モノのインターネット(IoT)の技術革新が進むにつれ、接続されたデバイスが扱う自動化タスクはますます増えています。IoT開発者にとって、信頼性が高く、到達距離が長く、低消費電力のネットワークを展開し、増え続けるIoTデバイス群を妥協することなく監視・制御することがますます重要になっています。
Zigbeeとは？
Zigbeeは、ワイヤレスのマシンツーマシン(M2M)およびIoTネットワークに対応するために1998年に考案されました(2006年に仕様改訂)。IEEE 802.15.4仕様の媒体アクセス制御(MAC)層と物理(PHY)層を利用し、2.4GHz帯と1GHz以下の非免許および区分免許無線周波数帯で運用されています。
Zigbeeは、2.4GHz(16チャンネル)で250Kbps、915Mhz(10チャンネル)で40Kbps、868Mhz(1チャンネル)で20Kbpsの生データスループット率を実現することが可能です。伝送距離は、出力と環境特性により、2.4GHz帯では10～100m、1GHz未満では規制値により最大1kmとなります。
Wi-Fi HaLowとの比較
Wi-Fi HaLowは、Wi-Fi Allianceによって認定された最新のIEEE 802.11 MAC/PHY(媒体アクセス制御/物理層)ベースのプロトコルです。Wi-Fi HaLowは、カメラ、センサーネットワーク、ウェアラブルなどの様々なアプリケーションに必要な低消費電力接続を可能にするIEEE 802.11ahを組み込んでいます。
Wi-Fi HaLowは、マルチベンダーの相互運用性、既存のWi-Fiネットワークを中断させない簡単な設定、WPA3の最新Wi-Fiセキュリティなど、消費者が今日のWi-Fiに期待するすべての利点を提供することができます。Wi-Fi HaLowは、他のWi-Fi技術を増強して、長距離、低消費電力、高性能、安全なWi-Fiを実現し、さまざまなIoT環境に対応する拡張ポートフォリオを提供しています。
一目でわかる技術比較
Wi-Fi HaLowは、屋内外のIoT接続ニーズに対応するために設計されました。そのため、多くの開発者は、Zigbeeのような「類似」プロトコルと比較して、Wi-Fi HaLowはどのような位置づけられるのか関心を寄せています。
Wi-Fi HaLowの主な機能をZigbeeと比較してみましょう。Zigbeeの大半は2.4GHzで動作しているため、ここでは2.4GHzのZigbeeと比較します。
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ZigbeeとWi-Fi HaLowの比較
到達距離を探る
Wi-Fi HaLowは、1GHz以下の帯域(850MHz～950MHz)と狭いチャンネル(1MHz以上)を使用しているため、Wi-Fi HaLow機器はかなり長い距離で通信することが可能です。また、サブ1GHz帯の信号は、2.4GHz帯の信号よりも壁や天井などの障害物や物理的な物体を効率良く透過することができます。
Zigbeeは、IEEE 802.15.4のMACおよびPHYレイヤーの上で動作する、主に2.4GHz帯の屋内使用を目的としたメッシュ・プロトコルです。Zigbeeの機器間通信距離は10～100mと短いですが、電源の入ったZigbee機器は中継器として機能し、100mを超えるメッシュネットワークを構築することができます。しかし、リピーターとして動作するZigbeeデバイスは低消費電力ではないため、実際には主電源を供給する必要があります。また、メッシュのホップ数が増えるとパケットの遅延が大きくなり、リアルタイムアプリケーションをサポートできる可能性が低くなります。Zigbeeは、低消費電力、低データレート、近接したデバイスを対象としており、照明制御など、到達距離が短いスマートホームアプリケーションでよく利用されています。
容量の話をしましょう
1台のWi-Fi HaLowアクセスポイント(AP)で、さまざまなタイプの数千台のデバイスを扱うことができます。そのため、産業制御やビルディングオートメーションなど、大量のデバイスを必要とするアプリケーションに容易に拡張できます。スマートホームの場合、ブロードバンドサービスプロバイダーが設置した1台のWi-Fi HaLow APで、あらゆる家庭のデバイス需要に簡単に対応できます。企業では、複数のHaLow APをネットワークに追加することで、8,191台をはるかに超えるデバイスの容量を増やすことができます。
Zigbeeのメッシュネットワーク機能は、1つのネットワークに最大65,000ノードという多数のデバイスをサポートしています。これは理論的な限界であり、メッシュネットワークを拡張するために中継器として機能する特定のデバイスが必要になりますが、すべてのZigbeeデバイスがそれを行えるわけではありません。例えば、フィリップスのHueブリッジ(スマート電球のシリーズ)はZigbeeを使用しています。しかし、これではデバイス数が約50個に制限されます。上述したように、メッシュのホップ数が増えると、パケットのレイテンシーに悪影響を及ぼします。
セキュリティについてはどうでしょう
Wi-Fi HaLowはIEEE 802.11ahを採用しており、世界的に認知されている802.11規格に準拠した安全な認証と通信を実現しています。WPA3-PersonalおよびWPA3-Enterpriseのセキュリティは、さまざまなカウンターモードでAES-128およびAES-256の両方の暗号化をサポートしています。Wi-Fi HaLowではセキュリティは必須であり、セキュリティのオーバーヘッドはHaLowのスループットやレイテンシーにほとんど影響を与えません。セキュリティに対する脅威は常に進化しており、Wi-Fi HaLowは新たな高い水準のセキュリティに容易に対応することができます。
Zigbeeは、IEEE 802.15.4で規定されたカウンターモードでAES-128ビット暗号化をサポートし、ネットワーク内のすべてのデバイスが使用する単一の対称ネットワークキーを備えています。ネットワークキーは、新しいデバイスに提供される時にリンクキーによって暗号化されますが、リンクキーはネットワークキーが侵害される可能性があるよく知られたデフォルト値を使用することができます。Zigbeeではセキュリティはオプションとして提供され、セキュリティが使用され、ネットワークキーが適切に保護されていることを確認するために注意する必要があります。Zigbeeのパケットサイズは、セキュリティなしだと127バイト、セキュリティありだと68バイトです。つまり、セキュリティのオーバーヘッドは、Zigbeeネットワークの消費電力、スループット、レイテンシーに深刻な影響を与えます。Zigbeeのパケットサイズは、将来的に新しいセキュリティの脅威に適応することが不可能ではないにしろ、困難となります。
エネルギー効率と省電効果
Wi-Fi HaLowは、長距離かつ電力要件の厳しいIoTアプリケーション向けに、エネルギー効率の高いバージョンのWi-Fiを提供するために設計されました。Wi-Fi HaLowのチップやモジュールは、従来のWi-Fiの数分の一の電力しか必要としません。
Zigbeeも同様に、低消費電力機器向けに設計されています。従来のWi-Fiプロトコルよりも低消費電力で、送信するデータ量が比較的少ないセンサーなどのアプリケーションに適しています。Zigbeeは、小さなパケットサイズしか必要としないIoTアプリケーションに適した低消費電力オプションですが、Wi-Fi HaLowは、より長い距離で、例えばビデオカメラだけでなくセンサーなど、より幅広いIoTアプリケーションに適したエネルギー効率性を提供します。さらに、Wi-Fi HaLowは、ファームウェアやセキュリティの無線アップデートに対応することが可能です。
アプリケーションの多用途性
Wi-Fi HaLowは、850MHzから950MHzの非免許または区分免許によるサブGHz無線周波数帯で動作します。ベンダーがHaLow製品のWi-Fi認証を取得すれば、消費者は異なるベンダーのWi-Fi HaLow製品が相互運用可能であることを信頼できます。Wi-Fi HaLowは、Wi-Fi 4、5、6とは別の周波数帯で動作するため、RF性能に影響を与えることなく、これらすべての技術を共存させ、互いに補完することができます。
また、ZigbeeはConnectivity Standards Allianceによる業界相互運用性認証を受けており、ユーザーは異なるベンダーのデバイスを柔軟に選択することができます。IEEE 802.15.4仕様を利用した相互運用可能なプロトコルとして、Zigbeeは多くのスマートホーム、商業、産業アプリケーションで幅広く採用されています。しかし、Zigbeeは、2.4GHz帯の高速Wi-Fi 4および6機器とうまく共存できない可能性があります。
IEEE 802.11規格であるWi-Fi HaLowは、Zigbeeと比較して、インターネットプロトコル(IP)バージョン4とバージョン6をネイティブにサポートするというもう1つの大きな利点を持っています。すべてのタイプのWi-Fiは、本来IPv4とIPv6をサポートしているため、Wi-FiベースのIoTデバイスは、特別なゲートウェイを経由することなく、インターネットやクラウドサービスに直接接続できます。Zigbeeはパケットサイズが非常に小さく、6LowWPANと呼ばれるIPv6の圧縮バージョンに対応しています。Zigbeeデバイスがインターネットやクラウドサービスと通信するためには、特別なゲートウェイを採用する必要があります。
可変データレートと固定データレートの比較
Wi-Fi HaLowは、同じネットワーク内で異なるIoTアプリケーションをサポートする可能性のある多数の変調・符号化方式(MCS)レートを提供します。例えば、8MHzチャネルでのシングルストリーム伝送で最大43.3Mbpsのような高いレートはビデオアプリケーションをサポートし、1MHzチャネルで最大150Kbpsのような低いレートは超長距離でのセンサーをサポートすることができます。消費電力は通常、無線送受信機のオン時間によって決まるため、高いレートは無線機をすぐにオフにすることができ、電力節約に貢献します。
Zigbeeは250Kbpsという固定レートで、センサーや入力機器からの低スループットかつ断続的なデータ送信に適しています。しかし、センサーとカメラを組み合わせたアプリケーションなど、多様化するIoT機器やアプリケーションに対応することができません。
まとめ
これまでの内容をまとめますと、Wi-Fi HaLowとZigbeeはどちらも無線通信技術ですが、その目的は異なり、独自の特徴を持っています。Wi-Fi HaLowは、到達距離、ペネトレーション、電力効率、セキュリティ、スループットなど多くの主要分野でZigbeeを凌駕し、Zigbeeは特殊なセンサーネットワークに適しています。どちらの技術にも、それぞれ利点と限界があります。しかし、両者を併用することで、互いを補完し、IoTの世界に包括的なソリューションを提供することができます。2023年にこれらの技術がどのように現在の課題に挑戦し、両者の長所を接続性にもたらすことができるのか、今後もこの分野にご注目ください。
