隠れ端末問題と RTS/CTS による解決

キャリアセンスが前提とする「対称性」が崩れる

CSMA/CA の基本は、送信前に媒体が空いているか電波を聴くキャリアセンスです（/network/wifi-csma-ca/ 参照）。この方式が衝突を防げるのは、ひとつの暗黙の前提に依存しています。すなわち 「ある端末の送信は、その送信と干渉しうるすべての端末から聞こえる」 という到達範囲の対称性です。

有線イーサネットの共有バスではこれが成り立ちます。1本のケーブルに乗った信号は全ノードへ届くため、誰かが送れば全員に聞こえ、キャリアセンスが正しく機能しました（/network/ethernet-switching-internals/ 参照）。ところが無線では、端末ごとに電波の届く円（カバレッジ）が異なり、この前提が崩れます。A の送信が B には聞こえるが C には聞こえないという非対称が常態化するのです。衝突は「電波が重なる場所」で起きるのに、キャリアセンスは「自分の周囲」しか聴けない——この観測点と衝突点のズレが、隠れ端末・さらされ端末という2つの問題の根です。

隠れ端末問題：観測できない衝突

   A ●────────● AP ●────────● C
     〔Aの到達圏〕     〔Cの到達圏〕
      A と C は互いの到達圏の外にいる

端末 A と C はどちらも AP と通信できますが、互いの電波は届きません。A が AP へ送信中でも、C の物理キャリアセンスには A の電波が映らないため、C は「媒体は空き」と誤判断して送信を始めます。結果、AP の位置で A と C のフレームが重なって壊れます。

ここで重要なのは、衝突を観測できる位置と被害が出る位置が一致しないことです。被害は受信側（AP）で生じるのに、送信判断はそれぞれの送信側で下されます。A も C も自分の周囲しか聴いておらず、相手が見えないので、両者にとって自分の送信は常に「正当」に見えます。物理キャリアセンスは送信元の電波しか拾えないため、この衝突は原理的に防げません。端末密度やフレーム長が増えるほど A と C の送信が重なる確率が上がり、再送が増え、実効スループットが崩れていきます。

NAV：電波を聴かずに「予約済み」と知る

解決の鍵は、物理キャリアセンス（実際の電波を聴く）に加えて仮想キャリアセンスを導入することです。各 802.11 フレームのヘッダには Duration フィールドがあり、「このやり取りがあと何マイクロ秒続くか」を示します。これを受け取った端末は NAV（Network Allocation Vector） というカウンタにその値を設定し、カウンタが0になるまでは電波を聴かずとも媒体は使用中とみなします。

物理・仮想のどちらか一方でも「使用中」なら送信を控える、という二重チェックになります。NAV の妙は、自分宛てでないフレームの Duration からも予約時間を読み取れることです。傍受したフレームの「あと N マイクロ秒続く」という宣言さえ聞こえれば、中身の送受信端末が見えなくても沈黙できる。この性質が、次の RTS/CTS で隠れ端末を救う土台になります。

RTS/CTS：見えない相手を受信側が時間調停する

RTS/CTS ハンドシェイクは、データ送信の前に短い予約フレームを2往復させ、周囲に NAV を立てさせる仕組みです。

核心は CTS が受信側（AP）から全方位へ送られることです。隠れ端末 C は A の RTS こそ聞こえませんが、AP からの CTS は届きます。C は CTS の Duration を読んで NAV を設定し、その期間は沈黙します。つまり、互いに見えない A と C を、両方から見える AP が仲介して時間を割り当てるわけです。RTS は A 側の隠れ端末を、CTS は AP 側（C 側）の隠れ端末を、それぞれカバーします。両方を放送して初めて、衝突しうる全端末を NAV で覆えます。

擬似コード：送信側 A の RTS/CTS 付き送信
  if フレーム長 <= RTSしきい値:
      通常のCSMA/CA手順で直接DATAを送る   # 短いので保護不要
  else:
      DIFS待ち + ランダムバックオフ
      RTS送信(Duration = 残り全工程の所要時間)
      if SIFS以内にCTS受信:
          SIFS待ち → DATA送信
          SIFS以内にACK受信できれば成功
      else:
          # CTSが返らない＝予約失敗（衝突 or 競合）
          CWを2倍に広げてバックオフし再試行

CTS が返らなければ予約段階で失敗したと分かり、重い DATA を送る前にやり直せます。長いフレームを送って衝突で丸ごと失う代わりに、短い RTS の損失で済ませられる——これが RTS/CTS が「コストに見合う」核心の理屈です。

さらされ端末問題：予約が引き起こす逆の副作用

RTS/CTS は逆向きの非効率も生みます。**さらされ端末問題（exposed terminal problem）**です。

   D ●────● B ●────────● AP ●────● C
            B が AP へ送信中。Dはその電波を聞いてしまう

B が AP へ送信中、近くの端末 D は B の送信（や CTS）を傍受して NAV を立て、沈黙します。しかし D の通信相手が反対方向にいて B の受信側と干渉しないなら、D は本来 B と同時に送れたはずです。キャリアセンスや NAV は「電波が聞こえる＝送ってはいけない」と安全側に倒すため、干渉しない送信機会まで潰してしまうのです。

両者は同じ非対称の裏表です。聞こえない相手を無視すると隠れ端末で衝突し、聞こえる相手に常に遠慮するとさらされ端末で帯域を失う。キャリアセンスという単純な規則が、幾何学的な配置しだいで両極端の誤りに振れるのです。

オーバーヘッドとのトレードオフ

RTS/CTS には往復2フレーム＋それぞれの前後の SIFS という固定コストがかかります。短いデータフレームにこれを毎回付ければ、予約のための時間がペイロードの送信時間を上回りかねません。

判断は端末密度と隠れ端末の有無に依存します。次の系統で整理できます。

• 隠れ端末が少なく低密度 → RTS/CTS のオーバーヘッドが純損失。無効が有利。
• 隠れ端末が多く長フレーム主体（例：障害物の多い屋内、AP を中心に端末が広く散在） → 衝突回避の利得がオーバーヘッドを上回る。しきい値を下げて有効化。
• 超高密度・短フレーム主体（例：IoT 多数） → RTS/CTS 自体が競合資源を食う。フレーム集約やスケジュール送信など、競合そのものを減らす別系統の手法が主役になる。

まとめ

隠れ端末・さらされ端末は、無線の電波到達範囲の非対称性という単一の原因から生じる表裏の問題です。キャリアセンスは送信側の周囲しか聴けず、衝突が起きる受信側を観測できないため、聞こえない相手を見逃せば衝突し（隠れ端末）、聞こえる相手に遠慮しすぎれば帯域を失います（さらされ端末）。RTS/CTS は、両方から見える受信側に CTS を全方位放送させ、**NAV（仮想キャリアセンス）**で周囲を時間予約することで、見えない端末どうしを調停します。ただし往復2フレームのオーバーヘッドとさらされ端末という代償を伴うため、RTS しきい値で長いフレームだけに適用し、利得とコストを釣り合わせるのが定石です。共有された空間を、見えない相手まで含めて時間で公平に分け合う——その難しさと工夫が、無線 MAC 設計の核心に凝縮されています。