自分用にWi-Fiの仕様をまとめていく。適宜更新予定。

  INDEX
1. [Introduction](#introduction)
1. [Architecture](#architecture)
1. [Protocol Stack](#protocol-stack)
1. [MAC](#mac)
1. [PHY](#phy)
1. [変調方式](#変調方式)
1. [アンテナ技術](#アンテナ技術)
1. [通信品質](#通信品質)
1. [セキュリティ](#セキュリティ)
1. [IEE 802.11xx](#ieee-80211xx)
1. [Regulation](#regulation)

Introduction

  • Wi-Fiは
  • 帯域幅が広いほど、通信速度は速くなる。
  • 無線はマルチパス干渉やゴーストの影響を受ける。

  • セキュリティが最大の懸念となる。

  • IEEE 802.11はMACとPHYが含まれる、IEEE 802.11acなどはPHYのプロトコル。

  • PHYはFHSS, DSSS, HR/DSSS, OFDM alt text

  • 周波数帯の利用は、各国で規制されている。米国はFCC、欧州はCEPT、日本はMIC（総務省）が規制している、周波数の重複を防ぐために、バンド帯ごとに用途が定められている。

基本用語

  • AP
    無線と有線のブリッジ機能をもち、無線ネットワークの中央ノードになるデバイス。アクセスポイント。

  • STA
    APと接続して、無線ネットワークへ参加するデバイス。ステーション。 alt text

  • BSS
    １つのAPと複数のSTAによって構成される無線ネットワークの単位。
    • SSID: ユーザが定義するBSSのID。STAはSSIDで参加するBSSを選択する。
    • インフラストラクチャ：一つのAPへ複数のstationが接続する。STAはSSIDで識別されるBSSへ参加する。
    • アドホック:

  • ESS
    複数のBSSがバックボーンネットワークを通して連結されたネットワーク。ESS内のStation同士はAPとバックボーンネットワークを介して通信を行う。ESS内の複数のPAは外部からは一つのMACアドレスとして、まとめて扱える。ただし、バックボーンネットワークはAPを選択する手段がないので alt text

  • Distribution System
    AP同士をつなぐ通信システムで、STAからのフレームを適切なAPへ送る。あくまで、STA同士はつながっていない。APは地震と接続しているSTAの情報を、他のAPと共有している。Wireless Bridgeともいう。

  • APの送信方式
    • Unicast: 特定のSTAのみへ送信
    • Mullticast: 複数のSTAへ送信
    • Broadcast: ネットワーク内のすべてのSTAへ送信

Architecture

  • network stack MAtter, MQTT, LwM2Mなどのアプリケーション指向ネットワークプロトコル。 TCP/IPスタックはWi-Fi, Ethernet, ThreadなどのIPベースの通信プロトコル

  • Wi-Fi Host stack
    • Wi-Fi ドライバ: network stack, Wi-Fi basebandおよびサプリカントとのI/F
    • サプリカント: WPA認証やネットワークスキャンなどの機能
  • Wi-Fi baseband
    IEEE 802.11で定義されるPHY層とMAC層。
    • MAC層: チャネルアクセス(CSMA/CA方式), パケット，パケットレベルのセキュリティ(WPA2/3)
    • PHY層: 信号の変調・復調, 誤り訂正, チャネル帯域幅(20MHz~160MHz), MIMOなど
      • PHYレート: 上位層のオーバーヘッドを無視した実現可能な最大データスループット 1アンテナ20MHzなら86Mbpsとなる。
      • マルチユーザ: WI-Fi6までは１対１で１つの固有のデータの通信だったが、Wi-Fi 6からMIMOとOFDMAにより、複数のユーザーに固有のデータを送信できるようになった。


（参考: Nordic）

Management operations

ネットワーク参加プロセス

  1. Discovery
    • スキャニング: エリア内に存在するネットワークを調べるプロセス。
      • パッシブスキャン: APが定期的に発信するビーコン信号から、STAがネットワークを見つける。
      • アクティブスキャン: STAが参加要求をAPへ送り、APが応答したらネットワークへ接続できる。高速で接続可能。DFSチャネルでは禁止されている。
  2. Authentification & Association
    • Authentication: ネットワークへ接続するデバイスが名乗り出ること。
    • Association: STAがAPのBSSに登録されて、ネットワークへ参加すること。
  3. Security Proceadure
    • Security Authentication: WPA3-SAEなどで、ユーザ認証を行う。
    • 4-way handshake
  4. Connection establised & offering IP address
    • Provisioning: ネットワークに新たなSTAが参加するときの初期化・設定プロセス。

Protocol Stack

  • プロトコル
    通信における情報のやり取りの手順を定めたルール
  • OSI基本参照モデル
    ネットワーク通信を機能ごとに階層で分類したアーキテクチャ
    • データリンク層
    • 物理層
    • 通信はデータが階段を下って上るイメージ。送信側はアプリケーション層（HTTP,SMTP,MQTTなど）で送信したいデータを作成して、トランスポート層（TCP, UDP）→ ネットワーク層（IPv4, v6）→ データリンク層,物理層（Wi-Fi, BLE, LAN）の順に変換して、光や電気信号、無線などで物理的な信号を相手に伝送する。
      それを受け取った受信側は、物理層の信号をアプリケーション層で扱えるデータ形式に変換して読み取る。


（引用: Cloudflare）

  • スタック
    ネットワーク通信を構成する複数のプロトコルの組み合わせ。
    たとえば、Wi-SUNというネットワーク通信のプロトコルスタックは以下の通りである。セッション層はECHONET、トランスポート層はUDP、ネットワーク層は6LowPan、MAC/PHYはIEEE 802.15.4である。

    （引用: TI）


MAC

  • ACK応答
    ユニキャストパケット送信では、受領完了を示すACK応答を送る。受信側から送信側へACkが届かないと、送信側は送信エラーとして、再送する。

  • MAC
    無線で誰が・いつ・どうやってパケットを送信するかを決めるプロトコル
  • ALOHA方式
    ノードが送信したいときに送信する方式で、衝突したら再送する。
  • CSMA/CA方式
    ノードが送信前にチャネルの空きを確認してから送信する方式で、衝突回避機能をもつ。
    • DCF
      STAやAPがチャネル使用権を取り合うアルゴリズムで、CSMA/CA方式の一つ。
      alt text
    • BSSカラーリング
      自身の通信しているAPを判別する情報（BSSカラー値）をパケットに追加する機能。BSSカラーから所属するBSSの通信状況を判断して、必要であれば衝突回避のため、別チャネルへ移動して通信を行う。Wi-Fi 6でサポート。

  • RTS/CTA方式: 送信前に送信要求信号RTSと送信可信号CTSを発信して、チャネルを占有して衝突を回避する。RTSもしくはCTSを受け取ったSTAそのチャネルを使用しなくなる。オーバーヘッドが大きく、小さいフレームでは効率が悪くなるので使われない。CSMA/CA方式ではhidden

  • フラグメント: 大きなMACフレームを細かく分割して送信する機能。干渉による再送のリスクを低減する。

PHY

変調方式

  • 変調
    信号を搬送波の振幅・周波数・位相の変化で表現すること。（参考: 村田製作所）
  • FSK
    0と1を高周波と低周波の搬送波に対応させる周波数変調方式。簡単な変調方式なのでよく使われる。電力効率が高い。
  • AFK
    振幅変調
  • PSK
    位相変調。帯域利用効率が高い。
    • QPSK
      4つの位相をシンボル11,01,00,10に対応させる。搬送波と同じ位相のI波と搬送波と直交するQ波の２種類の波を組み合わせた電波を送受信する。
  • QAM
    位相と振幅の変調。データスループットが高い。
    • 256QAM: 1シンボルで8bitを伝送する（256=2^8）
    • 1024QAM: 1シンボルで10bitを伝送する（1024=2^10）
  • OFDM
    データを複数のサブキャリアに分割して並行送信する多重化技術。隣接サブキャリアの信号は位相を直交させるので干渉しにくい。ただし、１つのチャネルは1つのユーザで占有される。Wi-Fi 5以降。
  • OFDMA
    複数ユーザのデータをサブキャリアに分割して並行送信する多重化技術。 Wi-Fi 6以降。

アンテナ技術

  • SISO
    送信側と受信側がそれぞれ１つのアンテナで通信する方式
  • MIMO
    送信側と受信側が複数のアンテナで通信する方式
    • MU-MIMO
      1つのAPと複数のSTAが複数のアンテナで同時に通信する方式
      • MU-MIMO(DL): APから複数のSTAへ同時送信する。Wi-Fi 5以降。
      • MU-MIMO(UL): 複数のSTAからAPへ同時送信する。Wi-Fi 6以降。

  • Wi-Fi 6の主な特徴であるOFDMAとMU-MIMOは、どちらも信号を分割して送信する技術なので混同してしまう。OFDMAは周波数（サブキャリア）で分割して、MU-MIMOは空間（アンテナ）で分割している。

  • アンテナダイバーシティ
    １つのRFフロントエンドに２つのアンテナを接続する技術。複数のアンテナを設置することで、仮想的に視野角を広げることができる。
    ただし、２つのアンテナを同時に受信できるわけではなくて、スイッチを通してFEに接続されているアンテナだけが受信できる。
    FEに接続されているANT1のRSSIがしきい値を下回ると、RFスイッチを切替えて、ANT2に接続する。

    （引用: TI）

  • ビームフォーミング
    APが特定のSTAに対して指向性のある電波を送信する機能。Wi-Fi 6以降。

通信品質

  • SNR
    信号電力と雑音電力の比。γ=Ps/Pn
  • CNR
    受信された搬送波電力と雑音電力の比。SNRとは異なり、伝搬による減衰やシャドーイング、フェージングの影響を考慮している。
    • 電波の減衰は人体や金属などの障害物や伝搬損失（∝d^2）によって生じる
  • BER
    平均ビット誤り率。送信ビットの誤りが発生する割合で、熱雑音やマルチパスフェージングに影響される。フェージング環境では信号強度によらず、BERが高くなる。また、多値変調方式は多値数が増えるほどBERが高くなる。
  • コンスタレーション
    位相変調信号をIQ平面上の点で表現した図。
    • エラーベクトル
  • EVM
    エラーベクトルの大きさから変調精度を評価する項目
  • PER
    パケットエラーレート。無線機の送信電力に対するパケットエラーの割合をプロットした図。PERが高ければ、再送頻度が増えて通信時間は長くなる。一方、PERが低ければ、相対的に低いT送信電力で通信品質を担保できるということ。つまり、送信電力を高くしたとき、カバレッジが広くなる。（参考: CQ出版）
    • PERは変調方式、イントラEMCや外部電波に影響される
    • 電子レンジを使っているときにWi-Fiが遅くなるのは、電子レンジの出すノイズ（2.45GHzのマグネトロン）でパケットエラーが生じて再送が増えているから
  • マルチパス伝搬
    電波の伝搬経路は建物や地面での反射・散乱によって多様かつ複雑になる。
    • シャドーイング: 建物や山の影に入ったときに、受信電力が弱くなる現象。電波が障害物に遮られて、届きにくいために減衰する。
    • フェージング: マルチパスの電波が干渉して強め合ったり弱め合うことで、受信電力が瞬間的に変動する現象。

セキュリティ

  • 共通鍵: 送信者と受信者は同じ鍵を使う
  • 公開鍵: 送信者と受信者は、ペアとなる各々の鍵をもつ
  • ハッシュ: 平文をもとに、ハッシュ関数で生成される複雑かつ不可逆な文字列。
    ログインサービスでは、ユーザが入力したログイン情報からハッシュを算出して、サーバーに保存されているハッシュ値と照合をおこなう。
    • SHA-256: 256bitのハッシュを生成するハッシュ関数

  • AES暗号: 共有鍵方式の高速・軽量な暗号化アルゴリズム。WPA2,3で採用されている。

  • WPA3
    Wi-Fi Protected Access。WLANの暗号化プロトコルはCCMP、暗号化アルゴリズムはAES、認証方式はSAE。
    • WPA3-SAE: Wi-Fi 6で標準の暗号方式。認証方式はSAEで家庭向け。
    • WPA3-Enterprise: 認証方式は証明書ベースで企業や大学向け。

IEEE 802.11xx

  • IEEE 802.11: IEEEが定めるPHYとMACの規格。
  • DFS
    気象レーダー（5GHz）と同じバンドを使用する際に、干渉を防ぐために、レーダーが使用中であれば、停波して別チャネルへ移動する仕組み。
  • キャリアセンス
    特定のチャネルについて、他の無線機が使用中かどうか確認する機能。チャネルがアイドル状態になるまで送信を待機する。LBS(Listen-before-Speak)。
    • Virtual Carrier-sensing: 各ノードがNAV上でチャネルの使用時間を予約しておいて、予約していない時間は送信禁止とする方式。
  • チャネルホッピング
    一定周期で通信チャネルを切り替えて、他の機器との干渉を軽減する機能。BLEは電子レンジとの干渉軽減のため、FHSSが必須。
  • チャネルボンディング
    チャネル幅は20MHzだが、隣り合うチャネルを連結して、チャネル幅を広げる機能。40/80/160/320MHzまで広がり、スループットを向上できる。
  • TWT
    APとSTAのスリープのタイミングをを合わせて、両者の省電力化を図る機能。

Regulation

  • 無線利用は各地域で規制されており、免許・認証が必要となる。
    • ETSI
      ヨーロッパの無線規制機関。CEマーク。
    • FCC
      アメリカの無線機器規制機関。
    • IC/ISED
      カナダの無線規制機関。
    • MIC
      日本の電波法規制機関（総務省）。技適マーク。
    • SRRC
      中国の無線管理機関。
  • 電波法
    無線機器に関する法律。無線局の免許制度、周波数割り当てなどの大まかなルールが決められている。
    • 電波法施行規則: 電波法の具体的な運用ルール。
    • 無線設備規則: 無線機器の技術基準（参考: e-Gov）
  • ISMバンド
    産業・科学・医療用途のために、国際的に割り当てられた免許不要（ライセンスフリー）の周波数帯。
    たとえば、ミリ波センサの60/77GHz帯、Wi-FiやBLE、電子レンジの2.4/5GHz帯、ZigBeeやWi-SUNの920MHz帯がある。
    ただし、無制限に電波を利用できるわけではなく、各地域で定めた技術基準に適合する必要がある。
    • ARIB: 日本の電波法の技術基準（標準規格）を策定する団体。
      ARIB-STDは、無線設備規則に準拠して、ISMバンド利用における周波数帯、出力制限、用途などの具体的な基準を規定している。
      • ミリ波: ARIB-STD-T48（参考: TI）
      • Wi-Fi, BLE: ARIB-STD-T66, 71 → 最大10mW
      • Sub-giga: ARIB-STD-T108 → 最大20mW
  • 技適認証
    日本の電波法に基づき、無線機器が技術基準が適合していることを示す制度。
    • 技適取得済みの無線モジュールを組み込んだ製品は電波試験が不要かつ、モジュールの技適マークを印字できる。ただし、外部アンテナの場合は認証アンテナから選択する。
    • 証明規則: 技適認証を取得する手続きを定める。
    • 技適認証済製品の検索（参考: 総務省）
    • 実験用途での特例措置（参考: 総務省）海外ではこんな面倒な手続きも不要なんですが。
    • 相互認証(MRA)による工事設計認証: 海外向けの認証を自国で実施可能とする協定。たとえば、海外の認証機関で日本の技適を発行することができる。FCCを取ったから、何もせずに日本やヨーロッパで使えるわけではない。
  • Wi-Fi認証
    Wi-Fi Alliance は、Wi-Fi製品の相互接続を保証するために、法的な無線認証とは別の業界認証制度を提供している。
    • Wi-Fi CERTIFIEDロゴを付けるには、相互接続性、セキュリティ（WPA2/WPA3）、省電力、メッシュ（EasyMesh）、世代別機能（Wi-Fi 6/6E/7）などの試験に合格する必要がある。

misc

  • ATコマンド: モデムやwi-fiの通信機能を制御するための文字列コマンド
  • 2.4GHzは水分子の吸収帯、60GHzは酸素分子の吸収帯であり、電波が遠くまで飛んで干渉しないように、あえてこの周波数帯が使われている。