屋内ワイヤレスは今日のデジタル世界と統合
モバイル・デバイスの普及、帯域幅の容量と到達範囲の向上、そしてデバイスを固定された有線接続から解放する利点により、ワイヤレスは急速に人や物を接続するための事実上の標準メディアとなりつつあります。ほとんどのユーザーは、ワイヤレス接続の背後にはローカル・エリア・ネットワーク (LAN)、サービス・プロバイダーのネットワーク、そしてクラウドへのアップリンク接続を提供するインフラが存在することを理解しています。しかし、ケーブル技術者は、ワイヤレス通信が機能する仕組みを正確に理解する必要があり、さまざまな屋内ワイヤレス技術が異なる周波数、データ速度、距離でさまざまなアプリケーションに応じて動作していることを知る必要があります。
内容
屋内ワイヤレスとは何ですか？なぜ重要なのですか？
モバイルデータトラフィック全体の 70～80% が屋内で生成されています。屋内ワイヤレスネットワークは、オフィスビル、スタジアム、ホテル、病院、空港、小売店舗などで私たちやデバイスを接続する上で欠かせません。
モバイルデバイスへの日々の依存度は、ほぼすべての施設でワイヤレス接続を必要としています。同時に、より多くの IoT デバイスとスマートビルディング向けデバイスがワイヤレス技術を介して接続し、実装、スケーラビリティ、コスト削減を容易にしています。その他にも、アクセス制御や資産追跡、モバイル決済、在庫管理、日常のハンズフリーデバイスなど、さまざまな屋内アプリケーションがワイヤレス技術を利用しています。そのため、さまざまな補完的な技術を用いた信頼性の高い屋内ワイヤレス・カバレッジは、今日のつながりのある世界において不可欠です。
屋内ワイヤレスの仕組み
すべての屋内ワイヤレス・システムは電磁スペクトル内で動作します。電磁スペクトルとは、空間内を移動する電気エネルギー波と磁気エネルギー波からなる全範囲の放射線を指します。これらの波は、波長と周波数によって特徴付けられます。
- • 波長とは、波の 1 周期が進む距離を指し、周波数は特定の時間内における波の数を指します。
- • 周波数は、1 秒あたりに繰り返される数を示すヘルツで表されます（1 メガヘルツは毎秒 100 万サイクル、1 ギガヘルツは毎秒 10 億サイクル）。周波数が高いほど、波長は短くなります。
電磁スペクトル全体は、波長が最も長い極低周波の電波から、波長が最も短い赤外線、紫外線、X線、極高周波のガンマ線まで多岐にわたります。下の図に示されているように、可視光はスペクトル全体のごく一部であり、人間が見ることができる 7 色で構成されています。
電磁スペクトルは、長波長の電波から短波長のガンマ線までの範囲です。
ワイヤレス通信の周波数
ワイヤレス通信は、スペクトルの無線周波数 (RF) 部分、約 3 Hz ～ 3000 GHz の範囲内にあります。RF スペクトルは、干渉を防ぐために連邦通信委員会 (FCC) と国際電気通信連合 (ITU) によって規制されている固定の有限リソースです。基本的には、GPS ナビゲーション、軍事および緊急通信、テレビ放送、AM および FM ラジオ、気象衛星、携帯電話、Wi-Fi、Bluetooth など、さまざまな送信タイプやアプリケーション向けのさまざまな帯域に分割されます。一部の帯域は特定のサービスに割り当てられ、他の帯域は事業者に販売またはライセンス供与されます。すべての RF 信号は、電気信号を RF 信号に変えるか、または逆に何らかのタイプのアンテナを使用することに注意してください。
さまざまな RF 帯域は、非常に低い周波数、低周波数、中周波数、高周波数、非常に高い周波数、超高周波数、極超高周波数、および超極高周波数として指定されています。周波数が増加すると、帯域幅容量が増加し、到達範囲が狭まります。低い周波数では信号の経路損失が少なく、伝播性（物質を透過する能力）や到達範囲が向上します。そのため、潜水艦は長距離にわたって海水を貫通できる低周波帯を使用しています。次の表に、さまざまな RF 帯域とその一般的なアプリケーションの概要を示します。
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名前 |
周波数範囲 |
アプリケーション |
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低周波数 (LF) |
30 kHz |
航海、潜水艦、気象システム、標準時信号、欧州 AM ラジオ |
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中周波数 (MF) |
300 kHz ～ 3 kHz |
船舶/航空機ナビゲーション、AM ラジオ |
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高周波 (HF) |
3 MHz ～ 30 MHz |
軍事、航空の地対空通信、海上遭難通信、AM ラジオ、アマチュア無線、短波放送 |
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超高周波数 (VHF) |
30 MHz ～ 300 MHz |
双方向緊急、FM/TV 放送、アマチュア無線 |
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超高周波数 (UHF) |
300 MHz ～ 30 GHz |
GPS、携帯電話、Wi-Fi、衛星電話、双方向無線（トランシーバー）、レーダー、テレビ放送、Bluetooth、Zigbee、長距離 |
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極超高周波数 (EHF) |
30 GHz ～ 300 GHz |
ハイバンド 5G、衛星、レーダー、科学研究、天文学 |
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超極高周波数 (THF) |
300 GHz 赤外線 |
研究開発、天文学、実験 |
この表は、一般的なタイプのワイヤレス通信を伝送する周波数を示しています。
屋内ワイヤレス・システムの種類
屋内のワイヤレス接続といえば Wi-Fi を思い浮かべるかもしれませんが、さまざまなアプリケーションやデバイスにとって複数のワイヤレス技術が不可欠です。それらはすべて異なる周波数で動作し、独自の方法で機能します。
Wi-Fi
情報通信技術 (ICT) 業界で重要とされる Wi-Fi アプリケーションは、UHF 帯の 300 MHz ～ 30 GHzの範囲に収まります。IEEE 802.11 Wi-Fi は、企業向けに導入されている主要なアプリケーションであり、Wi-Fi 5、6、6E、および 7 は、2.4、5、および 6 GHz の周波数帯で動作します。詳細については、下表をご覧ください。Wi-Fi アプリケーションのケーブル要件の詳細については、Wi-Fi 用ケーブル配線に関するページをご覧ください。
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Wi-Fi 5 |
Wi-Fi 6 |
Wi-Fi 6E |
Wi-Fi 7 |
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スタンダード |
IEEE 802.11ac |
IEEE 802.11ax |
IEEE 802.11ax |
IEEE 802.be |
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送信周波数 |
5 GHz のみ |
2.4 GHz および 5 GHz |
2.4 GHz、5 GHz、 および 6 GHz |
2.4 GHz、5 GHz、 および 6 GHz |
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最大ストリーム数 |
8 |
8 |
8 |
16 |
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ストリームあたりの最大データレート |
866 Mb/s |
1.2 Gb/s |
1.2 Gb/s |
2.9 Gb/s |
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最大理論データレート |
6.93 Gb/s |
9.61 Gb/s |
9.61 Gb/s |
46.1 Gb/s |
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標準速度 |
1.3 Gb/s |
5 Gb/s |
5 Gb/s |
18 Gb/s |
この表は、Wi-Fi カテゴリーの基準、周波数、容量を比較したものです。
RF スペクトルは限られたリソースであり、より多くのユーザーとデバイスがより大きな帯域幅を必要とするにつれて、スペクトルを最適化するための新しい革新的な方法が重要です。
各周波数帯域内に複数のチャネルが存在し、FCC は Unlicensed National Information Infrastructure (U-NII) 内で利用可能なチャネルを定義します。周波数範囲内の一部のチャネルは特定のアプリケーションに割り当てられており、Wi-Fi では使用できません。2.4 GHz 帯には 14 個のチャネルがあり、5 GHz 帯には 29 個のチャネルがあり、6 GHz 帯には 59 個のチャネルがあります。ただし、5 GHz および 6 GHz のチャネルは重複しないのに対し、2.4 GHz 帯のチャネルの多くは重複しています。これにより、干渉の可能性が高まり、伝送速度が低下します。2.4 GHz 帯域内で利用可能な 14 チャネルのうち、重複しないと見なされるのは 3 チャネルのみです。チャネル 1、6、および 11。
2.4 GHz の周波数帯内では、チャネル 1、6、11 が重複しないチャネルと見なされます。
帯域幅を増加させる方法の一つに、複数の狭いチャネルを結合して広いチャネルを形成するチャネルボンディングがあります。例えば、5 GHZ 帯域では、より小さな重複しない 20 MHz チャネルを組み合わせて、14 個の 40 MHz チャネル、7 個の 80 MHz チャネル、または 3 個の 160 MHz チャネルを作成できます。Wi-Fi 6E および 7 のために 6 GHz 周波数が開放され、59 個の重複しない 20 MHz チャネルが利用可能になることで、さらに多くのチャネルボンディングが可能となり、ユーザー数の増加と帯域幅の拡大に対応できます。これにより、29 個の 40 MHz チャネル、14 個の 80 MHz チャネル、7 個の 160 MHzチャネルが実現し、高帯域幅を必要とするユーザーをより多くサポートできるようになります。重複しないチャネルが 3 つしかない場合、2.4 GHz 帯域のチャネル結合は 1 つの 40 MHz チャネルに制限されます。
5 および 6 GHz 周波数帯域内では、チャネルボンディングを使用して帯域幅を増やすことができます。ここでは、小さな 20 MHz チャネルを組み合わせることで、数は減りますが、より大きな 40、80、および 160 MHz チャネルが形成されます。
基本的な家庭用 Wi-Fi アクセスポイント (WAP) は、限られた数のチャネルに設定されていますが、より高性能なエンタープライズ向け WAP では、さまざまな幅の異なるチャネルを設定できる機能が一般的に備わっています。ただし、すべての WAP が 160 MHz チャネル幅、または DFS チャネルとして知られる気象およびレーダー・システムとスペクトルを共有するチャネルをサポートしているわけではありません。DFS はダイナミック周波数選択の略で、レーダーの信号を検出するために WAP が監視し、検出された場合に自動的にそのチャネルからトラフィックを移動させるメカニズムを指します。DFS の規制に準拠し、WAP の認定を受ける必要を避けるために、多くのベンダーは単に DFS チャネルを提供しないという選択をしています。さらに、DFS チャネルをスキャンしてレーダーイベントを検出し、クライアントを別のチャネルに移動するのに必要な時間は、音声コールなどのリアルタイム・アプリケーションに影響を与える遅延を引き起こし、オーディオが途切れる原因となります。
Wi-Fi チャネルの可用性は地域によって異なる場合があることにご注意ください。米国では、5350 MHz および 5470 MHz (U-NII-2B) を除く、5 GHz 周波数帯域内のすべてのチャネルが利用可能です。ただし、中国やインドネシアなどの国では 5350 MHz ～ 5730 MHz のチャネルの使用を禁止する制限があり、日本では 5735 MHz ～ 5895 MHz のチャネルの使用を禁止しています。そして、米国では Wi-Fi に 6 GHz 帯域を完全に採用していますが、他の国ではその一部しか承認していません。より多くの国が高周波 6 GHz スペクトルを採用しているため、チャネルの使用規制は世界規模で進化する可能性があります。
チャネルボンディングに加えて、より大きな帯域幅を達成できるいくつかの WAP 技術があります。ビームフォーミングは、信号を集中させ、複数の送受信アンテナを介して送信する技術の 1 つです。これは、MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) 技術とも呼ばれます。アンテナに関連する信号は空間ストリームと呼ばれ、複数の空間ストリームをサポートする能力は、Wi-Fi 5、6、および 7 の機能であり、Wi-Fi 7 は 8 から 16 までの空間ストリームの数を倍増させます。
Wi-Fi を改善するもう 1 つの技術は、直交周波数分割多重アクセス (OFDMA)です。Wi-Fi 6 で導入された OFDMA は、デバイスのニーズに基づいて帯域幅をより効率的に割り当て、同時に複数のユーザーに対応する信号方式です。さらに、2.4 GHZ 動作を維持することで、Wi-Fi 6、6E、7 は低速ワイヤレス IoT センサーに 2.5 GHz の広い範囲を活用できるため、これらのデバイスが 5 GHz および 6 GHz の重複しないチャネル内の帯域幅を低下させるのを防ぎます。
一部の高度な WAP には、パフォーマンスを向上させるためにベンダー固有の機能が追加されている場合もあります。例えば、一部の WAP はチャネルの活動状況を分析し、特定のデバイスに最適なチャネルとチャネル幅を選択したり、デバイスごとにトラフィックを優先して遅延に敏感なアプリケーションに対応したりできます。
セルラー
Wi-Fi と同様に、セルラー通信は、300 MHz ～ 30 GHz EHF 範囲で動作する高帯域 5G セルラーを除き、電磁スペクトルの 30 MHz ～ 300 GHz UHF 範囲で動作します。しかし、無認可帯域内で動作する Wi-Fi とは異なり、セルラーは認可帯域内で動作しますが、この帯域は無線アクセスネットワーク (RAN) と有料サービス・プロバイダーのプランを必要とする、認可帯域でしか使用することができません。例えば、AT&T ミッドバンド 5Gは 3.45 ～ 3.55 GHzで動作し、Verizon は 3.7 ～ 3.98 GHzで動作します。シチズンのブロードバンド無線サービス (CBRS) は、FCC が米国のプライベート・モバイル・ネットワーク向けに確立した 3.55 ～ 3.7 GHzの無認可周波数帯域で動作する唯一のセルラーベースの技術です。CBRS は、プッシュ・ツー・トーク、IoT、大規模なキャンパス環境や産業サイト向けのその他のユニークなアプリケーション、またはサービスが行き届いていないコミュニティや学校にブロードバンド・サービスを提供するため、一般的な WAP の 4 倍のカバレッジを提供し、従来の 4G または 5G サービスよりも安価です。
セルラーは、Wi-Fi よりも幅広い周波数範囲で動作します。4G は 600 MHz ～ 2.5 GHz、4G LTE は 700 MHz ～ 2.7 GHz、5G は 450 MHz ～ 40 GHz で動作します。Wi-Fi と同様に、セルラー通信はチャネル・ボンディングを活用して容量と帯域幅を増やします。5G は、6 GHz 未満では 5 ～ 100 MHz、24 GHz 以上では 50～ 400 MHz の範囲のチャネル・サイズをサポートします。その幅広い動作範囲のために、5G は低、中、高の 3 つの周波数帯域に分割されています。
- • 低帯域 5G は 1 GHz 未満です。この低い周波数では、伝搬と範囲は著しく良好ですが、帯域幅は限られています。低帯域 5G は、高速道路沿いや遠隔地、農村部で全国的な広域カバレッジに最適です。
- • 中帯域 5G は通常、1～ 6 GHzの周波数で送信され、カバレッジと速度のバランスを保ちます。これは、都市部や郊外、キャンパスでの 5G モバイル接続によく使用され、最大で約 2 Gbps の速度をサポートします。
- • 高帯域 5G は 24 GHz ～ 47 GHzで動作し、短距離で最速のデータ速度と最低の遅延を提供します。高帯域 5G は伝搬が制限されているため、樹木や建物、雨や霧などの気象条件による干渉を受けやすい一方で、この周波数帯で動作するデバイスが少ないため、他のデバイスからの干渉は少なくなります。しかし、直接見通しのある高帯域 5G の展開により、20 Gbps のデータ速度に達する可能性があります。これは、高密度でターゲットを絞ったエリアや、自動運転車、産業用オートメーション、拡張および仮想現実、超高精細ビデオ・ストリーミングといったアプリケーション向けの、非常に高い信頼性と低遅延通信に理想的です。
セルラーの電波は建物内や建物間を通して届きにくいため、屋内の企業スペースでサービスを提供するには分散アンテナ・システム (DAS) が必要になることが多いです。DAS には、ビル全体に設置されたアンテナ・ノードが含まれており、セルラー・カバレッジを強化し、複数の周波数（3G、4G、LTE、5G など）をサポートできるため、複数のキャリアと共有して緊急通信に使用できます。スモールセルは屋内ワイヤレスカバレッジのもう 1 つのオプションですが、単一の周波数で単一のキャリアのみをサポートするため、柔軟性が限られます。DAS は、特に学生センター、空港、ショッピングモール、スタジアム、コンベンションセンターなどの人口の多い公共スペースで、複数のユーザーやキャリアをサポートする必要がある大規模な施設にとって、よりスケーラブルでより良い選択肢と考えられています。
DAS のケーブル配線は、システムの種類と構成に応じて、ファイバー、同軸、カテゴリー・ケーブルの組み合わせを使用します。ヘッドエンドでは、屋内用セルラーリピーターが、パッシブシステムでは同軸ケーブルを通じて、アクティブシステムではファイバーおよび/またはメタル線ケーブルを通じてセルラー信号を各ノードに分配します。パッシブ同軸システムは、同軸ケーブルがアンテナとして機能する小規模な設置で使用されますが、最も強力な信号を提供しません。アクティブシステムは、大規模なビルに最適で、Wi-Fi 展開のようにリピーターとアクティブノード間で光ファイバーおよびメタル線カテゴリーのケーブルを使用します。DAS はハイブリッド型も可能で、光ファイバーケーブルでリモート無線ユニット (RRU) に接続し、そこから同軸ケーブルを通じてパッシブアンテナへ信号を分配します。
低速ワイヤレス
企業向けの屋内無線技術には、Wi-Fi やセルラー DAS だけでなく、他の技術も利用されています。さまざまな短距離、低速のワイヤレス技術が、さまざまなアプリケーションで使用されています。2.4 GHz 範囲で動作する Bluetooth 技術は、スマートフォンやワイヤレス・ヘッドセット、スピーカー、マウスやキーボードなどの周辺機器など、デバイス間の日常的な通信に使用されます。また、アクセス制御、ゲーム機、IoT センサー、リアルタイム位置情報システムにも使用されます。Bluetooth は、クラス 1、クラス 2、およびクラス 3のデバイスで提供されます。クラス 1 は 100 mWで通信し、100メートルの範囲をカバーします。クラス 2 は2.5 mWで10メートルの範囲をカバーし、クラス 3 は 1 mW で 10メートル未満の範囲をカバーし、速度は毎秒700キロバイト (Kb/s) から毎秒50メガビット (Mb/s) にわたります。
同様の短距離、低速技術には Zigbee と Z-Wave があります。Zigbee は 2.4 GHz帯で約 20 メートルの範囲をカバーし、最大 250 Kb/sの速度で通信します。一方、Z-Wave は干渉が少ない 800 ～ 900 MHz 帯で動作し、約 100 メートルの範囲をカバーしますが、通信速度は最大 100 Kb/sと低めです。Zigbee と Z-Wave の両方が中央ハブを使用し、複数のデバイス間のホップをサポートできます。これらの 2 つのテクノロジーは、主にスマート・メータリング、ビル・オートメーション、煙探知機、その他のスマート IoT センサーに使用されていますが、Zigbee は幅広いデバイスでより簡単に利用できます。企業がIoTセンサーを活用して、占有状況や空気質のモニタリング、混雑管理、漏洩検知などのアプリケーションを増やす中で、Zigbee 技術を統合したワイヤレス・アクセス・ポイント (WAP) を提供するベンダーが増えています。RFID 技術は、低周波数（30～ 300KHz）、高周波数（3～ 30 MHz）、超高周波数（300 MHz～ 3 GHz）で動作する短距離、低速ワイヤレス技術とも考えられています。RFID は主に小売在庫管理、資産追跡、アクセス制御、モバイル決済に使用されます。
長距離、低消費電力のワイヤレス技術は、超低速のバッテリー駆動の IoT デバイスやセンサーから、はるかに長い距離にわたってデータを収集するためにも利用できます。通常、これらの技術は非常に低い周波数で動作し、優れた伝搬と最大約 1 Mb/秒のサポート速度を実現します。LoRa はその一例で、米国では 915 MHz 帯、ヨーロッパでは 868 MHz 帯で動作する技術です。LoRa は都市部で最大約 4.8 km（3 マイル）、農村部では最大約 16 km（10 マイル）に到達可能です。ただし、見通しの良い農村部で非常に低速の通信を行う場合、さらに遠距離まで届くこともあります。LoRa は、スマート・キャンパスや都市アプリケーション、スマート農業、健康ウェアラブル、フリート・モニタリングなどの大規模な IoT 展開に最適です。ワイヤレスでデータを受信し、既存の有線ネットワーク経由で転送するゲートウェイを使用します。また、同様の IoT ユースケースをサポートするように設計されたNarrowband IoT (NB-IoT) や LTE-M などのセルラーベースの長距離、低消費電力ワイヤレス技術もありますが、バックホールとしてセルラーサービスを使用します。
