RL78マイコン,MCU:マイコン,LPCマイコン,MPU/SBC:IoT用プロセサ,Kinetisマイコン,STM32マイコン,PSoC/PRoCマイコン,MSP432マイコン,Cortex-M0+コア,Cortex-M0コア,Cortex-M3コア,Cortex-M33コアIoTマイコン,Bluetooth Low Energy,Bluetooth,IoT,IoTエッジMCU,Wi-Fi6,Bluetooth LE 5.2

IoTに適した無線LANの条件とは?(TechTarget、2020年11月27日)記事を紹介し、IoT MCU関連のプライベート網無線LAN規格を説明します。

IoT向き無線LAN条件と規格

纏まった良い記事なので、一読をお勧めします。

記事を要約すると、IoT向きの無線LANの選定には、3つの検討ポイントがあります。

  1. 省電力性:バッテリーだけで長時間無線LAN通信ができる
  2. 長距離伝送性:アクセスポイント(AP)から1km以上離れる場合がある
  3. 国より異なる利用周波数の空き状態確認

各ポイントを満たす無線LAN規格として下記3つを挙げ特徴を説明しています。

  • IEEE 802.11ah(別名Wi-Fi HaLow):Target Wake Time(TWT)により通信タイミングを調整しAP通信競合を防ぐと同時にスケジュールタイムまでスリープし電力消費を抑える
  • IEEE 802.11ba:TWTに加えWake-Up Radio省電力機能を利用しAPからの通信要求に対応
  • IEEE 802.11af: 54MHz~698MHz利用で900MHz~1GHzの802.11ah/802.11baより長距離伝送可能
    ※11afは、テレビ用ホワイトスペースのVHF/UHFバンド(54 MHz~790 MHz)利用なので空き状態により耐ノイズ注意

IoT向き無線LANとBluetooth

無線LANには、2.4GHz利用、数m~10m程度の「近距離無線通信規格」:IEEE 802.15.1(別名Bluetooth)もあります。コイン電池で1年以上動作できるなど超省電力動作ですが、低速です。PCやスマートフォンでは、マウス/キーボード/ヘッドホンなどの周辺機器との接続に使われます。

より高速、より長距離(400m程度)、より高スループットを目指し、Bluetooth v4.2、Bluetooth 5などと規格が変化しています。

IoT MCUへの実装は、Bluetooth 5内蔵MCUBluetooth 5モジュールとMCUを接続する方法があります。

IoT 向き無線LANとPC/スマホ向き無線LAN

2020年12月時点のPC/スマートフォン無線LAN規格が下表です(出展:NTT西日本公式ホームページ)。

規格 周波数帯 最大通信速度
IEEE 802.11b 2.4GHz 11Mbps
IEEE 802.11g 2.4GHz 54Mbps
­­­­IEEE 802.11a 5GHz 54Mbps
IEEE 802.11n 2.4GHz 600Mbps
5GHz
IEEE 802.11ac 5GHz 6.9Gbps
IEEE 802.11ad(WiGig) 60GHz 6.8Gbps
IEEE 802.11ax 2.4GHz 9.6Gbps
5GHz

IoT向き無線LANと異なるのは、周波数帯がより高周波の2.4GHz/5GHzを利用する点と、新規格11ac/11ad/11ax、従来規格11b/11g/11a/11n、ともにデータ伝送速度が速い点です。スマホのAPは、家庭や店舗に設置された無線LANルータで、高周波利用のため伝送距離は精々100m程度、60GHzの11adでは10m程度です。公衆網5G高速化に伴い新無線LAN規格:11ac/11ad/11axが普及しつつあります。

動画再生などの利用形態も多いPC/スマホ向き無線LANは、「高速大容量化」が求められます。IoTの「長距離省電力」要求とは、異なる無線LAN規格となっています。

まとめ:IoT MCUプライベート網の無線LAN規格

無線LANアクセスポイントからの伝送距離変化
無線LANアクセスポイントからの伝送距離変化

プライベート網無線LAN規格は、APからの伝送距離により、

  1. 「近距離(10m以下)超省電力」規格(周辺機器向き):Bluetooth(IEEE 802.15.1)
  2. 「短距離(100m程度)高速大容量」規格(PC/スマホ向き):IEEE 802.11a/11b/11g/11n/11ac/WiGig(11ad)/11ax
  3. 「長距離(1km以上)省電力」規格(IoT向き):Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11ah)/11.af/11.ba

の3種類があります。

IoT MCUには、最新のBluetooth 5や屋外や1km半径の広い敷地内でも使える長距離省電力規格のWi-Fi HaLowが望まれるようです。

但し、普及済みのPC/スマホ向き無線LAN規格が使えると、屋内の既存PC/スマホ無線LANルータをインターネット空間へのAPに利用でき、常時電力供給も可能なため、低コストIoT MCUを実現する方法になりうると思います。


MCU:マイコン,MPU/SBC:IoT用プロセサIoT向けPC,IoTマイコン,Bluetooth,BLE,Low Power Wide Area,LPWA

IoT向け無線規格「LPWA」の全貌の記事2つを紹介します。LPWAとは、Low Power Wide Areaの略で、マイコン:MCUとIoT向けコンピュータ:MPU/SBC間通信ではメジャーなBluetoothなどの近距離無線に対して、より広い範囲のIoT向けの通信規格のことです。

1つ目が、IoT向け通信に価格破壊をもたらす「LPWA」、2つ目が、いよいよ日本上陸、LPWAの最有力候補「LoRaWAN」の実力は?です。通信コストとオープン仕様というキーワードが登場します。

低電力な長距離通信技術:LPWA

BluetoothとLPWAとの違いを示すのが、1つ目記事より抜粋した下図です。3GやLTE技術で問題となる通信コストや初期投資を抑える新技術がLPWAで、低速かつ一回の通信量も数10バイト程度に抑えて、バッテリー消費量を数年または10年以上も可能とするのを目標としています。

Bluetooth(BLE)とLPWAの違い
Bluetooth(BLE)とLPWAの違い(記事より抜粋)

低通信コスト

主なLPWA技術が下表です。SIGFOXは、フランスやスペインなどで、1回線あたり年間1ドルで既にサービス開始済みで、800万回線契約があるそうです。LoRaWANは、韓国SKテレコムが日本円換算月額32円で提供中です。

主なLPWA技術
主なLPWA技術(記事より抜粋)

オープン仕様

これらLPWAは、キャリアの提供サービスです。日本では、LoRaWANが最有力候補だそうです。その理由は、Wi-Fiのように誰もがその技術を利用しサービスを提供できるオープンな仕様と、免許不要帯の利用にあります。

日本国内LoRaWANフィールドテストの結果、 6㎞程度の最大伝送距離と、20~30km/h以下の低速移動体通信が確認できたようです。

オープンイノベーション

デファクトスタンダードやオープン仕様は、マイコン:MCU開発にとっても無視できません。マイコンで産み出す機能実現とその維持のために、低コストや代替デバイスの検討も無視できないからです。

マイコン開発者自身の意識も、このオープン仕様の流れに沿う必要があるのかもしれません。オープンイノベーション白書が無料でダウンロードできますので、意識改革の手始めに目を通すのも良いと思います。