平成 23年度 修士学位論文

題 目

IEEE802.11n無線LANのスループット測定とネットワーク設計への適用

報 告 者

竹 林 辰 弥

学籍番号：43422519

岡山大学大学院自然科学研究科電子情報システム工学専攻(通信ネットワーク工学系)

平成 24年 2月 6日提出

指導教員 舩曵 信生 教授

IEEE802.11n無線LANのスループット測定とネットワーク設計への適用

要約

近年，無線通信は著しい発展を遂げており，モバイルWiMAX(Mobile Worldwide Interoper-

ability for Microwave Access)，LTE(Long Term Evolution)，IEEE802.11無線 LAN，Bluetooth

など様々な無線通信の利用が急速に普及している．その中で，2009年 9月に IEEE802.11無線LAN

の新規格として IEE E802.11nが策定された．最大通信速度 600Mbpsと従来の無線 LAN規格と比較した場合，大幅に通信速度が向上している．この背景には，MIMO(Multiple-Input Multiple-

Output)による空間多重や，40MHzチャネルボンディングなどの高速化技術が使用されており，従来の IEEE802.11無線 LAN技術とは大幅に異なっている．本研究では，まず，無線 LANIEEE802.11nを用いたネットワーク設計を適切に行うことを目的

として，IEEE802.11n無線 LANアクセスポイントを用いて大学内の２号館及び屋外にてスループット測定実験を行う．ここでは，既存の規格と新たな規格における通信距離によるスループット変化，40MHzチャネルボンディング利用による干渉の評価，マルチホップ利用時のスループット変化，障害物（壁）によるスループット変化などの実環境で想定されるネットワーク構成について，スループット特性を明らかにした．通信距離によるスループット測定では，IEEE802.11n無線 LANにおいて，急激にスループッ

トが低下し，通信距離が 40mにおいて，IEEE802.11gと逆転することが分かった．また，40MHz

チャネルボンディング利用による干渉評価では，チャネルの重なりによるスループットの低下を評価した．次に，これらの実験結果を，本研究結果を当研究グループで開発している無線メッシュネット

ワークWIMNET シミュレータへ通信距離とリンク通信速度の関係を適用する．これにより，実環境に基づいた任意の通信速度への対応を行う．ここでは，シミュレーションを行うことで従来手法との比較を行い，提案手法の有効性を示した．最後に，実験結果に基づいたネットワーク設計のためのスループット基準を作成することで，ス

ループット特性に基づいた実環境におけるネットワーク設計を行い，それに基づいて実際に構築し，評価を行った．ネットワーク設計のためのスループット基準と評価結果を比較することで，実測結果のネットワーク設計への適用に向けた指針を明確化することができた．

i

Throughput Measurements of IEEE802.11n Wireless LAN

and Application to Network Design

Abstract

In recent years,wireless communication has evolved rapidly, Moblie WiMAX(Mobile World-

wide Interoperability for Microwave Access)，LTE(Long Term Evolution)，IEEE802.11 wireless

LAN, Bluetooth,etc., are rapidly spreading for the use of many wireless communication. In par-

ticular, IEEE802.11n has emerged as a new standards of IEEE802.11 wireless LAN in Septem-

ber, 2009. The transmission speed is improving sharply with the maximum transmission speed

of 600Mbps. The space multiplex by MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) and 40-MHz

channel bonding, are used for the as communication technology, and it differs widely from the

conventional IEEE802.11 wireless LAN technology.

This study is intended to make the appropriate wireless network design using the wireless

LAN IEEE802.11n. We do throughput measuring experiments in a university campus using the

IEEE 802.11n wireless LAN access point for the network design.

In the throughput measurement by communication distance, it turned out that a throughput

falls rapidly. Moreover, the interference evaluation by the 40-MHz channel bonding ofserved the

fall of the throughput by overlap of a channel.

Next, the relation between communication distance and link transmission speed is applied

to the wireless mesh network WIMNET simulator currently developed by our research group.

This application performs correspondence to the arbitrary transmission speed based on real

environment. Comparison with the conventional technique was performed in the simulation,

and the validity of the proposal technique was shown. The throughput standard for a network

design was created from the experimental result.

Finally, The network design based on the throughput characteristic in real environments

was performed, and the network was actually built and evaluated based on formation. By

comparing the throughput standard and evaluation result for a network design, the indicator

towards application to the network design of a survey result has been clarified.

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関連発表論文リスト

• 竹林辰弥, 舩曵信生, 中西透, ”スケーラブル無線メッシュネットワークの通信性能を極大とする最小スマートアクセスポイント配置,” 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 110, no. 240,

NS2010-82, pp. 69-74, 2010年 10月.

• 竹林辰弥，舩曵信生，中西透，渡邊寛，”IEEE802.11n無線 LANのスループット測定とネットワーク設計への適用,” 電子情報通信学会総合大会, 2012年 3月（予定）.

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目 次

1 まえがき 1

2 研究の背景 2

2.1 IEEE802.11無線 LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 IEEE802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 実環境におけるスループット測定 4

3.1 測定環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.2 測定用ソフト iperfについて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3 通信距離の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3.1 実験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3.2 実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.4 干渉リンクの影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.4.1 実験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.4.2 実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.5 マルチホップの影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5.1 測定方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5.2 実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.6 障害物の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.6.1 実験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.6.2 実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.7 考察及びまとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 測定結果のWIMNETシミュレータへの適用 15

4.1 実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式 . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 WIMNETシミュレータへの適用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.3 シミュレーションによる評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3.1 シミュレーション環境,条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3.2 シミュレーション例題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.3.3 シミュレーション結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5 測定結果を用いたアクセスポイントの配置 19

5.1 スループット推定ルール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 2号館におけるAP配置の検討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.3 実測評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.4 参考 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6 むすび 23

謝辞 24

参考文献 25

iv

1 まえがき

近年のユビキタス機器（スマートフォン・タブレット端末）やDLNA（Digital Living Network

Alliance）に準拠した製品の普及，多様なコンテンツの増加などにより，インターネットアクセス通信路として，IEEE802.11無線LAN（Local Area Network）の利用が急速に広まっている．無線LANでは，ホスト（コンピュータ）とネットワーク接続のためのアクセスポイント（AP:Access

Point）間の配線（有線ケーブル）が不要となるため，低コストでの構築が可能，ホストの移設・移動が容易，APからの無線通信範囲内であればどこでも利用可能，など多くの利点がある．そのため，無線 LANの利用は，企業，官庁，家庭，教育機関など様々な組織・場所に広がっており，駅，空港，街角といった公共スペースでも，インターネット接続サービスを提供する無線 LANスポットの設置が行われている．無線LANの新規格として，2009年 9月に最大通信速度が 600Mbpsの高速通信規格 IEEE802.11n

が策定された．現在では，アクセスポイントやノートパソコン，スマートフォンなど，IEEE802.

11nに対応した製品が広く普及している．IEEE802.11nでは，従来の IEEE802.11a/b/g技術に加えて多くの高速化技術が採用されている．IEEE802.11nでは様々な通信形態があり，その形態ごとにデータレートが異なるため，製品ごとに最大通信速度が 150-600Mbpsと様々である．IEEE802.11nでは，高速化技術として，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術が使用

されている．これは，送信機とアンテナの組み合わせを複数用意し，データを並列化して同時に送信する技術である．送信機と受信機が二組あれば 2つのデータ（データストリーム）を同時に送信できるため，データ通信速度が倍になる．これを 2多重と呼ぶ．11nの規格では最大 4組の送受信機まで，つまり 4多重まで可能であるため，最大でこれまでの 4倍のデータ伝送速度になる．また，従来の２倍の 40MHzチャネルを採用することによって，２倍の帯域を得る 40MHzチャネルボンディングが採用されている．他にも，ガードインターバルの短縮や，フレームアグリゲーションといった高速化技術を利用することで，最大通信速度 150-600Mbpsを実現している．無線 LANの普及に伴い，問題となるのは，複数無線 LAN基地局の運用による，性能の劣化で

ある．例えば，現在，工学部２号館では 20以上の無線 LAN基地局（SSID）が確認されている．無線 LAN基地局が乱立すると，それぞれが出す電波が干渉し，性能の劣化につながる．したがって，無線 LAN構築では，効率の良いネットワーク設計に基づいた運用が必要不可欠である．本研究では，IEEE802.11nアクセスポイントでの実環境における電波伝搬実験を行う．この結果

をもとに学内における IEEE802.11nアクセスポイントの設置方法について検討する．通信距離や干渉，マルチホップ，障害物がスループットに与える影響を明らかにすると共に，アクセスポイント設置条件を明らかにした．これにより，効率的な無線 LANアクセスポイントの運営を目的としている．また，本研究結果を当研究グループで開発している無線メッシュネットワークWIMNET

シミュレータへ通信距離とリンク通信速度の関係を適用することにより，実環境に基づいた任意の通信速度への対応を行う．本論文では，まず２章において，本研究の背景について述べる．３章で実環境におけるスルー

プット評価について述べる．４章で測定結果のWIMNETシミュレータへの適用について述べる．５章で実測に基づいたネットワーク設計について述べる．最後に６章で本論文のまとめを行う．

1

2 研究の背景

　本章では，研究の背景として IEEE802.11無線 LANの標準規格の概要について述べる．また，新規格である IEEE802.11nに関して，そこで使用されている技術について述べる．

2.1 IEEE802.11無線LAN

　無線 LANは現在，表 1に示すように主に４つの規格が利用されている．それぞれの規格の特徴は表に示す通りである．現在最も普及しており，比較的安価にシステム構築が可能な無線 LAN

規格は IEEE802.11b/gである．IEEE802.11b/gは低い周波数（2.4GHz）を利用し，IEEE802.11g

では最大通信速度 54Mbpsである．54Mbpsという伝送速度はインターネットや，一般的なデータ伝送であれば十分な値である．しかし，2.4GHz帯は，ISM（Ind ustry Science Medical）バンドとも呼ばれ，Bluetoothなどの通信システム，電子レンジやマイクロ波加療器などの ISM医療器でも利用する周波数帯である．また，多くのユーザで共有して利用するには，伝送速度が低いという問題がある．

表 1: IEEE802.11無線規格規格 IEEE802.11a IEEE802.11b IEEE802.11g IEEE802.11n

策定時期 1999/10 1999/10 2003/6 2009/9

二次変調方式 OFDM DSSS/CCK OFDM OFDM

周波数帯5.15-5.35GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz

5.47-5.725GHz 5.15-5.35GHz

5.47-5.725GHz

公称速度54Mbps 11Mbps 54Mbps 150-600Mbps

22Mbps

空間ストリーム 1 1 1 1-4

チャネル幅 20MHz 22MHz 22MHz 22/40MHz

備考 一部免許必要 免許不要 免許不要 一部免許必要

2.2 IEEE802.11n

IEEE802.11nは 2009年 9月に策定された．周波数帯は 2.4GHz帯，5.2GHz帯が利用でき最大通信速度 150-600Mbps と高速通信を実現している．以下に IEEE802.11a/b/gから高速化のための変更点を述べる．

• 　MIMO（multiple-imput multiple-output）送信機とアンテナの組み合わせを複数用意し，データを並列化して同時に送信する技術である．送信機と受信機が二組あれば 2つのデータ（データストリーム）を同時に送信できるためデータ通信速度が倍になるという仕組みである．これを 2多重と呼ぶ．11nの規格では最大 4組の送受信機まで，つまり 4多重まで可能であるため，最大でこれまでの 4倍のデータ伝送速度になる．

• 　 40MHzチャネルボンディング隣り合った２つのチャネルを束ねて帯域幅を増やすことで，通信速度を２倍以上にする技

2

術である．従来の 20MHzチャネル２つ分を束ねて，40MHzで通信を行う．IEEE802.11a/g

は 1チャンネルの周波数幅 20MHzに 48のサブキャリアを使ってデータを送信しているが，802.11nでは 2倍以上の 108のサブキャリアを使用している．従って，従来の２倍以上の通信が可能となった．

• 　フレームアグリゲーションIEE802.11無線 LANではすべてのフレームには、無線プリアンブルおよびMACフレームのフィールドに関連する固定的なオーバーヘッドがあるため，データレートがどれだけ高くても実効スループットは低下する．802.11n では、このオーバーヘッドを削減するために，フレーム アグリゲーションが導入されている．フレームアグリゲーションは、実質的に 2 つ以上のフレームを併せて１回で送信するものである．802.11n では、Mac Service Data Unit

（MSDU）アグリゲーションと Message Protocol Data Unit（MPDU ）アグリゲーションの 2 つのフレームアグリゲーション方式が導入されている．

• 　ガードインターバルの短縮ガード・インターバル（GI）はデータ信号送信時の合間に挿入される意味のない信号を流す期間のことであり，受信側で反射によって時間がずれたデータが届いて干渉するのを防ぐために使っている。802.11a/g ではGIが 800ナノ秒である．これを半分の 400ナノ秒で運用している．

3

3 実環境におけるスループット測定

本章では，実環境における IEEE802.11n無線LAN装置のスループット特性評価について述べる．無線 LANネットワーク設計のための指標となるスループット特性評価を行った．ネットワーク

設計を行うためには，実環境における無線 LANアクセスポイントのスループット特性を考慮しなければならない．本研究では，実環境における無線 LANの設計の指標として，PCと無線 LANアクセスポイントとの通信距離，他の無線 LAN装置とのチャネル干渉，障害物（壁），マルチホップに関する実験を行った．

3.1 測定環境

実験対象の無線 LAN機器と他の無線 LAN機器のチャネル干渉を避けるため，実験環境で観測された実験対象以外の無線 LAN装置の運用を停止し，実験対象外の無線 LAN機器との干渉を避けた．測定環境について以下の表に述べる．これらの使用により，最大規定値 300Mbpsの通信速度を満たす．また，20MHzチャネル使用時には，最大通信速度 144Mbpsとなる．

表 2: PCスペック

型番 W760C（UNITCOM）CPU core i3 370M (2.40 GHz)

メモリ 2 GB

OS Ubuntu11.10

表 3: 無線 LAN装置（子機）

型番 WLI-UC-G300HP（Buffalo）プロトコル IEEE802.11 b/g/n

通信チャネル 1～13 ch

アンテナ 2x2 (mimo)

表 4: 無線 LAN装置（親機）

型番 WZR-HP-G302H（Buffalo）プロトコル IEEE802.11 b/g/n

通信チャネル 1～13 ch

無線 LANチップ Atheros AR7240

OS openwrt

CPU speed 400 MHz

Flash 4 MB

RAM 32 MB

Wireless NIC AR9280

アンテナ 2x2 (mimo)

4

3.2 測定用ソフト iperfについて

本実験で用いた測定用ソフトについて説明する．本実験では，NLANR/DASTによって開発された iperf（http://dast.nlanr.net/Projects/Iperf/）を利用した．iperfは，メモリ toメモリのデータ転送をネットワークを介して測定することで，ハードディスクの読み書きがボトルネックになることなく，TCP/UDPのスループットを測定することができる．本実験では，iperf2.0.5でスループット測定を行った．

3.3 通信距離の影響

本節では通信距離の影響についての実験を行った．この実験では，無線 LAN子機を設置した PCと無線 LAN親機との通信距離とスループットの

関係を測定した．実施場所は直線距離を確保可能である屋外を利用した．受信側無線 LAN装置（親機）を地面上に固定し，無線 LAN装置（子機）を設置した PCを通信距離 0mから通信が可能な限り移動させ，5m間隔でスループットを測定した．

3.3.1 実験方法

実施場所は岡山大学理学部棟前の直線道路（屋外）にて行った．図 1に実験の構成を示す．送信側及び受信側はPCと無線LAN装置（親機・子機）から構成される．通信チャネルは１ chである．通信距離は、受信側を固定し，送信側を移動することにより通信が可能な範囲まで 5m間隔で移動し，この時のスループットを測定した．IEEE802.11n で，40MHz

チャネルボンディング及び 20MHzチャネル，TCP及び，UDPでの測定を行った．．スループットの測定には iperfを使用した．表 5に iperfの設定を示す．また，比較対象として，同じ環境にて，IEEE802.11gによる測定も行った．

図 1: 実験の構成（通信距離）

3.3.2 実験結果

図2は IEEE802.11g/nによるTCPでの実験結果を示したものである．また，図??は IEEE802.11g/n

によるUDPでの実験結果を示したものである．横軸は通信距離，縦軸はスループットを示す．TCPでの実験において，IEEE802.11nで，40MHz

チャネルボンディングで 275m，20MHzチャネルで 270m，IEEE802.11gでは 160m，までスループットを測定することができた．また，UDPにおいて，IEEE802.11nで，40MHz チャネルボンディングでは 280m，20MHzチャネルでは 270m，IEEE802.11gでは 155mまでスループットを測

5

表 5: iperfの設定

プロトコル TCP UDP

計測時間 100 sec 100 sec

ポート 5001 5001

帯域 300Mbps

window size 8.00 Kbyte 1470 byte

バッファ長 8.00 Kbyte 1470 byte

定することができた．IEEE802.11nの方が遠距離まで通信が可能だったが，どちらも 100m以上の距離においてはスループットは 1Mbps以下となり，実用可能なスループットではなかった．

図 2: IEEE802.11g/nの通信距離とスループット（TCP）

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3.4 干渉リンクの影響

本節では，無線LANの干渉リンクの影響に関する実験について述べる．無線LANでは同じチャネル（周波数）を利用した機器が存在する時には，電波干渉が発生する．その電波干渉によって，無線 LANのスループットは低下する．IEEE802.11n無線 LANでは 40MHzチャネルボンディングを用いることで，２チャネル分の帯域幅を用い，高速通信が可能である．しかし，２チャネル分の帯域幅を使用する．40MHzチャネルボンディングでは，2.4GHz帯に置いて確保可能な干渉しないチャネルが 1-5chと 9-13chの２つしかない．そのため，従来の 20MHzチャネルと比較すると干渉による影響を受けやすいといえる．そこで，本節では，実環境において 40MHzチャネルボンディング利用時と 20MHzチャネル使

用時では，干渉するチャネルが存在する場合におけるスループットを比較し，評価した．

3.4.1 実験方法

図 3は実験に用いた環境を示したものである．リンクＢの無線 LANアクセスポイントには固定したチャネル（1－ 5ch：40MHzチャネルボンディング）と，リンクＢの無線 LANアクセスポイントには（1－ 5ch：40MHzチャネルボンディング）を設定し，スループットを 5回測定した．その後，リンクＢのチャネルを１つづつ変えながら，干渉するチャネルの重なりを徐々に減らし，スループットを測定した．リンクＡ，リンクＢにおけるチャネル設定を以下の表 6に示す．チャネル干渉幅は，リンクＡと

リンクＢのチャネル設定時の周波数重複の幅である．チャネル干渉幅が 0MHzは，他リンクからの干渉影響を受けないチャネル設定である．実験は 3.3.1節と同様に iperf，TCPでの測定を行った．また，40MHzチャネルボンディングを使用せずに，IEEE802.11nの 20M Hzチャネルで同様の測定を行い比較した．その時のチャネル設定を表 7に示す．測定環境は，各無線 LAN装置及を５m間隔で設置した．

表 6: 40MHzチャネルボンディング設定

ケース リンクＡ リンクＢ チャネル干渉幅1 1-5ch 1-5ch 40MHz

2 1-5ch 2-6ch 35MHz

3 1-5ch 3-7ch 30MHz

4 1-5ch 4-8ch 25MHz

5 1-5ch 5-9ch 20MHz

6 1-5ch 6-10ch 15MHz

7 1-5ch 7-11ch 10MHz

8 1-5ch 8-12ch 5MHz

9 1-5ch 9-13ch 0MHz

表 7: 20MHzチャネル設定

ケース リンクＡ リンクＢ チャネル干渉幅1 1ch 1ch 20MHz

2 1ch 2ch 15MHz

3 1ch 3ch 10MHz

4 1ch 4ch 5MHz

5 1ch 5ch 0MHz

6 1ch 6ch 0MHz

7 1ch 7ch 0MHz

8 1ch 8ch 0MHz

9 1ch 9ch 0MHz

10 1ch 10ch 0MHz

11 1ch 11ch 0MHz

12 1ch 12ch 0MHz

13 1ch 13ch 0MHz

7

図 3: 実験の構成（干渉）

3.4.2 実験結果

実験結果は図 4はチャネルボンディング使用時の干渉実験の結果である．また，図 5は 20MHz

チャネル使用時の干渉実験の結果である．横軸は実験番号，立て軸はスループットである．結果より，チャネルボンディング利用時，干渉幅が 40MHzの時，スループットは合計 68Mbpsと干渉が発生し，スループットが大幅に低下していることがわかる．しかし，干渉幅が 0MHzの場合においては，合計 190.4Mbpsとほぼ干渉の影響がないことがわかる．また，20MHzチャネル利用時においては，干渉がある 1chと 4chの組み合わせまでは干渉の影

響を受けて，スループットが極端に低下していることがわった．

8

図 4: IEEE802.11n-40MHzチャネルボンディング干渉実験結果

図 5: IEEE802.11n-20MHzチャネル干渉実験結果

9

3.5 マルチホップの影響

本節では，マルチホップ通信によるスループット低下についての実験を述べる．

3.5.1 測定方法

PCに有線接続された無線 LAN装置（子機）を含め，GWと想定する受信側無線 LAN装置へマルチホップによる通信を行った．ホップ数を１から４まで増やすことによって，IEEE802.11n

の 40MHzチャネルボンディング及び，20MHzチャネルのマルチホップを利用した際のスループット特性をした．ネットワーク構成は図 6に示す通りである．無線 LAN装置（子機・親機）は全て１チャネルを

使用し，各無線 LAN装置の間隔は 5mである．また，実験は 3.1節と同様に iperf，TCPでの測定を行った．実験の構成は図 6のトポロジにおいて，各無線 LAN装置間接続を１ホップとし，無線 LAN装置を付加していくことによって，複数ホップを構成した．

図 6: 実験の構成（マルチホップ）

10

3.5.2 実験結果

１～４ホップまでのマルチホップによるスループットを測定した．実験結果を図 7，??に示す．図 7は 40MHzチャネルボンディング，図??は 20MHz チャネルによる測定結果である．測定結果では，1ホップ時と比較すると２ホップではおよそ半分となる，ホップ数が増加する毎にスループットが低下するのが分かった．

図 7: 実験結果（マルチホップ・40MHzチャネルボンディング）

図 8: 実験の構成（マルチホップ・20MHzチャネル）

11

3.6 障害物の影響

本節では通信時に障害物として壁を挟んだ通信について実験を行った．

3.6.1 実験方法

工学部２号館３階のD306，D307，D308を利用し，最大壁２枚によるスループットの減衰を実験した．壁の厚さは 12cmの鉄筋コンクリート製である．実験環境を図 9に示す．無線 LAN装置（子機）から無線 LAN装置（親機）までそれぞれ 5mと 10mである．チャネルは 1chを使用し，IEEE802.11nの 40MHzチャネルボンディング及び，20MHzチャネルで測定した．また，実験は3.1節と同様に iperf，TCPでの測定を行った．

図 9: 実験環境（障害物）

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3.6.2 実験結果

実験１は無線 LAN装置の間隔が 5m，壁１枚，実験２は無線 LAN装置の間隔が 10m壁が２枚での実験である．また，図 8は 40MHzチャネルボンディング，9は 20MHzチャネルの結果である．3.3節より，40MHzチャネルボンディングでは，通信距離が 5mでのスループットが 98.2Mbpsであるため，壁を１枚はさむことによって 15.2% スループットが低下している．通信距離が 10mでは，69.0Mbpsのため，壁を２枚はさむと 29.8% スループットが減少している．同様に，20MHzチャネルでは，通信距離が 5mでのスループットが 59.8Mbpsであるため，壁を１枚はさむと 16.5%スループットが低下している．通信距離が 10mでは，55.4Mbpsのため，壁を２枚はさむと 30.2%

スループットが減少している．

表 8: 実験結果（障害物・40MHzチャネルボンディング）1 2 3 4 5 平均

実験１ 83.4 84.1 82.2 83.4 83.1 83.2

実験２ 49.7 51.2 47.3 47.4 46.9 48.5

（Mbps）

表 9: 実験結果（障害物・20MHzチャネル）1 2 3 4 5 平均

実験１ 50.2 49.1 50.1 49.4 50.9 49.9

実験２ 38.7 39.1 37.7 38.8 39.1 38.7

（Mbps）

13

3.7 考察及びまとめ

本節では，以下の実験結果をまとめる．

1. 通信距離IEEE802.11ｎは 40MHzチャネルボンディング利用時に通信距離が大きくなるとスループットが極度に低下することが分かった．これは 40MHzチャネルボンディングでの干渉が原因と考えられ，実験時に利用したチャネルは 2.402GHz～2.442GHzであり，20MHzチャネルでは同様の低下が見られなかったことから，2.422GHz～2.442GHzでの電波干渉があったものと考えられる．

2. 干渉全く同じチャネルを利用する無線 LAN装置が存在すると，大幅にスループットが低下してしまう．40MHzチャネルボンディング利用時は 20MHzチャネル利用時に比べ干渉による影響が大きく，十分にチャネル間隔を開けるか，干渉の無いチャネルを利用しなければならない．チャネルボンディングにおいて，チャネル間隔を 5チャネル以上の間隔を開けることで，干渉によるスループット低下を防ぐことができる．また，20MHzチャネルにおいても，5チャネル以上の間隔を開けることによって干渉の影響を抑えることができる．

3. マルチホップマルチホップでは４ホップまでは，ホップ数にほぼ反比例してスループットが減少していることが分かった．40MHzチャネルボンディング及び，20MHzチャネルについても同程度の影響がみられた．

4. 障害物（壁）壁をはさむ通信では，通信距離に対して壁一枚あたりおよそ 15%の減少となっていることが分かった．40MHzチャネルボンディング及び 20MHzチャネルでも同程度の影響が見られた．

以上より，設計時に通信距離を基にし，ホップ数，障害物（壁）を考慮しなければならない．

14

4 測定結果のWIMNETシミュレータへの適用

本章では,実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式の提案，WIMNETシミュレータへの適用を行う．

4.1 実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式

本節では，実環境における測定結果に基づくリンク速度近似式を提案する．今回,無線端末の距離を変えながら，IEEE802.11nリンクのスループットの測定を行ったところ，

距離の増加に応じてスループットが大きく減少することが分かった．そのため，IEEE802.11nを無線メッシュネットワークWIMNETの APに使用する場合，AP間リンクの距離に応じて，スループット (通信速度)が大きく変化することを考慮し，WIMNETのトポロジ (AP配置)を決めることが重要である．今回の測定の結果を経路木アルゴリズムと動作 AP選択アルゴリズムに反映させるために，測定結果を近似式で表す．以上の測定結果から算出した近似式は，以下の通りである．

y =

0.0003x3 + 0.0662x2 − 5.0817x+ 110.68 0 ≤ x < 35　

−0.0002x3 + 0.0517x2 − 4.2118x+ 114.26 35 ≤ x < 70

0.0000007x3 + 0.0004x2 − 0.0914x+ 6.4585 70 ≤ x < 110

1 x ≤ 110

(1)

4.2 WIMNETシミュレータへの適用

本節では，距離とリンク通信速度の関係のWIMNETシミュレータへの適用を行う．リンク通信速度の高速化 (最大 120Mbps)，及び任意の通信速度への対応を行う．

1. 想定スロット周期の変更．以前のWIMNETシミュレータのスロット周期は 0.2msecとしていた．最大 1スロットで1500byte(12000bits)送信可能であり，最大速度は12Kbits/0.2msec，つまり60Mbpsとなっていた．今回の変更により，スロット周期を0.1msecとし，最大1スロットで1500byte(12000bits)

送信可能とし，最大速度が 12Kbits/0.1msec，つまり 120Mbpsとなるようにした．

2. 任意のリンク通信速度への対応各リンクを複数回，動作させた場合の平均速度が，そのリンクの通信速度に一致するように，1リンク動作時に要するタイムスロット数の制御を行う．

(a) 初期処理

i. 目標動作スロット数の算出各リンクが通信速度を実現するのに必要な実数値の目標動作タイムスロット数を算出する．目標動作スロット数=120/リンク通信速度 (Mbps)

ii. 使用動作スロット数の算出これを用いて，実際に使用する整数値の 2種類のタイムスロット数を算出以上のグラフから算出した近似式は，以下の通りである．

15

y =

0.0003x3 + 0.0662x2 − 5.0817x+ 110.68 0 ≤ x < 35　

−0.0002x3 + 0.0517x2 − 4.2118x+ 114.26 35 ≤ x < 70

0.0000007x3 + 0.0004x2 − 0.0914x+ 6.4585 70 ≤ x < 110

1 x ≤ 110

(2)

iii. 使用動作スロット数の算出これを用いて，実際に使用する整数値の 2種類のタイムスロット数を算出する．L動作スロット=目標動作スロット数の小数点以下切り捨てU動作スロット=目標動作スロット数の小数点以下切り上げここで，目標動作スロット数の場合には両者が一致する．

iv. 変数の初期化ランダムに L動作スロット数，または，U動作スロット数を選択し，累計動作スロット数をその値で初期化する．累積リンク動作回数を，1で初期化する．

(b) 通信動作中のタイムスロット数の制御各リンクが動作する際に，以下の手続きを行う．

i. 平均スロット数の算出平均スロット数=累積動作スロット数/累積リンク動作回数 (実数が得られる)

ii. 動作スロット数の選択平均スロット数＞目標動作スロット数　→　 L動作スロット数を選択そうでなければ　→　U動作スロット数を選択

iii. 変数の更新累積動作スロット数+＝動作スロット数累積リンク動作回数++1

4.3 シミュレーションによる評価

本章では,提案アルゴリズムの評価のために,C言語で実装し,WIMNETシミュレータを用いたシミュレーションによる評価結果を示す.

4.3.1 シミュレーション環境,条件

今回，シミュレーションに用いたシミュレータは，本研究グループで開発したWIMNETシミュレータを用いた．WIMNETシミュレータでは，AP間の無線通信機能を実装している．また，実装の容易化と実行の高速化のために，電波は確実に届くものとして,WIMNETの各動作,すなわち，ホストの移動,ホストでの通信要求発生，リンク動作 (パケット転送)は，１つのクロックに従い,スロット単位で同期的に生起するものとしている．これにより，パケット転送の最低限のプロトコルを実行することで実行処理を軽減し，大規模ネットワークでのシミュレーションを可能としている，本シミュレーションでは，開始前に各ホストがGW(インターネット)向けに 125パケット，GWが各ホストに向け 1000パケットを保持し，全パケットの送信を終了するまでとしている．また，評価指数としてのスループットには，シミュレーション時間内に転送が完了した全データをシミュレーション時間で除した値としている．また，シミュレーションに用いたPCのスペックは以下の通り．

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表 10: マシン環境

OS Ubuntu 10.10

CPU AMD AMD Athlon(tm) II X2 240 Processor

メモリ 2GB

4.3.2 シミュレーション例題

本節で実行したシミュレーションについて述べる．例題として，図 10のような 25(5× 5)台のAPを格子状に一定間隔で配置し，中央のAPをGWとする．各APはその４近傍で隣接するAPと無線通信可能である．また，無線リンクの帯域は AP間は 4.1節で紹介した IEEE802.11n

のリンク速度近似式より算出した値，AP-ホスト間は IEEE802.11aを用いた．そして,それぞれのAP間の間隔が 10m，20m，30m，40m，50m，60m，70m，80m，90m，100mとなるトポロジをそれぞれ用意した．また，通信に用いる無線の規格を，IEEE802.11nのみ，IEEE802.11ｇのみ，IEEE802.11n/gとした３種類のシミュレーションを行った．これは，提案手法によるリンク通信速度が，スループットに影響を与えることを確認するためである．図中,白丸はそれぞれ AP，黒丸は GWAPを表し，AP間の実線は AP間リンクを表す．また，

それぞれのAPに対する接続ホスト数は，１ずつとした．

図 10: シミュレーショントポロジー

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4.3.3 シミュレーション結果

提案法及び従来法により，得られたWIMNET全体のスループットを図 11に示す．これに示すように，提案手法より得られたWIMNET全体のスループットは，どの無線の規格においても距離が遠くなると，スループットが減少していくことが確認できる．一方，従来の手法でのシミュレーション結果は，どの距離においても，どの規格を用いても，一定のスループットとなることが確認できる．　これにより，提案手法の有効性を示すことが出来たといえる．

図 11: シミュレーション結果

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5 測定結果を用いたアクセスポイントの配置

本章では，第２章での実測値を元に，実環境での IEEE802.11n無線 LANでのアクセスポイント（AP）配置に関する設定を行い，実環境に適用しスループットを測定した．

5.1 スループット推定ルール

測定結果よりスループット推定ルールを作成した．

1. 通信距離以下の式は 3.3節の実測結果を元に，IEEE802.11nによる 40MHzチャネルボンディングの0-40m間の通信距離のスループット近似式である．

y = −0.002x3 + 0.19x2 − 6.9531x+ 117.74 (3)

同様に以下の式は 3.3節の実測結果を元に，IEEE802.11nによる 20MHzチャネルの 0-100m

間の通信距離のスループット近似式である．

y = −0.005x3 + 0.0066x2 − 1.0142x+ 63.328 (4)

xは通信距離（m），yはスループット（Mbps）である．

2. 干渉

• 40MHzチャネルボンディング利用時チャネル干渉を防ぐため，40MHzチャネルボンディングによるチャネル間隔を 5チャネル以上確保することとする．したがって，2.4GHz

帯での同時利用可能な無線 LANアクセスポイントは２台までとする．20MHzチャネルのチャネル間隔は，5チャネル以上確保することとする．

• 20MHzチャネル利用時チャネル干渉を防ぐため，20MHzチャネルによるチャネル間隔を 5チャネル以上確保することとする．したがって，2.4GHz帯での同時利用可能な無線 LANアクセスポイントは最大３台までとする．

3. マルチホップ3.3節の実験結果より，マルチホップによるスループットは，無線 LAN間のスループットをホップ数で割ることとした．

4. 障害物（壁）3.4節の結果より壁一枚辺りのスループットは通信距離によるスループットの 15%低減とした．

以上を対象とする無線 LANでのスループット推定ルールとした．

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5.2 2号館におけるAP配置の検討

以上のスループット推定ルールより，工学部２号館２階において，各測定ポイントにおいて最低限（30Mbps）のスループットを確保するように IEEE802.11nアクセスポイント（AP）配置を行った．各測定箇所は部屋の中心部とした．

図 12: 2Fにおける設計結果

表 11: 図 12の設計を元にした予測APの位置 教室名 APからの距離 壁の枚数 予測スループット

(m) (Mbps)

D201 9 1 58.7

D202 12.4 2 36.8

AP1 D203 3.3 0 96.8

D204 12.7 2 39.1

D205 14 1 44.3

D206 3.6 1 80.8

AP1 D207 4.8 0 88.5

D208 9.4 2 47.2

リフレッシュコーナー 12.1 1 43.4

図 12は工学部２号館２階における検討である．D203，D207に無線LANアクセスポイントを配置した．また，40MHzチャネルボンディングを用い，チャネル設定はAP1(1-5ch)，AP2（9-13ch）である．

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5.3 実測評価

3.1節の検討結果より，無線 LANアクセスポイントの配置を行い，スループットを計測した．結果を表 12に示す．設計時の条件である最低限のスループット（30Mbps）を確保することができた．また，全体の傾向として，推定スループットより低くなっていることがわかる．これは，測定時における他アクセスポイント（上下階）との干渉による原因と，スチール製本棚等の障害物の影響を考慮していなかったことが考えられる．

表 12: 12設計を元にした実測評価

APの位置 教室名実測スループット 想定スループットとの差

(Mbps) (Mbps)

D201 52.1 -6.6

D202 32.1 -4.7

AP1 D203 92.1 -4.7

D204 32.4 -6.7

D205 33.1 -11.2

D206 76.4 -4.4

AP2 D207 85.3 -3.2

D208 42.1 -5.1

リフレッシュコーナー 45.0 1.6

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5.4 参考

参考として，最低スループットの得られなかった部屋のある設計結果および結果を表 13に，その配置を図 13に示す．AP1,AP2,AP3は，20MHzチャネルであり，最大スループットは 144Mbpsである．また，チャ

ネル設定は，AP1が 1ch，AP2が 13ch，AP3が 6chである．

表 13: 検討（設計結果）

APの位置 教室名 APからの距離 壁の枚数 設計スループット 実測スループット(m) (Mbps) (Mbps)

AP1 D202 3.2 0 60.0 54.4

D204 7.1 1 47.4 42.1

AP2 D201 9 1 45.3 39.5

D203 3.3 0 60.0 57.1

D205 14 1 38.2 28.1

AP3 D206 3.6 1 50.7 44.4

D207 4.8 0 58.4 52.3

D208 9.4 1 44.8 39.7

リフレッシュコーナー 12.1 1 41.2 43.1

図 13: 参考（２階における検討）

表 13より，D205では実測スループットで最低限のスループット（30Mbps）が確保できなかった．また，全体のスループットの傾向として，予想スループットよりも低くなっており，上下階の干渉による影響，スチール棚等の障害物の影響が考えられる．また，リフレッシュコーナーに関して，5.3節，5.4節では設計スループットより実測スループットが大きくなった．これは，ドアの素材による影響が考えられる．

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6 むすび

本研究では，IEEE802.11n無線 LANの測定を行い，既存の規格と新たな規格についての通信距離によるスループット評価，干渉，障害物，マルチホップについてのスループット特性を明らかにした．また，測定結果を元に無線メッシュネットワークWIMNETシミュレータへの適用，シミュレーションによる評価を行った．更に，測定結果を元にした実環境でのネットワーク設計を行い，実測評価した．設計に基づき，ネットワークを設計することで，おおよそのスループット確保が可能となることが分かった．今後の課題として，2.4GHz帯に比べ電波干渉が発生しにくい，5.2GHz帯（20MHzチャネルで

は最大 19チャネル干渉しないチャネルが使用できる）に対応した IEEE802.11n無線 LANアクセスポイントを用いた実測評価，及び評価に基づいたネットワークの設計，壁以外の障害物のスループットへの影響の測定，また，設置高や，高出力アンテナなどによる他アクセスポイントでの測定結果の比較・設計への適用などが挙げられる．

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謝辞

本研究の全過程を通じて，舩曵信生教授には，ご指導を賜わり，心より感謝させていただきます．本研究を遂行する過程で，数々の有益な御教授を頂きました中西透准教授に深く感謝いたします．本研究を実施するにあたり，貴重な御助言を頂きました渡邊寛助教に深く感謝いたします．最後に，種々御討論頂いた分散システム構成学研究室の皆様，に心から御礼を申し上げます．

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参考文献

[1] 小松寛之, 鈴木　遼, 渋谷広志, 寺田裕樹, 猿田和樹, 武田和時, “IEEE802.11gを用いたマルチホップ接続無線 LANのスループットの測定,” 信学技報, vol. 109, no. 449, IN2009-178, pp.

205-210, 2010年 3月.

[2] 平方健吾, 堀内哲史, 舩曵信生, 中西透, “無線メッシュネットワークの実用性向上を目的としたスマートアクセスポイントの構築,” 信学技報，NS2008-99, pp.63-68, Nov. 2008.

[3] 上村香菜子，舩曵信生，中西透，“スケーラブル無線メッシュネットワークのための通信路構成最適化アルゴリズム，” 信学論 B, Sep. 2009

[4] 上村香菜子, 舩曵信生, 中西透, “大規模無線メッシュネットワークのためのスマートアクセスポイント配置アルゴリズム,” 信学技報, NS2009, Oct. 2009.

[5] 吉田翔志, 舩曵信生, 中西透, “無線メッシュネットワークのためのWIMNET シミュレータの開発,” 第 3 回アドホックネットワークワークショップ，pp.1-9-1-12，Jan. 2006.

[6] http://buffaloinc.jp/

[7] 森倉正博，久保田周治，『改訂三版　 802.11高速無線 LAN教科書』(2008)

[8] Technology@Intel Magazine，“802.11nによって実現する次世代無線LAN（日本語訳）,” 2004

年 9/10月

[9] Technology@Intel Magazine，“無線 LANの信号到達範囲と帯域幅の拡大：スマート・アンテナに関するインテルの研究,” 2004年 9/10月

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