エンタープライズ モビリティ 7.3 デザイン ガイド Cisco Validated Design

AP アンテナの選択

シスコは、VoWLAN アプリケーション用の天井マウント アンテナを推奨します。天井マウント アンテナとアンテナ内蔵 AP は、すばやく簡単に設置できます。また、アンテナの放射部分をオープン スペースに配置するため、信号の伝搬と受信を最も効率的に行うことができます。複数のアンテナを内蔵した Cisco AP は設置方法が最も簡単な上、内蔵アンテナにより、大半のインストールに適した下り信号の伝播のパターンを提供します。内蔵アンテナ ソリューションは、特に企業環境のオープン スペースへの設置に適しています。

シスコでは、さまざまな Multiple Input Multiple Output（MIMO）デュアル バンド、複数エレメント全方向性アンテナとパッチ アンテナを発売しています。これらの複数エレメント アンテナは、最大比合成（MRC）と ClientLink という Cisco AP のテクノロジーを活用するように設計されています。これらのテクノロジーは、（AP の複数のアンテナでキャプチャされた）クライアント電話パケットを、より強力な単一の信号に結合します。結合された信号では、伝送される電話機のパケットと、一般的な 2.4 GHz または 5 GHz 帯域のノイズの間の、信号対雑音比（SNR）が向上します。MRC の重要な機能は、アップストリーム パケットのエラー レートを軽減することです。Cisco の AP では、複数のアンテナと 802.11 ClientLink ロジックを使用して、クライアント電話機に高エネルギー パケットを配信することで、ダウンストリーム パケットのエラー レートを減らしています。これらの 2 つの機能により、個々の VoWLAN コールの平均オピニオン評点（MOS）値および、AP の Wi-Fi チャネルの全体的な容量が向上します。

Cisco では、すべてのアンテナを金属などの高反射面から波長 1 ～ 2 離れた場所に配置することを推奨します。2.4 GHz の波長は 4.92 インチ（12.5 cm）で、5 GHz の波長は 2.36 インチ（6 cm）です。アンテナと反射面との間の 1 つまたは複数の波長を分離することにより、AP 無線では送信される電波の受信感度が向上し、無線送信時のヌルの生成を減らすことができます。802.11g/n と 802.11a/n/ac 仕様で使用されている Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）により、リフレクション、ヌル、およびマルチパスに関する問題が軽減されます。ただし、アンテナを適切に配置し、適切なタイプのアンテナを使用すると、より良好な結果が得られます。天井タイルそのものが、天井の上部領域に伝送されカバレッジ エリアに反射して戻ってくる信号の緩衝材となります。

MRC の詳細については、次の IEEE レポートをお読みください。

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=1406225

ClientLink の詳細については、ビーム形成に関する次の IEEE レポートをお読みください。

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4558648&tag=1

アンテナのタイプおよびフォーム ファクタにはさまざまなものがありますが、1 つのタイプですべての用途と場所に適したものはありません。各種アンテナの性能と製品番号の詳細については、『 Cisco Aironet Antennas and Accessories Reference Guide 』を参照してください。URL は次のとおりです。

http://www.cisco.com/en/US/products/hw/wireless/ps469/products_data_sheet09186a008008883b.html

シスコでは、ダイポール アンテナを同じ外部アンテナからデュアル（2.4 GHz および 5 GHz）帯域サポートの AP に接続する際に、Cisco Aironet ダイポール デュアル バンド AIR-ANT2524D シリーズのアンテナを使用することを推奨します。

Aironet ダイポール デュアル バンド アンテナには次のような利点があります。

• 2.4 GHz および 5 GHz のデュアル バンドの同時送受信（デュアル バンド全方向性およびパッチ アンテナと同じ）のサポート。Aironet ダイポール デュアル バンド アンテナのゲインは、2.4 GHz 帯域で 2.2 dBi、5 GHz 帯域で 4 dBi です。

• 小型で、黒やグレー、白などの無彩色で提供されます。

• 連結式の回転する台座がついています。

アンテナの方向

シスコでは、 複数のアンテナを持つ AP の場合、すべてのアンテナを同じ方向に向ける ことを推奨します。

（注） 図 9-1 で示すように、多くのマーケティング素材では AP のアンテナがさまざまな方向に向けられた様子が示されていますが、シスコではこの慣例はお勧めしません。

図 9-1 アンテナがさまざまな方向に（誤って）向けられた AP

MRC と ClientLink の最適なパフォーマンスは、図 9-2 で示すように、AP のすべてのアンテナが同じ向きに配置されている場合に得られます。

図 9-2 アンテナが同じ方向に（正しく）向けられた AP

AP の 4 本すべてのアンテナを均一な直立ポジションにすることで、すべて増加を単一の空間ストリームの 802.11n スマート フォンを使用した場合の、カバレッジ セルの全体的なスループットが 2 Mbps 増加します。

一般的な推奨事項

最適な Wi-Fi カバレッジ セルの帯域幅とクライアント アプリケーションのパフォーマンス（あらゆる形式のダイポール アンテナ タイプの場合）のため、シスコでは次のことを推奨します。

• 各 AP アンテナ ポートにアンテナを取り付ける

• 各ポートに同じモデルのアンテナを取り付ける

• 各アンテナを同じ向きにする

• AP に接続されたすべてのアンテナ同士の距離を 2 波長以内にする

AP およびそこで実行されるプロトコルは、MRC および ClientLink を中心として設計されています。これらの推奨事項に従ったアンテナ システムを使用して、そのテクノロジーと AP ハードウェアへの投資を最大限に活用してください。

ハイ ゲイン アンテナは信号を水平面に拡散させ、これにより、多くのノイズを拾う大規模セルが作成されます。この結果、信号対雑音比（SNR）が低くなり、パケット エラーの比率が高まります。SNR は次の条件によって定義されます。

• 信号：ある無線から送信され、中断されずに他の無線が受信できる放射エネルギー。 すなわち、Wi-Fi では、送信無線によって、受信無線がデコード可能な 802.11 プロトコルのパケットが送信されます。

• ノイズ：受信無線の周波数範囲内の送信エネルギーのうち、その無線でデコードできないもの。

プロトコル パケットとバックグラウンド ノイズの間のエネルギーの差が大きいほど、プロトコル パケットを適切に受信することができ、パケット エラー レートおよびビット エラー レートが減少します。カバレッジ エリアの設計では、複数のチャネルを使用して、高い音声コール キャパシティを維持しつつ、最も低いパケット エラー レートの作成が行われます。

ハイ ゲイン アンテナを使用すると、カバレッジ エリアが増えるため、Wi-Fi チャネル上のコール数も減少します。 音声の場合、人間の頭と体が 5dB の信号を減衰させるため、壁面マウント パッチよりも天井マウント アンテナが推奨されます（図 9-3 を参照）。天井マウント アンテナは、多くの壁面マウント アンテナよりも人間の頭と体による減衰を防ぐように、適切に配置されます。

図 9-3 頭と体による減衰

アンテナの配置

天井マウント アンテナでは通常、携帯電話へのより適切な信号パスが使用されます。頭などの障害物による減衰があるため、推奨されるカバレッジ セル サイズでは信号損失が考慮されます。 アンテナのゲインは相反的なものであることを理解しておくことが大切です。ゲインは受信と送信の両方で平等に適用されます。アンテナ ゲインは、送信電力の増加を表すものではありません。送信電力を発生させるのは無線です。 アンテナは、パッシブ デバイスにすぎません。 ゲインは、無線信号の焦点を、ある方向、平面、およびビーム幅に合わせることで導出されます。懐中電灯のリフレクタによって電球から放射される光の焦点が合わせられるのと同じです。

WLAN RF 計画の詳細については、 を参照してください。

ハンドセット アンテナ

電話本体にアンテナが内蔵されている電話機については、ユーザの電話の持ち方によって 4dB の信号減衰が起こることがあります。手でアンテナを覆って頭で電話を支えた場合には、9dB の信号減衰が起こることがあります。 一般的に、屋内での展開の場合は信号が 9dB 減衰するごとにカバレッジ エリアは半減します。図 9-3 では、頭で支えた場合のハンドセットからの放射電力の違いの例を示しています。

一般的なスマートフォンおよびタブレット コンピュータの Wi-Fi アンテナ システムの dB ゲインはマイナスです。一般的なスマートフォンのアンテナでは -3 または -4 dBi です。一般的なラップトップ コンピュータのゲインは 0～2 dBi のプラスです。アンテナ ゲインの違いは、同じ AP でのスマートフォン、タブレットおよびノート PC 間のカバレッジ エリアの違いに反映されます。スマートフォンやタブレットで最高のアプリケーション パフォーマンスを実現するには、スマートフォンやタブレット自体の Wi-Fi 機能に合った AP チャネル カバレッジを設計する必要があります。スマートフォンやタブレット、ラップトップと AP の間で最適なリンク品質を実現するためには、ClientLink が有効な状態で AP が動作する必要があります。ClientLink は、Cisco ワイヤレス LAN コントローラ（WLC）によってデフォルトで有効になっています。

動的周波数選択（DFS）および AP の 802.11h 要件

米国の Federal Communications Commission（FCC）、European Telecommunications Standards Institute（ETSI）、およびその他の監督機関は、無線周波数の使用に関する標準を定めています。5 GHz 帯域の一部は、現在（過去においても）、気象レーダーなどで使用されています。 ほとんどの 5 GHz レーダー システムでは、一般に波長の短い高周波数を使用していますが、一部の Wi-Fi 周波数と 5 GHz UNII-2 帯域を重複して使用するシステムも存在します。2006 年、FCC は 5.470 ～ 5.725 MHz 帯域をライセンス不要の用途に開放しました。これらの周波数が使用可能になったことにより、 干渉のない AP の設定を管理することが必要になりました。AP では、（通常、軍事、衛星、気象観測所から来る）レーダー パルスを定期的に監視し、レーダーが探知された場合は動的周波数選択（DFS）を使用して自動的に クリーン チャネルに切り替える必要があります。

レーダーが探知された場合、システムで次のことを実行する必要があります。

• 200 ミリ秒以内にパケット伝送を中止

• 10 秒以内に制御伝送を中止

• 30 分間、チャネル上での伝送を回避

• 伝送前に 60 秒間、新規チャネルをスキャン

UNII-2 帯域のレーダー回避要件によって音声コールの品質に影響する場合があるため、音声アプリケーションを稼働させる前にレーダーのテストを実施することが求められています。Cisco Spectrum Expert は、特定のチャネルでレーダーの存在をテストするための優れたツールです。Spectrum Expert によるテスト中にレーダーが探知された場合、該当するチャネルをブロックするように AP を設定できます。Spectrum Expert の詳細については、次の URL を参照してください。 http://www.cisco.com/en/US/products/ps9393/index.html

5 GHz 帯域のチャネル

DFS 要件には、従来の UNII-2 チャネル（52 ～ 64）と、8 つの新しい W56 チャネル（100 ～ 116 と 132 ～ 140）が含まれます。5 GHz 帯域には現在 20 のチャネルがあります。これらのチャネルは重複しないため、すべて同じ場所に配置できます。2.4 GHz には重複しないチャネルは 3 つしかありません。1 つのカバレッジ エリアに共存配置チャネルを許容する設計により、カバレッジ エリアで取得可能なコール数が集約されます。

（注） 現在の法規制に関する情報については、シスコの Web サイトをご覧ください。また自国で許可されている周波数については、各国の法的機関にお問い合わせください。

チャネルベースの設計は、図 9-5 に示すように、単一フロアに水平に実装できます。

図 9-5 単一フロアのチャネル設計

図 9-6 で示すとおり、複数フロア設計では、フロア間で垂直にチャネルを分離して、チャネル相互の干渉を減少させることができます。

図 9-6 垂直チャネル分離

AP コール キャパシティ

VoWLAN 展開の計画プロセスの鍵となる部分が、AP ごとの同時音声ストリーム数の計画です。

（注） 同じ AP に関連付けられている 2 つの電話の間のコールは、2 つのアクティブな音声ストリームとみなされます。

AP の音声ストリーム キャパシティを計画する際は、次の点を考慮してください。

• 無許可の（共有）802.11 チャネルの使用率によって、AP が伝送できる同時音声ストリーム数が実際に確定されます。

• チャネルの使用率と AP のパフォーマンスによって音声ストリーム数が決定されるため、同じチャネルと次のチャネルの分離が非常に重要になります。2 つの AP が同じ場所にあり、同じチャネルで動作していても、音声ストリーム数は 2 倍にはなりません。実際、AP が 1 つの場合よりも音声ストリームが少なくなることがあります。

• セル キャパシティまたは帯域によって、同時に実行可能な音声ストリーム数が決定されます。

• ハンドセットおよび VoWLAN 展開でサポートされている QoS 機能を考慮する必要があります。

• ハンドセットにはさまざまな WLAN QoS 機能があります。これらは WLAN 展開で有効化されている機能に影響を与え、最終的には AP ごとの音声コール キャパシティを決定します。 ほとんどの VoWLAN ハンドセットでは、その電話でサポートされる AP ごとのコール数についての指針が示されています。そして、それはハンドセットで最適な QoS 機能を使用でき、チャネル キャパシティにフル アクセスできる最良のケースでの値を示していると考える必要があります。

チャネルでサポート可能な実際の音声ストリーム数は、環境要因やクライアントでの Wi-Fi Multimedia（WMM）仕様の遵守など、多数の問題に大きく依存します。

図 9-10 で、Cisco Compatible Extension がどのように VoWLAN コールの質の向上に役立つかを示します。

図 9-10 Cisco Compatible Extension VoWLAN 機能

図 9-10 から、次のことが分かります。

• Cisco Centralized Key Management（CCKM）は Extensible Authentication Protocol（EAP）認証クライアントに高速クライアント ローミングを提供し、これによってコールの質が向上します。

• コール アドミッション制御（CAC）によってコールの質を向上し、E911 およびローミング コール用の帯域予約を作成できます。

• 支援ローミングおよびネイバー リストによって、コールの質が向上し、バッテリの寿命が延びます。

• 音声メトリックは管理に役立ちます。

• 不定期自動省電力配信（U-APSD）および送信電力の動的制御（DTPC）によってバッテリの寿命が延びます。

• 負荷分散および DTPC によってコールの質が向上します。

Cisco Compatible Extensions プログラムでは、サードパーティによる Cisco Aironet 無線インフラストラクチャ製品に対する検証および、サードパーティ企業から発売されている無線クライアント デバイスを提供します。Cisco Compatible Extensions 機能には、さまざまな利点があります。

バッファ メモリの量、CPU 速度、および無線品質は、AP 無線のパフォーマンスの主要な要因です。QoS 機能により、チャネル内の音声およびデータ トラフィックの優先順位付けが行われます。QoS の詳細な説明については、 を参照してください。

802.11e、WMM、および Cisco Compatible Extensions 仕様では、負荷を分散して、セルが音声ストリームで過負荷にならないようにすることができます。CAC は、コールの再起動のために十分なチャネル キャパシティがあるかどうかを判断します。ない場合、電話は別のチャネルをスキャンします。U-ASPD の主な利点は、WLAN クライアントからのフレームの送信を可能にし、節電のために AP でバッファされるクライアント データ フレームの転送をトリガーすることによる、WLAN クライアントの電力の節約です。[Neighbor List] オプションでは、近隣 AP のチャネル番号とチャネル キャパシティを含むリストが電話に提供されます。これによってコールの質が向上し、高速ローミングが実現し、バッテリの寿命が延びます。

802.11r および 802.11k 機能

IEEE 802.11k および 802.11r は、WLAN 環境における Basic Service Set（BSS）のシームレスな移行を可能にする業界標準です。WLAN 7.2 リリースでは、シスコは 802.11r セキュア認証 Fast Transition プロトコルをサポートしています。IEEE 802.11k 仕様は、2008 年 6 月に承認されました。IEEE 802.11r 仕様は、2008 年 7 月に承認されました。802.11r 仕様は、2004 年 4 月の 802.11e セキュリティ仕様に従っています。

802.11k 仕様の簡単な説明については、次のページをお読みください。

http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11k-2008

802.11k 仕様については、次のページをお読みください。

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4544755

802.11r 仕様の簡単な説明については、次のページをお読みください。

http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11r-2008

IEEE 802.11r 仕様については、次のページをお読みください。

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=04573292

802.11k および 802.11k 対応のクライアント デバイスは、それ自身が現在関連付けられている AP から近隣の AP（ ネイバー リスト ）のリストの要求を送信します。この要求は、 アクション パケット と呼ばれる 802.11 管理フレームの形式になっています。AP は、同じ WLAN 上にある AP のネイバー リストと共に Wi-Fi チャネル番号を含むアクション パケットで応答します。

この応答のアクション パケットから、802.11k クライアントは次のローミング先の候補がどの AP であるかを知ることができます。802.11k の無線リソース管理（RRM）アルゴリズムを使用することで、スマート フォンが正確かつ迅速にローミングできるようになります。これは、オンコール ローミングが一般的に利用されるエンタープライズ環境における正常なコール品質のための要件です。

シスコでは、無線リソース管理（RRM）を有効にするように WLC を設定することで、ネイバー リストの応答パケットで 2.4 GHz と 5 GHz 両方の AP チャネル番号を提供することを推奨します。また、VoWLAN コールだけでなく、すべてのアプリケーションとデバイスに 5 GHz 帯域の Wi-Fi チャネルを使用することを推奨します。

ネイバー リストからの情報があれば、802.11k クライアントがすべての 2.4 GHz と 5 GHz のすべてのチャネルをプローブして AP のローミング先を探す必要はありません。すべてのチャネルをプローブする必要がなくなれば、すべてのチャネルのチャネル利用率が減少するため、すべてのチャネルの帯域幅が増加します。また、ローミングにかかる時間が短縮され、クライアントによる決定が向上します。また、各チャネルの無線設定が変更されない上、各チャネルにプローブ要求が送信されないため、デバイスのバッテリ寿命が長くなります。これにより、デバイスでプローブ応答フレームをすべて処理する必要がなくなります。

802.11r および 802.11e 仕様は、同じ認証タイプをサポートしています。対象となるのは LEAP、EAP-FAST、EAP-TLS、EAP-TTLS、EAP-SIM、PEAP バージョン 1 および 2 です。このセキュリティ機能により、パケット 4 個のみと引き換えに、802.11r 対応クライアントを AP で確実に認証できます。このパケットのうち 2 個は、AP 同士を接続するイーサネット有線接続を介して送信されます。残りの 2 個のパケットは、各 AP の Wi-Fi チャネルで送信されます。これにより、802.11r クライアントが実際にローミングする前に、ローミングしようとしている AP に対して確実に認証できるようになります。その結果、ローミング後でも、802.11r クライアントでデータ、ビデオ、および音声パケットを認証プロセスの遅延なしで送受信できるようになります。802.11r パラメータが追加されることで 802.11 ヘッダーが変わるため、802.11r クライアント用の WLAN を 802.11r 対応でないクライアントと共有することはできません。このことは、802.11r 対応の WLAN によって SSID を割り当てられたすべてのクライアントに、アソシエーション パケットの 802.11r 要素に対応した Wi-Fi 無線ファームウェアが入っていなければならないことを意味します。802.11r 高速ローミングに対する制限は次のとおりです。

• 自律モードの AP でサポートされない

• ローカル認証 WLAN と中央認証 WLAN 間のローミングがサポートされない

シスコでは 802.11r 仕様を使用することを推奨します。それは、WLAN に認証済みのクライアントとの間で Wi-Fi チャネルに送信されたパケット数が減少するので、ローミングにかかる時間が短縮されるためです。

ユーザにとってローカルな干渉源

干渉はユーザにとってローカルですが、近接ユーザにも影響する可能性があります。Bluetooth（BT）は、2.4 GHz Wi-Fi チャネルと干渉するパーソナル エリア ネットワークで使用される一般的な RF プロトコルです。図 9-15 は、実際の Bluetooth 信号が 802.11b/g クライアントで使用されるすべての 2.4 GHz チャネルにまたがっていることを示しています。 この図は電話に取り付けられた Bluetooth ヘッドセットを使用した 802.11g 音声コールから取得したものです。図 9-16 では、Bluetooth ヘッドセットによるジッターも示しています。

図 9-15 一般的な Bluetooth イヤピースの 802.11b/g 2.4 GHz スペクトラムにおける信号パターン

図 9-15 中の 紫色 の線は、最大ホールド回線、すなわちテスト中に到達した最大送信電力を示す回線です。 黄色い 線は、最後のサンプル期間の 10 秒の最大伝送パワーを示しています。 緑色 の線は、テスト期間の平均伝送パワーを示しています。縦の 青い 点線は、オーバーラップしない 3 つの 802.11b/g チャネルである Ch1、Ch6、および Ch11 を分けています。この図は左から右に 2.400 GHz から 2.500 GHz を表します。右端の Ch11 の縦の青い線は、ヨーロッパと日本で使用されている 802.11 スペクトルの部分です。このキャプチャは、北米の規制区域用に設定された AP とクライアントを使って取得されました。この図は、Bluetooth イヤホンが FCC 規制の外側で簡単に電波を送信していたことを示しています。

Bluetooth 信号が非常に狭いことに注目してください。Bluetooth は 1 つの MHz の周波数でデータを送信し、送信を停止し、802.11 2.4 GHz 帯域の別の周波数に移動して、データを送信します。この動作は繰り返し実行されます。802.11b と 802.11g の信号は、混合周波数 22 MHz で送信されます。無線はその 22 MHz の周波数に留まります。22 MHz のこのグルーピングはチャネルと呼ばれます。最大保留回線は、検索モードでの Bluetooth の強さを示しています。信号レベルは 50 mW（17 dBm）OFDM 802.11g 無線のレベルよりも高いところにあります。この強度および長さの信号により、802.11b/g 電話は VoWLAN コールをドロップします。Bluetooth 信号の強度が低いと、ジッターが発生して MOS 値が低くなります。図 9-16 で、それぞれ Bluetooth イヤピースを使用する 3 つの同時通話の Ethereal ジッター分析の例を示します。

図 9-16 ジッター分析の例

3 つのコールはすべて同じ AP 上にあり、この AP 上の他の電話へのコールでした。

Wi-Fi および Bluetooth と干渉情報の詳細については、次の IEEE レポートをお読みください。

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6105779

Wi-Fi OFDM と衝突したときの Bluetooth TDM パケットに対する障害に影響を与える要因には、次のようなものがあります。

• 相対電力

• 帯域幅

• 相互オーバーラップ

• 衝突する OFDM 信号の数

サンプルの Wi-Fi OFDM のパケットと Bluetooth 信号の間の干渉の影響に対するシミュレーションを行いました（図 9-17 を参照）。この図では、 標準の GMSK Bluetooth の無歪信号の TDM 特性を示します。左側が時間と周波数（MHz）の関係、右側が時間と I/Q の振幅の関係を示しています。

図 9-17 IEEE 波形シミュレーション

図 9-17 で示すように、ホッピング周期が 625 μ秒の Bluetooth は、一度に複数の OFDM のパケットが発生した場合に干渉する可能性があります。特に、高速の OFDM モード（パケット長が Bluetooth よりはるかに短い場合）が衝突に関わっている場合にこの傾向が顕著です。