Wi-Fiの各規格と各種用語解説 – 周波数帯やチャンネルについて

前回は「Wi-Fi」と「Bluetooth」の2つの無線規格を簡単に解説しました。

ブログ内リンク：Wi-Fi？Bluetooth？ 2つの無線規格の違いについて
https://michisugara.jp/wireless/

「Wi-Fi」はパソコンやスマートフォンなどで利用できる電波も強めの無線規格で、Bluetoothは短距離での無線通信を想定した規格でした。

2つの違いを紹介している記事なので詳細なところは話していません。なので、今回はこの中の「Wi-Fi」について、もう少し詳細な規格解説をしたいと思います。

※前回と内容が被る箇所がございます。

Wi-Fi

Wi-Fi【Wireless Fidelity】は、現在広く利用されている無線規格の1つです。

「Wi-Fi Alliance」というアメリカに本拠を置く業界団体によって、国際標準の無線規格である「IEEE 802.11規格」に準拠した製品に対して発行している ” ブランド名 ” です。つまり、「IEEE 802.11規格」を利用している無線通信機器に対して、他の製品と正しく通信できるかテストを実施し、合格すると「Wi-Fi」という名前を使うことができます。

大雑把に言うと、「Wi-Fi」は無線LAN規格「IEEE 802.11規格」を使っているということの証明みたいなものです。

「このブランドの商品なら安心できる」というのと同じように、「Wi-Fi」という名前が付いた無線機器は他社製品との相互接続性などに関する試験をクリアしている商品のため、メーカーが異なっていたとしても正しく無線通信ができることを保証しています。また、試験をパスすると名前の他に「Wi-Fi CERTIFIED」ロゴを表示することもできるようになります。

ロゴには対応している規格「a」「a/b」「b/g」「a/b/g/n」なども一緒に表示できるようになっていて、IEEE 802.11 のどの規格に製品が対応しているのかも一目でわかるようにすることもできます。

　
▲Wi-Fi CERTIFIED ロゴ

Wi-Fiの起源

無線LANが初めて商品化されたときは、メーカーが独自に無線通信を考えていたので同一メーカーの商品でも正しく接続できるかどうかが分からない状態でした。これでは折角便利な無線LANも一般には普及しません。そこで、この問題を解決するために、そして今後の技術の成熟をサポートするための団体として1999年にWECA 【Wireless Ethernet Compatibility Alliance】という団体ができました。

2000年3月から認定業務を開始、その後の2002年10月に「Wi-Fi Alliance」という団体名に改名しました。
「Wi-Fi」というのは、混沌としていた無線通信を誰もが簡単に使えるように標準規格化しようとした際に生まれた名前なのです。

Wi-Fi Alliance
http://www.wi-fi.org/

「IEEE 802.11」って何て読むの？

IEEE【The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.】は規格の標準化を行う米国電気電子学会の頭文字で「アイ・トリプル・イー」と読みます。「802」はIEEEの「802委員会」を示しており、「.11」はその中の「ワーキンググループ11」であることを示しています。

全部英語読みするならば「アイトリプルイー・エイトオーツー ・ドット・イレブン」です。
日本語では素直に「アイトリプルイー・ハチマルニ・テン・イチイチ」と読めばいいみたいです。

IEEE 802.11 内の通信規格 – 用語解説編

「IEEE 802.11」内にも細かく通信規格があります。現在主流なものは下記の通りです。

それぞれの規格の話をする前に、それぞれの用語をまずは簡単に解説します。

周波数帯

では、細かく解説してみましょう。最初は「周波数帯」についてです。

無線LANでは電波を利用しているので「周波数」という単位を使います。
現在のWi-Fi規格で使用されている周波数は「2.4GHz 帯」と「5GHz 帯」の2種類です。

2.4GHz 帯

「ISMバンド【アイエスエムバンド：Industry-Science-Medical】」と呼ばれる周波数帯の1つです。
産業（Industry）、学術（Science）、医療（Medical）の頭文字をとって付けられた名前なので、そのまま「産業科学医療用バンド」とも呼ばれています。電波も「限りある資源の1つ」なので、利用できる周波数帯は法律によって厳密に管理されています。

「ISMバンド」は、国際電気通信連合（ITU）によって取り決められています。本来は ” 無線通信以外 “の産業・科学・医療のために割り当てられた周波数帯ですが、その使いやすさから現状は無線通信の分野でも利用されています。

通常業務用として電波を利用するためには「免許」が必要なのですが、ISMバンドの中には免許不要の周波数帯もあってそれが「2.4GHz帯」です。免許不要のためこの周波数帯は様々な機器が使用しており、例えば同じ無線通信規格である「Bluetooth」、「コードレス電話」「無線ヘッドフォン」「キーボードやマウス」、そして「電子レンジ」でも使用されています。非常に込み合った周波数帯と言えます。

このようにあらゆる機器が「2.4GHz帯」を利用するため、「2.4GHz帯」を利用した無線規格は他の機器ともろに影響を受けやすく安定した通信がしにくいというデメリットがあります。近くに電子レンジや同じ無線LAN機器があるものならその通信はとても不安定なものになるでしょう。（そして、法律上こういった障害を許容することが2.4GHz帯を利用するための条件となっています）

代わりに、「5GHz帯」と比べると電波は遠くに届き、障害物等の影響が少ないメリットがあります。多くの機器が利用しているということもあり、互換性が高いのも利点です。

5GHz 帯

新しく無線通信にも使えるようになった周波数帯域です。

「ISMバンド」とは異なる周波数帯域のため、この帯域を利用している機器はまだ少なく、「2.4GHz帯」と比べて他の機器との干渉が起きにくいメリットがあります。より安定した通信が可能になっています。

ただし、障害物の透過性は「2.4GHz帯」と比べると劣るため遮蔽物が多いと不安定になりやすいデメリットが有ります。

無線LAN通信で利用可能となった「5GHz 帯」ですが、日本では「衛星通信システム」や「気象レーダー」がこの周波数帯域を使っているため、昔は無線で利用できる周波数帯を「5.15G～5.25GHz」のみ、そして「（無免許で使うなら）屋内での使用のみ」と電波法によって制限していました。

しかし、この制限は諸外国の規制と異なり統一性が無くなってしまうという理由で2007年（平成19年）1月の省令改正によって無線タイプ「W56」 (5.47 – 5.725GHz) が無線LANでも使用可能になりました。「新5GHz帯」と呼ばれるものです。この帯域は免許不要で屋外での利用も可能になりました。

ただし、気象レーダーと利用している帯域が被るため、最近の5GHz帯対応無線機器には気象レーダーの周波数を感知して干渉しないようチャンネルを変更するDFS（Dynamic Frequency Selection）機能が搭載されています。この検知のために無線LAN通信が利用できない時間が一分ほど発生するみたいです。

まとめると

長々と性質についても話しましたが、無線通信をするに当たって気にするところは下記の数点のみです。

チャンネル / チャンネル幅

無線LANで利用できる周波数の範囲は決まっています。

その範囲内で、複数の端末が同時に通信できるように利用する周波数帯域を分割しました。これが「チャンネル」です。

2.4GHz帯のチャンネル

日本では、2.4Ghz帯の周波数帯は「14チャンネル」あります。ただし、「IEEE802.11b」は規格通り1ch ～ 14chの14チャンネルありますが、14chは日本独自のチャンネルのため、以降策定されたIEEE802.11g/ｎ は1ch ～ 13chの13チャンネルとなっています。1チャンネルと1チャンネルの幅は「5MHz」だけずれています。

そして、1チャンネルに対して割り振られている周波数帯の幅を「チャンネル幅」といいます。
こちらは規格によって「20MHz」「22MHz」などがあります。

▲2.4GHz帯/チャンネル幅20MHz の場合のチャンネル分布図 （Allied Telesisより転載）
http://www.allied-telesis.co.jp/products/list/wireless/knowl.html

▲2.4GHz帯/チャンネル幅22MHz の場合のチャンネル分布図 （SecurePOPCHAT2より転載）
http://popchat.jp/products/securepopchat2/

2.4Ghz帯では互いに干渉を受けないチャンネルは4チャンネルしか無い

先ほどの画像を見てください。多くのチャンネルは隣り合っているチャンネルの周波数帯と被ってしまっていることが分かります。これをオーバーラップ【Overlap】といいます。具体的に言うと「チャンネル幅20MHz」の場合は前後3チャンネル分、「チャンネル幅22MHz」の場合は前後4チャンネル分重複しており、互いに干渉してしまう関係にあります。

つまり、無線通信で1台が「1ch」でもう一台が「2ch」を利用していると、互いに干渉してしまい通信が不安定になってしまうことがあります。

では、どのチャンネルとも干渉しない組み合わせがあるかというと少しだけあります。3チャンネル分（または4チャンネル分）重なっているのならば、重複分 + 1 だけチャンネル数をずらせばお互いのチャンネルは干渉しなくなります。「チャンネル幅20MHz」の場合は「1 . 5 . 9 . 13ch」、「チャンネル幅22MHz」の場合は「1 . 6 . 11ch（2 . 7 . 12ch や 3 . 8 .13ch）」をそれぞれ利用させればお互いの通信は安定すると言えます。

逆に言うと、安定した通信が期待できるチャンネル（非オーバーラップチャンネル）は「4チャンネル分（または3チャンネル）」しか無いとも言え、これが「2.4Ghz帯」の弱点とも言えます。

5GHz帯のチャンネル

5GHz帯を利用する場合は、さらに多くのチャンネルを利用することができ、最大「19チャンネル」利用できます。

5GHz帯の中にある周波数帯には、管理しやすいようそれぞれ「タイプ」と呼ばれるものがあります。
名前の規則は下記の通りです。

• J – 旧来の日本国内規格
• W – 国際標準準拠規格
• 数字 – 中心周波数（例：”53″は中心周波数が5.3GHz）

IEEE 802.11 – Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11

5GHz帯では「W52」で36・40・44・48の４個、「W53」で52・56・60・64の４個。「W56」で「100・104・108・112・116・120・124・128・132・136・140」の11個、計19のチャンネルが使用できます。

▲以上の図と画像はAtermStationより転載
ttp://121ware.com/product/atermstation/special/new5ghz/ （リンク切れ）

何度か法改正がされて、「W53」や気象レーダーにも使われている「W56」のタイプの無線も使えるようになりました。

また、上図からも分かる通り、5GHz帯の各チャンネルの周波数帯は完全に独立しており互いのチャンネルが干渉しないようになっています。隣接チャンネルを割り当てても干渉する事はありません。よって、5GHz帯を利用すると他の機器との干渉も無くなるだけでなく、チャンネルによる干渉も無くなりさらに安定した通信が期待できます。

気象レーダーや航空機との干渉がある？

電子レンジ等の影響が少ない5GHz帯ですが、代わりに別のところで影響があります。

5GHzの「W53」「W56」は、「気象レーダー」や「航空機のレーダー」も利用しているため、これらのレーダーに影響を与えないよう「DFS」と「TPC」の2つの機能を実装することが法律上義務付けられています。

STEP

DFS（DynamicFrequencySelection）
気象レーダーの干渉波を検出した場合、他のチャンネルへ変更する機能

STEP

TPC(TransmitPowerControl)
干渉を回避する為に無線の出力を低減させる機能

他にも、レーダーに影響がないよう様々な法律上の制限があり、例えば「チャンネルを切り替えた後に干渉が再度発生しないかどうか1分以上スキャンすること」、「レーダー波を検知した場合、チャンネル変更と同時に一定時間アクセス禁止になること」、「W52とW53は屋外で使用してはいけないこと」などがあります。

つまり、5GHz帯を使用しているとまれにレーダー波を検知して一定時間ルーターとの接続が切れる場合があるということです。気象レーダーは日本全域を覆っており、また空港の近くでは航空機のレーダーが飛び交っているので、こういったところで5GHz帯を使うとルーターが干渉を抑えるために機能を制限するときがあります。

W52とW53は屋外での使用も認められていないので、家に設置する場合でも窓辺等への設置は控えることも必要になってきます。高速で安定した5Ghz帯ですが、法律上の制限があり場所によっては2.4GHz帯以上に不便になることがありますのでご注意ください。

新しく追加されたW53（5250-5350MHz）やW56（5470-5725MHz）については、気象レーダと周波数を共用しています。
無線LANアクセスポイントは、設置場所付近で気象レーダが使用している電波を自動的に検出し、その周波数を避けて運用するための機能(DFS)を装備します。
このため、気象レーダからの電波を受ける地域においては、無線LAN用に使えないチャンネルが「１～２チャンネル程度」存在します。
アクセスポイントの電源を入れた際には、気象レーダの電波を検出するため、最低1分間の無線LAN通信が利用できない時間は発生しますが、DFS機能により気象 レーダとの干渉がないチャンネルに自動的に切り替わりますので、それ以降は安定した通信がご利用いただけます。

○新5GHz帯［11n/11a］が変わる！｜トピックス｜AtermStation
ttp://121ware.com/product/atermstation/special/new5ghz/page4.html （リンク切れ）

まとめると

「2.4GHz帯」と「5GHz帯」をチャンネルや法律の観点で見てみた場合、下記の点を気をつけるとよいでしょう。

チャンネル ボンディング

最近の商品には「倍速モード」と呼ばれる通信が早くなる機能が付いています。

これは「チャンネル ボンディング【 Channel Bonding】」という機能を使っています。同時に2つのチャンネルを使い、結合させることで通信速度を高める技術です。1つのチャンネルが占有する帯域は20MHzですが、これをまとめて40MHzの帯域として通信させることができるのです。

▲チャンネル ボンディングの概要

ASCII.jp：高速無線LAN「IEEE802.11n」を支える新技術とは？ より転載
http://ascii.jp/elem/000/000/469/469178/index-2.html

ただ、見れば分かる通りまとめ上げているだけで規格として利用できるチャンネル総数は変わりません。そのため、チャンネル ボンディング機能を使うと利用できるチャンネル数は大幅に減ることになります。

例えば、2.4GHz帯で互いに被らないチャンネル（非オーバーラップチャンネル）は4つしかないと書きました。これを40MHzずつまとめると「2チャンネル分（通常3chと11ch）」しかないことになります。もちろん、他の無線機器が合った場合はさらに干渉の影響がでやすくなります。因みに、5GHzだと「9チャンネル分」になります。

高速な通信が可能になる代わりに、利用できるチャンネル数は少なくなり干渉も起こりやすくなる諸刃の剣です。利用する場合は周りの環境をよく考えて設定してみてください。（※対応機種に限る）

他の高速化技術に「MIMO【Multiple Input, Multiple Output】」というものがあります。
これは、無線通信において送信機と受信機の双方で複数のアンテナを使って通信を高速化する技術です。「チャンネル ボンディング」と「MIMO」の両方を使う商品もありますし、「MIMO」だけ搭載している商品もあります。

「2 × 2 MIMO」のように表記され、前の数字が送信側のアンテナ数、後の数字が受信側のアンテナ数を意味しています。この記載では送信側が2本、受信側が2本のアンテナを利用できます。

どちらの技術も、親機と子機が対応していることが必要です。

最新規格「IEEE802.11ac」のチャンネル幅

現在の最新規格「IEEE802.11ac」はチャンネル幅「80/160MHz」となっています。
逆に「20/40MHz」を使うことができないため、必然的に5GHz帯を使うことになります。

これも同じくチャンネル ボンディング技術を使って、5GHz帯にある各チャンネルをまとめて1チャンネルとして扱うことができるようにしているからです。チャンネル ボンディングの技術を拡張したのが「IEEE802.11ac」なのです。

これによって「80MHz 合計4チャンネル」「160MHz 合計2チャンネル」が利用できるようになっています。

「11ac」とは | 次世代高速Wi-Fi規格「11ac」でできること | BUFFALO バッファロー　より転載
http://buffalo.jp/products/catalog/network/11ac/concept.html

IEEE 802.11 内の通信規格 – 規格比較編

さて、それぞれの用語を存分に解説したところで最初に戻ってみます。
現在主流のWi-Fi（IEEE 802.11）の規格は下記の通りでした。

これまで各用語の解説をしたので、この表だけでもある程度の比較ができますね。

「IEEE802.11b/g/n」、これは現在最も普及しているであろう無線機器の対応状況ですね。すべて2.4GHz帯を利用できるので、多くのパソコンやゲーム機などが利用できる汎用的な規格になるかと思います。

「IEEE802.11ac」も近年のルーターであれば1万円以下の商品でも多くが対応してきました。「IEEE802.11n」も同時に対応していることが多いので、特に理由がない場合は「IEEE802.11ac」対応機のものがおすすめです。スマートフォンも最新機種であれば11ac対応のものもでてきましたし、ノートPCなども11ac規格が普及し始めています。

最後に、無線機器が高速であってもインターネットの実測の速度は無線規格より遅めであることが多いので、インターネットとの通信速度改善にはならない場合があります。「IEEE802.11ac」対応機種を買ったからインターネットも早くなる！とは必ずしもならないので予めここで言っておきます。ただ、高機能なルーターはCPUやメモリも余裕があるので、ルーターとしての処理速度が向上して通信速度が改善する場合もあります。あまりに古いルーターを使用している場合は買い替えも一考です。

インターネットではない、家庭内のLAN内であれば最新規格で高速化は見込めるので、よくほかの端末とデータをやりとりしている場合は高速な機器だと転送速度が改善する場合もあります。

まとめ

さて、大分長くなってしまいましたが今回の記事はここで締めたいと思います。

今主流の無線規格「Wi-Fi」、それについて少し詳細に書いてみました。今まであまり良くわからずに購入していた方も多いかと思いますが、ここの内容を覚えておけばよりご自分の利用環境にあった商品を購入し、設定にすることができるようになるかと思います。

この記事が何かのお役にたてたら幸いです。