高密度 Wi‑Fi 環境の展開

アプリケーションの総スループットを見積もる

通常、接続の必要性を促す主たるアプリケーションが存在します。このアプリケーションおよびネットワーク上のその他のアクティビティのスループット要件を把握することで、ユーザーごとの目標帯域幅が得られます。このユーザー当たり必要帯域幅が、その後の設計判断の指針になります。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の必要スループットが把握できたら、その数値を使って WLAN のカバーエリアで必要な総帯域幅を求められます。教室、ロビー、講堂など、エリアごとに総スループットを想定することを推奨します。これらのエリアでは要件が異なる可能性があるためです。

例として、3 Mbps のスループットを必要とする HD ビデオストリーミングをサポートする高密度 Wi‑Fi ネットワークを設計します。講堂の収容人数に基づき、HD ビデオストリームを視聴するユーザーは最大 600 名になる可能性があります。アプリケーションの総スループットは次の式で算出できます。

(アプリケーションのスループット) × (同時ユーザー数) = アプリケーションの総スループット

3 Mbps × 600 ユーザー = 1800 Mbps 

デバイスのスループットを見積もる

Meraki の AP は最新技術に対応し、規格で定義された最大データレートをサポートできますが、実際に利用可能な平均デバイススループットは、クライアントの機能、AP 当たりの同時接続数、対応すべき技術、帯域幅などの要因に左右されることがよくあります。

クライアントの機能はスループットに大きく影響します。レガシーレートのみをサポートするクライアントは、新しい技術をサポートするクライアントと比べてスループットが低くなります。加えて、クライアントがサポートするバンドもスループットに影響を与える可能性があります。Meraki の AP には バンドステアリング 機能があり、デュアルバンドクライアントを 5 GHz に誘導できます。

ケースによっては、各バンド専用の SSID を用意することも、バンド間でのクライアント分布を適切に管理し、発生し得る互換性の問題を回避するうえで推奨されます。

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、その無線機能を把握します。サポートする無線バンド（2.4 GHz と 5 GHz）、サポートする無線規格（802.11a/b/g/n/ac）、そして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が重要です。クライアントデバイスのサポートデータレートはドキュメントから必ずしも確認できないため、ダッシュボードのクライアント詳細ページを使うと簡単に機能を把握できます。

クライアント詳細の一覧例

Wi‑Fi は CSMA/CA に基づく半二重方式です。つまり、同一の AP に接続している他のデバイスは、自分の順番が来るまで待機するため、同時に通信できるのは 1 台だけです。そのため、同時接続クライアント数は AP のスループットにも影響します。利用可能なスペクトラムは、AP に接続しているすべてのクライアント間で分配されます。Meraki には クライアントバランシング 機能があり、エリア内でクライアントを AP 間に均等に分散させますが、キャパシティプランニングのためには AP ごとの想定クライアント数を把握しておく必要があります。

注意: ユーザー体験の品質を確保するため、高密度導入では 1 ラジオあたり約 25 クライアント、1 AP あたり約 50 クライアントとすることを推奨します。

802.11n 以降ではチャネルボンディングが利用可能になり、クライアントに提供できるスループットを増やせますが、その結果として AP に利用可能なユニークなチャネル数は減少します。チャネル数の減少により、チャネルの再利用が制限されて大規模導入では同一チャネル干渉が増加し、全体のスループットに悪影響を及ぼす可能性があります。

クライアントデバイスが常に最高のデータレートをサポートしているわけではありません。デバイスベンダーは 802.11ac 規格を異なる実装で提供しています。バッテリー寿命の延長や筐体の小型化のために、スマートフォンやタブレットの多くは内部の Wi‑Fi アンテナを 1 本（最も一般的）または 2 本（新しいデバイスの多く）としています。この設計により、多くのモバイルデバイスは規格でサポートされるストリーム数より低いストリーム数に制限され、速度が低下しています。以下の表は、1 ストリーム（433 Mbps）、2 ストリーム（866 Mbps）、3 ストリーム（1300 Mbps）の最大データレートを示しています。現時点で市場に出回っているデバイスで 4 空間ストリームや 160 MHz のより広いチャネル幅に対応するものはありませんが、これらは 802.11ac 規格のオプションの「Wave 2」機能として宣伝されることがあります。

エンドユーザーにとって重要なのは実効デバイススループットであり、これはデータレートとは異なります。データレートは、データパケットが媒体上で運ばれる速度を表します。パケットには、アドレス指定や制御に必要なオーバーヘッドが含まれます。実効スループットとは、このオーバーヘッドを除いたペイロードデータのことです。公称データレートに基づき、次にクライアントデバイスの無線スループット能力を見積もります。一般的な目安として、実効スループットはメーカーが広告するデータレートの約半分です。上記のとおり、20 MHz のチャネル幅におけるデータレートにこの値を減じることも重要です。以下は一般的なデータレートと、推定デバイススループット（広告値の半分）です。複数の要因が性能に影響することを踏まえ、さらに 30% を差し引いてスループットを見積もるのがよいプラクティスです。

AP 台数を見積もる

要件と前提条件を文書化して精査し、妥当であることを確認することが重要です。前提条件を 1 つ変更するだけで、アクセスポイントの台数やコストに大きな影響があります。たとえば、HD ビデオチャットに 1.5 Mbps（Microsoft Skype や Cisco Spark の推奨値）しか必要ないと仮定すれば、アクセスポイントの台数は半分で済みます。HD ビデオストリーミングに 5 Mbps（Netflix の推奨値）が必要と仮定すれば、より多くのアクセスポイントが必要になります。600 台の 3 ストリーム対応ノート PC ではなく、600 台の 1 ストリーム対応デバイスをサポートする設計を行う場合、アクセスポイントの台数は概ね 3 倍必要になります。この例では、次の要件と前提条件があります。

• ビデオストリーミングは HD 品質に 3 Mbps を必要とします。

• 同時に 600 ユーザーがノート PCでビデオをストリーミングします。

• すべてのユーザーは Apple MacBook Pro または同等機種を使用します。

• すべてのノート PC は 802.11ac をサポートし、3 空間ストリームに対応しています。

• ネットワークは 20 MHz チャネルを使用するように構成されます。

• 各アクセスポイントは最大 101 Mbps の無線スループットを提供できます。

これで、アプリケーションのキャパシティを満たすために必要なおおよその AP 台数を算出できます。端数は四捨五入します。

 スループットに基づくアクセスポイント数 =（アプリケーション総スループット）/（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 = 1800 Mbps/101 Mbps = ~約 18 台の AP

スループットに基づく AP 台数に加えて、クライアント数に基づく AP 台数を算出することも重要です。AP 台数を決定するには、まずバンドごとのクライアント数を見積もります。より新しい技術により、多くのデバイスがデュアルバンド動作をサポートするようになっているため、前述の独自実装を用いて 5 GHz へステアリングできます。

注記: 一般的な設計戦略として、2.4 GHz と 5 GHz を 30/70 に分割する方法がよく用いられます。     

この例では、次の要件と前提条件があります。

• 同時に 600 ユーザーがノート PCでビデオをストリーミングします。

• 同時 2.4 GHz クライアント = 600 × 0.3 = 180

• 同時 5 GHz クライアント = 600 × 0.7 = 420

これで、クライアント数を満たすために必要なおおよその AP 台数を算出できます。端数は四捨五入します。

クライアント数に基づくアクセスポイント数 =（同時 5 GHz クライアント）/ 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 台の AP

必要な AP 台数は、2 つの算出値のうち大きい方を使用して決定できます。

アクセスポイント数 = 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）

アクセスポイント数 = Max（18, 17） = 18 台の AP

自動電力低減

アクセスポイントの各無線は毎秒、隣接アクセスポイントの SNR（信号対雑音比）をサンプリングします。SNR の測定値は隣接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。クラウドは各 AP の隣接レポートを集約し、そのデータを用いて各 AP の直接の隣接を特定し、カバレッジセルが最適化されるように各 AP が送信電力をどの程度調整すべきかを決定します。TX 電力の変更を決定する際、クラウドは各 AP がエリア内で少なくとも 3 台の隣接 AP を検出していることを確認するようにします。計算は 20 分ごとに行われ、完了するとクラウドは各 AP に送信電力を増減するよう指示します。TX 電力の低減は 1 回あたり 1～3 dB、増加は 1 dB 単位で行われます。

Auto RF はネットワーク内のすべての AP に対して一様に TX 電力を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 が使用できる範囲と値を制限する必要があります。複雑な環境をより適切にサポートするため、RF プロファイルで最小および最大の TX 電力設定を構成できます。

自動チャネル選択

同一チャネルでオーバーラップするカバレッジを持つアクセスポイントを追加しても、キャパシティは向上しません。近接するアクセスポイントが同じチャネルを共有しないように、Cisco Meraki のアクセスポイントは 802.11/非 802.11 の RF 干渉を回避するために無線のチャネルを自動的に調整し、無線ネットワークのチャネルプランを作成します。チャネルは各RF プロファイルで選択的に割り当てることができます。チャネルを選択的に使用することで、ネットワーク管理者は同一チャネル干渉をより効果的に制御できます。

既定のチャネル幅

• 40 MHz や 80 MHz のチャネルへ移行すると、チャネルボンディングによりチャネル幅が 2 倍（40 MHz）／4 倍（80 MHz）になるため、非オーバーラップの 5 GHz チャネル数をそれぞれ半分／4 分の 1 に減らすことになります。その結果、同一チャネル干渉（CCI）や隣接チャネル干渉（ACI）を最小限に抑えるには、アクセスポイント間の距離をより広く取る必要が生じます。

• 40 MHz や 80 MHz のチャネルを使用すると総スループットが向上しそうに見えますが、レガシー（20 MHz のみ）クライアントが広いチャネル幅を活用できず、広いチャネルでスペクトルがアイドルになるため、スペクトル効率が低下するという副作用があります。RF 環境によっては、40 MHz や 80 MHz に対応するクライアントであっても 20 MHz のベースチャネルのみを使用することがあり、競合の激しい RF 環境では頻繁に観察されます。 

• 高密度導入で一般的に見られるクライアントの混在（ノート PC、携帯電話、タブレットなど）により、環境内のクライアントの能力もさまざまです（20 MHz のみ対応、40 MHz 対応、80 MHz 対応など）。そのため、すべてのクライアントが最小公倍的なチャネル幅で通信し、各クライアントがネットワークへの公平なアクセスを得られるようにするほうが望ましいです。混在能力の 4 クライアントが 80 MHz の 1 台のアクセスポイントで通信してアイドルが発生するよりも、20 MHz の 4 台のアクセスポイントで 4 クライアントが通信するほうが望ましいです。

DFS チャネルとチャネル再利用

DFS チャネルを有効化し、チャネル再利用が不要な導入例として、以下のグリッドはチャネル再利用なしで 12 台のアクセスポイントを示しています。米国では 19 本のチャネルがあるため、同一空間でアクセスポイントが 20 台に達すると、AP はチャネルを再利用する必要があります。

DFS を無効化し、チャネル再利用が必要な導入例では、以下の図のとおり同一空間で 4 本のチャネルを再利用しています。チャネル再利用を避けられない場合のベストプラクティスは、同一チャネルのアクセスポイント同士を可能な限り離すことです。

RX-SOP

クライアントバランシング

高密度環境でのローミング

アクセスポイント間のクライアントローミング

高速ローミングを有効化

Cisco Meraki MR アクセスポイントは、多様な高速ローミング技術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くなるため、ローミング中のアプリケーションのレイテンシを低減するうえで高速ローミングは重要です。これらの機能は 802.11r を除き、既定で有効化されています。 

• 802.11r（Fast BSS Transition） - 802.11r は、暗号鍵をネットワーク内のすべての AP に保存できるようにします。これにより、クライアントはネットワーク内で新しいアクセスポイントにローミングするたびに、RADIUS サーバーへの完全な再認証を行う必要がなくなります。この機能は、Configure > Access control ページのSecurity > 802.11rから有効化できます。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場合があります。 
• Opportunistic Key Caching（OKC） - 802.11r と OKC は、クライアントのローミング時間を短縮するという同じ目的を達成しますが、802.11r が標準であるのに対し、OKC は独自仕様です。両プロトコルへのクライアントの対応状況はさまざまですが、一般に多くのスマートフォンは 802.11r と OKC の両方をサポートします。 
• 802.11i（PMKID キャッシュ） - IEEE 802.11i により定義される PMK キャッシュは、RADIUS とのやり取りを省略することで 802.1X のローミング性能を向上させます。概要としては、クライアントが PMKID を、その PMKID を保持している AP に送信することで実現します。一致すれば、AP はそのクライアントが以前に 802.1X 認証を完了していることを認識し、そのやり取りを省略できます。 
• 802.11k（Neighbor BSS） -802.11k は、クライアントが次にどの AP に、どのようにローミングすべきかを迅速に判断できるようにすることで、ローミングに要す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 は、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。