今や、日常の無線LAN利用においては、電波のことなど意識せずとも簡単に使える時代です。しかし、カンファレンスネットワークでは、その特性上、電波のことを理解していないと、快適な無線LAN環境は構築できません。本章では、電波について少しだけ知ることによって、より良い無線LAN環境を作れるようになることをめざします。

無線LANが遅くなるのはどうして？

無線LAN（IEEE802.11）は、快適なときは有線接続と比較しても遜色なく通信できますが、遅くなったり、通信が切断されたりすることもしばしばあります。有線は非常に安定しているのに、どうして無線LANは不安定になるのでしょうか。原因として次の2点が考えられます。

① 電波の強度と通信速度

無線LANの親機であるアクセスポイント（AP）が遠くて、電波が弱い。ノイズが多い

② 無線LANの混雑

多くの端末が使っていて、無線が混雑している

これらは、互いにあまり関係なく独立して起こる事象です。ほかにユーザはいないけれどAPが遠い。APは近くにあるけれど混雑している。APが遠くにあって、なおかつ混雑している。一般家庭で問題になるのは①のケースが多く、クライアントが高密度なカンファレンスネットワークでは②が問題になります。この2点についてそれぞれ考えてみましょう。

パソコンやスマートフォンなどの端末では、画面上のアイコンなどによってAPの電波強度を大まかに知ることができます。混雑しているかどうかを調べるにはアイコンだけではわからないため、若干難しくなります。

①電波の強度と通信速度

有線LANでは、ケーブルの長さが規格内であればリンク速度は一定で実用速度もほぼ一定です。これに対し、無線LANは電波強度（≒距離）やノイズによって端末ごとにデータレート（伝送速度）をリアルタイムに変更するしくみになっています。これは、データレートが遅ければ遅いほど通信状況の悪化に対して耐性があるためです。周囲の状況に応じて最適な速度に調整されます（図1⁠）⁠。

意外なことに、周囲の電波状況が理想的であることは、まれです。問題なく使えていても、多くの場合、何かしら悪い状況があるものです。無線LANは通信状況の悪化を前提とした規格であり、それをリカバリできるようなしくみを持っています。これは、伝送媒体が空間そのものであることに起因します。空間に何が存在するかわかりませんし、不要なものもどんどん入ってきてしまいます。ケーブルという伝送媒体の品質が一定水準以上であることを前提としているイーサネットとは、大きな違いがありますね。

電波強度が非常に強ければ、多少のノイズは無視できます。無線LANの干渉源として有名なものに電子レンジがありますが、APと端末をものすごく近くすることで、相対的に電子レンジをないものとして考えることができます（現実的な解決法ではありませんが⁠）⁠。また、干渉源を減らすことで、無線LANの電波強度を上げたのと同じ効果があります。

OS Xでは［Option］キーを押しながらWi-Fiアイコンをクリックすると、現在のデータレートを確認できます（図2⁠）⁠。押すごとに目まぐるしく変化しているのが確認できる場合も、あるかもしれませんね。

②無線LANの混雑

無線通信は、ある瞬間の空間を占有して行います。複数の端末が同時に通信しているように見えますが、実際には、さまざまな方法でリソースを分割して通信を実現しています。有線LANであるイーサネット（IEEE 802.3）も同様ですが、無線LANには無線ならではのリソース共有の難しさがあります（表1⁠）⁠。

イーサネットでは、たとえばアップリンク1Gbpsのスイッチに収容できる端末の合計スループットは、余程のことがない限り大まかに1Gbpsであろうと予測できます。しかし、無線LANの場合は電波状況が理想的ではないことが多く、性能が予測しづらくなります。これはおもに、空間の状況が多様であることと、半二重であることによります。

ここでは、非常に単純化したモデルとして、1つの無線LANチャネルを5台の端末で共有して利用することを考えます。時間で区切って、それぞれの端末が順にデータを転送しますが、ある一瞬に注目すれば特定の端末とAPが1対1でチャネルを占有しています（図3⁠）⁠。

実際には、占有時間は通信内容によってまちまちです（図4⁠）⁠。無線LAN独自の制御フレームのため、転送すべきデータがなくとも通信が発生することもあります。

細かい手続きはいったん無視し、仮に図3のように5台の端末が100KBずつ同じ54Mbpsのデータレートで計500KB転送することを考えます。どの端末も同じ時間で転送が終了しました（めでたしめでたし⁠）⁠。ところが、次にまた同じデータを転送しようとしたら、特定の端末が遠くへ行ってしまったために通信状況が悪化し、データレートが2Mbpsに下がりました。同じく100KBずつ転送を行います（図5⁠）⁠。

5台の端末が同じ100KBを転送したのですが、1台の端末のデータレートが遅いだけで全体の時間リソースが5倍ほど無駄になってしまいました。

図5での時間は、当然ながら有限です。データレートの遅い端末が1台あるだけで、そのチャネルに収容できる端末数が大幅に低下します。

通信速度の遅い端末が全体の能力を低下させる

遅い端末の存在は、空間全体の足を引っ張ることになります。無線LANでは制御も同一空間で行いますので、ここが輻輳（ふくそう）してしまうと制御も正常に行えなくなり、不安定になったり切断されたりすることになります。共有された空間において遅いデータレートは悪、とも言えます。

APによっては、遅いデータレートを禁止する機能を持ったものがあります。これを利用すれば利用効率の向上を図れます。

しかし、通信速度は電波状況によってリアルタイムに変化しています。速いデータレートほど通信状況の悪化に対して耐性が弱いため、遅いデータレートを禁止すると今度は少しの電波状況の悪化でも頻繁に切断されてしまうことになります。

APをたくさん設置すれば良いというものではない

APをたくさん設置して電波状況が悪化しないようにすれば良い、確かにそのとおりです。しかし次に、同じチャネルを使っているAP同士が干渉するという問題が出てきます。結局、「⁠チャネル×空間」を共有している限り、干渉してしまうのです。

先ほどから述べている「時間と空間の共有」という考え方については、まだ直感的にピンときていないのではないでしょうか。次節にて電波の特性を整理しながら、もう少し詳しく解説していきます。

そもそも電波って何

電波は目に見えませんし、耳にも聞こえません。光よりも周波数の低い電磁波であり、広い意味では光の仲間です（図6⁠）⁠。人間の可聴域から超音波に近いような非常に低い周波数の電波まで広く利用されていますが、電磁波と音の弾性波は別のものですので、人間が直接聞くことはできません。

電波は周波数によって特性が変わります。周波数の高低どちらかが高性能である、ということはなく、それぞれに特徴があります（図7⁠）⁠。光に近い高い周波数では光と似たような伝搬特性となり、逆に低い周波数では、ものを貫通したり、地面を這ったり、電離層反射など複雑な伝搬をします。

無線LANで利用されている周波数帯は比較的高いため、どちらかと言えば光に近い伝搬特性であると言えます。光と同様に、反射、屈折、回折することもあります。

電波特有の性質としては、導体や水分をほぼ貫通しない、石やコンクリートも貫通しにくい、ガラスなどは貫通する、導体が近くに存在すると相互作用を起こしてしまう、などがあります。人体は水分をかなり含んでいるため、誰もいないホールと満席のホールとでは状況がかなり変わることがあります。カンファレンスネットワークにおいては、無線LANの状況は本番になってみないとわからないことがしばしばあります。

光に見立てて考えてみる

無線LANの周波数は比較的高いため、伝搬特性は光に似てきます。とはいえ、およそ光であると言えるほど似ているわけではありません。これは見えない電波をイメージするための喩（たと）えです。

APからの電波は裸電球だとします。電波は四方八方へ、球状に発射されていきます。無線LANで言えば、完全無指向性のアンテナです（図8⁠）⁠。

電波の効率を考えると、カサがあったほうが良いでしょう。利用したい方向へ反射させて強めることができます。不要な方向へ発射している電波は、ほかの無線の干渉源になりますから、やはりカサで遮ると良いでしょう。無線LANで言えば、このカサは指向性を持ったアンテナです（図9⁠）⁠。天井に取り付けるタイプのAPに内蔵されたアンテナでは、このような特性を持っているものが多くみられます。

使用したい場所が決まっているのなら、スポットにするのが一番です。電波を非常に強くできますし、干渉も大幅に改善できます。無線LANで言えば、非常に強い指向性を持った八木アンテナまたはパラボラアンテナです（図10⁠）⁠。ビル間接続や、非常に高密度かつ小さなセル分割が要求されるスタジアムなどで利用されます。無線LANではあまり一般的なアンテナではありません。

アンテナを床などの低いところに設置してしまうと物陰ができ、通信が不安定な個所が多く発生します（図11⁠）⁠。

やはり、シーリングライトのように天井にAPを設置するのが理想的です（図12⁠）⁠。

電球のワット数が送信電力だとすれば、電球の周りにあるカサやスポット装置はアンテナです。カサやアンテナ自体には、電球自体を明るくする効果はありません。できることは、四方八方に散らばってしまうパワーを一定の方向へまとめることだけです。狭い範囲へまとめるほど、結果として強力な電波になり、受信感度も高くなります。

複数の光源が混ざってしまう

図13のように、同じ色の照明が複数ある場合を考えてみます。これは困りました。それぞれ違う色であれば良かったのですが、同じ色では区別できなくなります。無線LANでも、1つのチャネルに複数のAPがあると干渉が起きます。光や電波が届かないほど遠いところへ行ってしまえば、または周波数（チャネルまたは光の色）が違えば、この干渉は起きません。電磁波の周波数と、それが到達できる空間の大きさが、端末を収容できる空間の単位（セル）となります。

「時間と空間の共有」とは

このセル内を何らかの電波が常時送信されている状態を利用率（デューティー比）100％とし、実運用では、これが100％に達することのないようにします。

• ① チャネル×空間あたりの時間は、図14のイメージのようにチャネルに存在する全端末で共有されている

  

• ② 何らかの電波が送信されている時間（デューティー比）が図15のように100％に近づくにつれ衝突などでエラーが増えてくる

  

• ③ 図16のように通信状況の悪化のためデータレートを下げる端末が増えてきて、利用効 率が急激に悪化

  

• ④ 通信状態が悪化するとエラーのため再送が起こり、さらにデューティー比が悪化する→破滅！

つまり、1つのチャネルを共有している限り、同じところにAPをいくら増設しても改善されません。ボトルネックは伝送媒体である空間そのものであるためです。高密度な無線LANではこの「チャネル×空間」をいかに分割していくかが重要になります。

カンファレンスネットワークでの構築ポイント

空間の分割

1つのチャネルやAPでカバーしている範囲に多くの端末が存在してしまうと、必然的に輻輳が起こります。チャネルあたりに収容できる合計スループットの上限はデータレートで決まります。事前に高密度になることがわかっているエリアは、カバーする範囲を狭くして、遠くまで電波が届かないようにして、収容する端末が多くなり過ぎないようにします。狭くなったカバレッジはAPを増やすことで解決します。

図17では、同じ部屋をそれぞれ3個、8個に分割する案です。仮に、1つのチャネルで端末を30台収容できると仮定すると、それぞれ90台、240台の端末が収容できることになります。

ここで問題になるのが、電波の飛び過ぎです。5GHz帯はチャネル数に余裕があるため多少飛び過ぎたとしても大きな問題にはなりませんが、2.4GHz帯には同時に利用できるのは3チャネルしかありません。1つの会場で同じチャネルを重複して使わざるを得ないことがあります。セルを小さく分割するには電波を遠くへ飛ばないようにする必要があります。スポットライトのように指向性の鋭いアンテナを高いところに設置し、細かく空間を分けていくのが理想ですが、一時的なカンファレンス無線ではそのような設置はとても望めませんし、アンテナも高価です。さて、どうすれば良いでしょうか。可能な範囲でできることを検討してみましょう。

一般家庭での無線LANでは遠くまで飛ぶのは良いことですが、カンファレンスネットワークでは逆にもっとも厄介な問題となります。

電波の飛びをコントロールするには、表2のような手法があります。

この中で、電波の飛び自体をもっともコントロールしやすいのはAPの設置位置です。低くすると、人体や各設備その他のさまざまなものに遮られ、遠くまで飛びにくくなり、遠くのノイズも拾いにくくなります。

エンタープライズ向けAPでは、データレートを制限できる機種があります。前述のとおり、データレートが遅いほど、弱い電波でも通信可能になります。これを逆手に取って、遅いデータレートを拒否することによって、弱い電波での通信をできないようにします。

送信出力はもっともわかりやすい手法ですが、ほかの2つと比較してコントロールしづらい印象があります。近距離の条件まで悪化しやすいのと、受信感度はそのままという問題があります注3。

譜面台の利用

CONBUでは、次のような理由から、APを設置するのに譜面台を利用しています（写真1⁠）⁠。

• 高さ、角度などを簡単に調整できる
• 会場に備品として用意されていることが多い（購入しても安価）
• 椅子などと違い、来場者に間違えられて座られる恐れがない
• SSIDなどの来場者向け情報を紙で貼り付けやすい

カンファレンスネットワークでは、事前に念入りな調査や無線設計ができることはほとんどないため、本番時に高さなどを簡単に調整できるものだと便利です。

ローミング

1つのSSIDで複数のAPを設置すると、端末はもっとも近くて電波状況の良さそうなAPを自動的に選んで接続します。端末が物理的に移動するなど、電波状況の変化により別のAPのほうが良くなると、切断されることなく自動的に接続先を変えます。端末からは1つのSSIDに見えるため、端末利用者が意識する必要はありません。

データレート制限

無線LANは電波状況に応じてリアルタイムにデータレートを変化させていますが、これを制限できるAPもあります（図18⁠）⁠。データレートが遅いほど、弱い電波でも通信可能になります（データレートが半減するたびに信頼性が約30％向上する⁠）⁠。これを逆手に取り、遅いデータレートを拒否することによって、弱い電波での通信をできないようにさせ、早めにローミングを行わせます。チャネルの利用効率の観点からも、遅いデータレートの端末が存在することは良いことではないため、この設定はたいへん重要です。

APが定期的にSSIDなどの情報をのせて放送しているビーコンは、最も遅いMandatory （⁠Required）データレートで送信されます。ビーコンを速いレートで送信すると遠くの端末はAPの存在を検知できなくなり、遅めで送信すると遠くの端末からも見つかるようになります。

これを利用すると、メインホールなどの高密度な場所では速いレート、ホワイエなど来場者がゆったりと歓談する場所では遅いレートで送信することで、メインホールのカバレッジを狭く、ホワイエのカバレッジを広くコントロールできます。もちろん、この場合はホワイエが満員電車のように高密度になるとつながらなくなってしまいます。ですので、そこはカンファレンスやパーティの参加者になったつもりで、「⁠ここではちょっと休憩するのに良いな」とか、「⁠ここは知人と待ち合わせするのに良さそうだな」とか、そのようなことを想像しながらAPの配置と台数、データレートや送信出力を決めていきます。慣れれば、予想を大きく外さなくなってくると思います。自身もまた、カンファレンスの来場者なのですから。

カンファレンスネットワークの実際

図19は、あるAPに接続されたクライアントとそのデータレートの推移です。図18で設定しているように、24Mbps以下での接続を拒否しています。わずかに36Mbpsに下がっている端末もあります。

このときは約40台の端末が接続されている状況でしたが、AirMagnet[4]で測定してみると、チャネル全体の約62％がデータレート54Mbpsで転送されており、全体のチャネル利用率（≒デューティー比）も40％程度と正常です（図20⁠）⁠。この瞬間のチャネル全体のスループットは約17Mbpsで、カンファレンスネットワークにおいては十分といって良いと思います。

もし、遅いデータレートの通信がこのチャネルに存在するとどうなるでしょうか。利用率を圧迫し、チャネル全体の状況が悪化する可能性があります。図21のような悪いケースでは、トラヒックの99％以上がデータレート1Mbpsになっており、チャネル利用率が60％を超えているにもかかわらず、チャネル全体のスループットは0.7Mbps程度しか出せていません。チャネル利用率が高まると衝突などでエラーが起きやすくなり、エラーは再送やデータレートの低下を招き、さらなるチャネル利用率の悪化となります。結果として、つながらない無線LANになってしまいます。

設置するAPにて遅いデータレートを禁止できたとしても、来場者が持ち込むポータブル無線LANルータなどは遅いデータレートでの通信を行って悪影響を及ぼすことがあります。そのため、電源を切っていただくなどの来場者の協力が重要になります。

ポータブル無線LANルータは通信を行っていなくても、SSIDなどの情報を遅いデータレートで常時送信していることも多く、台数が多いと問題になることがあります。また、来場者が会場間を移動するなどしてカンファレンス無線が圏外になると、意識せずとも端末がポータブル無線LANルータに接続されます。そのままの状態でカンファレンス会場に移動してきてしまうケースもあります。

APの配置

APは、無線的に必ずしも理想的な配置にできないことも多々あります。来場者の近くに設置することが多いため、倒れたりひっかけたりするなどの事故が起こらない配置が求められます。来場者が横切るようなケーブルの敷設は可能な限り避け、やむを得ず行う場合は十分な養生が必要です。ケーブルの養生は時間のかかる工程ですが、超短時間で構築を完了させるカンファレンス無線では、養生の工数を考慮してAPの配置を変えることもあります。

イーサネットケーブルを通じて電源を供給するPower Over Ethernet（PoE）も多く利用しています。スイッチからAPに1本のケーブルで、ネットワークと電源を同時に供給できるため、APを設置する個所には電源がなくても良くなり、APの配置の自由度を高められます。また、機材の総数が減らせるのも大きなメリットです。APごとに電源アダプタやACケーブルやタップなどを用意していると、構築時間もさることながら機材管理の工数が大きくなります。

家庭用APでも構築できる？

エンタープライズ向けの機材を使わなくても、どこでも安価に手に入る機材で、誰もが簡単にカンファレンスネットワーク向けの高密度無線LANを構築できるようにするのが、CONBUの目標の1つです。

エンタープライズ向けAPにある管理機能やVLAN対応なども重要ですが、もっとも必要 なのはデータレート制限です。便利な管理機能などなくても動作はしますが、遅いデータレートの拒否ができなければ、高密度な無線LANは構築不可能です。逆に言えば、家庭用APでも遅いデータレートを拒否できる機種であれば活用できるかもしれません。

そのような機種は、筆者の知る限り国内では市販されていません。もしご存じの方がいらっしゃいましたら、ぜひとも教えていただきたく思います。

まとめ

本章で述べてきたカンファレンスネットワークを構築する際のポイントをまとめます。

• 無線LANの電波は光に似た伝搬特性がある
• 空間が常時、電波でいっぱいにならないようにする
• データレート制限が必要不可欠
• 安全第一、構築時間優先
• 譜面台は便利

もし勉強会やイベントなどで自分たちで無線ネットワークを構築するようなことがあれば、これらの点を参考に実施してみてください。