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1 電子情報通信工学序論 第 6 回無線ネットワークと IoT 情報通信コース北川章夫, Microelectronics Research Lab. (MeRL)

2 はじめに 無線ネットワークの 式は多種多様なので 詳しくは 情報ネットワーク A, B 情報通信 式 A, B 等で学ぶことにして ここでは 最近の無線通信およびネットワークの規格について概略を把握しておこう IoT (Internet of Things) は 無線通信 マイコン 環境発電 AI ネットワーク セキュリティ技術などを総合した概念であり また 発展途上であるため全貌を捉えることが難しいが ここでは どのようなサービスができそうか各 で考えてみよう 下記のサイトの講義資料を必要に応じて参照すること 2

3 6-1 無線通信の規格 いろいろな無線通信規格の選択

4 規格がなぜ必要か 送受信間で通信 式を合わせないと情報通信ができない ( 世界共通にする必要がある ) 通信路間の電波 渉 ( 妨害 ) を防ぐ 通信の秘匿性や通信品質 ( エラー発 率 通信距離など ) を保証する 規格や法律上の違い 結果としての特性の違い 周波数帯 通信距離 最大出力 通信距離 消費電力 変調方式 帯域幅 ( 伝送速度 ) 消費電力 多重化方式 消費電力 チャネル幅 チャネル数 ネットワークノード数 ( 参加できる数 ) プロトコル ( 通信手順 データフォーマット ) 寸法 ( 主にアンテナのサイズ ) 暗号化方式 セキュリティ強度 ネットワーク形態 ネットワークノード数 データ伝送距離

5 法的規制 規格は 各国の電波法規に抵触しないように定められているが 以下の条件の電磁波は法的に規制されない 例 : ミニ FM 局 ワイヤレスマイク ラジコン 電 作など 出典 : 総務省 技適マーク ( 技術基準適合証明 ) がない無線通信機器は違法 自分のスマホを調べてみよう 3m での条件 (500m の距離で規定されている条件もある ) [ 注意 ] 研究開発で 微弱無線以外の電磁波を放射する実験を行う場合 総務省に一時的な実験局運用の申請を行う必要がある 5

6 通信範囲と規模の違いによるネットワークの分類 BAN: Body Area Network PAN: Personal Area Network LAN: Local Area Network MAN: Metropolitan Area Network WAN: Wide Area Network WAN MAN LAN PAN 至近距離 BAN 10cm 100m 10~20m Global( 無線 + 有線 ) 100km WiMAX Wi-Fi Bluetooth, ZigBee NFC, RFID, 医療用体内通信 (IEEE ) NFC: IC カードなど RFID: IC タグなど ( 通信距離 1m ぐらい ) 6

7 WAN と LAN の違い 勝手に構築できる ( ホームネットワークも LAN の一種 ) 公共的な通信インフラを利用 LAN(Local Area Network) LAN(Local Area Network) 外部から入れない LAN はイントラネットとも呼ばれることがある LAN(Local Area Network) WAN(Wide Area Network) The internet( 全世界のネットワーク ) 7

8 通信帯域と電 の関係 1000m WLAN (IEEE802.11) 通信帯域 ( 通信速度 ) を大きくすると消費電力が増える 集積回路の特性 消費電力 (W) 100m 10m 1m 100M 10M 通信距離は数 10~ 数 100m 程度を想定 Bluetooth EDR (IEEE ) ZigBee, Wi SUN (IEEE ) Bluetooth LE ANT+ (IEEE ) EnOcean (ISO/IEC ) 1M 100k 通信帯域 (bps) 10k 315MHz SLPRS 1k 環境エネルギー 8

9 低消費電 - 近距離通信規格 通称規格周波数 (Hz) 伝送速度 (bps) 主な利用先 Bluetooth (Bluetooth LE) IEEE G 1M - 24M ワイヤレス端末 無線タグ ビーコン ZigBee IEEE G 250k センサネットワークマルチホッピング ( 後述 ) EnOcean ISO/IEC M, 928M 数 K 電池レスセンサ 3-10 NFC(RFID) ISO M 212k, 424k ICカード お財布携帯 住民基本台帳 RFID いろいろ 125k-135k, 13.56M, 2.4G 5k 500k 無線タグ 電子キー 9

10 LPWA(Low Power Wide Area) 通信規格 通称 規格 周波数 (Hz) 伝送速度 (bps) 主な利用先 Wi-SUN IEEE g, e 920M 50k 200k スマートメータマルチホッピング ( 後述 ) LoRa 920M 1k 11k (max.37.5kbps) 長距離 IoT Sigfox 920M 0.1k 12byte 140 回 / 日 Wi-Fi HaLow IEEE ah 920M ( 国による ) LTE-M emtc NB-IoT Release13 (LTE Cat.M1) Release13 (LTE Cat.NB1) 150k (~ 347M) スマートメータ長距離センサネットワーク流通管理 中距離 IoT/M2M マルチホッピング ( 伝送速度に依存 ) 700M-2.5G 1M 長距離 IoT 移動通信 ( ウエアラブル等 ) 700M-2G 62k up 26k down 長距離 IoT/M2M 10

11 ネットワークのトポロジ 出典 :Wikipedia 通信ノード ( 無線機 ) 無線ネットワークでよく使われる形 ( ただし 通信経路を制御するコーディネータのノードが必要 ) [ 重要 ] マルチホッピングに対応した通信規格の場合 バケツリレー方式で データの伝送を行うため 無線通信距離が短くても 長距離伝送が可能 ( 例 : スマートメータなど ) 11

12 4G から 5G へ ( 第 5 世代移動通信システム ) 技術目標 ユースケース 高速 大容量 (embb) 仮想現実 拡張現実 大量接続 (mmtc) IoT, FA 高信頼低遅延 (URLLC) 自動運転 遠隔医療 4G 5G Rel-13 Rel-14 Rel-15 Rel-16 Cat. M1 Cat. NB1 Cat. M2 Cat. NB2 Cat. M2 Enh. Cat. NB2 Emh. 1km 2 当たり 100 万台 電池寿命 15 年を想定 LTE-MTC Enh. NB-IoT Enh. NR IIoT IoT(LPWA) を想定した IMT G mmtc 規格 12

13 6-2 IoT (Internet of Things) 全てのものがインターネットにつながる時代

14 IoT = Internet of Things = モノのインターネットの意味 全てのモノが組み込みシステム化されネットワークインフラとして働く状況 を表す概念と捉えておこう ( きまった定義はない ) モノがインターネットにつながること自体は新しくない 生活様式と産業構造の変化につながったことが重要

15 からモノへのインターネットの拡張のイメージ 地域情報 近宇宙環境 災害 事故 社会インフラ 交通 建物 設備農業 漁業 Cyberspace 医療 介護 環境変動 15 家電 健康 Cyber-physical systems

16 対象となるモノ ほぼ全てのモノと考えられる 社会インフラ ホーム 商店 ウエアラブル 製造現場 農業 漁業 道路 橋梁 トンネル 建物 交通 自動車 ドア 鍵 照明 家電製品 電源 靴 衣服 めがね スマホ コンタクトレンズ ロボット 空調 物流 モーター 建設機械 農地 ハウス 山林 海洋 家畜 目的例 安全管理メンテナンス情報提供観光情報分析防災 オートメーション情報提供セキュリティ環境制御供給電力の最適化 通信 通話健康管理情報提供行動分析危険回避 操作制御環境制御在庫管理異常検知稼働状況分析 土壌制御環境制御災害検知環境モニタ家畜健康管理 16

17 IoT に必要な技術 無線ネットワーク 一見ランダムな実世界の事象をデータ化して集める 環境発電 センサ 低消費電力マイコン IoT AI サイバースペースで意味のあるデータを抽出 17

18 エナジーハーベスティング無線センサの試作例 振動発電による無線加速度センサのデモ 有機薄膜太陽電池による無線ネットワークのデモ 18

19 無線センサネットワークの構成例 有線 データ蓄積 解析 高信頼化 サーバ ネットワーク制御 防御 ゲートウエイ 基地局 無線 測定 無線送信 センサノード ( 発電量 ) センサノード ( 照度, 加速度 ) センサノード ( 温度, 湿度 ) 低消費電力化 低損失化 高出力化 パワーマネージメント回路 環境発電デバイス ( 振動発電 太陽電池など ) 19

20 センサ数 センサーネットワークのスケール 100,000,000 10,000,000 1,000, ,000 10,000 1,000 メンテナンス可能 100 メンテナンス必須ホーム ウエア 10 ラブル インプラント メンテナンス不可 ( 環境電力必須 ) メンテナンス困難 ( 電池と環境電力のコスト比較 ) 自動運転 社会インフラモニタ 1 mm m km Mm 分散距離 精密農業 宇宙環境計測 漁業管理 環境モニタ 数量がモノをいうアプリケーションも多い 発電性能よりも安価で 丈夫で安全な材料の発電デバイスが多量に必要 20

21 IoT デバイス接続数予想 IoT デバイス数 ( 億個 ) IoT デバイス数の予想値 台 1mW の場合 53MW を消費 ( 志賀原発 1 号機の 1/10 くらい ) デバイス数の年成長率 (%) ジャンル別成長率 自動車 医療機器 PC サーバー エネルギー 産業機器 通信機器 コンシューマ IoTデバイス数 ( 億個 ) ( 出典 :IHS Technology Inc., 総務省 ) 消費電力は小さいが 分散しているため環境発電が有利 21

22 IoT により み出される新しいサービス モノ ( センサ ) からサービスまでの過程全体を通して IoT を捉える必要がある ( インターネットにつながるだけでは使えない ) センサ データ ( 温湿度 加速度 音声 画像 距離など ) の取得 ソリューションまたはサービスの提供 ( 通知 制御 情報提供など ) アクチュエータ ストレージ ( クラウド ) データの蓄積と共有 ( 広義 ) AI データの特徴分析 分類 検索など 22

23 社会インフラ プラント設備モニタリングの例 ( 沢 学 ) 振動発電を用いたセンサの事業化に向けた研究開発計画 ( 上野敏幸准教授 ) ( 文部科学省 地域イノベーション エコシステム形成プログラム, 2018~) ZigBee, Bluetooth 23

24 スマホを利 した環境モニタの例 沢 学 修士1年和田智晃君エン ターティンメントコン ピューティング2010受賞 機械学習による自動分類 定点観測用デバイス 録音 送信 LTE) Googleマップ表示 子供向けアプリ 24

25 HEMS(Home Energy Management System) の例 IoT で実現 使用電力 料金の表示エアコンなどの制御 これだけではあまり便利ではない 最適制御気象情報 ( 帰宅前に弱く冷やしておくなど ) 多数の家庭のデータ + 個人の生活パターン 電気使用量最小化快適度最大化 外気温情報 各機器の電力使用量と太陽光発電量 Panasonic より図を拝借 ブロックチェーンによる電力再配分と利用効率の最適化 25

26 健康増進 能 開発の例 JINS JINS MEME より拝借 眼球運動センサ 加速度センサ スマホ経由でインターネット接続するなら簡単 各種スマホアプリを用意 アタマ年齢 カラダ年齢アプリ 集中力トレーニング 体幹トレーニング ランニング分析など

27 顧客サービス向上と合理化の例 (jig.jp) 鯖江市つつじバスモニター バス利用者 バスの運行状況が分かる 時刻表を見なくてもよい バス会社 乗客の傾向を把握 バスにスマホを乗せて GPS データを送るだけ 27

28 今週のまとめ 無線通信規格は 各国の電波法規を満 しつつ 最新の技術を取り れてつくられている 無線通信規格に応じて 得意とする分野が異なってくる 通信距離 伝送速度 チャネル数 ネットワーク構成 消費電 デバイスの 法など IoT(Internet of Things) を想定した多くの無線通信規格が公開または策定されている 代表的なものに Bluetooth, ZigBee, Wi-SUN, EnOceaen などがある インターネットは ( の ) インターネットからもののインターネット IoT に拡 しつつある IoT を いて 情報を集めることにより ビッグデータ解析や 知能に役 てることができる IoT を実現するためには 環境発電 無線ネットワーク センサ AI などの総合的な技術が必要となる 28

29 最後に 2 週にわたって 現代の電 情報通信技術の基本となる コンピュータ 集積回路 無線ネットワーク IoT について学んだ 技術は常に発展し続けているため 涯学び続ける必要がある ( 分に満 した時点で時代遅れになる ) 最先端に到達するためには トレンドを追うのではなく 基礎から体系的に理解することが重要 ( 試験の成績は重要ではなく なるべく多くの科 を関連づけて理解する ) 昔の技術者に求められた能力 現代の技術者に求められる能力 未来予測力 + 問題解決力 AI が担当 未来創造力 + 学習能力と探究心 人間が担当 29

30 6-3 スマホアプリ Androidアプリの開発を体験しよう 30

31 アプリ開発環境の例 Android Studio( 今回はこれ ) 公式 IDE(Integrated Development Environment) なので スマホの最新技術を利 できる まずは Android Studio で開発 順を学ぶとよい 使 語 : Kotlin, Java Visual Studio Community (2015 以降のバージョンで対応 ) マイクロソフト社の開発環境により Windows ソフトとスマホアプリ (Android, iphone) が開発できる 使 語 : C++(C# や JavaScript を使う 法もあるらしい ) SL4A (Scripting Layer for Android) スマホの中で スクリプトを使って開発できる 使 語 : Python, Perl, BeanShell (Java) など

32 簡単なアプリの開発体験 加速度計を作ってみよう解説 URL より 電 情報通信 学序論 - 加速度計の製作 をクリック 学生による応用製作例 Bluetooth と加速度センサを用いたリモコンカーの製作例 (3 年生髙橋翼氏 ) 32

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