
無線ネットワークとは、ネットワークノード間で無線データ接続を利用するコンピュータネットワークです。[1]無線ネットワークにより、家庭、通信ネットワーク、ビジネス施設では、建物内へのケーブル敷設や、複数の機器間の接続といったコストのかかる作業を回避できます。 [2]管理通信ネットワークは、一般的に無線通信を用いて実装・管理されます。この実装は、OSI参照モデルネットワーク構造の物理レベル(層)で行われます。[3]
無線ネットワークの例としては、携帯電話ネットワーク、無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)、無線センサーネットワーク、衛星通信ネットワーク、地上マイクロ波ネットワークなどがあげられる。[4]
最初のプロフェッショナル向けワイヤレス ネットワークは、1969 年にハワイ大学でALOHAnetというブランド名で開発され、1971 年 6 月に運用を開始しました。最初の商用ワイヤレス ネットワークは、1986 年にNCRによって開発されたWaveLAN製品ファミリでした。
MOSFET (MOSトランジスタ)無線技術の進歩により、デジタル無線ネットワークの開発が可能になりました。RF CMOS(無線周波数 CMOS)、パワーMOSFET、LDMOS (横方向拡散MOS)デバイスの幅広い採用により、1990年代までにデジタル無線ネットワークが開発および普及し、2000年代にはMOSFET技術のさらなる進歩により帯域幅が増加しました(エドホルムの法則)。[5] [6] [7]無線ネットワークの重要な要素のほとんどは、MOSFETで構築されており、モバイルトランシーバー、基地局モジュール、ルーター、RFパワーアンプ[ 6] 、[8]、RF回路、無線トランシーバー[7]、2G、[ 5]、4Gなどのネットワークが含まれます。 [ 6]

無線パーソナルエリアネットワーク(WPAN)は、比較的狭い範囲、通常は人の手の届く範囲内にあるデバイスを接続します。例えば、Bluetooth無線と不可視赤外線の両方が、ヘッドセットとノートパソコンを接続するためのWPANを提供します。ZigbeeもWPANアプリケーションをサポートしています。[9] Wi-Fi PANは、機器設計者が様々な民生用電子機器にWi-Fiを統合し始めたため、2010年以降、一般的になりつつあります。Intelの「My WiFi」とWindows 7の「仮想Wi-Fi」機能により、Wi-Fi PANのセットアップと設定はよりシンプルになりました。[10]

無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)は、無線配信方式を用いて短距離で2台以上のデバイスを接続し、通常はアクセスポイントを介してインターネットアクセスを提供します。スペクトラム拡散技術またはOFDM技術を使用することで、ユーザーはローカルエリア内を移動しながらもネットワークへの接続を維持できます。
IEEE 802.11 WLAN規格に準拠した製品は、 Wi-Fiというブランド名で販売されています。 固定無線技術は、離れた2地点にあるコンピュータまたはネットワーク間のポイントツーポイント接続を実現します。多くの場合、専用のマイクロ波または変調レーザー光線を見通し線経由で使用します。都市部では、有線接続を敷設することなく、2つ以上の建物内のネットワークを接続するためによく使用されます。モバイルデバイスを使用してWi-Fiに接続するには、ワイヤレスルーターなどのデバイスを使用するか、別のモバイルデバイスのプライベートホットスポット機能を使用します。
無線アドホックネットワークは、無線メッシュネットワークまたはモバイルアドホックネットワーク(MANET)とも呼ばれ、メッシュトポロジーに構成された無線ノードで構成される無線ネットワークです。各ノードは他のノードに代わってメッセージを転送し、ルーティングを実行します。[11]アドホックネットワークは「自己修復」機能を備えており、電源を失ったノードを自動的に迂回して再ルーティングします。アドホックモバイルネットワークを実現するには、距離シーケンス距離ベクトルルーティング、アソシエティビティベースルーティング、アドホックオンデマンド距離ベクトルルーティング、ダイナミックソースルーティングなど、様々なネットワーク層プロトコルが必要です。
ワイヤレスメトロポリタン エリア ネットワークは、複数のワイヤレス LAN を接続するワイヤレス ネットワークの一種です。
無線広域ネットワーク(WNA)は、隣接する町や都市、あるいは都市と郊外など、広い範囲をカバーする無線ネットワークです。これらのネットワークは、企業の支店間を接続したり、公共のインターネットアクセスシステムとして使用したりできます。アクセスポイント間の無線接続は、通常、小規模ネットワークで使用される全方向性アンテナではなく、2.4GHzおよび5.8GHz帯域のパラボラアンテナを用いたポイントツーポイントの マイクロ波リンクです。一般的なシステムは、基地局ゲートウェイ、アクセスポイント、無線ブリッジ中継器で構成されます。その他の構成としては、各アクセスポイントが中継器としても機能するメッシュシステムがあります。太陽光発電パネルや風力発電システムなどの再生可能エネルギーシステムと組み合わせることで、スタンドアロンシステムとして運用できます。

セルラーネットワークまたはモバイルネットワークは、セルと呼ばれる陸上エリアに分散された無線ネットワークです。各セルには、セルサイトまたは基地局と呼ばれる少なくとも1つの固定位置トランシーバーが接続されています。セルラーネットワークでは、各セルは干渉を回避するために、隣接するセルとは異なる無線周波数セットを使用するのが一般的です。
これらのセルを組み合わせることで、広範囲の地理的エリアを無線でカバーできます。これにより、多数の携帯型トランシーバー(携帯電話、ポケベルなど)が、基地局を介して相互に通信したり、ネットワーク内の任意の場所にある固定型トランシーバーや電話機と通信したりすることが可能になります。たとえ、一部のトランシーバーが送信中に複数のセルを移動している場合でも同様です。
もともと携帯電話向けに設計されていましたが、スマートフォンの発達により、携帯電話ネットワークでは電話の会話に加えてデータも日常的に伝送されるようになりました。
プライベート LTE/5G ネットワークは、LTE または 5G セルラー ネットワーク ベース ステーション、スモール セル、その他の無線アクセス ネットワーク (RAN) インフラストラクチャによって、ライセンスが必要、共有が必要、またはライセンスが不要な無線スペクトルを使用して、音声とデータをエッジ デバイス (スマートフォン、組み込みモジュール、ルーター、ゲートウェイ) に送信します。
3GPP では、5G プライベート ネットワークを、組織の信頼性、アクセス性、保守性のニーズを満たすために通常は小規模な展開を採用する非パブリック ネットワークとして定義しています。
オープンソースのプライベート ネットワークは、共同作業によるコミュニティ主導のソフトウェアに基づいており、ソース コードの使用、変更、共有にはピア レビューと制作が不可欠です。
グローバルエリアネットワーク(GAN)は、任意の数の無線LANや衛星通信エリアなどをまたいでモバイルをサポートするために使用されるネットワークです。モバイル通信における主要な課題は、ユーザー通信をあるローカル通信エリアから次の通信エリアへとハンドオフすることです。IEEEプロジェクト802では、このハンドオフには地上無線LANの連続的な接続が含まれます。[14]
宇宙ネットワークは、通常は地球近傍の宇宙船間の通信に使用されるネットワークです。NASAの宇宙ネットワークがその一例です。
利用例としては、携帯電話が挙げられます。携帯電話は日常的な無線ネットワークの一部であり、個人間の通信を容易にしています。また、大陸間ネットワークシステムでは、無線衛星を利用して世界中と通信しています。 警察などの緊急サービスも、効率的な通信のために無線ネットワークを活用しています。個人や企業は、小規模なオフィスビル内から世界規模まで、無線ネットワークを利用してデータを迅速に送信・共有しています。
一般的に、無線ネットワークはビジネスユーザーと家庭ユーザーの両方に幅広い用途を提供します。[15]
現在、業界ではいくつかの異なる無線技術が受け入れられています。それぞれの無線技術は、OSI参照モデルの物理層とデータリンク層の両方における独自の機能を規定する標準規格によって定義されています。これらの標準規格は、指定された信号方式、地理的範囲、周波数の使用などにおいてそれぞれ異なります。こうした違いにより、ある技術は家庭内ネットワークに適しており、他の技術は大規模組織のネットワークに適している場合があります。[15]
各規格は地理的範囲が異なるため、無線ネットワークで何を実現しようとしているかによって、ある規格が他の規格よりも理想的である場合があります。[15] 無線ネットワークの性能は、音声や動画など、さまざまなアプリケーションのニーズを満たします。この技術の使用により、2Gから3G、そして4Gや5G(携帯電話モバイル通信規格の第4世代、第5世代)への拡張の余地も生まれます。無線ネットワークが普及するにつれて、ネットワークのハードウェアとソフトウェアの構成を通じて高度化が進み、より高速でより大容量のデータを送受信できる容量が実現されています。現在、無線ネットワークは4Gモバイル通信規格であるLTE上で動作しています。LTEネットワークのユーザーは、3Gネットワークの10倍の速度でデータ通信を行うことができます。[16]
空間は無線ネットワークのもう一つの特徴です。無線ネットワークは、道路や川の向こう側、敷地の反対側にある倉庫、物理的には離れているものの一体として機能している建物など、配線が困難な場所での通信において多くの利点を提供します。[16]無線ネットワークでは、ユーザーが特定の空間を指定して、その空間内でネットワークを介して他のデバイスと通信することができます。
配線の乱雑さがなくなることで、家庭内にもスペースが生まれます。[17]この技術により、TP、同軸ケーブル、光ファイバーなどの高価な物理的なネットワーク媒体を設置する代わりに、代替手段が得られます。
家庭では、プリンター、スキャナー、高速インターネット接続を共有する場合、イーサネットに比べて無線技術は効果的な選択肢となります。無線LANは、ケーブルメディアの敷設コストと物理的な設置時間を節約し、ネットワークに接続されたデバイスのモビリティも向上させます。 [17]無線ネットワークはシンプルで、ルーターを介してインターネットに直接接続された無線アクセスポイント が1つあれば十分です。[15]
物理層の通信ネットワークは、相互接続された多数の有線ネットワーク要素(NE)で構成されています。これらのNEは、単一のメーカーから提供されるスタンドアロンのシステムまたは製品である場合もあれば、サービスプロバイダー(ユーザー)またはシステムインテグレーターが複数の異なるメーカーの部品を組み合わせて組み立てたものである場合もあります。
ワイヤレス NE は、ワイヤレス キャリアがバックホールネットワークとモバイル スイッチング センター(MSC) のサポートを提供するために使用する製品およびデバイスです。
信頼性の高い無線サービスは、あらゆる運用環境やアプリケーションから保護される物理層のネットワーク要素に依存します(GR-3171「無線ネットワークで使用されるネットワーク要素の一般要件 - 物理層基準」を参照)。[18]
特に重要なのは、携帯電話基地局(BS)キャビネットに設置されるNE(ネットワーク機器)です。アンテナ、関連するクロージャ、ケーブルの取り付けハードウェアと配置には、十分な強度、堅牢性、耐腐食性、そして風、嵐、氷結、その他の気象条件に対する耐性が求められます。ハードウェア、ケーブル、コネクタ、クロージャなどの個々のコンポーネントに対する要件は、それらが取り付けられる構造を考慮して決定する必要があります。
有線システムと比較して、無線ネットワークは電磁干渉の影響を受けやすい傾向があります。これは、通信に使用される無線帯域内またはその近傍の電波を発生する他のネットワークや他の機器によって引き起こされる可能性があります。干渉は信号を劣化させたり、システムに障害を引き起こしたりする可能性があります。[4]
材質によっては電磁波を吸収し、受信機への到達を妨げることがあります。また、金属や導電性の材料では特に反射が起こります。これにより、受信できないデッドゾーンが生じることがあります。現代の住宅では、アルミホイルで断熱された断熱材によって屋内の携帯電話の信号が10dBも簡単に減衰してしまうため、地方の長距離携帯電話の受信状態が悪いという苦情が頻繁に寄せられています。
マルチパス フェージングでは、反射により信号がたどる 2 つ以上の異なる経路により、特定の場所では信号が互いに打ち消し合い、他の場所では信号が強くなる可能性があります (アップフェード)。

隠れノード問題は、一部のネットワークにおいて、あるノードが無線アクセスポイント(AP)からは見えるものの、そのAPと通信する他のノードからは見えない場合に発生します。これは、メディアアクセス制御(衝突) における問題を引き起こします。

露出端末問題とは、あるネットワーク上のノードが、別のネットワーク上のノードからの 同一チャネル干渉のために送信できない場合に発生します。
無線スペクトルは限られたリソースであり、送信範囲内のすべてのノードによって共有されます。帯域幅の割り当ては、複数のユーザーが参加すると複雑になります。多くの場合、ユーザーは、広告されている数値(IEEE 802.11機器やLTEネットワークなど)が自分の容量ではなく、他のすべてのユーザーと共有されているため、個々のユーザーの料金ははるかに低いことに気づいていません。需要の増加に伴い、容量不足が発生する可能性がますます高まっています。ユーザー・イン・ザ・ループ(UIL)は、オーバープロビジョニングのために常に新しい技術にアップグレードする代わりに、代替ソリューションとなる可能性があります。

シャノンの定理は、ヘルツ単位の帯域幅とチャネル上のノイズに関連する、単一のワイヤレス リンクの最大データ レートを記述できます。
MIMO技術を使用すると、複数のアンテナまたは複数の周波数で受信機への複数のパスを活用して、各端での周波数とアンテナの多様性の積の係数によって、はるかに高いスループットを実現できるため、チャネル容量を大幅に増やすことができます。
Linuxでは、Central Regulatory Domain Agent(CRDA)がチャネルの設定を制御します。[19]
ネットワーク全体の帯域幅は、媒体の分散性(分散性が高い媒体は干渉を最小限に抑えるため、総帯域幅が広くなります)、利用可能な周波数の数、それらの周波数のノイズ、使用されているアンテナの数、指向性アンテナが使用されているかどうか、ノードが電力制御を採用しているかどうかなどによって異なります。
セルラー無線ネットワークは、指向性アンテナの使用と、隣接しないセル間で無線チャネルを再利用できることから、一般的に優れた容量を備えています。さらに、低電力送信機を使用することでセルを非常に小さくすることができ、都市部では人口密度に応じてネットワーク容量を線形に拡張するために使用されています。[4]
無線アクセスポイントは人間の近くにあることが多いが、距離が離れるにつれて電力は急速に低下し、反二乗の法則に従う。[20]英国健康保護庁(HPA) の見解は、「…Wi-Fiからの無線周波数(RF)被曝は携帯電話からの被曝よりも低い可能性が高い」というものである。また、「…学校などがWi-Fi機器を使用しない理由はない」とも述べている。[21] 2007年10月、HPAは英国政府に依頼し、当時までメディアで報じられていた懸念を払拭するため、Wi-Fiネットワークの影響に関する新たな「体系的な」調査を開始した。[22] HPAのマイケル・クラーク博士は、携帯電話と基地局に関する発表済みの研究は、 Wi-Fiを非難するものではないと述べている。[23]
[…] 中央規制ドメインエージェント(CRDA)[…]は、各国の規制に基づいて、システムに設定するチャネルを制御します。
国内外の専門家によるレビューはすべて、無線ネットワークによる健康リスクは低いことを示しています。…学校で測定を行った結果、Wi-Fiからの典型的な被ばく量は、国際ガイドラインの放射線被ばく量の約2000万分の1でした。比較として、携帯電話を使用する子供が被ばく量は、ガイドラインの最大50%です。つまり、無線ネットワークの近くの教室で1年間座っていることは、携帯電話を20分間使用していることにほぼ相当します。学校からWi-Fiを排除するのであれば、携帯電話ネットワークも閉鎖すべきです。FMラジオやテレビも閉鎖すべきです。なぜなら、それらの信号の強度は教室のWi-Fiの強度と同程度だからです。…