無線ネットワークとモバイル通信
無線ネットワークは現代のインターネットアクセスの中核です。スマートフォン、ノートPC、IoTデバイスなど、ほとんどのインターネット接続が無線を通じて行われています。
この記事では、無線リンク固有の特性、WiFi（802.11）プロトコルの構造と動作、セルラーネットワークの発展、そして移動性管理メカニズムを見ていきます。
1. 無線ネットワークの構成要素
無線ネットワークの構成
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[有線インターネット]
|
[基地局/AP] ----無線---- [無線ホスト]
| リンク [無線ホスト]
| [無線ホスト]
[有線ネットワーク]
構成要素：
1. 無線ホスト：スマートフォン、ノートPC、タブレット
2. 基地局（Base Station）：AP、セルタワー
3. 無線リンク：ホストと基地局間の通信チャネル
4. ネットワークインフラ：基地局を有線ネットワークに接続
1.1 無線ネットワークの分類
無線ネットワークの分類
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| インフラあり | インフラなし
-----------------+--------------------+------------------
単一ホップ | WiFi、4G LTE | Bluetooth
|（AP/基地局経由） |（デバイス間直接）
-----------------+--------------------+------------------
マルチホップ | 無線メッシュ | MANET、VANET
|（リレー使用） |（アドホックネットワーク）
2. 無線リンクの特性
2.1 有線との違い
無線リンクは有線リンクと根本的に異なる特性を持ちます。
無線リンクの主要特性
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1. 経路損失（Path Loss）
- 信号強度が距離に応じて急激に減少
- 自由空間：距離の二乗に反比例
- 屋内：壁、家具などによる追加減衰
2. マルチパスフェージング（Multipath Fading）
- 信号が複数の経路で反射・回折して到達
- 複数の信号が合成されて強化または相殺
3. 干渉（Interference）
- 同じ周波数を使用する他のデバイスとの干渉
- 電子レンジ、Bluetoothなど（2.4GHz帯域）
4. SNR（Signal-to-Noise Ratio）
- 信号対雑音比：高いほどエラーが減少
- SNRが高い場合：高い変調率、高い伝送率
- SNRが低い場合：低い変調率、低い伝送率
2.2 隠れ端末問題
隠れ端末問題（Hidden Terminal Problem）
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障害物
[A] .....|..... [B] ---------- [C]
| | | |
| Aの範囲 | Bの範囲 |
|<----->| |<----------->|
| |
AはCを検知不可
CはAを検知不可
問題：
AがBに送信中
Cがチャネルを検知：「空いている！」（Aの信号を検知できず）
CもBに送信開始 --> Bで衝突発生！
これが無線でCSMA/CDを使用できない理由
3. WiFi（IEEE 802.11）
3.1 802.11アーキテクチャ
802.11ネットワーク構造
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BSS（Basic Service Set）：
[AP（Access Point）]
/ | \
[H1] [H2] [H3]
無線ホスト
ESS（Extended Service Set）：
[AP1] --- 有線 --- [AP2] --- 有線 --- [AP3]
/ \ / \ / \
[H1][H2] [H3][H4] [H5][H6]
主要構成：
- BSS：1つのAPに接続された無線ホストのグループ
- AP：有線ネットワークと無線ホストを接続するブリッジ
- SSID：ネットワーク識別名（例：「MyWiFi」）
- チャネル：1~11（2.4GHz）または36~165（5GHz）
3.2 802.11接続過程
WiFi接続過程
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1. AP発見
- 受動スキャン：APが定期的にビーコンフレームを送信
- 能動スキャン：ホストがプローブ要求を送信、APが応答
2. 認証および接続
ホスト AP
|--- 認証要求（Authentication）-->|
|<-- 認証応答 --------------------|
|--- 接続要求（Association）----->|
|<-- 接続応答 --------------------|
3. DHCPでIPアドレスを取得
4. データ転送開始
3.3 802.11 MACプロトコル：CSMA/CA
無線環境では衝突検出（CD）が困難なため、衝突回避（CA）を使用します。
CSMA/CAの動作
===============
1. キャリアセンス（Carrier Sense）
- DIFS（Distributed Inter-Frame Space）間チャネルが空いていれば送信
2. チャネルが使用中の場合：
- ランダムバックオフタイマー開始
- チャネルが空いている時のみタイマーカウントダウン
- タイマー = 0になったら送信
3. ACK確認
- 受信側がSIFS（Short Inter-Frame Space）後にACKを送信
- ACK未受信時に再送（バックオフ値を増加）
タイムライン：
送信者：[DIFS待機][データ送信]....[タイムアウト]
受信者： [SIFS][ACK]
CSMA/CD vs CSMA/CA：
CD：衝突検知後即座に中断（イーサネット）
CA：衝突回避 + ACK確認（WiFi）
3.4 RTS/CTSメカニズム
隠れ端末問題を解決するためのオプションメカニズムです。
RTS/CTSの動作
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送信者A AP 受信範囲のノード
| | |
|-- RTS ----------->| |
| （送信要求） | |
| |---- CTS ------------->|
|<-- CTS -----------| （チャネル予約通知） |
| | |
|== データ ========>| |
| | |（送信自制）
|<-- ACK -----------| |
| | |
RTS：Request to Send（送信要求）
CTS：Clear to Send（送信許可）
CTSを受信したすべてのノードは指定された時間中送信を自制
--> 隠れ端末問題を解決
3.5 802.11フレーム形式
802.11フレーム構造
====================
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|Frame |Dur- |Addr |Addr |Addr |Seq |Addr |Data | CRC |
|Control|ation | 1 | 2 | 3 |Ctrl | 4 | | |
| 2B | 2B | 6B | 6B | 6B | 2B | 6B |0-2312| 4B |
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
4つのMACアドレスフィールド：
アドレス1：受信無線インタフェースのMAC
アドレス2：送信無線インタフェースのMAC
アドレス3：APに接続されたルータインタフェースのMAC
アドレス4：アドホックモードでのみ使用
なぜ3つのアドレスが必要か：
H1 --> AP --> ルータ（R1）
アドレス1：APのMAC（無線受信者）
アドレス2：H1のMAC（無線送信者）
アドレス3：R1のMAC（最終宛先方向）
4. 802.11標準の発展
WiFi標準の発展
================
標準 | 発売 | 周波数 | 最大速度 | 特徴
----------+-------+-----------+------------+------------------
802.11b | 1999 | 2.4 GHz | 11 Mbps | 初期普及
802.11a | 1999 | 5 GHz | 54 Mbps | OFDM
802.11g | 2003 | 2.4 GHz | 54 Mbps | bと互換
802.11n | 2009 | 2.4/5 GHz | 600 Mbps | MIMO
（WiFi 4）| | | |
802.11ac | 2013 | 5 GHz | 6.9 Gbps | MU-MIMO
（WiFi 5）| | | |
802.11ax | 2020 | 2.4/5/6 | 9.6 Gbps | OFDMA
（WiFi 6）| | GHz | |
5. セルラーネットワーク
5.1 セルラー構造
セルラーネットワークの基本構造
================================
[セル1] [セル2] [セル3]
/ \ / \ / \
/ \ / \ / \
/ BTS \ / BTS \ / BTS \
（基地局） （基地局） （基地局）
| | |
+----------+----------+
|
[BSC/RNC]
（基地局制御装置）
|
[MSC/MME]
（移動交換局）
|
[コアネットワーク] --- [インターネット]
セル（Cell）：1つの基地局がカバーするエリア
周波数再利用：隣接しないセルで同じ周波数を使用
5.2 世代別の発展
セルラーネットワークの世代別発展
==================================
世代 | 技術 | 速度 | 特徴
-------+----------+----------------+------------------
1G | AMPS | 2.4 Kbps | アナログ音声
2G | GSM | 14.4 Kbps | デジタル音声
2.5G | GPRS | 56-114 Kbps | パケットデータ
2.75G | EDGE | 384 Kbps | 拡張データ
3G | UMTS | 2 Mbps | モバイルインターネット
3.5G | HSPA | 14 Mbps | 高速パケット
4G | LTE | 100 Mbps~1Gbps | All-IPネットワーク
4.5G | LTE-A | 3 Gbps | キャリアアグリゲーション
5G | NR | 20 Gbps | 超低遅延、IoT
5.3 4G LTEアーキテクチャ
4G LTEネットワーク構造
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[UE] --無線-- [eNodeB] --- [S-GW] --- [P-GW] --- [インターネット]
| | |
| [MME] [PCRF]
| （移動性管理） （ポリシー/課金）
|
[HSS]
（加入者DB）
UE： User Equipment（ユーザー端末）
eNodeB： 基地局（evolved Node B）
S-GW： Serving Gateway（データ経路管理）
P-GW： Packet Gateway（インターネット接続）
MME： Mobility Management Entity（移動性管理）
HSS： Home Subscriber Server（加入者情報）
主要特徴：
- すべてのトラフィックがIPパケットで送信（All-IP）
- 音声もVoLTE（Voice over LTE）で処理
- フラットなアーキテクチャ（階層削減で遅延最小化）
6. 移動性管理
6.1 移動性のスペクトラム
移動性レベル
=============
移動なし 高い移動性
|-------|--------|--------|--------|---------|
固定 低移動 中移動 高移動 超高速移動
デスクトップ WiFi 歩行者 車両 高速鉄道
ローミング ハンドオフ ハンドオフ
6.2 ハンドオフ（Handoff/Handover）
ハンドオフ過程
===============
移動端末が1つの基地局から別の基地局へ移動：
[旧BS] .... [移動端末] .... [新BS]
| |
| 信号弱化 信号強化 |
| |
|<--- ハンドオフ決定 --------->|
| |
|---- トラフィック経路切替 --->|
| |
ハンドオフの種類：
1. ハードハンドオフ：旧接続を切断して新接続（GSM）
2. ソフトハンドオフ：両方に同時接続を維持（CDMA）
ハンドオフ基準：
- 信号強度（RSSI）
- 信号品質（SINR）
- 負荷分散
6.3 間接ルーティングと直接ルーティング
移動性サポート：間接ルーティング
==================================
ホームネットワーク 訪問先ネットワーク
[ホームエージェント] [外部エージェント]
| |
|<---- 移動端末登録 ----------|
| |
通信相手 --> ホームエージェント --> 外部エージェント --> 移動端末
（トンネリング） （転送）
短所：三角ルーティング（Triangle Routing）
通信相手が訪問先ネットワークのすぐ隣にいても
ホームネットワークを経由しなければならない
直接ルーティング：
通信相手がホームエージェントで現在位置を確認
その後直接外部エージェントに送信（三角ルーティング回避）
7. 無線セキュリティ
WiFiセキュリティプロトコルの発展
==================================
プロトコル | 発売 | 暗号化 | セキュリティレベル
-----------+-------+------------+-----------
WEP | 1999 | RC4 (40bit)| 非常に脆弱（使用禁止）
WPA | 2003 | TKIP | 過渡期的
WPA2 | 2004 | AES-CCMP | 良好
WPA3 | 2018 | SAE + AES | 強力
WPA2の動作（4-wayハンドシェイク）：
1. APがランダム値を送信
2. クライアントがランダム値 + MICを送信
3. APがグループキー + MICを送信
4. クライアントが確認を送信
--> 両側がセッションキーを安全に共有
8. まとめ
| 概念 | 核心内容 |
| -------------- | -------------------------------------------- |
| 経路損失 | 信号強度が距離に応じて急激に減少 |
| 隠れ端末 | 相手の送信を検知できず衝突が発生 |
| CSMA/CA | 衝突回避 + ACK確認方式 |
| RTS/CTS | チャネル予約で隠れ端末問題を解決 |
| 802.11フレーム | 4つのMACアドレスフィールドを含む |
| セルラー | セル単位の周波数再利用、世代別の発展 |
| 4G LTE | All-IPネットワーク、フラットなアーキテクチャ |
| ハンドオフ | 基地局間の移動時に接続を切り替え |
次の記事では、マルチメディアネットワーキングとストリーミング技術を見ていきます。
参考資料
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 6
- IEEE 802.11 - Wireless LAN Standard
- 3GPP TS 36.300 - LTE Architecture
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