IEEE802.11n無線LANのスループット測定と ネットワーク

平成 23 年度
修士学位論文
題
目
IEEE802.11n 無線 LAN のスループット測定と
ネットワーク設計への適用
報
竹
林
告
者
辰
弥
学籍番号：43422519
岡山大学大学院自然科学研究科電子情報システム工学専攻
(通信ネットワーク工学系)
平成 24 年 2 月 6 日提出
指導教員
舩曵 信生 教授
IEEE802.11n 無線 LAN のスループット測定と
ネットワーク設計への適用
要約
近年，無線通信は著しい発展を遂げており，モバイル WiMAX(Mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access)，LTE(Long Term Evolution)，IEEE802.11 無線 LAN，Bluetooth
など様々な無線通信の利用が急速に普及している．その中で，2009 年 9 月に IEEE802.11 無線 LAN
の新規格として IEE E802.11n が策定された．最大通信速度 600Mbps と従来の無線 LAN 規格と
比較した場合，大幅に通信速度が向上している．この背景には，MIMO(Multiple-Input MultipleOutput) による空間多重や，40MHz チャネルボンディングなどの高速化技術が使用されており，
従来の IEEE802.11 無線 LAN 技術とは大幅に異なっている．
本研究では，まず，無線 LANIEEE802.11n を用いたネットワーク設計を適切に行うことを目的
として，IEEE802.11n 無線 LAN アクセスポイントを用いて大学内の２号館及び屋外にてスルー
プット測定実験を行う．ここでは，既存の規格と新たな規格における通信距離によるスループット
変化，40MHz チャネルボンディング利用による干渉の評価，マルチホップ利用時のスループット
変化，障害物（壁）によるスループット変化などの実環境で想定されるネットワーク構成につい
て，スループット特性を明らかにした．
通信距離によるスループット測定では，IEEE802.11n 無線 LAN において，急激にスループッ
トが低下し，通信距離が 40m において，IEEE802.11g と逆転することが分かった．また，40MHz
チャネルボンディング利用による干渉評価では，チャネルの重なりによるスループットの低下を
評価した．
次に，これらの実験結果を，本研究結果を当研究グループで開発している無線メッシュネット
ワーク WIMNET シミュレータへ通信距離とリンク通信速度の関係を適用する．これにより，実
環境に基づいた任意の通信速度への対応を行う．ここでは，シミュレーションを行うことで従来
手法との比較を行い，提案手法の有効性を示した．
最後に，実験結果に基づいたネットワーク設計のためのスループット基準を作成することで，ス
ループット特性に基づいた実環境におけるネットワーク設計を行い，それに基づいて実際に構築
し，評価を行った．ネットワーク設計のためのスループット基準と評価結果を比較することで，実
測結果のネットワーク設計への適用に向けた指針を明確化することができた．
i
Throughput Measurements of IEEE802.11n Wireless LAN
and Application to Network Design
Abstract
In recent years,wireless communication has evolved rapidly, Moblie WiMAX(Mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access)，LTE(Long Term Evolution)，IEEE802.11 wireless
LAN, Bluetooth,etc., are rapidly spreading for the use of many wireless communication. In particular, IEEE802.11n has emerged as a new standards of IEEE802.11 wireless LAN in September, 2009. The transmission speed is improving sharply with the maximum transmission speed
of 600Mbps. The space multiplex by MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) and 40-MHz
channel bonding, are used for the as communication technology, and it differs widely from the
conventional IEEE802.11 wireless LAN technology.
This study is intended to make the appropriate wireless network design using the wireless
LAN IEEE802.11n. We do throughput measuring experiments in a university campus using the
IEEE 802.11n wireless LAN access point for the network design.
In the throughput measurement by communication distance, it turned out that a throughput
falls rapidly. Moreover, the interference evaluation by the 40-MHz channel bonding ofserved the
fall of the throughput by overlap of a channel.
Next, the relation between communication distance and link transmission speed is applied
to the wireless mesh network WIMNET simulator currently developed by our research group.
This application performs correspondence to the arbitrary transmission speed based on real
environment. Comparison with the conventional technique was performed in the simulation,
and the validity of the proposal technique was shown. The throughput standard for a network
design was created from the experimental result.
Finally, The network design based on the throughput characteristic in real environments
was performed, and the network was actually built and evaluated based on formation. By
comparing the throughput standard and evaluation result for a network design, the indicator
towards application to the network design of a survey result has been clarified.
ii
関連発表論文リスト
• 竹林辰弥, 舩曵信生, 中西透, ”スケーラブル無線メッシュネットワークの通信性能を極大とす
る最小スマートアクセスポイント配置,” 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 110, no. 240,
NS2010-82, pp. 69-74, 2010 年 10 月.
• 竹林辰弥，舩曵信生，中西透，渡邊寛，”IEEE802.11n 無線 LAN のスループット測定とネッ
トワーク設計への適用,” 電子情報通信学会総合大会, 2012 年 3 月（予定）.
iii
目次
1
まえがき
1
2
研究の背景
2.1 IEEE802.11 無線 LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 IEEE802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
2
3
実環境におけるスループット測定
3.1 測定環境 . . . . . . . . . . .
3.2 測定用ソフト iperf について
3.3 通信距離の影響 . . . . . . .
3.3.1 実験方法 . . . . . . .
3.3.2 実験結果 . . . . . . .
3.4 干渉リンクの影響 . . . . . .
3.4.1 実験方法 . . . . . . .
3.4.2 実験結果 . . . . . . .
3.5 マルチホップの影響 . . . .
3.5.1 測定方法 . . . . . . .
3.5.2 実験結果 . . . . . . .
3.6 障害物の影響 . . . . . . . .
3.6.1 実験方法 . . . . . . .
3.6.2 実験結果 . . . . . . .
3.7 考察及びまとめ . . . . . . .
4
5
6
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測定結果の WIMNET シミュレータへの適用
4.1 実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式
4.2 WIMNET シミュレータへの適用 . . . . . . . . . .
4.3 シミュレーションによる評価 . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 シミュレーション環境, 条件 . . . . . . . . .
4.3.2 シミュレーション例題 . . . . . . . . . . . .
4.3.3 シミュレーション結果 . . . . . . . . . . . .
測定結果を用いたアクセスポイントの配置
5.1 スループット推定ルール . . . . . . .
5.2 2 号館における AP 配置の検討 . . . .
5.3 実測評価 . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 参考 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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むすび
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19
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21
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23
謝辞
24
参考文献
25
iv
1
まえがき
近年のユビキタス機器（スマートフォン・タブレット端末）や DLNA（Digital Living Network
Alliance）に準拠した製品の普及，多様なコンテンツの増加などにより，インターネットアクセス
通信路として，IEEE802.11 無線 LAN（Local Area Network）の利用が急速に広まっている．無線
LAN では，ホスト（コンピュータ）とネットワーク接続のためのアクセスポイント（AP:Access
Point）間の配線（有線ケーブル）が不要となるため，低コストでの構築が可能，ホストの移設・
移動が容易，AP からの無線通信範囲内であればどこでも利用可能，など多くの利点がある．その
ため，無線 LAN の利用は，企業，官庁，家庭，教育機関など様々な組織・場所に広がっており，
駅，空港，街角といった公共スペースでも，インターネット接続サービスを提供する無線 LAN ス
ポットの設置が行われている．
無線 LAN の新規格として，2009 年 9 月に最大通信速度が 600Mbps の高速通信規格 IEEE802.11n
が策定された．現在では，アクセスポイントやノートパソコン，スマートフォンなど，IEEE802.
11n に対応した製品が広く普及している．IEEE802.11n では，従来の IEEE802.11a/b/g 技術に加
えて多くの高速化技術が採用されている．IEEE802.11n では様々な通信形態があり，その形態ご
とにデータレートが異なるため，製品ごとに最大通信速度が 150-600Mbps と様々である．
IEEE802.11n では，高速化技術として，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術が使用
されている．これは，送信機とアンテナの組み合わせを複数用意し，データを並列化して同時に
送信する技術である．送信機と受信機が二組あれば 2 つのデータ（データストリーム）を同時に
送信できるため，データ通信速度が倍になる．これを 2 多重と呼ぶ．11n の規格では最大 4 組の送
受信機まで，つまり 4 多重まで可能であるため，最大でこれまでの 4 倍のデータ伝送速度になる．
また，従来の２倍の 40MHz チャネルを採用することによって，２倍の帯域を得る 40MHz チャネ
ルボンディングが採用されている．他にも，ガードインターバルの短縮や，フレームアグリゲー
ションといった高速化技術を利用することで，最大通信速度 150-600Mbps を実現している．
無線 LAN の普及に伴い，問題となるのは，複数無線 LAN 基地局の運用による，性能の劣化で
ある．例えば，現在，工学部２号館では 20 以上の無線 LAN 基地局（SSID）が確認されている．
無線 LAN 基地局が乱立すると，それぞれが出す電波が干渉し，性能の劣化につながる．したがっ
て，無線 LAN 構築では，効率の良いネットワーク設計に基づいた運用が必要不可欠である．
本研究では，IEEE802.11n アクセスポイントでの実環境における電波伝搬実験を行う．この結果
をもとに学内における IEEE802.11n アクセスポイントの設置方法について検討する．通信距離や
干渉，マルチホップ，障害物がスループットに与える影響を明らかにすると共に，アクセスポイン
ト設置条件を明らかにした．これにより，効率的な無線 LAN アクセスポイントの運営を目的とし
ている．また，本研究結果を当研究グループで開発している無線メッシュネットワーク WIMNET
シミュレータへ通信距離とリンク通信速度の関係を適用することにより，実環境に基づいた任意
の通信速度への対応を行う．
本論文では，まず２章において，本研究の背景について述べる．３章で実環境におけるスルー
プット評価について述べる．４章で測定結果の WIMNET シミュレータへの適用について述べる．
５章で実測に基づいたネットワーク設計について述べる．最後に６章で本論文のまとめを行う．
1
研究の背景
2
本章では，研究の背景として IEEE802.11 無線 LAN の標準規格の概要について述べる．また，
新規格である IEEE802.11n に関して，そこで使用されている技術について述べる．
2.1
IEEE802.11 無線 LAN
無線 LAN は現在，表 1 に示すように主に４つの規格が利用されている．それぞれの規格の特
徴は表に示す通りである．現在最も普及しており，比較的安価にシステム構築が可能な無線 LAN
規格は IEEE802.11b/g である．IEEE802.11b/g は低い周波数（2.4GHz）を利用し，IEEE802.11g
では最大通信速度 54Mbps である．54Mbps という伝送速度はインターネットや，一般的なデータ
伝送であれば十分な値である．しかし，2.4GHz 帯は，ISM（Ind ustry Science Medical）バンド
とも呼ばれ，Bluetooth などの通信システム，電子レンジやマイクロ波加療器などの ISM 医療器
でも利用する周波数帯である．また，多くのユーザで共有して利用するには，伝送速度が低いと
いう問題がある．
規格
策定時期
二次変調方式
周波数帯
公称速度
空間ストリーム
チャネル幅
備考
2.2
表 1: IEEE802.11 無線規格
IEEE802.11a IEEE802.11b IEEE802.11g
1999/10
OFDM
5.15-5.35GHz
5.47-5.725GHz
1999/10
DSSS/CCK
2.4-2.5GHz
2003/6
OFDM
2.4-2.5GHz
54Mbps
11Mbps
22Mbps
1
22MHz
免許不要
54Mbps
IEEE802.11n
2009/9
OFDM
2.4-2.5GHz
5.15-5.35GHz
5.47-5.725GHz
150-600Mbps
1
22MHz
免許不要
1-4
22/40MHz
一部免許必要
1
20MHz
一部免許必要
IEEE802.11n
IEEE802.11n は 2009 年 9 月に策定された．周波数帯は 2.4GHz 帯，5.2GHz 帯が利用でき最大
通信速度 150-600Mbps と高速通信を実現している．以下に IEEE802.11a/b/g から高速化のため
の変更点を述べる．
• MIMO（multiple-imput multiple-output）
送信機とアンテナの組み合わせを複数用意し，データを並列化して同時に送信する技術であ
る．送信機と受信機が二組あれば 2 つのデータ（データストリーム）を同時に送信できるた
めデータ通信速度が倍になるという仕組みである．これを 2 多重と呼ぶ．11n の規格では最
大 4 組の送受信機まで，つまり 4 多重まで可能であるため，最大でこれまでの 4 倍のデータ
伝送速度になる．
• 40MHz チャネルボンディング
隣り合った２つのチャネルを束ねて帯域幅を増やすことで，通信速度を２倍以上にする技
2
術である．従来の 20MHz チャネル２つ分を束ねて，40MHz で通信を行う．IEEE802.11a/g
は 1 チャンネルの周波数幅 20MHz に 48 のサブキャリアを使ってデータを送信しているが，
802.11n では 2 倍以上の 108 のサブキャリアを使用している．従って，従来の２倍以上の通
信が可能となった．
• フレームアグリゲーション
IEE802.11 無線 LAN ではすべてのフレームには、無線プリアンブルおよび MAC フレーム
のフィールドに関連する固定的なオーバーヘッドがあるため，データレートがどれだけ高く
ても実効スループットは低下する．802.11n では、このオーバーヘッドを削減するために，
フレーム アグリゲーションが導入されている．フレームアグリゲーションは、実質的に 2 つ
以上のフレームを併せて１回で送信するものである．802.11n では、Mac Service Data Unit
（MSDU）アグリゲーションと Message Protocol Data Unit（MPDU ）アグリゲーション
の 2 つのフレームアグリゲーション方式が導入されている．
• ガードインターバルの短縮
ガード・インターバル（GI）はデータ信号送信時の合間に挿入される意味のない信号を流す
期間のことであり，受信側で反射によって時間がずれたデータが届いて干渉するのを防ぐた
めに使っている。802.11a/g では GI が 800 ナノ秒である．これを半分の 400 ナノ秒で運用
している．
3
3
実環境におけるスループット測定
本章では，実環境における IEEE802.11n 無線 LAN 装置のスループット特性評価について述べる．
無線 LAN ネットワーク設計のための指標となるスループット特性評価を行った．ネットワーク
設計を行うためには，実環境における無線 LAN アクセスポイントのスループット特性を考慮しな
ければならない．本研究では，実環境における無線 LAN の設計の指標として，PC と無線 LAN ア
クセスポイントとの通信距離，他の無線 LAN 装置とのチャネル干渉，障害物（壁），マルチホッ
プに関する実験を行った．
3.1
測定環境
実験対象の無線 LAN 機器と他の無線 LAN 機器のチャネル干渉を避けるため，実験環境で観測
された実験対象以外の無線 LAN 装置の運用を停止し，実験対象外の無線 LAN 機器との干渉を避
けた．測定環境について以下の表に述べる．これらの使用により，最大規定値 300Mbps の通信速
度を満たす．また，20MHz チャネル使用時には，最大通信速度 144Mbps となる．
表 3: 無線 LAN 装置（子機）
表 2: PC スペック
型番
CPU
メモリ
OS
W760C（UNITCOM）
core i3 370M (2.40 GHz)
2 GB
Ubuntu11.10
型番
プロトコル
通信チャネル
アンテナ
WLI-UC-G300HP（Buffalo）
IEEE802.11 b/g/n
1∼13 ch
2x2 (mimo)
表 4: 無線 LAN 装置（親機）
型番
プロトコル
通信チャネル
無線 LAN チップ
OS
CPU speed
Flash
RAM
Wireless NIC
アンテナ
WZR-HP-G302H（Buffalo）
IEEE802.11 b/g/n
1∼13 ch
Atheros AR7240
openwrt
400 MHz
4 MB
32 MB
AR9280
2x2 (mimo)
4
3.2
測定用ソフト iperf について
本実験で用いた測定用ソフトについて説明する．本実験では，NLANR/DAST によって開発さ
れた iperf（http://dast.nlanr.net/Projects/Iperf/）を利用した．iperf は，メモリ to メモリのデー
タ転送をネットワークを介して測定することで，ハードディスクの読み書きがボトルネックにな
ることなく，TCP/UDP のスループットを測定することができる．
本実験では，iperf2.0.5 でスループット測定を行った．
3.3
通信距離の影響
本節では通信距離の影響についての実験を行った．
この実験では，無線 LAN 子機を設置した PC と無線 LAN 親機との通信距離とスループットの
関係を測定した．実施場所は直線距離を確保可能である屋外を利用した．
受信側無線 LAN 装置（親機）を地面上に固定し，無線 LAN 装置（子機）を設置した PC を通信
距離 0m から通信が可能な限り移動させ，5m 間隔でスループットを測定した．
3.3.1
実験方法
実施場所は岡山大学理学部棟前の直線道路（屋外）にて行った．
図 1 に実験の構成を示す．送信側及び受信側は PC と無線 LAN 装置（親機・子機）から構成される．
通信チャネルは１ ch である．通信距離は、受信側を固定し，送信側を移動することにより通信が
可能な範囲まで 5m 間隔で移動し，この時のスループットを測定した．IEEE802.11n で，40MHz
チャネルボンディング及び 20MHz チャネル，TCP 及び，UDP での測定を行った．
．スループッ
トの測定には iperf を使用した．表 5 に iperf の設定を示す．
また，比較対象として，同じ環境にて，IEEE802.11g による測定も行った．
図 1: 実験の構成（通信距離）
3.3.2
実験結果
図 2 は IEEE802.11g/n による TCP での実験結果を示したものである．また，図??は IEEE802.11g/n
による UDP での実験結果を示したものである．
横軸は通信距離，縦軸はスループットを示す．TCP での実験において，IEEE802.11n で，40MHz
チャネルボンディングで 275m，20MHz チャネルで 270m，IEEE802.11g では 160m，までスルー
プットを測定することができた．また，UDP において，IEEE802.11n で，40MHz チャネルボン
ディングでは 280m，20MHz チャネルでは 270m，IEEE802.11g では 155m までスループットを測
5
表 5: iperf の設定
プロトコル
計測時間
ポート
TCP
100 sec
5001
帯域
window size
バッファ長
8.00 Kbyte
8.00 Kbyte
UDP
100 sec
5001
300Mbps
1470 byte
1470 byte
定することができた．IEEE802.11n の方が遠距離まで通信が可能だったが，どちらも 100m 以上
の距離においてはスループットは 1Mbps 以下となり，実用可能なスループットではなかった．
図 2: IEEE802.11g/n の通信距離とスループット（TCP）
6
干渉リンクの影響
3.4
本節では，無線 LAN の干渉リンクの影響に関する実験について述べる．無線 LAN では同じチャ
ネル（周波数）を利用した機器が存在する時には，電波干渉が発生する．その電波干渉によって，
無線 LAN のスループットは低下する．
IEEE802.11n 無線 LAN では 40MHz チャネルボンディングを用いることで，２チャネル分の帯域
幅を用い，高速通信が可能である．しかし，２チャネル分の帯域幅を使用する．40MHz チャネル
ボンディングでは，2.4GHz 帯に置いて確保可能な干渉しないチャネルが 1-5ch と 9-13ch の２つし
かない．そのため，従来の 20MHz チャネルと比較すると干渉による影響を受けやすいといえる．
そこで，本節では，実環境において 40MHz チャネルボンディング利用時と 20MHz チャネル使
用時では，干渉するチャネルが存在する場合におけるスループットを比較し，評価した．
3.4.1
実験方法
図 3 は実験に用いた環境を示したものである．リンクＢの無線 LAN アクセスポイントには固定
したチャネル（1 − 5ch：40MHz チャネルボンディング）と，リンクＢの無線 LAN アクセスポイ
ントには（1 − 5ch：40MHz チャネルボンディング）を設定し，スループットを 5 回測定した．そ
の後，リンクＢのチャネルを１つづつ変えながら，干渉するチャネルの重なりを徐々に減らし，ス
ループットを測定した．
リンクＡ，リンクＢにおけるチャネル設定を以下の表 6 に示す．チャネル干渉幅は，リンクＡと
リンクＢのチャネル設定時の周波数重複の幅である．チャネル干渉幅が 0MHz は，他リンクから
の干渉影響を受けないチャネル設定である．実験は 3.3.1 節と同様に iperf，TCP での測定を行っ
た．また，40MHz チャネルボンディングを使用せずに，IEEE802.11n の 20M Hz チャネルで同様
の測定を行い比較した．その時のチャネル設定を表 7 に示す．測定環境は，各無線 LAN 装置及を
５ m 間隔で設置した．
表 6: 40MHz チャネルボンディング設定
表 7: 20MHz チャネル設定
ケース
リンクＡ
リンクＢ
チャネル干渉幅
ケース
リンクＡ
リンクＢ
チャネル干渉幅
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
1-5ch
2-6ch
3-7ch
4-8ch
5-9ch
6-10ch
7-11ch
8-12ch
9-13ch
40MHz
35MHz
30MHz
25MHz
20MHz
15MHz
10MHz
5MHz
0MHz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
1ch
2ch
3ch
4ch
5ch
6ch
7ch
8ch
9ch
10ch
11ch
12ch
13ch
20MHz
15MHz
10MHz
5MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
0MHz
7
図 3: 実験の構成（干渉）
3.4.2
実験結果
実験結果は図 4 はチャネルボンディング使用時の干渉実験の結果である．また，図 5 は 20MHz
チャネル使用時の干渉実験の結果である．横軸は実験番号，立て軸はスループットである．結果
より，チャネルボンディング利用時，干渉幅が 40MHz の時，スループットは合計 68Mbps と干渉
が発生し，スループットが大幅に低下していることがわかる．しかし，干渉幅が 0MHz の場合に
おいては，合計 190.4Mbps とほぼ干渉の影響がないことがわかる．
また，20MHz チャネル利用時においては，干渉がある 1ch と 4ch の組み合わせまでは干渉の影
響を受けて，スループットが極端に低下していることがわった．
8
図 4: IEEE802.11n-40MHz チャネルボンディング干渉実験結果
図 5: IEEE802.11n-20MHz チャネル干渉実験結果
9
3.5
マルチホップの影響
本節では，マルチホップ通信によるスループット低下についての実験を述べる．
3.5.1
測定方法
PC に有線接続された無線 LAN 装置（子機）を含め，GW と想定する受信側無線 LAN 装置へ
マルチホップによる通信を行った．ホップ数を１から４まで増やすことによって，IEEE802.11n
の 40MHz チャネルボンディング及び，20MHz チャネルのマルチホップを利用した際のスループッ
ト特性をした．
ネットワーク構成は図 6 に示す通りである．無線 LAN 装置（子機・親機）は全て１チャネルを
使用し，各無線 LAN 装置の間隔は 5m である．また，実験は 3.1 節と同様に iperf，TCP での測
定を行った．実験の構成は図 6 のトポロジにおいて，各無線 LAN 装置間接続を１ホップとし，無
線 LAN 装置を付加していくことによって，複数ホップを構成した．
図 6: 実験の構成（マルチホップ）
10
3.5.2
実験結果
１∼４ホップまでのマルチホップによるスループットを測定した．
実験結果を図 7，??に示す．図 7 は 40MHz チャネルボンディング，図??は 20MHz チャネルによ
る測定結果である．測定結果では，1 ホップ時と比較すると２ホップではおよそ半分となる，ホッ
プ数が増加する毎にスループットが低下するのが分かった．
図 7: 実験結果（マルチホップ・40MHz チャネルボンディング）
図 8: 実験の構成（マルチホップ・20MHz チャネル）
11
3.6
障害物の影響
本節では通信時に障害物として壁を挟んだ通信について実験を行った．
3.6.1
実験方法
工学部２号館３階の D306，D307，D308 を利用し，最大壁２枚によるスループットの減衰を実
験した．壁の厚さは 12cm の鉄筋コンクリート製である．実験環境を図 9 に示す．無線 LAN 装置
（子機）から無線 LAN 装置（親機）までそれぞれ 5m と 10m である．チャネルは 1ch を使用し，
IEEE802.11n の 40MHz チャネルボンディング及び，20MHz チャネルで測定した．また，実験は
3.1 節と同様に iperf，TCP での測定を行った．
図 9: 実験環境（障害物）
12
3.6.2
実験結果
実験１は無線 LAN 装置の間隔が 5m，壁１枚，実験２は無線 LAN 装置の間隔が 10m 壁が２枚
での実験である．また，図 8 は 40MHz チャネルボンディング，9 は 20MHz チャネルの結果である．
3.3 節より，40MHz チャネルボンディングでは，通信距離が 5m でのスループットが 98.2Mbps であ
るため，壁を１枚はさむことによって 15.2% スループットが低下している．通信距離が 10m では，
69.0Mbps のため，壁を２枚はさむと 29.8% スループットが減少している．同様に，20MHz チャ
ネルでは，通信距離が 5m でのスループットが 59.8Mbps であるため，壁を１枚はさむと 16.5%ス
ループットが低下している．通信距離が 10m では，55.4Mbps のため，壁を２枚はさむと 30.2%
スループットが減少している．
表 8: 実験結果（障害物・40MHz チャネルボンディング）
1
2
3
4
5
平均
実験１
実験２
83.4
49.7
84.1
51.2
82.2
47.3
83.4
47.4
83.1
46.9
83.2
48.5
（Mbps）
表 9: 実験結果（障害物・20MHz チャネル）
1
2
3
4
5
平均
実験１
実験２
50.2
38.7
49.1
39.1
50.1
37.7
13
49.4
38.8
50.9
39.1
49.9
38.7
（Mbps）
3.7
考察及びまとめ
本節では，以下の実験結果をまとめる．
1. 通信距離
IEEE802.11 ｎは 40MHz チャネルボンディング利用時に通信距離が大きくなるとスループッ
トが極度に低下することが分かった．これは 40MHz チャネルボンディングでの干渉が原因
と考えられ，実験時に利用したチャネルは 2.402GHz∼2.442GHz であり，20MHz チャネル
では同様の低下が見られなかったことから，2.422GHz∼2.442GHz での電波干渉があったも
のと考えられる．
2. 干渉
全く同じチャネルを利用する無線 LAN 装置が存在すると，大幅にスループットが低下して
しまう．40MHz チャネルボンディング利用時は 20MHz チャネル利用時に比べ干渉による
影響が大きく，十分にチャネル間隔を開けるか，干渉の無いチャネルを利用しなければなら
ない．チャネルボンディングにおいて，チャネル間隔を 5 チャネル以上の間隔を開けること
で，干渉によるスループット低下を防ぐことができる．また，20MHz チャネルにおいても，
5 チャネル以上の間隔を開けることによって干渉の影響を抑えることができる．
3. マルチホップ
マルチホップでは４ホップまでは，ホップ数にほぼ反比例してスループットが減少している
ことが分かった．40MHz チャネルボンディング及び，20MHz チャネルについても同程度の
影響がみられた．
4. 障害物（壁）
壁をはさむ通信では，通信距離に対して壁一枚あたりおよそ 15%の減少となっていることが
分かった．40MHz チャネルボンディング及び 20MHz チャネルでも同程度の影響が見られた．
以上より，設計時に通信距離を基にし，ホップ数，障害物（壁）を考慮しなければならない．
14
測定結果の WIMNET シミュレータへの適用
4
本章では, 実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式の提案，WIMNET シミュレータ
への適用を行う．
4.1
実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式
本節では，実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式を提案する．
今回, 無線端末の距離を変えながら，IEEE802.11n リンクのスループットの測定を行ったところ，
距離の増加に応じてスループットが大きく減少することが分かった．そのため，IEEE802.11n を
無線メッシュネットワーク WIMNET の AP に使用する場合，AP 間リンクの距離に応じて，ス
ループット (通信速度) が大きく変化することを考慮し，WIMNET のトポロジ (AP 配置) を決め
ることが重要である．今回の測定の結果を経路木アルゴリズムと動作 AP 選択アルゴリズムに反
映させるために，測定結果を近似式で表す．
以上の測定結果から算出した近似式は，以下の通りである．

3
2


0.0003x + 0.0662x − 5.0817x + 110.68


−0.0002x3 + 0.0517x2 − 4.2118x + 114.26
y=

0.0000007x3 + 0.0004x2 − 0.0914x + 6.4585




1
4.2
0 ≤ x < 35 35 ≤ x < 70
70 ≤ x < 110
(1)
x ≤ 110
WIMNET シミュレータへの適用
本節では，距離とリンク通信速度の関係の WIMNET シミュレータへの適用を行う．
リンク通信速度の高速化 (最大 120Mbps)，及び任意の通信速度への対応を行う．
1. 想定スロット周期の変更．
以前の WIMNET シミュレータのスロット周期は 0.2msec としていた．最大 1 スロットで
1500byte(12000bits) 送信可能であり，最大速度は 12Kbits/0.2msec，つまり 60Mbps となって
いた．今回の変更により，スロット周期を 0.1msec とし，最大 1 スロットで 1500byte(12000bits)
送信可能とし，最大速度が 12Kbits/0.1msec，つまり 120Mbps となるようにした．
2. 任意のリンク通信速度への対応各リンクを複数回，動作させた場合の平均速度が，そのリン
クの通信速度に一致するように，1 リンク動作時に要するタイムスロット数の制御を行う．
(a) 初期処理
i. 目標動作スロット数の算出
各リンクが通信速度を実現するのに必要な実数値の目標動作タイムスロット数を
算出する．目標動作スロット数=120/リンク通信速度 (Mbps)
ii. 使用動作スロット数の算出
これを用いて，実際に使用する整数値の 2 種類のタイムスロット数を算出以上のグ
ラフから算出した近似式は，以下の通りである．
15

3
2

0 ≤ x < 35 
0.0003x + 0.0662x − 5.0817x + 110.68


−0.0002x3 + 0.0517x2 − 4.2118x + 114.26
35 ≤ x < 70
y=

0.0000007x3 + 0.0004x2 − 0.0914x + 6.4585 70 ≤ x < 110




1
x ≤ 110
(2)
iii. 使用動作スロット数の算出
これを用いて，実際に使用する整数値の 2 種類のタイムスロット数を算出する．
L 動作スロット=目標動作スロット数の小数点以下切り捨て
U 動作スロット=目標動作スロット数の小数点以下切り上げ
ここで，目標動作スロット数の場合には両者が一致する．
iv. 変数の初期化
ランダムに L 動作スロット数，または，U 動作スロット数を選択し，累計動作ス
ロット数をその値で初期化する．累積リンク動作回数を，1 で初期化する．
(b) 通信動作中のタイムスロット数の制御
各リンクが動作する際に，以下の手続きを行う．
i. 平均スロット数の算出
平均スロット数=累積動作スロット数/累積リンク動作回数 (実数が得られる)
ii. 動作スロット数の選択
平均スロット数＞目標動作スロット数 → L 動作スロット数を選択
そうでなければ → U 動作スロット数を選択
iii. 変数の更新
累積動作スロット数+＝動作スロット数累積リンク動作回数++1
4.3
シミュレーションによる評価
本章では, 提案アルゴリズムの評価のために,C 言語で実装し,WIMNET シミュレータを用いた
シミュレーションによる評価結果を示す.
4.3.1
シミュレーション環境, 条件
今回，シミュレーションに用いたシミュレータは，本研究グループで開発した WIMNET シミュ
レータを用いた．WIMNET シミュレータでは，AP 間の無線通信機能を実装している．また，実
装の容易化と実行の高速化のために，電波は確実に届くものとして,WIMNET の各動作, すなわ
ち，ホストの移動, ホストでの通信要求発生，リンク動作 (パケット転送) は，１つのクロックに
従い, スロット単位で同期的に生起するものとしている．これにより，パケット転送の最低限のプ
ロトコルを実行することで実行処理を軽減し，大規模ネットワークでのシミュレーションを可能
としている，本シミュレーションでは，開始前に各ホストが GW(インターネット) 向けに 125 パ
ケット，GW が各ホストに向け 1000 パケットを保持し，全パケットの送信を終了するまでとして
いる．また，評価指数としてのスループットには，シミュレーション時間内に転送が完了した全
データをシミュレーション時間で除した値としている．また，シミュレーションに用いた PC のス
ペックは以下の通り．
16
表 10: マシン環境
OS
CPU
メモリ
4.3.2
Ubuntu 10.10
AMD AMD Athlon(tm) II X2 240 Processor
2GB
シミュレーション例題
本節で実行したシミュレーションについて述べる．例題として，図 10 のような 25(5 × 5) 台
の AP を格子状に一定間隔で配置し，中央の AP を GW とする．各 AP はその４近傍で隣接する
AP と無線通信可能である．また，無線リンクの帯域は AP 間は 4.1 節で紹介した IEEE802.11n
のリンク速度近似式より算出した値，AP-ホスト間は IEEE802.11a を用いた．そして, それぞれの
AP 間の間隔が 10m，20m，30m，40m，50m，60m，70m，80m，90m，100m となるトポロジを
それぞれ用意した．また，通信に用いる無線の規格を，IEEE802.11n のみ，IEEE802.11 ｇのみ，
IEEE802.11n/g とした３種類のシミュレーションを行った．これは，提案手法によるリンク通信
速度が，スループットに影響を与えることを確認するためである．
図中, 白丸はそれぞれ AP，黒丸は GWAP を表し，AP 間の実線は AP 間リンクを表す．また，
それぞれの AP に対する接続ホスト数は，１ずつとした．
図 10: シミュレーショントポロジー
17
4.3.3
シミュレーション結果
提案法及び従来法により，得られた WIMNET 全体のスループットを図 11 に示す．これに示す
ように，提案手法より得られた WIMNET 全体のスループットは，どの無線の規格においても距
離が遠くなると，スループットが減少していくことが確認できる．一方，従来の手法でのシミュ
レーション結果は，どの距離においても，どの規格を用いても，一定のスループットとなること
が確認できる． これにより，提案手法の有効性を示すことが出来たといえる．
図 11: シミュレーション結果
18
測定結果を用いたアクセスポイントの配置
5
本章では，第２章での実測値を元に，実環境での IEEE802.11n 無線 LAN でのアクセスポイン
ト（AP）配置に関する設定を行い，実環境に適用しスループットを測定した．
5.1
スループット推定ルール
測定結果よりスループット推定ルールを作成した．
1. 通信距離
以下の式は 3.3 節の実測結果を元に，IEEE802.11n による 40MHz チャネルボンディングの
0-40m 間の通信距離のスループット近似式である．
y = −0.002x3 + 0.19x2 − 6.9531x + 117.74
(3)
同様に以下の式は 3.3 節の実測結果を元に，IEEE802.11n による 20MHz チャネルの 0-100m
間の通信距離のスループット近似式である．
y = −0.005x3 + 0.0066x2 − 1.0142x + 63.328
(4)
x は通信距離（m），y はスループット（Mbps）である．
2. 干渉
• 40MHz チャネルボンディング利用時チャネル干渉を防ぐため，40MHz チャネルボンディ
ングによるチャネル間隔を 5 チャネル以上確保することとする．したがって，2.4GHz
帯での同時利用可能な無線 LAN アクセスポイントは２台までとする．20MHz チャネ
ルのチャネル間隔は，5 チャネル以上確保することとする．
• 20MHz チャネル利用時チャネル干渉を防ぐため，20MHz チャネルによるチャネル間隔
を 5 チャネル以上確保することとする．したがって，2.4GHz 帯での同時利用可能な無
線 LAN アクセスポイントは最大３台までとする．
3. マルチホップ
3.3 節の実験結果より，マルチホップによるスループットは，無線 LAN 間のスループットを
ホップ数で割ることとした．
4. 障害物（壁）
3.4 節の結果より壁一枚辺りのスループットは通信距離によるスループットの 15%低減とした．
以上を対象とする無線 LAN でのスループット推定ルールとした．
19
5.2
2 号館における AP 配置の検討
以上のスループット推定ルールより，工学部２号館２階において，各測定ポイントにおいて最
低限（30Mbps）のスループットを確保するように IEEE802.11n アクセスポイント（AP）配置を
行った．各測定箇所は部屋の中心部とした．
図 12: 2F における設計結果
AP の位置
AP1
AP1
表 11: 図 12 の設計を元にした予測
教室名
AP からの距離 壁の枚数
(m)
D201
D202
D203
D204
D205
D206
D207
D208
リフレッシュコーナー
9
12.4
3.3
12.7
14
3.6
4.8
9.4
12.1
1
2
0
2
1
1
0
2
1
予測スループット
(Mbps)
58.7
36.8
96.8
39.1
44.3
80.8
88.5
47.2
43.4
図 12 は工学部２号館２階における検討である．D203，D207 に無線 LAN アクセスポイントを配
置した．また，40MHz チャネルボンディングを用い，チャネル設定は AP1(1-5ch)，AP2（9-13ch）
である．
20
5.3
実測評価
3.1 節の検討結果より，無線 LAN アクセスポイントの配置を行い，スループットを計測した．
結果を表 12 に示す．設計時の条件である最低限のスループット（30Mbps）を確保することがで
きた．また，全体の傾向として，推定スループットより低くなっていることがわかる．これは，測
定時における他アクセスポイント（上下階）との干渉による原因と，スチール製本棚等の障害物
の影響を考慮していなかったことが考えられる．
AP の位置
AP1
AP2
表 12: 12 設計を元にした実測評価
実測スループット 想定スループットとの差
教室名
(Mbps)
(Mbps)
D201
D202
D203
D204
D205
D206
D207
D208
リフレッシュコーナー
52.1
32.1
92.1
32.4
33.1
76.4
85.3
42.1
45.0
21
-6.6
-4.7
-4.7
-6.7
-11.2
-4.4
-3.2
-5.1
1.6
5.4
参考
参考として，最低スループットの得られなかった部屋のある設計結果および結果を表 13 に，そ
の配置を図 13 に示す．
AP1,AP2,AP3 は，20MHz チャネルであり，最大スループットは 144Mbps である．また，チャ
ネル設定は，AP1 が 1ch，AP2 が 13ch，AP3 が 6ch である．
表 13: 検討（設計結果）
AP の位置
教室名
AP1
D202
D204
D201
D203
D205
D206
D207
D208
リフレッシュコーナー
AP2
AP3
AP からの距離
(m)
3.2
7.1
9
3.3
14
3.6
4.8
9.4
12.1
壁の枚数
設計スループット
(Mbps)
実測スループット
(Mbps)
0
1
1
0
1
1
0
1
1
60.0
47.4
45.3
60.0
38.2
50.7
58.4
44.8
41.2
54.4
42.1
39.5
57.1
28.1
44.4
52.3
39.7
43.1
図 13: 参考（２階における検討）
表 13 より，D205 では実測スループットで最低限のスループット（30Mbps）が確保できなかっ
た．また，全体のスループットの傾向として，予想スループットよりも低くなっており，上下階の
干渉による影響，スチール棚等の障害物の影響が考えられる．また，リフレッシュコーナーに関
して，5.3 節，5.4 節では設計スループットより実測スループットが大きくなった．これは，ドア
の素材による影響が考えられる．
22
6
むすび
本研究では，IEEE802.11n 無線 LAN の測定を行い，既存の規格と新たな規格についての通信距
離によるスループット評価，干渉，障害物，マルチホップについてのスループット特性を明らか
にした．また，測定結果を元に無線メッシュネットワーク WIMNET シミュレータへの適用，シ
ミュレーションによる評価を行った．更に，測定結果を元にした実環境でのネットワーク設計を
行い，実測評価した．設計に基づき，ネットワークを設計することで，おおよそのスループット
確保が可能となることが分かった．
今後の課題として，2.4GHz 帯に比べ電波干渉が発生しにくい，5.2GHz 帯（20MHz チャネルで
は最大 19 チャネル干渉しないチャネルが使用できる）に対応した IEEE802.11n 無線 LAN アクセ
スポイントを用いた実測評価，及び評価に基づいたネットワークの設計，壁以外の障害物のスルー
プットへの影響の測定，また，設置高や，高出力アンテナなどによる他アクセスポイントでの測
定結果の比較・設計への適用などが挙げられる．
23
謝辞
本研究の全過程を通じて，舩曵信生教授には，ご指導を賜わり，心より感謝させていただきま
す．
本研究を遂行する過程で，数々の有益な御教授を頂きました中西透准教授に深く感謝いたします．
本研究を実施するにあたり，貴重な御助言を頂きました渡邊寛助教に深く感謝いたします．
最後に，種々御討論頂いた分散システム構成学研究室の皆様，に心から御礼を申し上げます．
24
参考文献
[1] 小松寛之, 鈴木 遼, 渋谷広志, 寺田裕樹, 猿田和樹, 武田和時, “IEEE802.11g を用いたマルチ
ホップ接続無線 LAN のスループットの測定,” 信学技報, vol. 109, no. 449, IN2009-178, pp.
205-210, 2010 年 3 月.
[2] 平方健吾, 堀内哲史, 舩曵信生, 中西透, “無線メッシュネットワークの実用性向上を目的とし
たスマートアクセスポイントの構築,” 信学技報，NS2008-99, pp.63-68, Nov. 2008.
[3] 上村香菜子，舩曵信生，中西透，“スケーラブル無線メッシュネットワークのための通信路構
成最適化アルゴリズム，” 信学論 B, Sep. 2009
[4] 上村香菜子, 舩曵信生, 中西透, “大規模無線メッシュネットワークのためのスマートアクセス
ポイント配置アルゴリズム,” 信学技報, NS2009, Oct. 2009.
[5] 吉田翔志, 舩曵信生, 中西透, “無線メッシュネットワークのための WIMNET シミュレータの
開発,” 第 3 回アドホックネットワークワークショップ，pp.1-9-1-12，Jan. 2006.
[6] http://buffaloinc.jp/
『改訂三版 802.11 高速無線 LAN 教科書』(2008)
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[9] Technology@Intel Magazine，“無線 LAN の信号到達範囲と帯域幅の拡大：スマート・アン
テナに関するインテルの研究,” 2004 年 9/10 月
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