WiMAXで知っておきたい5つのポイント
2月26日からUQコミュニケーションズによる高速モバイル通信サービス「UQ WiMAX」がスタートし、メディアに「WiMAX」の文字が躍る機会も増えた（関連記事）。では、「WiMAXって何？」と知り合いに聞かれたときに、うまく説明できるだろうか？ そこで、下記のようなポイントを中心に、今一度WiMAXの基本的な仕組みや、世界のWiMAX事情について振り返ってみよう。
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WiMAXのポイント
ポイント1 WiMAXを知るためには「OFDMA」と「MIMO」が大切
ポイント2 高速通信が可能になるOFDMAの仕組み
ポイント3 効率的な帯域利用に繋がるMIMO
ポイント4 WiMAXとWILLCOM COREの同じ点・違う点
ポイント5 順調とは言いがたい世界のWiMAX
WiMAXを知るためには「OFDMA」と「MIMO」を知ろう
いよいよサービスがスタートしたUQコミュニケーションズの「UQ WiMAX」
WiMAXとは「World Interoperability for Microwave Access」の略で、IEEE（米国電気電子学会）で定義された固定無線通信の通信方式。UQコミュニケーションズが開始したのは、このうち、「モバイルWiMAX」と呼ばれるもので、規格としては「IEEE 802.16e」となる。ここでは、主にこの802.16eについて解説しよう。
規格上は、IEEE 802.16eにはいくつかの通信方式が含まれているのだが、一般的にWiMAXもしくはモバイルWiMAXと呼ばれるサービスでは、無線LAN（IEEE 802.11g）と同じ「OFDM」という変調方式（データを電波に乗せる方式）を使う。また、同じく無線LANである「802.11n」のように複数のアンテナを使う「MIMO」技術を使って、より高速な通信を実現している。
非常にざっくりというと、無線LANを遠距離で使えるように改良したものがWiMAXなのである。
特徴としてUQコミュニケーションズは「High Speed」「Mobility」「Always On」「OTA（Over The Air）」「Global Standard」を挙げている
このWiMAXの特徴は、OFDMAとMIMOである。これらを簡単に説明しよう。
高速通信が可能になるOFDMAの仕組み
OFDMAとは「Orthogonal Frequency Division Multiple Access」の略で日本語にすれば、「直交周波数分割多元接続」となる。これを理解するには、その基本となる「直交周波数変調方式」を理解する必要がある。
通常、電波に何かの情報を載せて送ると、電波は周波数的な広がりを持つ。これを「帯域」と言う。つまり、特定の周波数の範囲を占有するのだ。これを絵にすると、縦軸に信号の強さ、横軸に周波数をとって下図1のようになる。これを「スペクトラム」と言う。
【図1】縦軸に信号の強さ、横軸に周波数を表現している
電波では、このグラフの中心部分が、送信の元になる周波数で、これを「搬送波」（キャリア）といい、その周波数を「搬送波周波数」と言う。ラジオなどの周波数は、通常この搬送波周波数で表現するが、実際には、その前後に広がっているのだ。
この図で、信号が一定の強さになっている範囲では、信号が混ざってしまうために、別の通信ができない。他の通信を行なうには、少し周波数を離し、お互いの信号が強い部分が重ならないようにする必要がある。このため、一定の範囲内の同時にできる通信数には制限ができる
データを分割し同時に送信するOFDMA
ところが、デジタルデータを送信するとき、この形が下図2のように、複数の山になる。ところどころ、信号の強さがゼロにまで下がっているわけだ。
【図2】信号を重ならないようにすると信号の強さがゼロになってしまう
信号の強さがゼロということは、他の通信に与える影響がないので、ここに別の通信の搬送波周波数が来るように図3のように重ね合わすことができる。
【図3】他の信号の強度がゼロになるところにピークが重なるように配置すると、狭い範囲に多くの信号を重ねることができる
「直交周波数変調方式」とは、このように、複数の通信を同時に可能にする。これによって、送信する元のデータを分割して、同時に通信させる。すると、一度に複数のビットを送信できるために高速通信が可能となるのだ。
具体的には、一定範囲の中を複数の搬送波（これを「サブキャリア（副搬送波）」と言う）に分けて、高速な通信を行なう。複数のサブキャリアで、並列してデータを送信することで、単位時間あたりにより多くのデータを送ることができるのだ。
OFDMAでは、1つのサブキャリアでなるべく多くのビットを同時に送ることができる処理を加えた上で、あまり、細かくサブキャリアを分けないで送信する。OFDMAは高速な通信に向いているが、その分処理の負荷が重く、消費電力などが多くなってしまう欠点がある。
モバイルWiMAXの規格上は、OFDMAだけでなく、「OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重方式）」といった方式も入っている。こちらは1つ1つのサブキャリアが同時送信するビット数は少なくする代わりに、サブキャリアの数を多くする。そのため処理負荷が小さいため、結果的に消費電力が少ない。しかし、多くのモバイルWiMAXサービスでは、携帯電話などに比べると電力を豊富に使えるパソコンなどを対象にしており、消費電力が多くても高速通信のほうがメリットが大きいことなどから、OFDMAを採用している。
なお、書籍などによっては、直交周波数変調を使った通信の一般名称としてOFDMやOFDMAを使うことがあるので、注意してほしい。ここで解説したOFDMとOFDMAの違いは、あくまでもWiMAXという規格内で定義されている通信方式の違いだ。
効率的な帯域利用を実現するMIMO
もう1つWiMAXを理解する上で大切なのは「MIMO」だ。これは「Multiple Input Multiple Output」の略で、簡単に言うと、「複数の送信機/受信機、アンテナを使って、同時に通信を行なわせることで高速な通信を実現する方式」だ。このとき、複数の送信機は同じ周波数で送信する。
前に説明したように、電波は、帯域を持ち、周波数の一定の広がりを持っている。これが重ならないようにすれば、別の通信となるので、通信できる情報量を増やすことができる。しかし、同じ周波数を使うと、たとえ別のアンテナから送信しても信号は混ざってしまう。しかし、MIMOの場合、送信側で分離しやすいように信号を作るため、受信側で混ざった信号を分離することができるのだ。
あまりいい例えではないが、「モノラルスピーカーとステレオスピーカーの違い」がイメージしやすいだろうか。
ステレオのほうが音が良いのは、左右のスピーカーから出る音に違いがあり、より多くの情報が送られるから。しかし、人間は、モノラルで聞いても、ステレオで聞いても、同じ曲だと判断することができる。つまり、信号が混ざったからといって、必ずしも、何も分からなくなるわけではない。ところが、ステレオで左右のスピーカーから無関係なまったく違う曲を流すと、音が混ざってしまってなんの曲だが分からなくなってしまうだろう。
同じ曲という「情報」を一定のルールで2つに分けて送信するなら、後から分離することが可能なのである。MIMOでは、受信側のアンテナは、複数の送信側のアンテナから出て混ざってしまった信号を受け取る。これを特殊な計算処理をすることで、元のデータを復元するのだ。
MIMOによって、WiMAXは複数のアンテナを使い、効率的な帯域利用を実現することができるのである。
MIMOの仕組みを図解したもの
WiMAXとWILLCOM COREの同じ点・違う点
簡単に言うと、WiMAXは、無線LANによく似た通信方式を、広い範囲で利用できるようにしたものだ。実は、WiMAXが使う直交周波数変調方式は、次世代携帯電話の高速通信方式であるLTEや、UQコミュニケーションズと同時に免許を受けたウィルコムの次世代高速PHS「WILLCOM CORE」のXGP技術も採用している。この点では、同じなのだが、プロトコルやパラメータなどが違っているため、相互に通信ができるわけではない。
2009年の春端末の発表会で、ウィルコムはXGPのアンテナなども展示していた
直交周波数変調方式は、同じ帯域であれば、他の方式と比較するとより高速な通信が可能になるため、今後の標準的な技術として定着しつつある。
しかし、ネットワークに対する考え方がそれぞれで違っている。例えば、WiMAXは、主にPC関連企業によって推進されてきた関係で、インターネットに接続すれば、あとは自由という考え方を持っている。これに対して、LTEなどは、あくまでも既存の携帯電話のインフラの延長線上にあり、一旦携帯電話ネットワークへ接続、そこから必要に応じてインターネット側と接続するという構成となる。
もちろん、最近の携帯電話のネットワークはIPを使うので、大きな差はないが、広域なネットワークを自ら提供し、その品質を保つのか、単にインターネット接続だけを提供するのかという点で大きな違いがある。また、LTEでは、携帯電話からの利用を想定しているため、消費電力が小さくなるように工夫されており、特に携帯電話から基地局へ向かう「上り」側には、直交周波数変調方式ではなく、より消費電力の少ない方式（SC-FDMA）を使っている。
これに対してXGPは、既存のPHSのようなマイクロセル方式をとっている。最大の違いは、LTEやWiMAXでは、基地局がカバーするエリアをきちんと設計して配置しなければならないのに対して、XGPのマイクロセルは、基地局同士がお互いを認識して、セルを構成している点だ。
WiMAXとXGPは、2009年内にもテストとはいえ、サービスがスタートするのが、LTEのほうは2010年ぐらいから導入が開始されると言われている。ただし、WiMAXは、これから基地局などを設置し、ネットワークを構築する必要がある。UQコミュニケーションズは、既存のauの基地局を活用とはいうものの、設備自体を共有するわけではないので、実際のネットワーク構築はこれから拡充する必要がある。
これに対してLTEは、既存の携帯電話のネットワークがあり、基地局だけを変更していくことになる。機器にもよるが、既存の基地局などのソフトウェアを変更したり、ボードを追加することで対応可能な場合もあるという。
となると実際の競争は、WiMAX側の基地局がそろう2010年ぐらいから本格化すると思われる。
順調とは言いがたい世界のWiMAX
WiMAXは他国では、すでに米国、韓国などでサービスが開始されており、多くの国や地域でサービス構築の計画が発表されている（関連記事）。
ただ、世界的に見ると、必ずしも順風満帆ではないようだ。米国では、モバイルブロードバンドの利用は、日本などに比べるとあまり高くない。もともと、携帯電話が通話主体で、データ通信利用率があまり高くないのだ。
このため、WiMAX参入の計画を持っていたSprint社とClearwire社は協同でサービスを開始、ポートランドやボルティモアなどでサービスを行なっているが、業績は芳しくないようだ。
韓国は、モバイルWiMAXの元ともなったWiBroを開発し、いち早くサービスに入ったのだが、既存の携帯電話事業者へ免許を割り当てたため、3Gとの共食いをおそれた事業者が積極的に展開できなかった。
「Mobile World Congress 2009」では、Mobile WiMAXとLTEを同時に展示するケースが多かった。これはNortel社とパートナーを組む日立ブースの写真
WiMAXは、世界的にみるとまだ、立ち上がり段階といえる。各国での普及はもちろんだが、携帯電話のようにローミングが可能になるなら、携帯電話の有力な対抗馬となる可能性はある。ただ、現状、LTEやHSDPA（3G）などのライバルもあり、これからインフラ整備が始まるWiMAXの将来を予測することは難しい。
また、日本で2月26日に試験サービスを開始したUQコミュニケーションズだが、現時点では、東京23区内と横浜市、川崎市のみがサービスエリア。7月からは商用サービスに移行する予定だ。それまでには東名阪、年内に政令指定都市レベルまでエリアを拡大する。また、2012年末までには、人口カバー率で90%を目指す。
まずは首都圏エリアの充実を図るUQ WiMAX 首都圏44駅のWiMAX環境は整備されたようだが、カバー領域の拡大が急務だ
実際のデータ転送レートなどは、商用サービスが開始され、ユーザーが集まらないと評価はできない。WiMAXでは、ユーザーに帯域を振り分ける関係で、同一セルに対してユーザー数が増えると、利用できる帯域が減ってしまう。こうした現象は、WiMAXに限らないのだが、それがどの程度まで下がるのかは、ユーザー数やセルの設置具合などによって決まる。ただ、一般的に、設備強化は、ユーザー数に関係するため、今後、どれだけ多くのユーザーを集めることができるのかにかかっていると言える。
