトルマスク 計 測 と 同 様 になります スペクトル 平 坦 性 (Spectral Flatness) スペクトル 平 坦 性 は a/g/n/ac の OFDM ベースの 伝 送 のみに 適 用 されるもので サブキャリアの 様 々な 電 力 レベルを 表 します 各 サブキャリアのコンスタレーションの 平 均 エネルギーは 全 サブキャリア の 平 均 エネルギーから 上 下 のマージンを 超 えてはいけません ワーストケースの 上 マージン(upper margin)と 下 マージン(lower margin)がスペクトル 平 坦 性 のマージンになります 39

40 形 式 帯 域 幅 (MHz) 平 均 サブキャリア 指 標 ( 包 括 的 ) テスト 済 みのサブキャリア 指 標 ( 包 括 的 ) 最 大 偏 差 (db) VHT 非 HT 重 複 20-16~-1 と+1~ ~-2 と+2~ ~-2 と+2~ ~ ~ ~ ~ ~-33-31~-6 +6~ ~+42-84~-70-58~ ~-6 +6~ ~ ~+84-16~-1 と+1~+16 ±4-28~-17 と+17~+28 +4/-6-42~-2 と+2~+42 ±4-58~-43 と+43~+58 +4/-6-84~-2 と+2~+84 ±4-122~-85 と+85~ /-6-172~ ~ ~ ~+172 ±4-250~ ~-6 +6~ ~ /-6-42~-33-31~-6 +6~ ~+42 ±4-58~-43 と+43~+58 +4/-6-84~-70-48~-33-31~-6 +6~ ~ ~ ± ~-97-95~-85 と+85~ ~ / ~ ~ ~-97-95~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~-97-95~-70-58~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~-33-31~- 6 +6~ ~ ~ ~ ±4 +4/-6 2 表 3.6 OFDM HT VHT のスペクトル 平 坦 性 制 限 値 スペクトル 平 坦 性 の 上 マージンとは 上 部 スペクトル 平 坦 性 マスクとチャンネル 周 波 数 応 答 の 相 対 振 幅 の 差 で す スペクトル 平 坦 性 の 下 マージンは 下 部 スペクトル 平 坦 性 マスクとチャンネル 周 波 数 応 答 の 相 対 振 幅 の 差 です チャンネル 周 波 数 応 答 の 相 対 振 幅 は DC サブキャリア 付 近 のいくつかのサブキャリアの 平 均 電 力 に 相 対 的 です 上 表 の 1 行 目 で いくつかのサブキャリアが-16 から-1 までの 16 個 のサブキャリアに 相 当 しま す チャンネル 周 波 数 応 答 の 相 対 振 幅 とは この 平 均 と 各 サブキャリアの 平 均 エネルギーの 差 です 上 記 の 20 MHz チャンネルのリミットは OFDM と HT にも 適 用 されます 上 記 の 40 MHz チャンネルのリミッ トは HT にも 適 用 されます ac 仕 様 の 草 案 5.1 の 表 から 作 成 40

41 4. 受 信 機 計 測 無 線 LAN デバイスは 厳 格 な 受 信 機 性 能 特 性 の 対 象 となります それぞれの 受 信 機 計 測 では 低 電 力 高 電 力 干 渉 の 存 在 時 など 様 々な 状 況 下 で 受 信 機 が 送 信 信 号 を 復 調 する 能 力 を 評 価 します 送 信 機 計 測 と 同 様 無 線 LAN 受 信 機 計 測 は の 複 数 の 特 定 セクション(セクション )で 定 義 されています 表 4.1 で の 2012 レビジョンは ac を 除 く 全 ての 規 格 に 適 用 されます ac に 適 用 されるのは の 2013 D5 レビジョンです 計 測 DSSS OFDM HT VHT 最 小 入 力 感 度 , 最 大 入 力 レベル , 隣 接 チャンネル 除 去 , 非 隣 接 チャンネル 除 去 N/A 受 信 チャンネル 電 源 表 示 , N/A 表 4.1. 受 信 機 計 測 向 け 仕 様 最 小 入 力 感 度 (Minimum Input Sensitivity) 最 小 入 力 感 度 は 受 信 信 号 強 度 が 低 い 場 合 の 受 信 機 性 能 を 評 価 するものです 感 度 が 優 れていると 受 信 機 は 送 信 機 から 離 れた 場 所 でも 伝 送 を 正 しく 復 調 することができます 感 度 テストのセットアップ 無 線 LAN 受 信 機 感 度 のテストセットアップでは 既 知 電 力 レベルにおいて 特 定 のデータレートで 無 線 LAN 信 号 を 伝 送 するよう VSG を 構 成 します また 一 般 的 なテスト 構 成 では 計 測 器 と DUT の 間 に 固 定 アッテネ ータも 使 用 します 無 線 LAN デバイス 図 4.1. 無 線 LAN 感 度 のテストセットアップ 固 定 アッテネータを 使 用 すると 計 測 器 の 出 力 ノイズレベルが 受 信 機 のノイズレベルに 影 響 しません また DUT に 供 給 される 電 力 レベルの 精 度 も 向 上 します VSG は 一 般 にパワーメータで 校 正 可 能 な 高 電 力 レベ ルにおいて 優 れた 出 力 電 力 の 精 度 が 実 現 可 能 なので 固 定 アッテネータを 使 用 するとより 高 精 度 の 電 力 範 囲 で VSG を 使 用 することができます さらに VSG と 受 信 機 の 間 にアッテネータを 配 置 することで DUT における インピーダンス 整 合 性 も 向 上 します 感 度 仕 様 (Sensitivity Specification) 無 線 LAN 受 信 機 の 感 度 は デジタルインタフェース 経 由 で DUT によりレポート 出 力 されるパケット 誤 り 率 (PER packet error rate)で 指 定 します 受 信 機 規 格 を 満 たすために 必 要 な 最 小 PER は DSSS では 8% OFDM HT VHT では 10%です 41

42 最 小 入 力 感 度 を 厳 密 に 定 義 すると 受 信 機 が 指 定 の PER 基 準 を 実 現 できる 最 低 電 力 レベルとなります DSSS の 最 小 要 件 を 表 4.2 に 示 します DSSS タイプ PER しきい 値 (%) 最 小 感 度 (dbm) DSSS 2 Mb/ 秒 8-80 DSSS 11 Mb/ 秒 8-76 表 4.2. DSSS 受 信 機 の 最 小 入 力 感 度 制 限 値 OFDM ベースの 技 術 を 利 用 した 無 線 LAN 規 格 の 場 合 最 小 入 力 感 度 は 変 調 方 式 コードレート 入 力 帯 域 幅 の 組 み 合 わせによって 決 まります 表 4.3 に 示 すように 最 小 要 件 は OFDM HT VHT のどの 仕 様 でも ほぼ 一 定 です 変 調 方 式 コード レート 最 小 感 度 (20 MHz BW) 最 小 感 度 (40 MHz BW) 最 小 感 度 (80 MHz BW) 最 小 感 度 (160 MHz BW) BPSK ½ -82 dbm -79 dbm -76 dbm -73 dbm BPSK 1 ¾ -81 dbm N/A N/A N/A QPSK ½ -79 dbm -76 dbm -73 dbm -70 dbm QPSK ¾ -77 dbm -74 dbm -71 dbm -68 dbm 16-QAM ½ -74 dbm -71 dbm -68 dbm -65 dbm 16-QAM ¾ -70 dbm -67 dbm -64 dbm -61 dbm 64-QAM 2 / 3-66 dbm -63 dbm -60 dbm -57 dbm 64-QAM ¾ -65 dbm -62 dbm -59 dbm -56 dbm 64-QAM 2 5 / 6-64 dbm -61 dbm -58 dbm -55 dbm 256-QAM 3 ¾ -59 dbm -56 dbm -53 dbm -50 dbm 256-QAM 3 5 / 6-57 dbm -54 dbm -51 dbm -48 dbm 1. ¾コードレートの BPSK は OFDM 規 格 のみでサポートされており HT または VHT ではサポートされていません 5 2. /6 コードレートの 64-QAM は HT および VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM ではサポートされていません QAM は VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM または HT ではサポートされていません 表 4.3. OFDM HT VHT の EVM の 無 線 LAN 受 信 機 感 度 表 4.3 から 変 調 方 式 の 複 雑 さと 求 められる 受 信 機 感 度 に 強 力 な 相 関 関 係 があることがわかります 例 えば 256-QAM のような 高 次 変 調 方 式 の 場 合 受 信 機 の SNR を 高 くして BPSK など 堅 牢 性 の 高 い 方 式 と 同 じフ レーム 誤 り 率 になるようにする 必 要 があります Wi-Fi デバイスは 適 応 変 調 テクニック(adaptive modulation techniques)を 使 用 するよう 設 計 されています 適 応 変 調 テクニックとは SNR が 低 い 環 境 では 堅 牢 な 変 調 方 式 を 用 い チャンネル 環 境 が 良 好 な 状 況 では 高 スループットの 方 式 を 採 用 するものです 最 大 入 力 レベル(Maximum Input Level) 最 大 入 力 レベルとは 受 信 強 度 が 高 い 状 況 での 受 信 機 性 能 を 評 価 するものです この 計 測 により 受 信 機 が 送 信 機 の 近 くにある 場 合 に 受 信 機 が 期 待 通 りに 動 作 することを 確 認 できます そのような 場 合 受 信 信 号 の SNR はかなり 高 くなりますが 受 信 信 号 の 入 力 電 力 が 高 いと 受 信 機 のフロントエンド 成 分 が 飽 和 されて 信 号 が 歪 む 可 能 性 があります デバイス 性 能 の 最 大 入 力 レベルの 計 測 基 準 は 最 小 入 力 感 度 の 計 測 基 準 と 全 く 同 じです 42

43 最 大 入 力 レベルのテスト 構 成 では 表 4.4 に 示 すように 高 出 力 信 号 を DUT に 供 給 する 必 要 があります PHY PER しきい 値 2.4 GHz 時 の 電 力 5 GHz 時 の 電 力 DSSS 2 Mb/ 秒 8-4 N/A DSSS 11 Mb/s 8-10 N/A OFDM HT VHT 10 N/A -30 表 4.4. 受 信 機 の 最 大 入 力 レベル 制 限 値 最 大 入 力 レベルを 計 測 するには 受 信 機 に 供 給 する 変 調 信 号 の 電 力 レベルが 必 要 な 入 力 レベルよりわずかに 低 くなるよう VSG を 構 成 します VSG の 電 力 レベルを 既 知 電 力 レベルから PER しきい 値 に 達 するレベル までゆっくりと 上 げます 受 信 機 が PER しきい 値 (8%または 10%)に 到 達 できる 最 高 入 力 電 力 レベルが 受 信 機 の 最 大 入 力 レベルです 受 信 機 のダイナミックレンジを 厳 密 に 定 義 すると 最 小 入 力 感 度 と 最 大 入 力 レベルの 差 となります 隣 接 チャンネル 除 去 (Adjacent Channel Rejection ACR) Wi-Fi 製 品 は 実 用 的 には 無 線 環 境 で 動 作 するよう 設 計 されていますが 無 線 環 境 は 他 の Wi-Fi デバイスを 含 む 多 様 な 無 線 デバイスが 共 有 しています そのため 無 線 LAN 受 信 機 は 隣 接 帯 域 に 信 号 強 度 が 存 在 する 状 況 で 最 小 性 能 基 準 を 実 現 することが 求 められます 隣 接 チャンネル 除 去 (ACR) 計 測 は 基 準 チャンネル に 隣 接 するチャンネルに 比 較 的 高 電 力 信 号 が 存 在 する 状 況 での 受 信 機 性 能 を 評 価 します ACR 計 測 のテストセットアップでは RF VSG 2 つと 電 力 結 合 器 が 必 要 です 図 4.2 に 示 すように プラ イマリ VSG が 無 線 LAN 信 号 を 生 成 し それを 受 信 機 が 復 調 します セカンダリ VSG は 基 準 信 号 より 高 電 力 の 干 渉 信 号 を 生 成 します 無 線 LAN デバイス 図 4.2. ACR 計 測 のハードウェアブロック 図 図 4.3 は 2 つの 無 線 LAN 信 号 を 同 時 に DUT に 供 給 する ACR のテスト 構 成 を 示 しています 43

44 電 力 干 渉 信 号 主 要 信 号 ( 基 準 ) 周 波 数 図 4.3. DUT に 供 給 される 信 号 のスペクトル 図 ACR をテストするには PER しきい 値 に 達 するまで 干 渉 信 号 の 電 力 レベルをゆっくりと 上 げま す 主 要 信 号 と 干 渉 信 号 の 間 の 電 力 レベル 差 が 受 信 機 の ACR 性 能 となります ACR の 受 信 機 PER 性 能 基 準 は DSSS OFDM HT VHT いずれの 規 格 でも 最 小 入 力 感 度 と 最 大 入 力 レベル の 基 準 と 同 じです DSSS の ACR 計 測 の 場 合 受 信 機 のフレーム 誤 り 率 は 8%に 到 達 する 必 要 があります OFDM HT VHT 伝 送 では 10%のフレーム 誤 り 率 が 必 要 です DSSS 伝 送 で ACR を 計 測 する 際 は 基 準 信 号 を 感 度 制 限 値 の 6 db 高 い 電 力 レベルに 設 定 します この 構 成 では 表 4.5 に 示 すように 受 信 機 の ACR は 35 db を 上 回 る 必 要 があります 伝 送 入 力 基 準 チャンネル 電 力 隣 接 チャンネル 除 去 DSSS 感 度 + 6 db 35 db 表 4.5. DSSS 伝 送 の ACR 要 件 OFDM HT および VHT 規 格 で 必 須 とされる ACR 基 準 は 変 調 方 式 とコードレートの 組 み 合 わせによって 決 まります 表 4.6 は 各 方 式 の 必 要 な 性 能 基 準 を 一 覧 にしたものです 44

45 変 調 方 式 コード レート 入 力 基 準 チャンネル 電 力 隣 接 チャンネル 除 去 (OFDM) 隣 接 チャンネル 除 去 (HT VHT を 除 く) 隣 接 チャンネル 除 去 (VHT 80+80) BPSK 1/2 28 db db BPSK 1 3/4 27 db N/A N/A QPSK 1/2 25 db db QPSK 3/4 23 db 11 7 db 16-QAM 1/2 20 db 8 5 db 感 度 16-QAM 3/4 16 db 4 1 db 64-QAM 2/3 + 3 db 12 db 0-3 db 64-QAM 3/4 11 db -1-4 db 64-QAM 2 5/6 N/A -2-5 db 256-QAM 3 3/4 N/A db 256-QAM 3 5/6 N/A db 1. 3/4 コードレートの BPSK は OFDM 規 格 のみでサポートされており HT または VHT ではサポートされていません 2. 5/6 コードレートの 64-QAM は HT および VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM ではサポートされていません QAM は VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM または HT ではサポートされていません 表 4.6. ACR の 性 能 基 準 表 4.6 を 見 ると 主 要 ( 復 調 済 み) 信 号 の 正 確 な 基 準 チャンネル 電 力 は 変 調 方 式 コードレート 信 号 の 帯 域 幅 によって 決 まります さらに 具 体 的 にいうと この 電 力 レベルは 表 4.3 に 示 す 受 信 機 の 最 小 入 力 感 度 を 3 db 上 回 ります 非 隣 接 チャンネル 除 去 非 隣 接 チャンネル 除 去 は 非 隣 接 チャンネルに 干 渉 信 号 を 配 置 します 非 隣 接 チャンネル 除 去 は OFDM HT VHT 規 格 のみで 指 定 されています DSSS 伝 送 には 非 隣 接 チャンネル 除 去 要 件 はありません より 厳 密 に 定 義 すると 中 央 の 伝 送 から 2 チャンネル 帯 域 幅 以 上 離 れたチャンネルの 除 去 として 定 義 されま す 例 えば 20 MHz チャンネルの 場 合 非 隣 接 チャンネルの 中 心 周 波 数 は 基 準 チャンネルの 中 心 周 波 数 から 少 なくとも 40 MHz 離 れています 同 様 に 40 MHz 伝 送 における 非 隣 接 チャンネルの 中 心 周 波 数 は 基 準 チャンネルの 中 心 周 波 数 から 少 なくとも 80 MHz 離 れています 干 渉 信 号 の 周 波 数 は 基 準 チャンネルにそれほど 近 くないため 非 隣 接 チャンネル 除 去 の 要 件 は ACR に 比 べ 14~16 db 高 くなっています 非 隣 接 チャンネル 除 去 に 使 用 される 主 要 基 準 信 号 は 基 準 チャンネル 電 力 を 3 db 上 回 ります 表 4.7 は 変 調 方 式 とコードレートの 様 々な 組 み 合 わせにおける 具 体 的 な 非 隣 接 チャンネ ル 除 去 要 件 を 示 したものです 45

46 変 調 方 式 コード レート 入 力 基 準 チャンネル 電 力 非 隣 接 チャンネル 除 去 (OFDM) 非 隣 接 チャンネル 除 去 (HT VHT を 除 く) 非 隣 接 チャンネル 除 去 (VHT 80+80) BPSK 42 db 32 db 29 db BPSK 1 3/4 41 db N/A N/A QPSK 1/2 39 db 29 db 26 db QPSK 3/4 37 db 27 db 24 db 16-QAM 1/2 34 db 24 db 21 db 16-QAM 3/4 感 度 + 3 db 30 db 20 db 17 db 64-QAM 2/3 26 db 16 db 13 db 64-QAM 3/4 25 db 15 db 12 db 64-QAM 2 5/6 N/A 14 db 11 db 256-QAM 3 3/4 N/A 9 db 6 db 256-QAM 3 5/6 N/A 7 db 4 db 1. 3/4 コードレートの BPSK は OFDM 規 格 のみでサポートされており HT または VHT ではサポートされていません 2. 5/6 コードレートの 64-QAM は HT および VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM ではサポートされていません QAM は VHT 規 格 のみでサポートされており OFDM または HT ではサポートされていません 受 信 チャンネル 電 源 表 示 表 4.7. OFDM HT VHT の 非 隣 接 チャンネル 除 去 要 件 受 信 チャンネル 電 源 表 示 (RCPI)とは 信 号 の 受 信 強 度 のことで 8 ビットレジスタを 使 用 して 受 信 機 によっ てレポートされます 8 ビットレジスタは 0.5 db の 分 解 能 で 0 から 220 までの 数 値 を 生 成 し それによっ て 受 信 機 が-100 dbm(レジスタ 値 0)から 0 dbm(レジスタ 値 220)の 範 囲 で 受 信 強 度 をレポートします RCPI を 計 測 するには 既 知 電 力 レベルの RF 信 号 を 生 成 するよう VSG を 構 成 します 次 に その 電 力 レ ベルを DUT から 返 される RCPI 結 果 と 比 較 します 無 線 LAN デバイスは 表 4.8 に 示 すように 一 般 に 既 知 の VSG 電 力 レベルの 特 定 の+/- db 内 に 収 まる RCPI 値 をレポートする 必 要 があります PHY DSSS OFDM HT VHT RCPI 精 度 ± 5 db ± 5 db ± 5 db N/A 表 4.8. 受 信 チャンネル 電 源 表 示 の 制 限 値 表 4.8 に 示 すように DSSS OFDM HT 伝 送 では 特 定 の RCPI 要 件 があります ただし VHT 仕 様 には RCPI 要 件 はありません 46