第5回 最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信 ~実験的検討に挑戦!どこのメーカも具体的に示していない無線LAN製品におけるダイバーシチ受信の性能状況 その5~

ビジネス推進本部 第1応用技術部
スイッチワイヤレスチーム
松戸 孝

本コラムは、どこのメーカも具体的に示していない無線LANアクセスポイント製品のダイバーシチ受信の性能状況を試行錯誤して実験的に検討した挑戦記の第5回です。前回の第4回では、無線LANの製品や技術の理解を助けてくれる便利な単位「dB(デシベル)」を、極力、わかりやすくなるような解説に挑戦しました。そして、第2回と第3回では、無線LAN通信の受信性能の理想を追求するための技の1つとして、無線LAN通信の親局である無線LANアクセスポイント(以下APと記載します)や子局である無線LANクライアント端末(以下CLと記載します)の受信装置系に具備されているマルチパスフェージング対策の技である「選択ダイバーシチ受信」について、その性能状況を実験的に明らかにしました。
今回の第5回では、IEEE802.11abg規約時代の無線LAN製品に採用された「選択ダイバーシチ受信」から進化したIEEE802.11n規約時代以降の無線LAN製品に採用された「最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信」について、その性能状況を実験的に明らかにしていきます。

連載インデックス

(1)最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信とは?

安定して快適な無線LAN通信を実現するためには、APやCLの受信装置系における受信電力と雑音電力の比であるSN比(以下SNRと記載します)の劣化を引き起こすマルチパスフェージングへの対策が必要になります。その対策として複数の受信アンテナを電波強度(受信電力やSNR)の変動が無相関になる程度に離して置き、電波強度が最も高い受信アンテナを選択し、切り替えて使う方法である「選択ダイバーシチ受信」が、実装する場合の構成が簡単なのでIEEE802.11abg規約時代の無線LAN製品に実装されていました。その後、IEEE802.11n規約時代になると、マルチパスフェージングへの対策は、複数の受信アンテナからの出力を、うまく合成する受信技術である「最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信」の採用へ進化しました。そして、さらに進化したIEEE802.11ac規約時代になっても、「最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信」が採用され続けています。図1は、2本の受信アンテナがある場合の最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信の概念図です。
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図1. 最大比合成(Maximal Ratio Combining: MRC)ダイバーシチ受信の概念図

最大比合成ダイバーシチ受信は、各受信アンテナで受信した電波の振幅と位相の両方を調整して合成するときに最大のSNRとなるように合成出力を得る方法です。最大比合成ダイバーシチ受信は、選択ダイバーシチ受信よりは原理のうえで良好な特性を得ることができますが、回路構成が複雑になりコスト増加にもなるので、IEEE802.11abg規約時代の無線LAN製品では実装がされていませんでした。しかしながらIEEE802.11n規約対応の無線LAN製品が登場すると、最大比合成ダイバーシチ受信が実装されだしました。
IEEE802.11n規約は一台のAPやCLで複数の送受信するアンテナ(含む関連装置)を実装して、伝送する周波数帯域幅を一定に保ちながらも、空間的に送受信する伝送路(ストリーム)を多重化する(MIMO:Multiple Input Multiple Output)技術で高速伝送を実現しています。IEEE802.11n規約対応の無線LAN製品では、このMIMO技術が基本であり、一台のAPやCLで複数の送受信するアンテナの実装も基本となっているので、複数の受信アンテナによる最大比合成ダイバーシチ受信を実現しやすい状況に進化しました。特にIEEE802.11n規約対応のAPは、AP本体がある程度の大きさを有しているので波長程度以上のアンテナ間隔を確保して複数のアンテナを実装しやすい、また商用電源による連続稼働も可能なので電力消費する複数の送受信装置も実装しやすい状況です。従って、IEEE802.11n規約対応のAPは、2本から4本のアンテナ数を用いた最大比合成ダイバーシチ受信を実装した製品が一般的になりました。例えば、IEEE802.11n規約対応のシスコシステムズ社製のAPのCAP3602Eにも、最大比合成ダイバーシチ受信が実装されています。CAP3602Eは、アンテナコネクタをDual-band (2.4GHz帯と5GHz帯)対応として4個具備していて、Dual-band (2.4GHz帯と5GHz帯)対応アンテナを利用することにより、2.4GHz帯(11bgn)向け受信用にアンテナが4本、及び5GHz帯(11an)向け受信用にもアンテナが4本、各々実装されていて、最大比合成ダイバーシチ受信が動作しています。

(2)実験で確認した無線LANのAP製品の最大比合成ダイバーシチ受信の性能状況

図2は、屋内の事務所のフロア環境において実験によって測定されたマルチパスフェージングの状況下における、選択ダイバ―シチ受信のSNRと最大比合成ダイバーシチ受信のSNRです。同図の上段には2本のアンテナによる選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRを(これは本コラムの第2回の図2の下段と同じ測定データです)、同図の下段には4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNRを、各々示しています。
なお、複数の受信アンテナを使う選択ダイバ―シチ受信や最大比合成ダイバーシチ受信では、原理的には受信アンテナの数が多いほど性能が良くなります。それゆえ、図2のように受信アンテナ数の違いがある状況で、選択ダイバ―シチ受信(受信アンテナ数が2本)の性能と最大比合成ダイバーシチ受信(受信アンテナ数が4本)の性能を比較することは、厳密な技術的視点では、不公平です。しかしながら、市販されている無線LAN製品を利活用する立場の視点からは、納得できる有意義な比較です。その理由は、例えば、APとCLの数が多くなる傾向のある各種組織等において安定して快適な無線LAN通信を実現するためには、IEEE802.11abg規約時代では必然的に最大のアンテナ数が2本であるAP製品を採用することになり、また、その後のIEEE802.11n規約時代では必然的に最大のアンテナ数が4本であるAP製品を採用することになるからです。それゆえ、本コラムの今回の図2と、その後の各図の趣旨は、上述した市販されている無線LAN製品を利活用する立場の視点からの選択ダイバ―シチ受信(IEEE802.11abg規約対応のシスコシステムズ社製のAP製品のLAP1242AG)と最大比合成ダイバーシチ受信(IEEE802.11n規約対応のシスコシステムズ社製のAP製品のCAP3602E)の性能比較になります。
実験方法の概要は、本コラムの第1回の図1の場合と同様です。送信部のAP(送信アンテナは1本、水平面内無指向性)は、5GHz 帯無線LAN のチャネル番号60(中心周波数 5,300MHz)のIEEE802.11a規約の電波でビーコン(APとの通信に必要になる様々な基本情報)を 20ミリ秒間隔で連続的に送信しています。図2は、送信部のAPから11.7m離れた距離における受信部(APを電波は送信しない受信専用装置として動作、水平面内無指向性の受信アンテナが2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信の場合と、同アンテナが4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチ受信の場合)で測定したSNRです。受信部は台車の上に載せてあり、SNRの測定中は、人がその台車を(つまり受信部を)概ね一定の速度でゆっくりと水平移動させています(約10秒間かけて2.28mの距離を移動、移動方向は送信部と受信部を結ぶ軸線に直角方向)。受信部は、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信の場合も、4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチ受信の場合も、同じ測定経路を台車に載せて移動させています。
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図2. 2本のアンテナによる選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRと4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNR

図2からは、次のことがわかります。
①台車がゆっくり移動して、つまり受信部の位置が移動すると、その位置変化に伴い、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信の場合も、4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチ受信の場合も、受信電力と雑音電力の比であるSNRは、変動しています。
⇒受信部の移動による空間的変化に伴い、マルチパスフェージングが発生していると理解できます。
②SNRの変動幅は、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信に比べて、4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチ受信のほうが、明らかに小さくなっています。
⇒ここで、本コラムの第3回を思い出して、図2に示されたSNRの測定データを、頻度分布と累積確率分布として表現してみます。

図2の測定データを視点を変えて、横軸をSNR、縦軸を各SNRの値の受信回数としたグラフに表現しなおしたのが図3のSNRの頻度分布です。同図の破線は2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの頻度分布(SNRのデータ総数は489個)、同図の実線は4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの頻度分布(SNRのデータ総数は489個)を、各々示しています。

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図3. 2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの頻度分布(破線、SNRのデータ総数は489個)と、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの頻度分布(実線、SNRのデータ総数は489個)

図3からは、次のことがわかります。
①SNRの頻度分布は概ね山の形になっているが、2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定した頻度分布の山の形(破線)は、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定した頻度分布の山の形(実線)より、SNRの小さい側へ広がっている。
⇒SNRの変動幅の違いが明確にわかります。2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチ受信では、約22dBのSNRの変動幅ですが、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信では、約12dBのSNRの変動幅に減少しています。約22dB-約12dB=約10dB=約10倍という意味ですから、選択ダイバーシチ受信の場合より最大比合成ダイバーシチ受信の場合のほうが、SNRの変動幅が約10分の1に減少しています(もしも単位dBについて、違和感を感じたら、本コラムの第4回を復習してみてください!)。2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチ受信に比べて、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信のほうがSNRの劣化が小さく、かつ、より安定したSNRを得られていると理解できます。

図4は、図3のSNRの頻度分布を基礎にして、横軸をSNR、縦軸をSNRの最小値から各SNRまでの累積受信回数をSNRのデータ総数(489個)で割り算して百分率の累積確率として表現したグラフです。つまり図4は、SNRの累積確率分布です。同図の×印は2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの累積確率分布(SNRのデータ総数は489個)、同図の◆印は4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの累積確率分布(SNRのデータ総数は489個)を、各々示しています。
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図4. 2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの累積確率分布(×印)と、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNRの累積確率分布(◆印)。累積確率100%=SNRのデータ総数489個のとき

図4からは、次のことがわかります。
①累積確率が概ね50%程度未満においては、SNRが約45dB未満の小さくなる状況ですが、2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNR(×印)より、4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNR(◆印)のほうが大きいです。例えば、累積確率1%のSNRに着目すると、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信に比べて、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチによる受信のほうが、約6dB大きくなっています(これは、約4倍大きいという意味です)。
⇒累積確率が100%とは、SNRのデータ総数489個のときであり、また、そのSNRの各データは測定した区間の長さの2.28m内に、ほぼ均等に存在しています。それゆえ、累積確率が概ね50%程度未満におけるSNRとは、2.28mの区間内の約50%(=100-約50(%))を占める場所内のどこかにおいて測定されたSNRと同じです。従って、SNRを測定した2.28mの区間内の50%を占める場所においては、SNRが約45dB未満の小さくなる状況ですが、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信に対して、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信によってSNRの改善があると理解できます。その改善効果は、即ち、ダイバーシチ利得は、例えば、SNRが低下している状況である累積確率1%のときには約6dBです(これは約4倍という意味です)。従って、マルチパスフェージング対策としては、2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチ受信よりも、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信のほうが高い性能であると理解できます。
②APにおいて、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信は、2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信よりダイバーシチ利得が約6dB大きい性能は、4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信は2本のアンテナによる選択ダイバーシチ受信より、より遠くに位置するCLからの電波の受信を可能にし、または、同じ位置にあるCLにはマージンをより大きくもって電波の受信の安定化に貢献すると理解できます。
例えば、IEEE802.11a規約対応のCLとの通信しか運用しないAPであっても、IEEE802.11n規約対応(IEEE802.11n規約としてはIEEE802.11a規約を下位互換している)で、最大比合成ダイバーシチ受信を実装しているAPを採用することによって、より信頼性の向上した無線LANを実現できると理解できます。
③累積確率が概ね50%程度以上においては、SNRが約45dB以上の大きくなる状況ですが、2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチによる受信部で測定したSNR(×印)と、4本のアンテナによる最大比合成ダイバーシチによる受信部で測定したSNR(◆印)は、概ね同等になっています。
⇒SNRが約45dB以上の大きくなる状況は、SNRを測定した2.28mの区間内の50%を占める場所で発生していますが、この状況では、マルチパスフェージング対策としては、2本のアンテナを用いた選択ダイバーシチ受信と4本のアンテナを用いた最大比合成ダイバーシチ受信は、概ね同等の性能であると理解できます。

(3)実験での測定諸元の概要等

(3-1)送信部
① AP(1台):自律型 Cisco AP1240AG
② アンテナ(1本):Cisco ANT5135D-Rダイポール(APのPrimary Port-Right接続)
③ アンテナコネクタ中心の床面からの高さ:0.72m

(3-2)受信部(選択ダイバーシチ受信の場合)
① AP(電波は送信しない受信専用装置として動作、1台):集中制御型 LAP1242AG、IEEE802.11abg規約対応
②アンテナ(2本で運用):Cisco ANT2524DW-R Dual-bandダイポール(APの2つのPort(RightとLeft)に接続して選択ダイバーシチ受信が動作)、2つのアンテナ間隔=6.5cm=約1.15波長(実験で利用した5GHz 帯無線LAN のチャネル番号60(中心周波数 5,300MHz)の波長に対して)
③ アンテナコネクタ中心の床面からの高さ:1.04m

(3-3)受信部(最大比合成ダイバーシチ受信の場合)
① AP(電波は送信しない受信専用装置として動作、1台):集中制御型 CAP3602E、IEEE802.11n規約対応
②アンテナ(4本で運用):Cisco ANT2524DW-R Dual-bandダイポール(APの4つのコネクタ(A、B、C、及びD)に接続して最大比合成ダイバーシチ受信が動作)、アンテナ間隔その1(コネクタAとBの中心間、及びコネクタCとDの中心間)=16.5 cm=約2.92波長
(実験で利用した5GHz帯無線LANのチャネル番号60(中心周波数5,300MHz)の波長に対して)
アンテナ間隔その2(コネクタBとCの中心間、及びコネクタAとDの中心間)=11.0 cm=約1.94波長
(実験で利用した5GHz帯無線LAN のチャネル番号60(中心周波数5,300MHz)の波長に対して)
③ アンテナコネクタ中心の床面からの高さ:1.04m

なお、実験方法の詳細については、下記項目の関連記事の第2章に記載のとおりです。

まとめ

安定して快適な無線LAN通信を実現するためには、APやCLの受信装置系におけるSNRの劣化を引き起こすマルチパスフェージングへの対策として、IEEE802.11n規約時代以降の無線LAN製品に採用された「最大比合成ダイバーシチ受信」について、その性能状況を実験的に明らかにしました。実験結果からは、マルチパスフェージング対策としては、IEEE802.11abg規約時代の無線LAN製品に採用された「選択ダイバーシチ受信」よりも、さらに進化した「最大比合成ダイバーシチ受信」のほうが高い性能であると理解できました。
次回は、受信アンテナ数の違いによる最大比合成ダイバーシチ受信の性能を実験的に明らかにしていきます。

関連記事

松戸孝、宇都宮光之、田中政満、中野清隆、丸田竜一、力石靖、山下聖太郎、”シスコシステムズ社製無線LANアクセスポイントCAP3602Eの最大比合成( Maximal Ratio Combining:MRC)ダイバーシチ受信性能の実験的検討 -より信頼性の向上した無線LAN の実現を目指して”(第1回 シスコテクノロジー論文コンテスト最優秀賞受賞論文 ネットワンシステムズ社員執筆記事)
https://www.netone.co.jp/report/press.html
https://www.netone.co.jp/wp-content/uploads/2012/04/matsudo_et_al1.pdf
http://www.cisco.com/web/JP/partners/ronbun/1st/index.html#2

執筆者プロフィール

松戸 孝
ネットワンシステムズ株式会社 ビジネス推進本部 第1応用技術部 スイッチワイヤレスチーム
所属
無線LANの製品担当SEとして製品や技術の調査、検証評価、技術者の育成、及び、提案や導入を支援する業務に従事
・第一級無線技術士
・第1回 シスコ テクノロジー論文コンテスト 最優秀賞
・第2回 シスコ テクノロジー論文コンテスト 特別賞
・第3回 シスコ 論文コンテスト 特別功労賞

イベント/レポート

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