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第371回 無線LANの電波環境を視覚化・改善しよう

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今月発売されたSoftware Design 2015年5月号のUbuntu Monthly Reportでは,あわしろいくやさんが「Ubuntu 14.04で使用できるUSB無線LANアダプター7選」を書いてくれています。そこで今回はより快適な無線LAN環境を構築する上では避けては通れない電波環境の調査(サイトサーベイ)の方法について説明します。

この世はすべて波だらけ

無線LANは無線通信で構築したローカルエリアネットワークです。使用する無線通信はBluetoothや赤外線などいろいろな種類が存在しますが,そのうちWi-FiロゴのついたIEEE 802.11規格対応の機器を使用する無線通信が一般的でしょう。今回の記事も,IEEE 802.11に限定して説明します。

IEEE 802.11は主に2.4GHz帯と5GHz帯の電波を利用した通信方式であり,使用する周波数や通信方式,それに伴うデータレートの違いなどによっていくつかの種類に分かれています。802.11acや802.11nなど数字の後ろにある文字がこの種類に該当します。

2.4GHz帯は2.400GHzから2.500GHzまでを,5GHz帯はおおよそ5.1GHzから5.8GHzあたりまでを利用します。と言っても1つのクライアントがこの周波数帯を常に使用するわけではなく,周波数帯を一定間隔で「チャンネル」に細分化し,アクセスポイントごとに使用するチャンネルを決めます。これにより異なるアクセスポイントが近い場所にあったとしても,干渉することなく通信ができるのです。

チャンネル幅は,802.11bが22MHz,802.11a/g/n/acは20MHzとなっています。さらに802.11n/acは,チャンネルボンディングという仕組みで複数のチャンネルを同時に使用することで40MHzや80MHzといったより広帯域な(=より高速な)チャンネルを利用できます。

チャンネル番号は5MHzずつずらして割り当てられています。それに対してチャンネル幅は20MHz/22MHzなので,4チャンネルないし5チャンネルずらさないと干渉してしまいます。たとえば2.4GHzにおいて20MHz幅だとch1(中心周波数2.412GHz)は2.402GHzから2.422GHzを使用します。これと干渉しないチャンネルとなると,20MHz(=5MHz×4ch)ずれた2.422GHzから2.442GHzを使用するch5ないしそれ以上離れたチャンネルである必要があるということです注1)⁠

注1)
実際は802.11bのことも考えて,4チャンネルではなく5チャンネル離すほうが一般的です。

2.4GHz帯は802.11bの場合14チャンネル,802.11g/nの場合13チャンネル存在しますので,5チャンネルずつ離すとなると,現実的に同時に利用できるのは最大3チャンネルということになります。

5GHz帯の場合,元から利用可能なチャンネルが4チャンネルずつ離れたチャンネルに限定されています(たとえばch36,40,44と言った具合)⁠また利用できる周波数帯が広いため,最新の機器であれば19チャンネル利用できます。

電波が干渉する要因

802.11で利用している電波は,距離や障害物,他の電磁波との干渉によって減衰します。減衰すると,相対的にノイズの割合は大きくなり,充分に性能を発揮できなくなったり,最悪の場合は通信が途絶します。

電波は周波数が高くなると直進性が上がり,水分による吸収率が上がる性質を持っています。直進性があがると言うことは障害物を避けずにまっすぐ進む(回折しづらくなる)と言うことであり,障害物の向こう側に電波が届きにくくなるということです。水分による吸収率が上がると言うことは,空気中の水分によって減衰しやすくなるため,距離が遠くなるほど信号強度は落ちて行きます。このため,障害物の多い室内では,5GHzよりも2.4GHzの方が電波は届きやすくなります。

ところが2.4GHz帯はISMバンドと呼ばれる国際的に無線通信以外にも利用して良い帯域の一部です。このため各種高周波装置によって干渉を受ける可能性があります。たとえば2.4GHzを使う802.11b/g/nは電子レンジと干渉することはよく知られています。5GHz帯にしても気象レーダーとの干渉防止のために,自動的なチャンネル変更機能などが義務付けられています。

Wi-Fiルーターも普及した結果,Wi-Fiルーター同士の干渉も無視できなくなっています。2.4GHzは同時に3チャンネルしか使用できないという話をしました。2.4GHzであれば屋内でも数十メートルぐらいは充分に通信可能な信号強度で電波が到達するため,この区間内部に4つ以上のWi-Fiルーターがあると干渉を起こしてしまうということになります。

802.11n/acなどは複数のチャンネルを同時に利用することでデータレートを上げられる仕組みが存在しますが,複数のWi-Fiルーターが存在する結果,使用できるチャンネルが限られているために,充分な性能を発揮できないと言うことも起こりえます。

このように複数の要因が複雑に絡み合っているため,個々の無線LAN環境の改善には現地における電波環境の調査が必須なのです。本格的に実施するにはそれなりの機材が必要ですが,今回はごく普通の無線LANアダプターとUbuntuでインストールできるソフトウェアを利用して,簡易的に調べてみることにしましょう。

著者プロフィール

柴田充也(しばたみつや)

Ubuntu Japanese Team Member。数年前にLaunchpad上でStellariumの翻訳をしたことがきっかけで,Ubuntuの翻訳にも関わるようになりました。

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