まず最初に、5G通信は今日お話しする5GHz Wi-Fiとは異なることを明確にしておく必要があります。5G通信とは、実際には第5世代移動通信ネットワークの略で、主に携帯電話の移動通信技術を指します。そして、ここで言う5Gとは、Wi-Fi規格の5GHzを指し、5GHz周波数帯を使用してデータを送信するWi-Fi信号のことです。
現在市販されているWi-Fi機器のほぼ全ては2.4GHz帯に対応しており、高性能な機器は2.4GHz帯と5GHz帯の両方に対応しています。このようなブロードバンドルーターはデュアルバンド無線ルーターと呼ばれます。
以下では、Wi-Fiネットワークにおける2.4GHz帯と5GHz帯について説明します。
Wi-Fi技術の開発には20年の歴史があり、第一世代の802.11bから802.11g、802.11a、802.11n、そして現在の802.11ax（WiFi6）へと進化を遂げてきました。
Wi-Fi規格
WiFi無線は単なる略称です。実際には、802.11無線LAN規格のサブセットです。1997年の誕生以来、規模の異なる35以上のバージョンが開発されてきました。その中でも、802.11a/b/g/n/acは、より成熟した6つのバージョンです。
IEEE 802.11a
IEEE 802.11aは、オリジナルの802.11規格を改訂した規格で、1999年に承認されました。802.11a規格は、オリジナルの規格と同じコアプロトコルを使用しています。動作周波数は5GHzで、52個の直交周波数分割多重サブキャリアが使用され、最大生データ伝送速度は54Mb/sで、実際のネットワークの中程度のスループット（20Mb/s）要件を満たしています。
2.4G周波数帯の混雑が深刻化しているため、5G周波数帯の使用は802.11aの重要な改善点です。しかし、問題点もあります。伝送距離は802.11b/gほど長くありません。理論的には、5G信号は壁などに遮られたり吸収されたりしやすいため、802.11aの通信範囲は801.11bほど広くありません。802.11aも干渉を受ける可能性がありますが、周囲に干渉信号が少ないため、通常はスループットが優れています。
IEEE 802.11b
IEEE 802.11b は無線ローカルエリアネットワークの標準規格です。搬送波周波数は 2.4GHz で、1、2、5.5、11Mbit/s の複数の伝送速度を提供できます。Wi-Fi と誤って表記されることがあります。実際には、Wi-Fi は Wi-Fi Alliance の商標です。この商標は、その商標を使用する製品が相互に連携できることを保証するだけであり、規格自体とは何の関係もありません。2.4GHz ISM 周波数帯には、帯域幅 22MHz のチャネルが合計 11 個あり、これらは 11 個の重複する周波数帯です。IEEE 802.11b の後継は IEEE 802.11g です。
IEEE 802.11g
IEEE 802.11gは2003年7月に制定されました。搬送波周波数は2.4GHz（802.11bと同じ）で、周波数帯域は合計14、伝送速度は54Mbit/s、実効伝送速度は約24.7Mbit/s（802.11aと同じ）です。802.11g対応機器は802.11bとの下位互換性があります。
その後、一部の無線ルーターメーカーは市場のニーズに応え、IEEE 802.11g規格に基づいた新しい規格を開発し、理論上の伝送速度を108Mbit/sまたは125Mbit/sに向上させた。
IEEE 802.11n
IEEE 802.11nは、IEEEが2004年1月に設立した新しいワーキンググループによって802.11-2007をベースに開発された規格で、2009年9月に正式に承認されました。この規格はMIMOをサポートし、無線帯域幅を40MHzまで拡張し、理論上の最大伝送速度は600Mbit/sとなっています。同時に、Alamoutiが提案した空間時間ブロック符号を用いることで、データ伝送範囲を拡大しています。
IEEE 802.11ac
IEEE 802.11acは、無線LAN通信に6GHz帯（5GHz帯とも呼ばれる）を使用する、開発中の802.11無線コンピュータネットワーク通信規格です。理論上、複数局間の無線LAN通信では少なくとも1ギガビット/秒、単一接続では少なくとも500メガビット/秒（500 Mbit/s）の帯域幅を提供できます。
IEEE 802.11nから派生した無線インターフェースの概念を採用・拡張しており、RF帯域幅の拡大（最大160MHz）、MIMO空間ストリーム数の増加（最大8ストリーム）、MU-MIMO、高密度復調（変調方式、最大256QAM）などを実現しています。IEEE 802.11nの後継規格となる可能性を秘めています。
IEEE 802.11ax
2017年、ブロードコムは802.11ax無線チップの発売を先導しました。それまでの802.11adは主に60GHz帯の周波数帯域を使用していたため、伝送速度は向上したものの、カバー範囲が限られており、802.11acを補完する機能的な技術となっていました。IEEEの公式プロジェクトによると、802.11acを継承する第6世代Wi-Fiは802.11axであり、2018年からは対応共有デバイスが発売されています。
2.4GHzと5GHzの違い
第一世代の無線伝送規格であるIEEE 802.11は1997年に誕生しました。そのため、電子レンジやBluetooth機器など、多くの電子機器は一般的に2.4GHzの無線周波数を使用しており、多かれ少なかれ2.4GHzのWi-Fiに干渉します。そのため、信号はある程度影響を受けます。これは、馬車、自転車、車が同時に走行する道路に似ており、車の走行速度が自然に影響を受けるのと同様です。
5GHz帯のWi-Fiは、より高い周波数帯域を使用することで、チャネルの混雑を軽減します。22のチャネルを使用し、互いに干渉しません。2.4GHz帯の3つのチャネルと比較すると、信号の混雑が大幅に軽減されます。そのため、5GHz帯の伝送速度は2.4GHz帯よりも高速です。
第5世代802.11acプロトコルを使用する5GHz Wi-Fi周波数帯は、80MHzの帯域幅で433Mbps、160MHzの帯域幅で866Mbpsの伝送速度を達成でき、2.4GHz帯の最高伝送速度300Mbpsと比較して大幅に向上しています。
5GHz 障害物なし
しかし、5GHz Wi-Fiにも欠点がある。その欠点は、伝送距離と障害物を乗り越える能力にある。
Wi-Fiは電磁波であるため、主な伝搬方法は直線伝搬です。障害物に遭遇すると、透過、反射、回折などの現象が発生します。その中でも透過が主なもので、反射や回折は信号のごく一部にしか発生しません。電波の物理的特性としては、周波数が低いほど波長が長くなり、伝搬中の損失が小さくなり、カバレッジが広くなり、障害物を迂回しやすくなります。周波数が高いほどカバレッジは狭くなり、障害物を迂回するのが難しくなります。
したがって、高周波で波長の短い5G信号は、比較的カバー範囲が狭く、障害物を透過する能力も2.4GHzほど優れていない。
通信距離に関して言えば、2.4GHz帯のWi-Fiは屋内で最大70メートル、屋外で最大250メートルの範囲をカバーできます。一方、5GHz帯のWi-Fiは屋内で最大35メートルしかカバーできません。
下の図は、仮想設計ツールにおけるEkahau Site Surveyの2.4GHz帯と5GHz帯の周波数範囲の比較を示しています。2つのシミュレーションのうち、最も濃い緑色は150Mbpsの速度を表しています。2.4GHz帯のシミュレーションにおける赤色は1Mbpsの速度を、5GHz帯のシミュレーションにおける赤色は6Mbpsの速度を示しています。ご覧のとおり、2.4GHz帯のアクセスポイントのカバー範囲は確かにわずかに広いですが、5GHz帯のカバー範囲の端では速度が速くなっています。
5GHzと2.4GHzは異なる周波数であり、それぞれWi-Fiネットワークにとって利点があります。これらの利点は、ネットワークの構成方法、特に信号がカバーする必要のある範囲や障害物（壁など）を考慮する場合によって異なります。これは多すぎますか？
より広い範囲をカバーする必要がある場合や、壁を透過する能力が高い場合は、2.4GHzの方が適しています。しかし、これらの制限がない場合は、5GHzの方が高速です。これら2つの周波数帯の長所と短所を組み合わせ、無線展開でデュアルバンドアクセスポイントを使用することで、無線帯域幅を2倍にし、干渉の影響を軽減し、あらゆる面で優れたWi-Fiネットワークを実現できます。
投稿日時：2021年6月9日