高密度Wi-Fi導入

集約アプリケーション スループットの推定

通常、重要度の高いアプリケーションが存在し、これが接続のニーズに大きく影響します。そのアプリケーションとネットワーク上での他のアクティビティのスループット要件を理解すると、ユーザ当たりの帯域幅の目標がわかります。このユーザ当たりの帯域幅必要量を使用して、設計上の決定をさらに進めていきます。一般的なアプリケーションのスループット要件は、以下のとおりです。

接続およびアプリケーションごとに必要な帯域幅のスループットを把握できたら、その数値に基づいて、WLANのカバレッジ エリアで必要な集約帯域幅を求めることができます。教室、ロビー、講堂など、エリアごとに集約帯域幅の要件が異なる可能性があるため、それぞれのエリアでの集約帯域幅を求めることをお勧めします。

ここでは例として、3Mbpsのスループットが必要なHDビデオ ストリーミングをサポートする高帯域Wi-Fiネットワークを設計していきます。講堂の収容可能人数を踏まえると、HDビデオ ストリームを視聴するユーザは最大で600人になる可能性があるとします。集約アプリケーション スループットは、以下の式を使用して計算できます。

（アプリケーション スループット） x （同時ユーザ数） = 集約アプリケーション スループット

3Mbps x 600ユーザ = 1,800Mbps

デバイス スループットの推定

Meraki APは最新のテクノロジーに対応しているため、各規格で定義されている最大データ レートをサポートしますが、多くの場合、得られる平均デバイス スループットは、クライアントの性能、AP当たりの同時ユーザ数、サポートされているテクノロジー、帯域幅などの他の要因によって決まります。

クライアントの性能は、スループットに著しい影響を与えます。これは、新しいテクノロジーをサポートするクライアントに比べて、レガシーのレートしかサポートしていないクライアントのスループットが低くなるためです。さらに、クライアントがサポートする帯域も、ある程度はスループットに影響を与える可能性があります。Meraki APのバンド ステアリング機能を有効にすると、デュアル バンドのクライアントを5GHzに誘導できます。

状況によっては、各帯域専用のSSIDを使用することも推奨されます。このようにすると、帯域間でのクライアントの分布がより適切に管理され、考えられる互換性の問題が発生する可能性もなくすことができます。

クライアントのスループット要件を評価するには、クライアント デバイスを調査して、そのワイヤレス性能を判断します。ここで重要な点は、サポートされるワイヤレス帯域（2.4GHzまたは5GHz）、サポートされるワイヤレス規格（802.11a/b/g/n/ac）、各デバイスがサポートする空間ストリーム数を特定することです。クライアント デバイスの資料からはサポートされるデータ レートがわからない場合もあるため、ダッシュボードのクライアント詳細ページから簡単に性能を確認できるようになっています。

クライアントの詳細をリストで表示した例

Wi-FiはCSMA/CAベースであり、半二重です。つまり、一度に1台のデバイスのみ通信が可能で、その間、同じAPに接続されている他のデバイスは、チャネルにアクセスする順番を待機します。そのため、同時クライアント数もAPのスループットに影響を与えます。これは、利用可能な周波数帯が、APに接続されているすべてのクライアント間で分割されるためです。Merakiのクライアント バランシング機能はクライアントがエリア内のAP上で均等に分散されるようにしますが、キャパシティ プランニングにあたっては、AP当たりの予想されるクライアント数を把握する必要があります。

注記：体験の質を高めるために、高密度導入では周波数当たり約25台のクライアント、またはAP当たり約50台のクライアントにすることをお勧めします。

802.11n以降では、チャネル ボンディングによりクライアントのスループットが向上しますが、その一方で、チャネル ボンディングの結果、APが利用できるチャネル数が実質的に減ります。利用可能なチャネル数の減少により、比較的大規模な導入では同一チャネル干渉が増加する可能性があります。これは、チャネル再利用が影響を受け、全体的なスループットに悪影響を与えるためです。

クライアント デバイスが、最速のデータ レートをサポートするとは限りません。デバイス ベンダーごとに、802.11ac規格の実装は異なります。ほとんどのスマートフォンやタブレットでは、バッテリ寿命を延ばし、サイズを小さくするために、Wi-Fiアンテナが1本（最も一般的）または2本（ほとんどの新しいデバイス）だけ内蔵されることが多くなっています。この設計では、規格でサポートされるストリーム数よりも少なくなるため、モバイル デバイスでの通信速度が低下します。以下の表は、1つのストリーム（433Mbps）、2つのストリーム（866Mbps）、3つのストリーム（1300Mbps）の場合の最大データ レートを示しています。市場には現在、チャネル幅160MHzで4つの空間ストリームをサポートするデバイスはありませんが、802.11ac規格に含まれるオプションの「Wave 2」機能を搭載したデバイスが発表されることがよくあります。

エンド ユーザにとって重要なのは、デバイスの実際のスループットですが、これはデータ レートとは異なります。データ レートとは、データ パケットが媒体上で伝搬されるレートを表します。パケットには、パケットの宛先の指定とパケットの制御に必要な一定量のオーバーヘッドが含まれています。実際のスループットは、このオーバーヘッドを除いたペイロード データの量です。公表されているデータ レートに基づいて、次にクライアント デバイスのワイヤレス スループット性能を推定します。一般に、デバイスの実際のスループットは、その製造元によって公表されているデータ レートの約半分であると推定されます。これに従って、この値を20MHzチャネル幅でのデータ レートにまで減らす必要もあります。以下に、最も一般的なデータ レートとデバイスの推定スループット（公表されているレートの半分）を示します。複数の要因がパフォーマンスに影響することを考慮し、さらに30%スループットを減らすことをお勧めします。

AP数の推定

要件や前提条件を文書化して検討し、それらが妥当であることを確認する必要があります。前提条件を1つ変更すると、アクセス ポイントの台数やコストが大幅に変化します。HDビデオ チャットに（Microsoft SkypeおよびCisco Sparkで推奨している）1.5Mbpsが必要という前提であれば、必要なアクセス ポイントの数は半分になります。一方、HDビデオ ストリーミングに（Netflixで推奨している）5Mbpsが必要という前提であれば、必要となるアクセス ポイントの数は増えます。ストリーム数3のノート パソコン600台ではなく、ストリーム数1のデバイス600台をサポートする設計の場合は、必要なアクセス ポイントの数はおおよそ3倍になります。この例の要件と前提条件は以下のとおりです。

• HD品質のビデオの場合、ビデオ ストリーミングに3Mbpsが必要

• ビデオをノート パソコンにストリーミングする同時ユーザ数は600

• すべてのユーザがApple MacBook Proまたは同等のデバイスを使用

• すべてのノート パソコンで802.11acをサポートし、3つの空間ストリームに対応

• 20MHzチャネルを使用するようにネットワークを設定

• 各アクセス ポイントが最大101Mbpsのワイヤレス スループットを提供可能

これで、アプリケーションのキャパシティに対応するために必要なAPの台数を概算できます。算出された値は、最も近い整数に四捨五入します。

スループットに基づくアクセス ポイント数 = （集約アプリケーション スループット） / （デバイス スループット）

スループットに基づくアクセス ポイント数 = 1800Mbps/101Mbps = 約18 AP

スループットに基づくアクセス ポイント数に加えて、クライアント数に基づくAP数を計算することも重要です。AP数を求めるには、最初に帯域当たりのクライアント数を概算します。新しいテクノロジーにより、デュアル バンド動作に対応するデバイスが増えています。よって、上述のような独自の実装を使用することで、デバイスを5GHzに誘導できます。

注記：一般的な設計計画では、2.4GHzと5GHzを30：70の割合で分けます。    

この例の要件と前提条件は以下のとおりです。

• ビデオをノート パソコンにストリーミングする同時ユーザ数は600

• 2.4GHzを同時に使用するクライアント数 = 600 x 0.3 = 180

• 5GHzを同時に使用するクライアント数 = 600 x 0.7 = 420

これで、クライアント数に対応するために必要なAPの台数を概算できます。算出された値は、最も近い整数に四捨五入します。

クライアント数に基づくアクセス ポイント数 = （5GHzを同時に使用するクライアント数）/25

クライアント数に基づくアクセス ポイント数 = 420/25 = 約17 AP

これで、算出した2つのAPの数のうち、大きい方を使用して、必要なAPの数を計算できます。

アクセス ポイントの数 = Max (スループットに基づくアクセス ポイント数, クライアント数に基づくアクセス ポイント数)

アクセス ポイントの数 = Max (18,17) = 18 AP

自動パワー低減

アクセス ポイントの無線では、隣接アクセス ポイントの信号/ノイズ比（SNR）を毎秒サンプリングします。SNRの測定値がネイバー レポートにまとめられ、Merakiクラウドに送信されて処理されます。各APから送信されてきたネイバー レポートをMerakiクラウドが集約します。Merakiクラウドは、集約したデータを利用して、各APに直接隣接するネイバーを特定し、カバレッジ セルを最適化するために各APの無線送信電力をどれだけ調整する必要があるかを判断します。エリア内の各APにつき最低3台のネイバーが受信できるようにして、送信電力の変更が決定されます。この計算は20分ごとに行われ、計算が完了すると、クラウドから各APに送信電力の増減幅が指示されます。1回の反復当たり、送信電力の低減幅は1～3dBで、増加幅は1dBです。

AutoRFがネットワーク内のすべてのAPに対する送信電力を一律に低減しようとしますが、複雑な高密度ネットワークでは、APが使用する範囲と値を制限する必要があります。より適切に複雑な環境に対応するために、RFプロファイルで最小および最大送信電力設定を指定できます。

自動チャネル選択

同じチャネルにカバレッジがオーバーラップするアクセス ポイントを追加しても、キャパシティは増加しません。近くのアクセス ポイントが同じチャネルを共有することがないように、Cisco Merakiアクセス ポイントは自動的に無線チャネルを調整してRF干渉（802.11と非802.11の両方）を回避し、ワイヤレス ネットワークのチャネル計画を立てます。チャネルを選択的に割り当てて、それぞれのRFプロファイルで使用できます。選択的にチャネルを使用することで、ネットワーク管理者は同一チャネル干渉を一段と効果的に制御できます。

デフォルトのチャネル幅

• 40Mhzチャネルまたは80Mhzチャネルに移行すると、チャネル ボンディングによりチャネル幅が2倍または4倍になることから、オーバーラップしていない5GHzチャネルの数が実質的に半分（40MHzを選択した場合）または1/4（80MHzの場合）に減ります。したがって、同一チャネル干渉（CCI）と隣接チャネル干渉（ACI）を最小限に保つためには、アクセス ポイントの配置間隔を広げなければなりません。

• 全体的なスループットを向上させる上で40MHzまたは80MHzチャネルは優れた方法のように見えますが、空間効率が低減するという欠点があります。レガシー（20MHzのみ）クライアントが40MHzと80MHzのチャネルを利用できず、これらのチャネル周波数帯がアイドル状態になるためです。RF環境によっては、40および80MHzに対応するクライアントであっても、20MHzの基本チャネルしか使用できない可能性があるため、これらのクライアントの多くは、極めて競合が多いRF環境で使用されています。 

• 高密度展開で一般に見られるクライアントの混在（ノート パソコン、スマートフォン、タブレットなど）環境では、各クライアントの性能も異なります（20Mhz、40Mhz、または80Mhzをサポートするクライアントが混在しています）。こうした理由を踏まえた最善策は、全クライアントが対応できる最小のチャネル幅を選び、すべてのクライアントがネットワークに平等にアクセスできる状態にすることです。1台のアクセス ポイントから性能の異なる4台のクライアントに80MHzで通信させてアイドル状態を生じさせるよりも、4台のアクセス ポイントから4台のクライアントに20MHzで通信させる方が賢明だと言えます。

DFSチャネルとチャネル再利用

DFSチャネルが有効で、チャネル再利用が不要な導入例として、以下の図では、チャネル再利用を行わない12台のアクセス ポイントを示しています。米国で利用できるのは19チャネルであるため、同じスペースで20台のアクセス ポイントを使用する場合は1チャネルを再利用する必要があります。

DFSチャネルが無効で、チャネル再利用が必要な導入例として、以下の図では、同じスペースで4つのチャネルが再利用されています。チャネル再利用を回避できない場合のベスト プラクティス、同じチャネルを使用するアクセス ポイント間の距離をできるだけ広げることです。

RX-SOP

クライアント バランシング

高密度でのローミング

アクセス ポイント間におけるクライアントのローミング

高速ローミングの有効化

Cisco Meraki MRアクセス ポイントは、幅広い高速ローミング テクノロジーをサポートしています。 高密度ネットワークではローミングの発生頻度が高まるため、アクセス ポイント間のローミングを高速化してアプリケーションの遅延を短縮することが重要になります。802.11rを除いて、以下の機能はすべてデフォルトで有効化されています。 

• 802.11r（高速BSS移行） - 802.11rを使用すると、暗号化キーをネットワーク内のすべてのAP上に格納できます。これにより、クライアントはネットワーク内の新しいアクセス ポイントにローミングするたびにRADUISサーバに対して再認証プロセス全体を繰り返す必要がなくなります。この機能は、Configure（設定） > Access control（アクセス制御）ページのNetwork access（ネットワークアクセス） > 802.11r（802.11r）で有効化できます。このオプションが表示されない場合は、ファームウェアの更新が必要な可能性があります。 
• Opportunistic Key Caching（OKC） - 802.11rとOKCはどちらもクライアントのローミング時間を短縮する目的で使用できますが、主な違いは、802.11rは標準規格であり、OKCは独自規格という点です。これらのプロトコルに対するクライアントのサポート状況はさまざまですが、一般的には、ほとんどの携帯電話で802.11rとOKCの両方がサポートされています。 
• 802.11i（PMKIDキャッシング） - IEEE 802.11iで定義されているPMKキャッシングは、RADIUS交換の発生を防ぐことで802.1Xでのローミング パフォーマンスを向上させます。大まかに言うと、RADUIS交換は、PMKIDが格納されているAPにクライアントがPMKIDを送信すると発生します。PMKIDが一致すれば、そのクライアントは以前に802.1X認証に成功したことを確認できるため、APはRADUIS交換をスキップできます。
• 802.11k（ネイバーBSS） -802.11kは、次回のローミング先APとローミング方法をクライアントが迅速に判断できるようにすることで、ローミングにかかる時間を短縮します。クライアントが現在接続しているAPが、隣接するAPとそのチャネルに関する情報をクライアントに提供します。