前回までは、無線LANの標準規格IEEE802.11ax(802.11ax)の仕様を紹介してきた。今回から東芝が開発した802.11ax規格のドラフトに対応したLSIについて、開発者がその実装を解説していく。本稿では802.11axへの対応に必要な1024個の信号点を識別するための誤差補正技術を中心に解説する。

 802.11axの機能について、必須機能とオプション機能を整理し、当社のLSIの対応状況について解説する(表1)。

表1 802.11axの代表的な機能の必須・オプションと東芝の実装対応
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 802.11axの対象となる周波数帯は1~7.125GHz帯である。しかし、製品化の観点から2.4GHz帯あるいは5GHz帯の少なくともどちらか一方への対応が必要になるだろう。普及している無線LANの周波数帯に投入することで、市場の拡大が容易になる。当社のLSIではこの2つの帯域どちらにも対応し、さらに802.11a/b/g/n/ac規格に対応して後方互換を保証した。

 チャネル幅はアクセスポイント(Access Point:AP)と端末(STAtion:STA)で必須・オプションの扱いがそれぞれ異なる。例えば、前回解説したように、STAは20MHzのみ対応が必須で、APはそれに加えて40MHzと80MHzへの対応が必須となる注1)。当社実装では、APとSTAでオプションを含めて全てのチャネル幅に対応した。

注1) なお、チャネル幅が増えれば伝送レートも「ほぼ」正比例して高くなる。「ほぼ」としたのは理由がある。OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) のサブキャリア数は、必ずしもチャネル幅の増加に正比例しないからである。チャネル幅80MHzは同40MHzを単純に2つ連接したものではなく、サブキャリアをより多く詰め込んで高速化している。具体的には、同40MHzではガードバンドとして利用していた帯域がデータ伝送に使えるようになる。そのため、チャネル幅80MHzの伝送レートは40MHzの2倍より若干高くなる。

 ストリーム数はAPでもSTAでも2本以上がオプション扱いとなっている。米国に本拠地がある認証団体「Wi-Fi Alliance」では、モバイルAPは1ストリーム対応が必須、それ以外のAPでは2ストリーム以上が必須になっている。当社は4ストリームに対応した。

 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)はDL(DownLink)、UL(UpLink)共に対応が必須の要件となっているため、当社実装でも対応した。

 MU-MIMO(Multi User-Multiple Input, Multiple-Output)は、DLでAPの場合、4ストリーム以上で送信対応が必須。同じくSTAの場合は、当該STA宛てストリーム数の合計が4本以下の場合に受信対応必須となっている。当社のLSIはAP、STAいずれで動作する場合でも対応する。一方、ULのMU-MIMOへの対応はオプションであり、今回当社は対応しなかった。現時点でWi-Fi Allianceのテスト対象に入っていないためである。業界を見渡しても、UL OFDMAに対してUL MU-MIMOへの対応は相対的に優先度が低い傾向にある。

 変調符号化方式(Modulation and Coding Scheme:MCS)は802.11ax規格ではMCS0~MCS11までの12種類が規定されている(表2)。802.11axでは802.11ac規格と同じMCS0~9に加えて、新たにMCS10とMCS11が追加された。このうち、実装が必須とされるMCSはMCS0~7である。それ以上はオプションとなる。オプションである高MCSは、伝送レートが高く導入効果を訴求しやすいため、当社実装ではオプションを含めて全て対応した。

表2 802.11axが対応する変調符号化方式
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 802.11axで新たに追加されたMCS10とMCS11に対応する変調方式の1024QAMでは、1回の変調で送れる情報(1シンボル)は10ビットになる(1024=2の10乗)。802.11acから採用されていた256QAMは1シンボル当たり8ビットであるため、1024QAMの伝送レートは256QAMの1.25倍速くなる。

 高速化の一方で、課題もある。1024QAMでは32×32で1024点の信号点を配置する。256QAMは16×16の256点であるため、1024QAMの各信号点間の距離は256QAMより短くなる。これにより雑音を含む無線環境で伝送された信号を受信端末で復号する場合、信号点の配置の正しい識別はより難しくなる。なお、当社実装での最大伝送速度は、MCS11で80MHzのチャネル幅、4ストリーム利用時の2.4019Gビット/秒である。

開発したLSIの概要

 ここからは当社が開発したLSIの特徴を紹介していこう(図1)。開発したLSIは802.11axドラフト規格に対応し、さらに当社の独自機能として電子レンジなど干渉の無線信号を検出する機能を実装した。

(a)802.11ax 無線通信用LSI
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(b)802.11ax対応LSIブロック図
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図1 11axに対応するLSIを開発
東芝が開発した802.11ax対応のLSI(左写真)とそのブロック図(右図)。LSIはアナログ無線部とデジタル無線部により構成されている。アナログ無線部は4ストリーム×2バンド対応のため合計8系統の送受信機、80+80MHzチャネル対応のため2系統の局部発振(LO)シンセサイザーが搭載されている。

 試作したLSIは、複数の無線子機との通信容量が従来規格に対して最大約2.1倍に向上し、9台のカメラ動画を途切れることなく送ることを可能にした。さらには電子レンジなど無線機器からの干渉認識に成功している。

 今回、802.11axのドラフト規格に対応するための課題は大きく2つあった。第1に、1024QAMに対応するための直交信号誤差および(回路が発する)雑音の低減、第2にOFDMAおよび80+80MHzチャネルに対応するLO(Local Oscillation)信号雑音(位相雑音)の抑圧である。

 開発したLSIは、これらの課題を解決するために直交誤差の自動補正・低雑音送受信回路と、低漏洩LO分配回路などの技術を採用した(詳細は次回)。今回は、1024QAMのための誤差補正技術について解説する。

第4回「11axに必須な回路の低雑音化、電流駆動による素子点数削減で実現」を日経 xTECHで先行公開中。

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