Comments
Description
Transcript
大学構内における 高速無線 LAN の 基地局設置法に関する検討
研究論文 などの比較的規模の小さい構内について低速な１ １b 1-1 から高速の規格である１ １a、１ １g へ移行する場合は、 大学構内における 高速無線 LAN の 基地局設置法に関する検討 １ １b の基地局の設置条件、電波伝搬条件及びサービ ス条件を考慮する必要がある。従来は、これらの条 件を考慮した新規の規格（１ １g）の無線 LAN のシ ステム設計法（コスト削減に有効な基地局の設置方 法、エリア評価、干渉評価等）については十分な検 討は行われていない［４］。 諏訪敬祐 1 以上の背景をもとに本稿では、ユーザの利便性を 考慮して上記の課題を解決する具体的な基地局設置 １．はじめに 法を提案し、武蔵工業大学構内での電波伝搬実験に 様々なサービスが受けられるユビキタス社会とい より検証を行う［５］。対象とする無線 LAN の規格は う言葉を近年では頻繁に耳にする。あらゆるものに 従来規格の１ １b の端末と１ １a の基地局とは互いにア コンピュータが組み込まれ、インターネット端末と クセスができないので、１ １b 端末と通信ができる１ １ なり、いつでも、どこでも、誰でも、どのようにで g について検討を行う。１ １g 基地局は第２章で述べ もアクセスできるようになる。こうした中で、ネッ るように１ １b、１ １g の両規格に対応している。これ トワークトポロジーの制約が少なく、利便性が高い を設置すれば１ １b のみならず、１ １b、１ １g 両方式に ことから無線 LAN の導入が進んでいる。また、無 対応する無線 LAN カードを実装した端末も利用可 線 LAN は、有線 LAN に比べ新しい技術であり、 能である［６］。 かつ未だに技術革新が激しいために、頻繁に新たな 通信規格が制定され、通信速度と通信プロトコルに ２．無線 LAN の規格 は様々なものがある。無線 LAN の規格は、現在は 無線 LAN は現在、表１に示すように主に３種類 主に２． ４GHz 帯の IEEE ８ ０ ２． １ １b（以下１ １b）及 び の規格が利用されている。それぞれの規格の特徴は IEEE ８ ０ ２． １ １g（以 下１ １g） 、５． ２GHz 帯 の IEEE 表に示すとおりである。 ［１］−［３］ ８ ０ ２． １ １a（以下１ １a）が実用化されている 。しか 比較的安価にシステム構築が可能な無線 LAN は し、現在普及している１ １b の規格では、低速なスルー 最大伝送速度１ １Mbit/s の１ １b であ る。１ １b の 使 用 プット、干渉及びセキュリティ等の問題を抱えてい 周波帯の２． ４GHz 帯は多くの電子機器が使用するの る。大容量の動画像をリアルタイムに配信するため で、１ １b は、雑音や干渉の影響を受けやすく、これ には、スループット特性が高速な無線 LAN を導入 らによる影響により伝送速度が大幅に低下すること する必要がある。 になる。 大学の無線 LAN の利用者の多くは PC などの端 一方、１ １a は干渉や雑音の影響の少ない５． ２GHz 末に最も普及している１ １b 対応の無線 LAN カード 帯を使用し、変調方式は OFDM（直交周波数分割 を使用していることが多い。このため、カードを更 多重） 、伝送速度は最大５ ４Mbit/s である。しかし、 新することなく新しい規格の無線 LAN 基地局を設 使用周波数が高いために２． ４GHz 帯に比べると伝搬 置した場合にも従来と同様にサービスの利便性を損 距離が短く、障害物の影響を受け易いという欠点が わずに、継続して利用できることが望ましい。大学 ［８］ ある［７］、 。 １ １g は、 ２ ０ ０ ３年に制定された規格であり、 １ １b と同 １ 6 武蔵工業大学環境情報学部教授 じ２． ４GHz 帯を利用するものの伝送速度が５ ４Mbit/s 表 1 無線 LAN の規格 規 は全てのデータを OFDM 変調して伝送するためス IEEE８０２． １ １b IEEE８ ０ ２． １ １a IEEE８ ０ ２． １ １g （１９９９年制定）（１ ９ ９ ９年制定）（２ ０ ０ ３年制定） 格 周波数帯 ２． ４GHz ５． ２GHz ２． ４GHz 伝送速度 １１Mbit/s ５ ４Mbit/s ５ ４Mbit/s ループットは最大３ ０Mbit/s 程度得られる。これに 対し、図１（ｂ）の場合、１ １b 端末と１ １g 端末が共 存して１ １g 基地局と通信を行うた め、１ １g 端 末 は データ信号に送信時間情報を記載した CTS（clear to 約５Mbit/s∼ ６Mbit/s 約２０Mbit/s 約２ ０Mbit/s （１１b と混在さ せると低下） 有り （Bluetooth 電波の干渉 や電子レンジ の影響 の電磁波） 有り （Bluetooth や電子レンジ の電磁波） 実効速度 同時使用可 能 な 最 大 チャネル数 ４ 無し ４ ３ send）フレームを設けて、これを送信し、１ １b 端末は CTS フレームを受信してその時間だけ送信 を待機する。その後、１ １b が送信を行う。図１（ａ） の専用モードに比較し、CTS フレームを付加する ためにスループットは低下し、最大１ ８Mbit/s 程度 となる。 ３．基地局設置方法の検討手順 既存の無線 LAN 基地局が配置された環境下にお 電波到達 約１ ０ ０m （屋内） 約１ ０ ０m 約１ ０ ０m （屋内） 距離 約２ ０ ０m （屋外） （屋内のみ） 約２ ０ ０m （屋外） （見通し内） いて、新規の無線 LAN システムを構築する場合の 設計フローを図２に示す。 環境条件として、利用する場所の広さ、部屋のレ と高速の規格である。１ １g は５． ２GHz 帯を利用する イアウト、利用形態などを調査する。また、利用者 １ １a に比較し、電波の波長が長いため障害物の縁に の人数、利用頻度、利用時間、利用するアプリケー 廻りこんで届くため、伝搬距離が長いという特徴が ション、セキュリティ状況を明らかにする。さらに、 ある。その一方で１ １g が使用する２． ４GHz 帯は１ １b 電波干渉を与える機器が付近にあるかどうかについ や電子レンジなど多くの電子機器が使用するため、 干渉の影響を受けやすい欠点がある。１ １g では、図 １のように２つの利用モードがある。図１（ａ）は １ １g 対応の基地局と１ １g 端末とが通信を行う専用 モードである。図１（ｂ）は１ １b 端末との互換性が あり、１ １b 及び１ １g 端末と通信が可能な共存モード である。図１（ａ）の場合、１ １g 基地局と１ １g 端末 図１ IEEE８ ０ ２． １ １g の利用モード 図２ 基地局設置の設計フロー 7 表２ ても留意する。 次に、現行の規格である１ １b の基地局の設置場所、 項目 実験条件 実験条件 基地局数、使用無線チャネルを明らかにする。また、 既存基地局が配置されている状況下における各教室 基地局モード 及び廊下の受信レベル特性、スループット特性を明 らかにし、利用条件を確認する。干渉特性について も測定する。このように現行基地局を用いた電波伝 １１a（５． ２GHz）、１１b（２． ４GHz）、１１g（２． ４ GHz：１１g 単独接続／１１b との相互接続） 基地局送信出力 ６ ３mW（１ ８dBm） ５m 基地局アンテナ高 ２． 搬実験結果から、削減可能な基地局数、スループッ ト高速化のための１ １g 基地局の設置位置を求める。 移動局測定用 カード AirMagnet Laptop Trio 用 無 線 LAN カード（１ １a， １ １b， １１g ３規格対応） また、干渉の影響が少ない基地局チャネル間隔を検 討し、基地局のチャネル配置を決定する。 移動局アンテナ高 ０． ８m 最後に、新規の１ １g 基地局を配置したときについ て電波伝搬実験（サイトサーベイ）を実施し、基地 ト毎にデータを記録して行う。次に、無線 LAN 測 局設置の設計結果が妥当であるか検証を行う。 定ツール［９］により測定した受信レベルのデータを マップ上に色分けして表示する。 ４．実験概要 複数の基地局を設置する場合、互いの基地局の無 本研究における測定は、本学の教室において、図 線チャネルが同じまたは、隣接するときは電波が ３に示す実験系で実施した。表２に実験条件を示す。 オーバーラップするエリアでは、干渉により、 スルー 実験手順は、教室内に測定ポイント（２m 間隔） プットが低下する。本稿では、基地局チャネルによ を設け、各ポイントにおける移動局での受信レベル る電波干渉の影響を明らかにするため測定用基地局 及びスループットを計測する。まず、教室内におい と干渉用基地局のチャネル間隔をパラメータとして て既存の１ １b の受信レベル、スループットを測定し 基地局間のチャネル間隔に対するスループット特性 たうえで、教室、廊下に１ １g の基地局を設置して１ １ を明らかにする。 b と同様に上記データを取得する。測定は、測定ポ イント毎に自分の位置が表示されているマップ上の ５．基地局設置とチャネル配置 現地にカーソルを合わせてクリックし、測定ポイン ５． １ 基地局設置 まず、現行方式（１ １b）の電波状況を確認するた め、無線 LAN 測定ツールを使用して各教室の電波 状態を測定する。次に、１１a、１ １b、１ １g の３つの規 格に対応したデュアルバンド無線基地局を実験的に 設置する。教室内など通信品質の不良なエリアの不 感対策としては、廊下側の基地局を教室と廊下境界 の仕切り窓（ガラス窓）付近に設置し、廊下側の電 波が教室へも浸透するようにして受信状況を改善す る。 さらに、現行方式の基地局の内蔵無線カードが入 れ替え可能なものは１ １b の無線カードから１ １g の無 図３ 8 実験系 線カードに入れ替えることにより１ １b 利用者もアク ６．実験結果と考察 ６． １ 既存基地局配置における受信レベル特性と干 渉特性 既存基地局における２階の受信レベル分布を図５ に示す。エレベータコーナ、階段付近および複数の 教室において受信レベルの低いエリアが存在するこ 図４ ２． ４GHz 帯無線 LAN のチャネル配置 とがわかる。また、図６は既存基地局における２階 の干渉レベル分布である。２階には６つ基地局が設 置されているが、使用チャネル数は３つであるため、 セスできる共存モードを実現する。 ３つの基地局が同一チャネルを使用することにな る。図から同一フロア内の干渉と階段通路からの１ ５． ２チャネル配置 階及び３階からの干渉の影響が大きいことがわか 無線 LAN のユーザ密度が比較的高いエリアで る。チャネル数が限られているので、干渉の影響が は、複数の基地局を設置して使用可能なチャネル数 低減されるようにできるだけ少ない基地局数ででき を確保する必要がある。２． ４GHz 帯の１ １b と１ １g の るだけ広範囲なエリアを確保できるように基地局の 電波は１ １a の５． ２GHz 帯の電波に比較し、電波は遠 設置方法を工夫する必要がある。 方まで届く。従って、基地局エリアがオーバーラッ プする割合が増加し、重なったエリアでは干渉を生 じやすい。 ６． ２ 具体的な基地局設置とチャネル配置例 ６． １の結果から１ １g 規格による高速無線 LAN 基 図４は日本の IEEE８ ０ ２． １ １b、１ １g の２． ４GHz 帯に 地局を新たに設置することにより、既存基地局の設 おけるチャネルマッピングである。日本国内では、 置数を削減することによる干渉の低減と基地局の新 ２． ４ １ ２GHz から５MHz おきに第１チャネルから、 規設置による低受信レベルエリアの解消を図る。こ 第１ ４チャネルまでが利用できる。１チャネルあたり のために図７に示すように既設の１ １b 無線 LAN 基 の占有周波数帯域幅は２ ２MHz である。現在、大学 地局の撤去と１ １g 基地局の新規設置を行った。さら 構内で利用しているチャネルの組み合わせは、主に に、スループットの高速化を実現するため基地局の １、６、１ １ch である。しかし、実際には、同一フ 内蔵無線カードが交換可能なものは無線カードを１ １ ロアでは、上記３つのチャネルの中の同一チャネル b 専用から１ １b と１ １g の両方にアクセスできる共存 が複数使用されている。このため利用する電波がで モードの無線カードに置換えた。また、図の＊で示 きるだけ干渉しないようにチャネル配置を行うため す廊下側の基地局は図８のように教室入り口に設け には、使用するチャネル数を４つ以上とすることが られている廊下と教室の境界のガラス窓付近に設置 望ましい。図４から等間隔のチャネル配置では、最 した。これにより、基地局のアンテナ指向性が無指 初のチャネルを第１ch、チャネル間隔を最大４ch 向性であれば、ガラス窓をとおして１つの基地局で 分とすると使用可能なチャネル数は４つとなる。 廊下と教室の両方のエリアをカバーすることができ 従って、新規基地局のチャネル配置では、各チャネ る。 ルの間隔を４ch 分とするチャネル配置を提案する。 新規の無線 LAN 基地局のチャネル配置は順番に １、５、９、１ ３ch となる。 9 図５ 既存基地局における受信レベル分布（２階） 図６ 既存基地局における干渉レベル分布（２階） 図７ 高速無線 LAN（１ １g）の基地局設置（２階） 10 ６． ３． ２ スループット特性 １ １g 基地局を設置したときの２階の各教室におけ るスループットの測定結果を図１ ０に示す。受信レベ ルの低い３ ２G の教室においても平均７Mbit/s 以上 のスループットが得られることがわかる。３ ２A の ような大規模教室では、教室内に基地局を設置して いるので、２ ０Mbit/s 前後のスループットが得られ ている。 表３は各教室でのスループットの実測結果をもと に各教室の１ １b の平均スループットに対する１ １g の 単独モード（１ １g 専用）及び共存モード（１ １b、１ １ g 通信可能）の平均スループットの比率を各々示し たものである。 図８ １ １ｇ基地局の設置例 ２階全ての教室の平均で単独モードでは、３． ４ ３倍 （２ ０． ２Mbit/s） 、共存モードでは、３． ２ ９倍（１ ９． ４Mbit ６． ３ １ １g 基地局設置における特性の検証 /s）となり、高速化を実現していることがわかる。 ６． ３． １ 受信レベル特性 高速伝送が可能な１ １g の基地局を２階に設置した ６． ３． ３ 干渉特性 ときの受信レベル分布を図９に示す。図５と比較す 図１ １は測定用基地局のチャネルを１ch に固定し ると、受信レベルの低いエリアの割合が減少してい て干渉用基地局のチャネルを１ch から１ ３ch まで変 ることがわかる。基地局数は２階について６つから えたときの測定用基地局におけるスループットの測 ４つとなり、削減率は３ ３％である。基地局設置場所 定結果である。チャネル間隔が１ch（干渉用基地 を工夫し、適切に配置すれば、少ない基地局数で広 局２ch）のときに最も干渉の影響が大きく、スルー いエリアを構成できることがわかる。 プットが最も低下する。４ch 以上あれば、最も間 隔が離れたチャネル間隔１ ２ch（干渉用基地局１ ３ch） 図９ 新規基地局（１ １g）における受信レベル分布（２階） 11 図１ ０ 新規基地局（１ １g）におけるスループット分布（２階） 表３ 教室 従来規格のスループットに対する高速化の比率 高速化の比率（対１１b 平均スループット） 従来規格（１１b） 平均スループット 単独モード（１１g） 共存モード（１１b/g） （M bit/s） ３２Ａ ３． ４ ４ ３． ４ ７ ６． １ ０ ３２Ｂ ２． ６ ２ ２． ８ ０ ５． ９ ６ ３２Ｃ ３． ３ ６ ３． ３ ４ ６． ０ ０ ３２Ｄ ４． ０ ２ ４． ０ ６ ５． ８ ５ ３２Ｅ ３． １ ３ ３． ７ １ ５． ７ １ ３２Ｆ ３． ４ ６ ３． ２ ３ ６． １ ０ ３２Ｇ ２． ５ １ １． ５ ７ ５． ９ ３ ３２Ｈ ３． ９ ３ ３． ７ ２ ５． ０ ６ 地局から高速伝送が可能な１ １g 基地局を用いたシス ３２Ｉ ３． ９ ４ ３． ６ ８ ６． １ ２ テムへ移行する場合の基地局設置法を提案し、電波 ３２Ｊ ３． ４ １ ２． ７ ０ ６． ０ ４ 伝搬実験により検証を行った。 ３２Ｋ ３． ９ ６ ３． ８ ９ ６． ０ ０ １ １g のアクセスモードは従来の１ １b 利用者も使用 平均 ３． ４ ３ ３． ２ ９ ５． ９ ０ できるように共存モードとした。新規の基地局設置 図１ １ チャネル間隔に対するスループット においては、いくつかの基地局は廊下と教室境界の に対しスループットの低下は９％以下である。従っ ガラス窓付近に設置し、廊下と教室を一つの基地局 て、隣接基地局とのチャネル間隔は５． ２で検討した でカバーするようにした。また、従来基地局で内蔵 ように４ch でよいことがわかる。 無線カードの差替えが可能なものは１ １g の無線カー 図１ ２は２階において、チャネル間隔４ch として ドに差替えることにより、基地局全体を交換するこ １ch、５ch、９ch、１ ３ch を各基地局に割当て、干 とによるコストの増加を抑えた。使用無線チャネル 渉レベルを測定した分布図である。図６と比較し、 数は従来の３チャネルから４チャネルとし、チャネ 干渉を大幅に低減できることがわかる。 ル間隔は４チャネル分離して使用することを提案し た。 ７．おわりに 本稿では、大学構内において、従来規格の１ １b 基 12 以上の検討により、基地局数は約３割低減、 スルー プットは平均約３倍以上の高速化を実現した。さら 図１ ２ 新規基地局（１ １g）における干渉レベル分布（２階） に、チャネル配置の見直しにより、同一フロア内の 干渉を大幅に低減できることを明らかにした。 今後は、電波伝搬特性をもとに基地局設置法、 チャ ネル配置法の理論的検討を進める予定である。 参考文献 〔１〕松 江 英 明、守 倉 正 博 監 修、８ ０２． １１高 速 無 線 LAN 教科書、（株）IDC ジャパン、２０ ０３年３月 〔２〕松下温 監修、重野寛、、無線 LAN 技術講座、SRC ハンドブック、１９ ９４年９月 〔３〕重安哲也、松野浩嗣、森永規彦、無線 LAN 各規格 の概要とプロトコル、情報処理学会誌、 Vol． ４ ５ No． ８、 pp． ７ ９３−８００、２００ ４年８月 〔４〕若林則章、無線 LAN の実利用環境における性能− 各種規格の利用環境での比較−、情報処理学会誌、 Vol． ４ ５ No． ８、pp． ８ ０ ６−８ １ １、２ ００ ４年８月 〔５〕彭皓、諏訪敬祐、大学構内における複数高速無線 LAN の基地局設置法の研究、武蔵工業大学環境情報学部 情報メディアセンタージャーナル、第６号、pp． ５４− ６０、２０ ０ ５年４月 〔６〕日経コミュニケーション、pp． ８０−８ ７、２０ ０３年４月 〔７〕進士昌明 編著、無線通信の電波伝搬、電子情報通 信学会、１９９ ２年２月 〔８〕奥村善久、進士昌明 監修、移動通信の基礎、 電子通 信学会、１９８ ６年１０月 〔９〕http : //airmagnet.com/products/wp-index.htm 13