Wi-Fi の高速化技術：OFDMA・MU-MIMO・空間多重

なぜ「速い」だけでは足りないのか

Wi-Fi の世代更新は長らく「リンク速度を上げる」競争でした。広いチャネル幅、高次の変調（256-QAM, 1024-QAM）、多数の空間ストリーム——これらは1端末あたりのピーク速度を押し上げます。しかし現実の家庭やオフィスでは、数十台の端末が1つの AP を共有します。ここでの真のボトルネックはピーク速度ではなく、多数の端末が媒体を奪い合うことによる効率低下です。

従来の 802.11 は CSMA/CA により「1回の送信機会を1端末が占有する」時分割が基本でした（/network/wifi-csma-ca/ 参照）。端末が増えるほどバックオフと衝突が増え、公称速度が高くても実効スループットは落ちます。802.11ax（Wi-Fi 6）以降が解いたのはこの問題で、鍵は 1回の送信機会を複数端末で同時に分け合う多重化です。その手段が周波数方向の OFDMA と空間方向の MU-MIMO です。

OFDM：直交サブキャリアという土台

OFDMA を理解するには、その土台である OFDM（直交周波数分割多重）から始めます。OFDM はチャネル帯域を多数のサブキャリアに分割し、それぞれで独立にデータを変調します。たとえば 20MHz チャネルは 802.11ax で 256 本のサブキャリアに分かれます。

肝は「直交」です。各サブキャリアの間隔を、あるサブキャリアの中心周波数が隣のサブキャリアのスペクトルのゼロ点と一致するように選びます。これにより、互いに重なって見えても受信側では干渉なく各サブキャリアを分離して復調できます。サブキャリア間隔を Δf とすると、シンボル長は 1/Δf に対応し、周波数軸できれいに直交します。

サブキャリア:  |  |  |  |  |  |  ...   ← 1チャネルを多数に分割
              各サブキャリアで独立にQAM変調
直交の利点  :  隣と重なってもゼロ点が一致 → 分離復調できる

OFDM の大きな利点は周波数選択性フェージングへの耐性です。マルチパスにより特定の周波数帯だけ深く落ち込んでも、影響を受けるのは一部のサブキャリアに限られ、残りは生き残ります。各サブキャリアの帯域を狭くすることで、各サブキャリア内ではほぼ平坦なフェージングとして扱える点が設計の核です。さらにシンボル間にガードインターバル（サイクリックプレフィックス）を挿入し、遅延波によるシンボル間干渉を吸収します。

OFDM から OFDMA へ：リソースユニットの割当

802.11ac までの OFDM では、1つの送信機会のサブキャリア全体を1端末が使い切るのが原則でした。小さなパケット1つを送るためにチャネル全幅を占有するのは、特に IoT 機器のような短いフレームが飛び交う環境で無駄が大きくなります。

OFDMA（直交周波数分割多元接続）は、この発想を変えます。サブキャリアを リソースユニット（RU: Resource Unit） という単位に束ね、異なる RU を異なる端末に同時に割り当てるのです。20MHz チャネルなら、最小 26 サブキャリアの RU から始まり、52・106・242 と段階的に大きな RU を構成できます。

これにより、たとえば 9 台の端末に 26-tone RU を1つずつ割り当てれば、9 台が同時に1回の送信機会の中で並行して通信できます。時間軸では1つだった「送信機会」が、周波数軸で複数の独立した管に分割されるイメージです。

トリガーフレーム：上りを AP が指揮する

ここで重要なのが、OFDMA を**上り（端末→AP）**でも機能させる仕組みです。下りは AP が好きに RU を割り当てて同時送信すれば済みますが、上りは複数端末がバラバラに送るとサブキャリアもタイミングも揃いません。

802.11ax は トリガーフレーム（Trigger Frame） を導入しました。AP が「どの端末がどの RU を使い、いつ送るか」を指定したトリガーを放送し、指名された端末群が一斉に同期してそれぞれの RU で上り送信します。これは CSMA/CA の「各端末が勝手にバックオフして送る」競合型から、AP が中央スケジューラとして時間・周波数・電力を統制する方式への転換を意味します。端末は送信電力やタイミングのずれを AP の指示に合わせて補正し、AP 側で複数端末の上り信号を同時に受信します。

MU-MIMO：空間という第3の軸

OFDMA が周波数を分けるのに対し、MU-MIMO（Multi-User MIMO）は空間を分けます。複数アンテナを持つ AP が、同じ時間・同じ周波数で複数端末へ独立したデータストリームを同時に送る技術です。

原理はアンテナアレイによるビーム形成にあります。AP が M 本の送信アンテナを持つとき、各端末への信号に適切な重み（位相と振幅）を掛けて送ると、端末 A 向けの信号は A の位置で強め合い、端末 B の位置では打ち消し合うようにできます。これを全端末について同時に成立させるのが プリコーディングです。

送信側（AP, Mアンテナ）       受信側
  s_A ──┐
  s_B ──┤─ プリコーディング行列 W ─→ 空間的に分離されたビーム
  s_C ──┘                          A はs_Aだけ、Bはs_Bだけ受信

数学的には、チャネルを行列 H、送りたい信号ベクトルを s とすると、AP は x = W * s を送信します。受信端末が受け取るのは H * x = H * W * s。ここで H * W が対角行列に近づくよう W を設計すれば、各端末は自分宛ての信号だけを、他端末の信号による干渉なしに受信できます。代表的なプリコーディングが、H の擬似逆行列を使ってチャネルを反転させる ZF（Zero-Forcing） です。

ビームフォーミングと空間ストリーム数の上限

ビームフォーミングは MU-MIMO の基盤であると同時に、単一端末向け（SU）にも使われます。複数アンテナから同位相で届くように信号を整え、特定方向にエネルギーを集中させることで、受信端末での SNR を高めて高次変調や到達距離を稼ぎます。

同時に多重できる空間ストリーム数は、送受信アンテナ数の少ないほうに制約されます。AP が 8 アンテナでも、各端末が 1 アンテナなら、MU-MIMO で同時に分離できる端末数は AP のアンテナ数で頭打ちになり、1 端末あたりのストリームも 1 です。802.11ax は下り・上りの双方向 MU-MIMO に対応し、最大 8 ストリームまで規定します。実機では端末側のアンテナ数が少ないことが多く、理論上限まで使い切れる場面は限られます。

OFDMA と MU-MIMO は併用する

両者は排他ではなく直交する軸なので、組み合わせられます。AP はまずチャネルを RU（周波数）に分け、各 RU の中でさらに MU-MIMO（空間）により複数端末を重ねられます。これにより「周波数 × 空間」の二次元で送信機会を分割し、1ショットでより多くの端末を同時に収容します。

802.11ax/be が押し上げる「効率」の正体

802.11ax（Wi-Fi 6）が掲げた目標は最高速度ではなく High Efficiency——密集環境での実効スループットでした。OFDMA と MU-MIMO による同時多重に加え、BSS Coloring（隣接 AP の信号に色を付け、自分の BSS でなければ送信を抑制せず再利用する）で空間再利用を高め、**TWT（Target Wake Time）**で端末の起床時刻を AP がスケジュールして省電力と衝突低減を両立します。いずれも「競合をスケジュールに置き換える」という同じ思想の現れです。

802.11be（Wi-Fi 7）はこれをさらに推し進め、チャネル幅を 320MHz へ拡大、4096-QAM で1シンボルあたりのビット数を増やし、**MLO（Multi-Link Operation）**で複数バンド（2.4/5/6GHz）を1つの論理リンクとして束ね、同時送受信や瞬時のフェイルオーバーを可能にします。OFDMA の RU 割当も Multi-RU 対応で柔軟になり、スケジューリングの自由度が増しています。

まとめ

Wi-Fi の高速化は、単一リンクの速度向上から 1回の送信機会を複数端末で同時に分け合う多重化へと軸足を移しました。土台の OFDM が直交サブキャリアでマルチパス耐性を確保し、OFDMA がそのサブキャリアを RU に束ねて周波数方向で端末を多重します。MU-MIMO は 空間という別軸で、プリコーディングと CSI を使って同一時間・同一周波数に複数ストリームを重ねます。上りはトリガーフレームで AP が同期を統制し、競合型 CSMA/CA からスケジュール型へ転換します。802.11ax/be が掲げる「効率」とは、ピーク速度の数字ではなく、見えない相手も含めた多数の端末を衝突させずに同時に捌く——この一貫した設計思想として読み解けます。隠れ端末や RTS/CTS による従来の調停（/network/hidden-terminal-rts-cts/ 参照）と対比すると、無線 MAC が「回避」から「計画」へ進化した流れが鮮明になります。