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IoT ネットワーキング テクノロジーは、デジタル世界時代における私たちの接続と対話の方法を完全に変えました。! 今日, ワイヤレスプロトコルと通信基準は、IoT展開のほぼすべての側面で大きな役割を果たします, スマートシティからの範囲, 接続された車両, 環境監視など. IoT アナリティクスによると, グローバル接続されたIoTデバイス市場に到達することができます 18.8 十億 の終わりまでにユニット 2024, の成長 13% から 2023. その間, 接続されたデバイスの数が爆発すると, 堅牢性の大きな必要性は決してありません, スケーラブルで効率的な通信技術. この投稿では, IoT通信のために広く使用されているプロトコルのいくつかをチェックしてください. 選択する前に、重要なIoTネットワーキングソリューションをより深く理解できることを願っています.
何 IoTネットワーキングです
IoTネットワーキングとは、IoTデバイスが互いに接続および通信する方法を指します。. これにより、スマートデバイスが一緒に動作する自律エコシステムが作成されます.
通常, IoTエコシステムは、4つの主要層で構成されています: デバイス, データ, 接続技術, そしてユーザー. ご覧のとおり、これらのレイヤーはIoTネットワークの構成要素を形成します, ネットワークアーキテクチャは、すべての要素間の効率的な通信を可能にするバックボーンです.
IoTネットワークがデバイス間のシームレスな接続を可能にする堅牢な通信テクノロジーを持つ必要があることは驚くことではありません. これらのネットワークプロトコルは、人間のコミュニケーションにおいて言語と同じ目的に役立ちます. 基本的に, それらは、IoTデバイスの一意の要件のために特別に設計されています. 消費電力に関しては特別な考慮事項があります, 範囲, 帯域幅, およびデバイス密度. これらの要件を考慮してください, IoTプロジェクトの計画の主な側面は、適切なIoTプロトコルを選択することです.
前の記事で, いくつかのネットワークプロトコルとその適切なアプリケーションについて説明しました. ここに, IoTプロジェクトリファレンスに広く使用されている短距離および長距離ワイヤレステクノロジーをリストします.
主要な短距離IoTネットワーキングテクノロジー
短距離ワイヤレス通信テクノロジーは、短距離でワイヤレストランスミッションを実現するテクノロジーを指します. 通常, それらのトランスミッション範囲は数十メートルまたは数百メートル以内です. 一般的な例は含まれます ブルートゥース, Wi-Fi, Zigbee, UWB, NFCおよびRFID (ここには詳細な紹介はありません).
BluetoothとBLE
Bluetoothは最も一般的な短距離ワイヤレステクノロジーの1つです. ワイヤレスイヤフォンから車システムまで, スマートウォッチとフィットネストラッカー, どこにでもBluetoothが見えます.
最新のもの Bluetooth標準 Bluetoothです 6.0, 9月にリリースされました 2024 Bluetoothチャネル検出などの新機能をもたらしました. しかしながら, 広く使用されている現在の標準はBluetoothです 4.0, 5.0 以上. Bluetooth 5.0 最大2mbit/sまでのトランスミッション速度を提供します 4.2 最大1mbit/sを提供します.
電力消費に対するBluetoothの弱点に対処する, Bluetooth低エネルギー (なりました) 紹介されました. このプロトコルの開発は成功しており、世界中で広く普及していることが見られました. 主な理由の1つは、これが既存のBluetoothデバイスとの互換性を維持しながら、消費電力を大幅に削減していることです。.
Bluetooth Low Energyは、モノのインターネットで使用される低電力デバイス向けに特別に設計されていることを理解する必要があります. 既存の古典的なBluetoothを引き継ぎ、交換しません. BLEは、Bluetoothと同じ2.4GHz ISMバンドを使用します. サポートするクラシックなBluetoothとは異なり 7 単一のマスターデバイスに接続されたデバイス, BLEはまでになります 128 デバイス. BLE使用 40, 2 MHzワイドチャネルと適応周波数ホッピングアルゴリズムを利用して、パフォーマンスを最適化し、干渉を最小限に抑える.
Wi-Fi
Wi-Fiアカウント 31% 合計IoT接続の. ここに, 従来のWiFiラジオについて説明します, WiFiハローと同様に (802.11ああ), これは、長距離の低電力IoTアプリケーションを特別に設計されています.
Wi-Fi 6 他のワイヤレスプロトコルと同じ2.4GHzおよび5GHz ISMバンドを使用します, 6eが6GHzバンドのサポートを追加しました. 範囲は屋内屋内から100mを超える屋外まで大きく異なります, 環境要因と伝送力に応じて. Bluetoothのポイントツーポイントアーキテクチャとは異なります, WiFiはStar Networkトポロジに従います, セントラルアクセスポイントを介してデバイスが接続します (ルーター).
Wifi 6/6e (802.11斧) にリリースされました 2021 現在使用されている人気のある標準です. スピード面では, までヒットする可能性があります 9.6 Gbps — WiFi より高速 5 (802.11交流) でトップに達したのは 3.5 Gbps. おそらく、802.11ac/n/g の古い規格を備えたデバイスを見たことがあるでしょう。. WiFi の下位互換性のため, これらの古いデバイスは新しい標準デバイスでも引き続き動作します. 最新の WiFi 規格は、古いものよりも長距離を提供します.
WiFi HaLow は 1GHz 未満で動作します. 壁貫通力が向上し、射程が長くなります。 (1kmまで) 低電力ながら. それにもかかわらず, このテクノロジーは、Bluetooth LE のように業界で広く受け入れられていません。.
注意すべき主な点は、WiFi が 1 つのアクセス ポイントへの数百の同時接続をサポートしていることです。, ただし、実際の制限により、ネットワーク構成に基づいてこの数が減少することがよくあります。.
ZigBee
ZigBeeは低コストです, パーソナルエリアネットワーク用に設計された低電力無線通信規格. 産業用およびホームオートメーション用途向けに特別に開発されました. Zigbee は WiFi ほど普及していない可能性があります, しかし、スマートホームでは電球がますます一般的になりつつあります, サーモスタットやセキュリティセンサーも含まれる.
それが誕生したのは、 2002, ZigBee Alliance のとき (現在は接続標準アライアンス) 結成されました. 今ではフィリップスのような大きな組織もある, テキサス・インスツルメンツ, サムスン, とAmazonがZigBeeプロトコルを進化させる.
実を言うと, ZigBee は自動化のために特別に設計されました, デバイスのセットアップと接続が簡単, 低消費電力でバッテリ寿命が長い, そして非常に強力なセキュリティ.
アーキテクチャは、 802.15.4 標準. ZigBee の最も優れた点は、それが最大でサポートできるオープン プロトコルであることです。 65,000 単一ネットワーク内のノード. Zigbeeは、メッシュネットワーク機能で特に注目に値します.
Zigbeeプロトコルは、ネットワーク内の3つの重要なデバイスを定義しています:
- コーディネーター (zigbeeネットワークの1つだけ)
- ルーター (データを送信する仲介者)
- Zigbee Endデバイス (親ノードにのみ相談してください, 主に睡眠モードです)
テキサスインスツルメンツとシリコンラボはZigbeeチップの主要なサプライヤーです.
UWB
UWB (超広帯域) 新興通信プロトコルの1つです. おそらく多くのデバイスでそれを見ていないでしょう, しかし、それは急速に養子縁組を獲得しています. スマートフォンからカーキーまで, 産業用設定へのスマートホームデバイス, UWBが近代的なテクノロジーにますます登場していることがわかります.
他のラジオテクノロジーのように, UWBは定義されたスペクトルで動作します, しかし、狭帯域とは異なります, 幅の広い周波数範囲に透過を広げます 3.1 ghz to 10.6 GHz. 典型的な範囲があります 1-50 メートル, デバイスまたはアンカーの間の見通しで最適に機能します.
ウルトラワイドバンドは、Bluetoothの1MHzまたは2MHzチャネルと比較して、少なくとも500MHzの幅のチャネルを使用しています. UWBはまた、超ショートパルストランスミッションを使用しています, これにより、狭帯域システムよりもポジショニング精度が高くなります.
UWB伝送の最大パワースペクトル密度はです 41.3 dBm/MHz. これは等しい 0.5 平均送信電力のMW. WiFiやBluetoothなどの既存の狭帯域システムとの干渉を最小限に抑えるのに役立ちます. また、低電力はUWBを安全にします. 広範囲の広がりと低電力密度のため、信号は傍受するのが困難です.
短距離IoTネットワーキングテクノロジーの比較
| 技術 | ブルートゥース (なりました) | Wi-Fi | ZigBee | UWB |
| 範囲 | 10-100メートル | 50-100m屋内 | 10-100メートル | 10メートル |
| データレート | 1-2 Mbps | まで 1 GBPS+ | 250 Kbps | まで 27 Mbps |
| 消費電力 | とても低い | 高い | とても低い | 低 |
| 周波数帯域 | 2.4 GHz
|
2.4 GHz, 5 GHz | 2.4 GHz | 3.1-10.6 GHz |
| 長所 | – 低消費電力
– 広くサポートされている – 実装しやすい – 低価格 |
– 高いデータレート
– 普遍的な互換性 – 堅牢なセキュリティオプション |
– 低消費電力
– 大規模なネットワークサポート – 自己修復メッシュ |
– 正確なポジショニング
– 高いセキュリティ – 干渉の免疫 |
| 短所 | – 限られた範囲
– 限られたノード – 潜在的な干渉 |
– 高消費電力
– 限られたバッテリー寿命 – ネットワークの混雑 |
– 低いデータレート
– 短距離 – 複雑な実装 |
– 限られた範囲
– コストが高い – 限られた採用 |
| キーアプリケーション | ウェアラブル, スマートホーム, 屋内測位, 資産管理, 興味深い点 | ホームオートメーション, ビデオストリーミング, 高い帯域幅アプリケーション | ホームオートメーション, 産業用制御, センサーネットワーク | 屋内測位, 資産管理, 安全なアクセス |
人気の長距離IoTワイヤレステクノロジー
ここで、長距離ワイヤレステクノロジーと、これらのプロトコルのためにIoTがどのように恩恵を受けたかについて議論を集中します。. これらのテクノロジーは、LPWANSの基礎です, 数キロメートルから数千キロメートルまでの距離をカバーする. ここに, Loraを紹介します, シグフォックス, およびセルラーネットワーク.
LoRaおよびLoRaWAN
Loraは長距離を提供するワイヤレスプロトコルです, 低電力, データ送信を保護します. これは、チャープスプレッドスペクトル変調に基づいています。. Bluetooth や WiFi などの短距離無線ローカル エリア ネットワーク間のギャップを埋めます。, そしてはるかに長い範囲の携帯電話ネットワーク.
LoRaおよびLoRaWAN 当初は Cycleo によって開発され、後に Semtech によって買収されました。. 今日, 非営利団体 LoRa Alliance が運営しています。. テクノロジー業界で最大規模の提携の 1 つに成長したことは驚くべきことではありません. LoRa Alliance は LoRaWAN をサポートするだけでなく、LoRaWAN 製品とテクノロジーの相互運用性も促進します.
LoRa はサブ GHz RF 帯域を利用します (433MHz, 868ヨーロッパ向けMHz, 923アジア向けMHz, 915北米およびオーストラリアのMHz). これらの ISM 周波数帯域はライセンスフリーであり、IoT アプリケーションとして誰もが利用できます。. 都市部では 2 ～ 5 km から田舎では 15 km 以上までの優れた通信範囲を備えています。.
LoRa は物理層プロトコルを表します (OSI モデルのレイヤー 1) 長距離通信を可能にする. この層は、ネットワーク ノード間の物理データ リンクを介して生ビットがどのように送信されるかを指定します。. LoRaWAN, OSI モデルの第 3 層で動作するネットワーク プロトコル, LoRa 上に構築され、エンドデバイスと中央ネットワークサーバー間の通信を処理します。.
さまざまなユースケースに対応するため, LoRaWAN は 3 つのデバイス クラスを定義します: クラスAデバイス (最低電力, すべてのアップリンクが開始されました), クラスBデバイス (スケジュールされた受信スロット), およびクラス C デバイス (継続的なリスニング).
シグフォックス
Sigfox は、最小限の電力消費で長距離通信を必要とする IoT アプリケーション向けに設計された先駆的な LPWAN テクノロジーです。. 超狭帯域を使用します (UNB) 技術, 各メッセージは 1 つのみを占めます 100 Hz帯域幅.
Sigfox プロトコルはライセンスのない ISM 帯域で動作します (868 ヨーロッパのMHz, 915 北米のMHz) わずかのデータ速度を提供します 100 または 600 ビット/秒. この遅い通信速度, 狭い帯域幅と組み合わせると, 優れた感度と非常に低い消費電力を実現. 一般的な送信では、数秒間約 20 ～ 30 mA を使用します。, 長いバッテリ寿命を実現 - 多くの場合、単一のバッテリで数年間持続します. まで達成できます 40 農村地域では km、都市環境では 3 ～ 10 km.
Sigfox は非対称プロトコルです, つまり、アップリンクとダウンリンクの機能が大幅に異なります. エンドデバイスは最大で送信できます 140 1日あたりのメッセージ数, 各メッセージは以下に制限されています 12 ペイロードのバイト数. ダウンリンクメッセージは以下に限定されます 8 1 日あたりのメッセージ数 8 各バイト.
LoRaWAN とは異なります, Sigfox はシンプルさを念頭に置いて設計されました, 複雑さのほとんどをエンドデバイスではなくネットワーク側に押し付ける. このアプローチにより、非常にシンプルでエネルギー効率の高いエンドデバイスの実装が可能になります。.
携帯電話ネットワーク
携帯電話ネットワークは信じられないほどの量の通信を処理します, 現代社会における最も基礎的な通信技術の 1 つです。. 2Gから最新の5Gまで, LTE-M や LTE-M などの IoT に特化した特殊なテクノロジー NB-IoT, 携帯電話ネットワークは約を構成します 20% のグローバル IoT 接続.
携帯電話ネットワークは、いわゆる携帯電話アーキテクチャで動作します。, 地理的エリアがセルに分割される場所. それぞれは、基地局として知られる少なくとも 1 つの固定位置トランシーバーによってサービスを提供されます。. これらのセルはハニカム状のパターンで連携して、広い領域を継続的にカバーします。.
このテクノロジーは 1980 年代から大きく進歩しました, 1G ネットワークが音声通話をほとんど処理できなかったとき. まさに5G時代の到来です ($98.3 十億 2023) NB-IoTを導入しています, 現在のより広範なセルラー IoT エコシステムの一部としての LTE-M と 5G. Cellular IoT の主な利点の 1 つは、IoT 固有のニーズに合わせて最適化しながら、既存のセルラー インフラストラクチャを活用できることです。. 重要なこと, 携帯電話ネットワークは無料ではありません.
長距離IoTネットワーク技術の比較
| 技術 | LoRa/LoRaWAN | シグフォックス | 携帯電話 (4G/5G) | NB-IoT |
| 範囲 | 2-15km | 40kmまで | 数km | 1-10km |
| データレート | 0.3-50 Kbps | 100 bps | まで 1 GBPS+ | 250 Kbps |
| 消費電力 | とても低い | とても低い | 高い | 低 |
| 周波数帯域 | サブGHz | サブGHz | ライセンスを取得したバンド | ライセンスを取得したバンド |
| 長所 | – 長距離
– 優れたバッテリー寿命 – 浸透性が良い |
– 超長距離
– 非常に低い電力 – シンプルな導入 |
– ユニバーサルカバレッジ
– 高信頼性 – 高いデータレート |
– 建物の浸透性が良好
– 認可されたスペクトル – 長いバッテリー寿命 |
| 短所 | – 低いデータレート
– ゲートウェイの依存関係 – 地域制限 |
– 非常に低いデータレート
– 購読が必要です – 1 日あたりのメッセージの制限 |
– 高消費電力
– 高い – 月額料金 |
– ネットワーク依存性
– 待ち時間が長い – 適用範囲の制限 |
| キーアプリケーション | 資産管理, 駐車場管理, 環境モニタリング, 農業センシング, スマートメーター | 資産管理, 環境モニタリング | コネクテッドビークル, •火災の管理と検出, モバイルアプリケーション | スマートメーター, 資産管理 |
何 IoT んネットワーキング t技術 私にとっては正しいです?
IoT ネットワークを使用すると、困難なシナリオ全体でデバイスを接続して管理できるため、IoT ネットワークを使用することは理にかなっています。. 特に, つながった世界でIoTネットワークが成長中, 大規模な規模などの変数を考慮に入れる, 多様なデバイスタイプ, リアルタイム動作要件.
接続テクノロジーは、IoT プロジェクトを開発する際に行う必要がある最も重要な決定の 1 つです. ここでの選択が成功のレベルを決定します, 料金, プロジェクトのパフォーマンスと. 特定のテクノロジーに入る前に, これらの重要な質問を自分自身に問いかけてください:
– デバイスはどこで使用されるのか? 屋内または屋外で使用されますか?
– どの範囲をカバーする必要があるか? メートルですか, キロメートル, またはその中間のどこか?
– 送信するデータ量はどれくらいですか, そしてどのくらいの頻度で?
– 電力の予算はどれくらいですか? バッテリーまたはメインパワーで走っていますか?
– 展開場所にはどのネットワークインフラストラクチャが存在しますか?
– あなたのセキュリティ要件は何ですか?
– ハードウェアと継続的な接続コストの両方の予算はいくらですか?
上記で説明したテクノロジーは、接続タイプの網羅的なリストではありません, しかし、彼らはほとんどのIoTプロジェクトであなたを立ち上げて実行する必要があります.
短い-rアンジ technologies in pラクト
短距離ワイヤレス通信テクノロジー用, WiFiは、ハイスループットデータ送信を提供します. 家や公共スペースでワイヤレスネットワークカバレッジを支配しています. 多くの建物にはすでにwifiがあるので, Smart HomesのようなIoTアプリケーションに最適です, 監視カメラ, 統合追跡ソリューション.
消費者スペースで, Bluetooth低エネルギーは明確な支配を示しています. コストを考慮して、近距離位置サービスの好ましい選択肢となっています。. 市場はこれを反映しています – Bluetooth 位置情報サービス デバイスの出荷数に達しました $255 百万 に 2024. BLE はスマートホームでも成長しています. Matter 規格に含まれることにより, さらに多くのスマートホームアプリケーションが登場するでしょう.
Zigbee はスマート ホームにおいて無視できないもう 1 つの重要なプレーヤーです. 現在、産業オートメーションやスマートホームアプリケーションでより多く使用されています. Zigbee のメッシュ ネットワークは接続距離を拡張し、より多くのネットワーク ノードをサポートできます.
UWB テクノロジーは、最初の 3 つのテクノロジーと同じ普及レベルに達していません. その主な利点は、センチメートルレベルの正確な位置決めです。. しかしながら, 相対的に導入コストが高くなります. これにより、正確な位置追跡が必要な特定のユースケースにより適したものになります。.
長さ–rアンジ technologies in pラクト
長距離無線IoT技術向け, LoRa と LoRaWAN は多くの IoT 導入において先頭に立っている. 非常に低い消費電力で優れたカバレッジを提供します. LoRaWAN は、デバイスがバッテリー電源で長時間動作する必要があり、データ送信の多少の遅延を許容できる場合に最適に機能します。. この技術は動物追跡に一般的に使用されています, 車両追跡, 駐車場管理, 環境モニタリング, 農業センシング, およびユーティリティメーター.
Sigfox は LoRaWAN よりも合理化された設計を採用しています。. デバイスのコストと複雑さを軽減するように設計されています, ただし、これはデータ速度を犠牲にすることを意味します. Sigfox と LoRaWAN は同様の目的を果たすことがありますが、, プライベート ネットワークまたは双方向通信が必要な場合は、LoRaWAN を使用する必要があります。.
NB-IoT と LTE-M は大きな利点をもたらします – 既存の携帯電話インフラを使用できる. これらのテクノロジーは、一部の LoRaWAN および Sigfox アプリケーションと重複します。, 特に広い地理的領域にまたがる資産を追跡する場合. 物流部門は特に携帯電話ベースの追跡ソリューションを採用しています。. しかしながら, 携帯電話のオプションにはサブスクリプション料金がかかるため、コストが高くなります.
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