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IoTシステム技術基礎検定 #7 規格だらけ

はじめに

3章目その2です。

【今回取り組む内容】
・3-4~3-5 (テキストP107-116)
IoTエリアネットワークに関して、もう少し掘り下げた内容、そしてセルラー網に関して。
3-4のページ数が多いので2節分だけ。

3-4 エリアネットワークとは

IoTエリアネットワーク無線

IoTデバイス-ゲートウェイ間を繋ぐ無線通信システムを、IoTエリアネットワーク無線と呼ぶ。
IoTデバイスには、直接WANに繋がるものもあるが、殆どはIoTエリアネットワークを通じ、ゲートウェイを介してサーバに接続される。
直接WANに接続するには、LTEのような通信モジュールをデバイスに組み込まなければならないので、
通信量の発生、製造コスト高、消費電力の上昇と言ったデメリットが発生する。
IoTエリアネットワーク用の通信モジュールは、直接WAN対応にするより安価で、通信量も発生しない。
近年のIoTデバイス増加を考えても、IoTエリアネットワークを使ったほうが節約になる。

テキストP108では,PCやスマートフォンでの通信で使う無線LANやBluetooth、
スマートメータやECHONET Liteに対応した家電で使うWi-SUNの例が示されている。

IoTエリアネットワークの主な接続方式

・無線LAN,Bluetooth
PCやスマートフォンで利用、低コストで実装可能
・ZigBee
マルチホップ可能、より遠くへデータ伝送
・Wi-SUN
スマートメータに使われる
・Z-Wave
相互運用性が高い
・NFC
近接距離で使用
・IrDA
赤外線利用、ノイズに影響されない

Bluetooth

スマートフォンなどに標準搭載されている、コンシューマ向けの一般的な通信方式。
周波数は無線LANと同じ2.4GHz帯。
様々な目的で使えるように、複数のプロファイル(機能標準)があり、アクセス方法や同期といた基本機能から、マウスやヘッドセットに対応した機能別のプロファイルがある。
バージョンが1.1から1.2、2.0、2.1、3.0と更新され、同じ周波数帯の無線LANとの干渉防止や、高速データ伝送などに対応してきた。
バージョン4.0になると、新たに追加されたBLEが3.0との互換を持たなくなった。
実際は、BLEのみ対応するものや、加えて3.0までにも対応したものとバラバラなので、選ぶときには注意したい。
2017年現在、普及しているバージョンは4.2であるが、より高速かつ広範囲で通信できる、IoT向けの5.0が実用化されつつある。

BLE(Bluetooth Low Energy)

Bluetooth4.0で追加された仕様の1つ。
AppleがiBeacon(アイビーコン)に採用したことで、注目を集める。
通信距離が短く、低速であるものの、ボタン電池1つで数年間動作できる省エネ性が注目された。

BLEは、ペアリング(2つのものを関連付けし、通信できるようにすること)したデバイス間の距離を測定できるので、
「盗難・忘れ物の防止」「位置検知」などに応用できる。

ZigBee

ベースに、IEEE802.15.4を採用。
複数の端末がバケツリレー式にデータを中継して、遠くまでデータを伝送できるマルチホップ通信が可能。
メッシュ、ツリー形式のネットワークを取る。

メッシュはコストが増えやすいが、あるルートが遮断されたとき代替ルートを用意できるので、ネットワークの信頼性を高められる。

Wi-SUN

Wi-SUN(Wireless-Smart Utility Network)は、自動メータ検針(スマートメータ)のために策定された規格。
広域のエリアで用いるため、ここでもマルチホップ技術が搭載されている。
電柱に設置されたデータ集約装置(コンセントレータ)へ、遠くにあるスマートメータのデータをマルチホップによって伝送する。

センサデータの収集、組み込み機器での利用を想定し、消費電力を極力削減できる。
乾電池で、1日数十回程度の伝送なら、数年間動作が可能。

Z-Wave

ホームオートメーション関連の企業が集まって、標準化及び各社の互換性の確保がされている。

物理層、MAC層はITU-T勧告(電気通信の標準化)に準拠している。
すべての端末においてフルメッシュなネットワークを構築でき、強い互換性がある。

NFC

NFC(Near Field Communication)は、通信距離10cm程度の、実に近距離な無線通信規格。
交通系ICカードや社員証、電子マネーなどカードをかざしてピッとなる系はNFC。
以前からある方式で、日本では、ソニーのフェリカが有名だが、NFCは上位互換に当たる。

ICカードはパッシブタグという方式を採用しており、給電なしに、リーダーからの電磁波を電磁誘導でエネルギーにして送受信を行う。
一方、スマートフォンのようなバッテリー内蔵のデバイスでの無線通信はアクティブタグと呼ばれる。
また、電波の読み取りはパッシブ方式、電波の送信は内蔵電池を使うセミアクティブタグというのもある。
各々で特徴やコストが違うので、状況に応じて使い分ける必要がある。

IrDA

IrDA(Infraed Data Association)は、赤外線による光無線通信の規格。
かつて携帯電話で使われていたが、スマートフォンの普及につれ使われなくなった。
しかし、ノイズに強いという利点は今でも評価されていて、電波ノイズが多いところで利用される。

太陽光の影響を受けやすいので、主に室内での利用、家庭内機器のリモコンや、スマートホームへの利用が考えられている。

ECHONET,ECHONET Lite

ECHONETは、スマートハウス向けの標準規格。
電力管理やホームセキュリティなど、設備向けの規格だが、規格化された物理層が世の中の進化についていけず、あまり普及が進まなかった。

現実に即して策定されたのがECHONET Liteで、
物理層からトランスポート層まで規定せず、それより上位の層のみを規定。
近年、国際標準規格に承認され、国内のHEMSの標準プロトコルにされている。
HEMSに関しては後の方で。

エネルギー管理システム(EMS)について

EMS(Energy Management System)は、用途に合わせたエネルギー管理システム。
電力使用量の可視化、節電のための機器制御、ソーラー発電や蓄電器の制御を行うシステムのことで、使うエリアで以下のように分類できる。

・HEMS
Home EMS。家庭向け。
・BEMS
Building EMS。商用ビル向け。
・FEMS
Factory EMS。工場向け。
・CEMS
Community EMS。上3つ含む地域全体向け。

HEMSに関しては、欧州ではKNX、日本ではECHONET Liteが利用されている。スマートメータとHEMSをWi-SUNで繋ぐことで、CEMSとの接続が可能になる。
BEMSは、特にデマンドピーク(電力消費のピーク)を抑制するのが重要。契約使用電力を超えそうになったら警告を出したり、一部の電力仕様を抑制することで電気使用料金の削減を目指す。
FEMSも、基本はBEMSと同じ内容だが、製造ラインやボイラーなど、制御対象が異なる。
CEMSは地域全体のエネルギー管理で、電力使用量の自動検針やブレーカー制御も含まれる。

3-5 セルラー網の仕組み

セルラーとは

移動通信システム(無線WAN)において、通信サービスエリアを区画ごとに「セル」という小さい単位(半径数m)に分割し、そこに基地局を設置し、ユーザの端末の移動に合わせて追跡接続する無線通信方式。

スマートフォンのような端末では、セルラーに則った通信で移動通信が行われる。

携帯電話が繋がる仕組み

複数の専用機器によって構成されるネットワーク上で、デジタルパケット通信を粉うことで実現される。
ネットワーク上を、情報が載ったパケットが経由することで携帯間のやりとりが可能になる。

携帯が発信を行うと、
①近くの基地局に電波が届き、
②基地局を束ねる交換機にデータを送り、
③基地局のエリア内にある宛先へデータを転送する。
④宛先の端末がどのエリアにあるか、どんなサービスに加入しているか交換機がサービス制御装置というデータベースに確認を取る
(番号はテキスト準拠)

ハンドオーバ

特定のセルエリアに滞在している携帯なら問題ないが、車や新幹線で移動しながら通信していたらどうか?

移動中にも継続して通信できるのが、ハンドオーバという仕組みである。
移動中の携帯がデータのやりとりする基地局を切り替えることで、途切れることなく通信を可能にしている。

通信中の基地局の電波が弱くなると、他に近い基地局がないか探し、必要な場合基地局を切り替える。

VoLTEとは

VoLTE(Voice over LTE)は、LTE無線でのパケット通信で電話ができるサービス。
Skypeのようなベストエフォート(伝送帯域が保証されない通話)と違い、帯域を保証することで音声品質を保証している。

高音質通話や、通話をしながらのLTE通信、通話接続時間の短縮といった特徴がある。

試験に出てきそうな内容

3-4に出てきた通信規格は、ページ数が多く割かれていたので何かしら出てきそう。

エリアネットワーク

・IoTデバイスにおける、エリアネットワークの利用とWANへの直接接続の関係は?

【重要】IoTエリアネットワークの通信方式、それぞれの特徴が思い浮かぶか?
→名前を見てどんなのだったか、どこで使われているか思い出せるように。
・無線LAN,Bluetooth
・ZigBee
・Wi-SUN
・Z-Wave
・NFC
・IrDA

【重要】EMSとは何で、どういった分類があったか?
→都合よく4種類あるので、選択肢に並べやすそう。
 違いを把握しておくこと。

セルラー

・そもそもセルラーとは何か?

・携帯電話のデータのやり取りの手順のイメージ

・ハンドオーバとは何か?どういったとき必要になるか
・VoLTEとは?Skypeのようなネット通話とどこが違うか