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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, wireless protocols and communication standards play a huge role in nearly every aspect of IoT deployments, ranging from smart cities, connected vehicles, environmental monitoring and many more. IoT アナリティクスによると, the global connected IoT devices market could reach 18.8 十億 units by the end of 2024, a growth of 13% から 2023. その間, as the number of connected devices explodes, there is never a greater need for robust, scalable and efficient communication technologies. この投稿では, we check out some of the widely used protocols for IoT communications. I hope that you get a deeper understanding of the key IoT networking solutions before making choices.
何 is IoT networking
IoT networking refers to how IoT devices connect and communicate with each other and with the central systems. This creates an autonomous ecosystem of smart devices working together.
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, we’ve discussed some network protocols and their suitable applications. ここに, we list some widely used short-range and long-range wireless technologies for your IoT project reference.
Key short-range IoT networking technologies
Short-range wireless communication technology refers to the technology that realizes wireless transmission over short distances. 通常, their transmission range is within tens of meters or hundreds of meters. Common examples include ブルートゥース, Wi-Fi, Zigbee, UWB, NFC and RFID (no detailed introduction here).
BluetoothとBLE
Bluetooth is one of the most common short-range wireless technologies. From wireless earbuds to car systems, smart watches and fitness trackers, we see Bluetooth everywhere.
The latest Bluetooth標準 is Bluetooth 6.0, which was released in September 2024 and brought new features such as Bluetooth channel detection. しかしながら, the current standard being widely used are Bluetooth 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 wide channels and utilizes an adaptive frequency hopping algorithm to optimize performance and minimize interference.
Wi-Fi
Wi-Fi accounts for 31% of the total IoT connections. ここに, we will discuss the traditional WiFi radio, as well as the WiFi HaLow (802.11ah), which is specifically designed long-range low-power IoT applications.
Wi-Fi 6 uses the same 2.4GHz and 5GHz ISM bands as other wireless protocols, with 6E adding support for the 6GHz band. The range varies significantly from 10m indoors to over 100m outdoors, depending on environmental factors and transmission power. Unlike Bluetooth’s point-to-point architecture, WiFi follows a star network topology, where devices connect through a central access point (router).
WiFi 6/6E (802.11ax) にリリースされました 2021 is the popular standard being used currently. 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 is particularly notable for its mesh networking capabilities.
The ZigBee protocol defines three key types of devices in the network:
- Coordinators (only one in any ZigBee network)
- Routers (intermediator to transmit data)
- ZigBee End devices (Talk only to parent node, mostly in sleep mode)
Texas Instruments and Silicon Labs are major suppliers of ZigBee chips.
UWB
UWB (超広帯域) is one of the emerging communication protocols. You probably haven’t seen it in many devices yet, but it’s rapidly gaining adoption. From smartphones to car keys, smart home devices to industrial settings, we see UWB increasingly appearing in modern technology.
Like other radio technologies, UWB operates in a defined spectrum, but unlike narrow-band systems, it spreads transmission across a wide frequency range from 3.1 GHz to 10.6 GHz. It has a typical range of 1-50 メートル, and works best in line-of-sight between devices or anchors.
Ultra Wideband uses channels that are at least 500MHz wide as compared to Bluetooth’s 1MHz or 2MHz channels. UWB also uses ultra-short pulse transmission, which gives it higher positioning accuracy than narrow-band systems.
The maximum power spectral density for UWB transmission is 41.3 dBm/MHz. This equals about 0.5 mW of average transmit power. It helps minimize interference with the existing narrow-band systems like WiFi or Bluetooth. The low power also makes UWB secure. The signals are hard to intercept because of their wide frequency spread and low power density.
Short-range IoT networking technologies comparison
| 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 indoor | 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 – Easy to implement – 低価格 |
– High data rate
– Universal compatibility – Robust security options |
– 低消費電力
– Large network support – Self-healing mesh |
– Precise positioning
– 高いセキュリティ – Immune to interference |
| 短所 | – 限られた範囲
– Limited nodes – 潜在的な干渉 |
– 高消費電力
– Limited battery life – Network congestion |
– 低いデータレート
– 短距離 – Complex implementation |
– 限られた範囲
– コストが高い – Limited adoption |
| Key Applications | ウェアラブル, スマートホーム, 屋内測位, 資産管理, Point of interest | ホームオートメーション, Video streaming, High bandwidth applications | 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, Secure access |
Popular long-range IoT wireless technologies
We will now focus our discussion on the long range wireless technologies and how IoT has benefited because of these protocols. These technologies are the foundation of LPWANs, covering distances from a few kilometers to thousands of kilometers. ここに, we will introduce LoRa, シグフォックス, and Cellular networks.
LoRaおよびLoRaWAN
LoRa is a wireless protocol providing long range, 低電力, and secure data transmission. It is based on chirp spread spectrum modulation which means you can communicate great distances without using too much power. 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 – High data rate |
– 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 |
| Key Applications | 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? Are you running on batteries or mains power?
– What network infrastructure exists at your deployment location?
– What are your security requirements?
– What is your budget for both hardware and ongoing connectivity costs?
The technologies we’ve covered above aren’t an exhaustive list of connection types, but they should get you up and running on most any IoT project.
短い-range technologies in practice
For short-range wireless communication technologies, WiFi provides high-throughput data transmission. It dominates wireless network coverage in homes and public spaces. Since many buildings have WiFi already, it’s ideal for IoT applications like smart homes, 監視カメラ, and integrated tracking solutions.
In the consumer space, Bluetooth Low Energy shows clear dominance. 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–range technologies in practice
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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