短距離VS長距離無線通信技術

無線通信技術は、電子機器やネットワークに利便性と柔軟性を提供し、高価なケーブルや配線を必要としないことから、市場で急速に普及しています。軍事、工業、農業、家電など、多くの業界で無線通信技術が利用されています。そして、それぞれの業界は、その用途や環境に応じて異なる技術的特性を必要とします。短距離無線通信技術と長距離無線通信技術はそれぞれ独自の特性を持っています。開発者は、アプリケーションに応じて異なる技術を選択する必要があります。この記事では、短距離無線通信技術と長距離無線通信技術の違いについて詳しく説明します。そして、どの無線技術とソリューションが最適かを判断するのに役立ちます。

近距離無線通信技術

近距離無線通信技術は、遠隔ノードが非常に短い距離で接続されるネットワークプロトコルです。近距離無線通信は、電力、体積、発熱、コストを最小限に抑えることができます。また、幅広いシナリオ、技術、要件に対応できるため、商業ビルの自動化、高密度温室センシング、住宅エネルギーモニタリングに最適なソリューションです。多くの技術は、小型で低コストのICまたは完全なプラグインモジュールの形で実装されています。ここでは、近距離無線通信技術を「ローカルインタラクションの範囲内で無線接続を提供するシステム」と定義し、いくつかの種類に分けて説明します。

12種類の短距離無線通信技術

• Bluetooth
• 細胞の
• 無線LAN
• ジグビー
• UWB
• IR
• IEEE
• ISMバンド
• 近距離無線通信
• RFID
• 6ローパン
• Z波

Bluetooth

Bluetoothは、IEEE 802.5.1規格に基づく短距離無線通信技術で、Wi-Fiよりも消費電力が少ないのが特徴です。Bluetoothは元々、パソコンからマウス、キーボード、プリンター、携帯電話、ヘッドセット、携帯情報端末（PDA）などの周辺機器へのデータ転送を目的として設計されました。これらの用途では、BluetoothはWPAN（ワイヤレス・パーソナル・エリア・ネットワーク）と呼ばれています。Bluetoothはスター型のネットワークトポロジを採用しており、単一のアクセスポイントで最大XNUMX台のデバイスが通信できるシンプルなネットワークを実現します。

Bluetooth は 2.4 Hz ISM 帯域で動作し、GFSK、差動 DQPSK、または 8DPSK による周波数ホッピング拡散スペクトルを使用して変調されます。 合計基本データ レートは、GFSK の場合は 1mbit/s、DQPSK の場合は 2mbit/s、3DPSK の場合は 8mbit/s です。 また、3dBm (0mW)、1dBm (4mW)、2.5dBm (20mW) の 100 つの電力レベルがあり、基本的に距離を決定します。 標準距離は約 100 メートルで、最大電力は XNUMX メートルを超え、パスがクリアです。

その Bluetoothビーコン (NAIST) と Bluetoothモジュール MOKOSMARTはBLEプロトコルを統合しています。BLEは、モジュールの設定や、設置された位置情報ビーコンやバッテリー駆動の無線センサーからのデータ記録をシンプルに行う方法です。通信範囲は300フィート（約XNUMXメートル）以下で、消費電力も少ないため、IoTソリューションの補助プロトコルとして最適です。

Wi-Fi

Wi-Fiは、IEEE 802.11シリーズ規格に基づく短距離無線通信技術です。PCSのノートパソコンやデスクトップパソコン、スマートテレビ、スマートフォン、ドローン、スマートスピーカー、プリンター、自動車などで広く使用されています。Wi-Fiの帯域は吸収率が高く、見通し内での使用に最適です。壁や家電製品など、多くの障害物によって通信範囲が大幅に狭まる可能性がありますが、異なるネットワーク間の干渉を軽減するのにも役立ちます。

IEEE 802.11aは5GHzで動作し、最大データ転送速度は54Mbpsです。IEEE 802.11bとIEEE 802.11gは2.4GHzで動作し、最大データ転送速度はそれぞれ11Mbpsと54Mbpsです。さらに、Wi-Fi通信には900MHz、2.4GHz、5GHz、5.9GHz、60GHzといった複数の無線周波数帯域が利用可能です。各帯域は複数のチャネルに分割されています。各国では、使用可能なチャネルに関する独自の規制が定められています。ISM帯域も広く利用されています。

Wi-Fi組み込みモジュールは、近隣のベースステーションと相互運用可能で、最大300メートル（XNUMXフィート）の標準的なWi-Fi範囲と高いスループットを実現します。これにより、Wi-Fi設定の複雑さや消費電力の高いプロトコルの追加コストをある程度相殺できるため、既存のネットワークにデバイスを追加するのに最適です。ただし、複数の認証設定を長期的に管理するための十分なリソースを準備計画に組み込むようにしてください。

ジグビー

ZigBeeは、IEEE 802.15.4に基づく短距離無線通信プロトコルです。低消費電力で小型のデジタル無線を搭載したPAN（パーソナルエリアネットワーク）の構築に利用されます。BluetoothやWi-Fiなどの他の無線パーソナルエリアネットワーク（WPAN）よりも安価で、ホームオートメーションや医療機器のデータ収集に利用できます。ZigBeeの用途としては、交通管理システム、ワイヤレス照明スイッチ、家庭用ディスプレイ付き電気メーター、その他短距離・低速の無線データ伝送を必要とするデバイスなどが挙げられます。つまり、ZigBeeは低消費電力、低データレート、近距離（つまりパーソナルエリア）の無線ネットワークです。

この規格は、2.4～2.4835GHz（全世界）、902～928MHz（米国およびオーストラリア）、868～868.6MHz（欧州）の免許不要ISM帯域で動作します。16GHz帯域には2.4チャネルが割り当てられており、チャネル間隔は5MHzですが、各チャネルが使用する帯域幅はわずか2MHzです。無線は直接拡散スペクトラム拡散符号化方式を採用しています。デジタルストリームはこれを変調器に送り込みます。BPSKは868MHzおよび915MHz帯域で動作し、OQPSKは2.4GHz帯域で動作し、シンボルあたり2ビットを送信します。

2.4GHz帯の無線データレートはチャネルあたり250kbit/s、915MHz帯はチャネルあたり40kbit/s、868MHz帯はチャネルあたり20kbit/sです。屋内用途の場合、2.4GHzの伝送範囲は10～20メートルです。

UWB

超広帯域無線（UWB）は、WiMediaアライアンスが策定した短距離無線通信技術規格です。3.1〜10.6GHzの指定周波数帯域において、超低消費電力で干渉を回避し、短距離・高帯域幅通信を実現します。最大通信距離は約528メートルです。ほとんどのアプリケーションでは、通信範囲は数メートル未満です。周波数帯域は、53MHz幅の複数のチャネルに分割されています。データレートは480MbpsからXNUMXMbpsの範囲です。UWBは主にテレビ、カメラ、ノートパソコンなどに高速データ接続を提供します。最近のアプリケーションは、センサーデータ収集、追跡アプリケーション、高精度測位に重点を置いています。スペクトラム拡散とは異なり、UWBの伝送モードは、同じ周波数帯域における従来の狭帯域伝送や搬送波伝送に影響を与えません。

IR

赤外線ワイヤレスは、無線ではなく、低周波の目に見えない光による接続を採用しています。主な波長範囲は850～940μmです。送信機には赤外線発光ダイオードが使用され、受信機にはダイオード光検出器と増幅器が使用されています。光波は多くの場合、高周波信号で変調され、さらに符号化・変調されて送信されます。

IrDAはデータ転送のための独立した規格です。赤外線データ協会（Infrared Data Association）が仕様を管理しています。速度は9.6kbpsから115.2kbpsまで増加しており、4Mbps、16Mbps、96Mbps、512Mbpsから1Gbpsまでの範囲で増加しています。5Gbpsおよび10Gbpsの新しい規格も開発中で、伝送距離はXNUMXメートル未満です。

赤外線にはいくつかの重要な利点があります。まず、光であり電波ではないため、いかなる形態の電波干渉も受けません。次に、赤外線信号の傍受や偽装が困難なため、セキュリティが非常に高いことが挙げられます。

赤外線分光法はかつてプリンター、ノートパソコン、カメラなどで広く利用されていましたが、Bluetooth、Wi-Fiなどの近距離無線通信技術に大きく取って代わられました。現在でも、RFリモコンは消費者向けリモコンで広く利用されています。

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4は、ポイントツーポイントリンクと無線センサーネットワークをサポートするために作成されました。いくつかの無線規格は、802.15.4規格をPHY/MACベースとして採用しています。

この規格では、3つの基本的な周波数範囲が定義されています。最も一般的に使用されている帯域は、世界的に使用されている2.4GHz ISM帯域です。基本データレートは250kビット/秒です。もう902つの帯域は、米国の928～10MHz ISM帯域（40チャネル）です。データレートは250kビット/秒またはXNUMXkビット/秒です。

3つの範囲はすべて、BPSKまたはオフセットQPSKを用いたDSSS変調方式で行われます。最小電力レベルは-3dBm（0.5mW）です。0dBmは広く使用されている電力レベルです。20dBmは遠隔地での用途に適しています。標準的な範囲はXNUMXメートル以内です。

IEEE 802.22

IEEE 802.22規格は、ワイヤレスエリアネットワーク（WRAN）規格とも呼ばれ、最新のIEEE無線規格の一つです。ホワイトスペースと呼ばれる、免許不要で利用されていない放送用テレビチャンネルでの使用を目的として設計されています。6MHzチャンネルの周波数範囲は470MHzから698MHzです。しかし、この規格は広く普及していません。ホワイトスペース無線では、独自のプロトコルと無線規格が使用されています。

802.22無線は、テレビ局との干渉の可能性を考慮し、厳格な要件を満たし、未使用のチャネルを見つける必要があります。無線は周波数可変回路を使用して未使用チャネルをスキャンし、干渉信号の可能性を探ります。基地局は、インターネットアクセスやその他のサービスを取得するために、複数の固定位置のユーザーと放射状に通信します。

この規格は、最大ダウンロード速度1.5Mbps、アップロード速度384kbpsの複数のユーザーチャネルに対応するのに十分なスペクトル効率を提供します。6MHzチャネルあたりの最大データレートは18Mbpsから22Mbpsです。22Mbpsの最大の利点は、VHFと低周波数のUHFの両方の周波数を使用し、非常に長距離の接続を提供できることです。最大許容実効等方放射電力（EIRP）が4Wであるため、基地局の到達距離は100km（約60マイル）に達します。

ISMバンド

最も一般的に使用される ISM 周波数帯域は、Wi-Fi、コードレス電話、Bluetooth、2.4 無線などで 2.483 ～ 802.15.4 GHz です。902 番目に人気のある帯域は、928 ～ XNUMX MHz 帯域です。

他に広く使用されているISM周波数としては、RKEアプリケーションやガレージドア開閉用の315MHz、遠隔温度監視用の433MHzがあります。他にあまり採用されていない周波数としては、13.56MHz、27MHz、72MHzがあります。

近距離無線通信

近距離無線通信（NFC）は、主に類似の用途や安全な決済取引を目的とした超短距離無線通信技術です。最大通信距離は約20cm、標準的な接続距離は4～5cmです。この短距離により接続のセキュリティが向上し、暗号化も行われます。多くのスマートフォンにはNFC機能が搭載されており、消費者がスマートフォンをタップして支払いができるNFC決済システムの実装が目標となっています。

NFCは13.56MHzのISM管理周波数を使用します。この低い周波数では、送信ループアンテナと受信ループアンテナが接続されます。伝送は、付随する電界ではなく、信号に付随する磁界を介して行われます。

NFCはタグの読み取りにも使用されます。無電源タグはRF信号をDC電源に変換し、プロセッサとメモリにアプリケーション固有の情報を提供します。多くのNFCトランシーバーチップは新しいアプリケーションの実装に使用でき、複数の規格が存在します。

無線周波数識別

無線周波数識別（RFID）は、主に識別、位置特定、追跡、在庫管理に使用されます。近くのリーダーが高出力のRF信号を送信してパッシブタグに電力を供給し、タグのメモリに保存されているデータを読み取ります。

RFIDタグ 平らで安価、小型で、識別や監視が必要なあらゆるものに取り付けることができます。一部の用途では、バーコードに取って代わっています。RFIDはISM周波数13.56MHzを採用していますが、125kHz、134.5kHz、902～928MHzなどの他の周波数も使用されています。ISO/IEC規格にも様々な規格が存在します。

6 ローWPAN

6ローパン 低消費電力無線PANにおけるIPv6プロトコルを指します。ITEFによって開発されたこのプロトコルは、低消費電力無線メッシュネットワークおよびピアツーピアリンクを介してIPv4およびIPv6インターネットプロトコルを伝送する方法を提供します。RFC4944は、最小のリモートデバイスへのIoTの実装も可能にします。このプロトコルは、802.15.4無線用のカプセル化およびヘッダー圧縮ルーチンを提供します。

Z波

Z-waveは、最大232ノードを接続できる短距離無線メッシュネットワーク技術です。この無線トランシーバーは、米国およびカナダではISMバンド（908.42MHz）で動作しますが、各国の規制に従って他の周波数帯も使用します。変調方式はGFSKです。データレートは9600ビット/秒と40ビット/秒です。自由空間では、最大30メートルまで到達可能です。壁を透過できる距離ははるかに短くなります。Z-waveの主な用途は、サーモスタット、ドアロック、ホームオートメーション、照明、煙探知機、セキュリティ機器、その他の家電製品です。

UWB、WIFI、Zigbee、Bluetoothの比較

近距離無線通信技術の代表的な用途

ワイヤレスは、ほぼすべての新製品にシンプルかつ低コストで追加できるだけでなく、利便性、パフォーマンス、マーケティングを向上させることもできます。

世帯

家庭用電化製品には無線が満載です。ほぼすべてのエンターテイメント製品には赤外線リモコンが付いています。電力メーターやアクセサリモニター、遠隔温度計、ワイヤレスサーモスタット、その他の気象モニター、セキュリティシステム、ガレージドアオープナー、スマートパーキングセンサーも無線ネットワークに接続されています。ほぼすべての家庭にWi-Fi接続が普及しています。

商業用

ワイヤレスの温度・湿度監視、照明制御、ワイヤレスサーモスタットは、商業用途で広く利用されています。一部のビデオ監視カメラは、同軸ケーブルの代わりにワイヤレスを使用しています。携帯電話向けのワイヤレス決済システムは、商取引に革命をもたらすと期待されています。

業種

産業界では、有線接続が徐々に無線接続に置き換えられつつあります。流量、湿度、温度、圧力の遠隔監視は一般的なアプリケーションです。ロボット、産業プロセス、工作機械の無線制御は、産業環境における利便性と経済性の向上に貢献します。M2Mテクノロジーは、自動車の位置特定（GPS）や自動販売機の監視など、多くのアプリケーションへの可能性を広げます。IoTは主に無線で行われています。無線周波数識別（RFID）テクノロジーは、ほぼあらゆるものの追跡と位置特定をより容易にします。

長距離無線通信技術

リモートIoT無線技術はLPWANの基盤を形成しています。低消費電力のエンドデバイスはゲートウェイに接続し、ゲートウェイは他のネットワークサーバーやデバイスにデータを送信します。ネットワークデバイスは受信したデータを評価し、エンドデバイスを制御します。そのため、このプロトコルは低消費電力デバイス、運用コストの削減、リモート機能向けに特別に設計されています。様々なアプリケーションのニーズを満たすために、様々なパフォーマンス、ビジネスモデルなどを提供するLPWAN技術が数多く存在します。工業団地の監視、スマートシティプロジェクト、遠隔採掘や掘削などは、一般的に使用されているアプリケーションです。

ロラワン

ロラワン SEMTECHが開発したCSS（チャープ拡散スペクトラム）変調方式の規格で、900MHz、868MHz、400MHzで動作します。LoRaWANソリューションは、無線通信のゲートウェイとセンサーに特化した製品を提供しています。小型ペイロードとゲートウェイあたり数千台以上のデバイス向けに最適化されており、低遅延電源動作や低消費電力バッテリー動作に使用できます。

LoRa 通信は検出や干渉に対してある程度耐性があり、ドップラーバイアスの影響を受けず、障害物を貫通できます。

LoRaは、拡散係数など、範囲とデータレート（0.3 KBPS〜50 KBPS）のトレードオフを調整するために変更可能なパラメータをいくつか提供しています。LoRaは物理層テクノロジーであり、LoRaWAN[20]はMAC層とネットワーク層用にLoRa Allianceがサポートするオープンプロトコルです。LoRaWANは100種類のデバイスを表します。大まかに言うと、クラスAはエネルギー制約が非常に厳しいデバイス、クラスBはエネルギー制約が中程度のデバイス、クラスCは常時接続デバイスです。LoRaWANセンサーは消費電力が非常に少なく、双方向通信で最大2 kmの見通し距離があります。一般的な非見通しアプリケーションでは最大20 kmです。ゲートウェイは複数のデバイスを接続し、大規模なスケーラビリティを提供するためにクラウドプラットフォームを通じて管理されます。

ユーティリティ アプリケーション、在庫追跡、スマート メーター、自動車業界、自動販売機の監視では、長距離無線 LoRa テクノロジーが一般的に使用されています。

LoRa のさまざまな技術的パラメータは次のとおりです。

MOKOSMART は、LoRaWAN モジュール、ゲートウェイ、エンドノード デバイスを提供しています。LoRaWAN テクノロジーの導入を検討している場合は、当社のエンドツーエンド ソリューションが選択肢となります。

シグフォックス

SigFoxは、遠隔地（農村部では30～50km、都市部では3～10km）、低データレート（12メッセージあたり最大140バイト）、そして低消費電力動作に適した長距離無線通信技術です。端末デバイスXNUMX台あたりXNUMX日あたりXNUMX件のメッセージに対応し、低消費電力動作が望ましいとされています。SigFoxはサブGHz帯を使用し、BPSK変調による超狭帯域技術を採用しています。SigFox技術を搭載した端末デバイスは、データをSigFox基地局に送信し、基地局はデータをSigFoxクラウドサーバーに転送します。データはここで処理されます。

SigFoxはSIMカードを必要としません。料金は、送信するメッセージ数と1日あたりの送信メッセージ数によって決まります。位置監視、簡易メーター、基本的な警報システムは、片方向システムの応用例です。メッセージングには、バッテリー駆動アプリケーションのバッテリー寿命の短さや、基地局によるメッセージの受信を保証できないことなど、いくつかの制限があることを「保証」するために、信号は複数回送信されます。

SigFox のさまざまな技術的パラメータは次のとおりです。

LTE-M

3GPPはLTEマシンタイプ通信（LTE-M）規格を策定しました。LTE-Mは、700～900MHzの周波数範囲で、認可されたサブGHz帯域で伝送を行います。上りリンクと下りリンクのデータレートは約1Mbpsです。この低消費電力アプローチにより、バッテリー駆動のエンドデバイスの寿命を最大10～20年延ばすことができます。また、LTE-Mは既存のセルラー無線インフラストラクチャを活用することで、高品質が求められるサービスにおいて、より堅牢で安全な通信を実現します。

しかし、LTE-Mの欠点の一つは、ライセンス制のセルラー無線ネットワークの利用コストが高いことです。端末ごとに専用のSIMカードが必要となり、保守・設置コスト、そして運用コストが増加します。さらに、現在のLTE-M SIMカード事業は比較的複雑です。

スマートメーター、スマートシティ、スマートビルディング、コネクテッドヘルス、自動車輸送は、LTE-M の主なアプリケーションです。

LTE-M の技術的パラメータは次のとおりです。

ナローバンド IoT (NB-IoT)

LTE Cat NB1とも呼ばれる狭帯域IoT（NB-IoT）は、LTE規格の派生規格です。狭帯域通信をベースとし、180kHzの帯域幅を使用します。その結果、データレートが大幅に低下し（下り約250KBPS、上り約20KBPS）、NB-IoTではFotAアップデートの実装が困難になります。NB-IoTは、ガードバンドLTE、スタンドアロン、インバンドの3つのモードを使用できます。インバンドモードはLTE周波数帯域を使用し、保護周波数帯域はLTE周波数帯域の未使用部分を使用し、独立周波数帯域は専用周波数帯域（GSM周波数帯域など）を使用します。NB-IoTはハンドオフをサポートしていないため、モバイルIoTアプリケーションには適していません。

5G

5Gは、現在開発が進められているモバイルネットワーク技術の最新のイノベーションです。5Gは、高周波（例：60GHz）とブロードバンド[16]の両方を用いて、超高速通信を可能にすることを目指しています。非常に高いデータレート（1～10Gbps）の提供を目指しています。しかし、エネルギー制約のあるIoTデバイスを考えると、これは好ましい解決策とは思えません。さらに、この技術はまだ試験施設以外では利用できません。現在、5Gは大規模なmMTCと、超高信頼・低遅延通信（URLLC）を活用したcMTCの5つをターゲットとしています。eMTCとNB-IoTを除き、XNUMXG IoT向けの具体的なソリューション計画は未だ策定されていません。

複合ソリューション：短距離 + 長距離

長距離通信と短距離通信にはそれぞれ長所と短所があります。そのため、場合によっては、複数の異なる接続タイプを組み合わせることが最善の解決策となります。例えば、遠隔地環境のリモートセンシングアプリケーションでは、石油掘削装置などの比較的狭いエリアを高密度にカバーするためにZigbee短距離無線通信技術を使用し、そこからリモート無線を介してリモートコントロールセンターにデータを送信します。それほど遠くない場所では、携帯電話をお持ちであれば、この方法が往復の通信手段としても有効です。同じネットワークで非常に短距離のBLEも利用可能になり、センサーをローカルのスマートフォンから直接設定できます。複数のプロトコルを組み合わせることで、理想的なIoTソリューションが実現します。

以下に、消費電力、プロトコル、およびデータ レートの概要を示します。

ワイヤレスアプリケーション選択リスト

最善の解決策を見つけるにはどうすればよいでしょうか？まず、以下のようなあらゆる変数を考慮する必要があります。

• 範囲: 送信機から受信機までの最大距離と最小距離はどれくらいですか? 距離は可変ですか、それとも固定ですか?
• デュプレックスまたはシンプレックス: アプリケーションは単方向ですか、それとも双方向ですか? 一方向パスは、一部のリモート コントロール アプリケーションと監視アプリケーションにのみ必要です。
• ノード数：送信機と受信機はいくつ必要でしょうか？シンプルなシステムであれば、必要なノードは2つだけです。デバイスのネットワークが関係する場合は、必要な送信機と受信機の数を決定し、それらの相互作用を定義する必要があります。
• データレート：データ転送速度はどれくらいですか？監視用に低速、ビデオ伝送用に高速？低速にすることで、リンクのノイズ耐性と信頼性が向上します。
• 潜在的な干渉：近くに他の無線デバイスやシステムはありますか？あるいは、電力線、機械、その他の干渉源からのノイズ。
• 環境: アプリケーションは屋内ですか、屋外ですか？屋外の場合、建物、車両、木などの構造物による障害物はありますか？屋内の場合、信号を遮る物体はありますか？
• 電源：AC電源はありますか？ない場合はバッテリーを使用してください。ワイヤレス機能を追加すると、アプリケーションの消費電力は大幅に増加しますか？エネルギーハーベスティングや太陽光発電は可能ですか？バッテリーのサイズ、寿命、充電要件、バッテリー交換間隔、関連コストも重要な考慮事項です。
• 規制上の問題：一部の無線技術にはFCCのライセンスが必要です。短距離用途の無線技術のほとんどはライセンス不要です。
• サイズとスペース：無線回路のための十分なスペースはありますか？すべての無線デバイスにはアンテナが必要です。回路はミリメートルサイズのチップに収まりますが、アンテナはより多くのスペースを必要とします。
• ライセンス料: 一部のワイヤレス テクノロジーでは、ユーザーが組織に加入したり、テクノロジーを使用するためにロイヤルティを支払ったりする必要がある場合があります。
• セキュリティ: ハッキングやその他の不正使用に対するセキュリティが問題となる場合は、暗号化と認証が必要になることがあります。
• 投資収益率: システムのコストはいくらですか? 投資収益率はコストをカバーしていますか?

必要な無線範囲がどのようなものであっても、MOKOSMARTはそれをさらに進化させるお手伝いをします。詳細については、IoTデバイスの役割の概要とアーキテクチャの選択ガイドをご覧ください。

実用的な設計サポートが必要ですか？MOKOSMARTのワイヤレス設計エキスパートは、最も困難な通信問題を解決するための設計をカスタマイズできます。これらの要素を評価し、プロジェクトのニーズに最適なソリューションを選択するお手伝いをいたします。