Wi-Fi HaLowがIoTデータストリームの通信距離と信頼性をどのように向上させるか

急速に進化し、競争の激しい環境において、モノのインターネット（IoT）開発者はいくつかの重要な質問に答えなければなりません。具体的には、デバイスが送受信する必要があるデータ量はどれくらいか、バッテリの持続時間はどれくらい必要か、ゲートウェイからどの程度の距離に設置できるか、1つのネットワークに何台のデバイスを接続できるか、そして設定やセキュリティ対策はどれほど容易か、といった点です。

これらの質問への答えによって、採用すべき接続プロトコルが決まります。通信距離と適度なデータスループットが重要な場合、Wi-Fi HaLowはバランスの取れたソリューションを提供します。

IoTネットワークの進化するニーズ

資産追跡であれ、農業センシング、照明、メータリングなどの「スマート」なものであれ、ワイヤレスIoTワークロードには共通点があります。それは、個々のエンドノードが分析や制御のために、生データをクラウドプラットフォームへ少しずつ送信しているという点です。大規模なネットワーク全体から知見を収集するには有用ですが、デバイス自体は比較的シンプルであることが多く、搭載リソースが限られているため、こうしたアプリケーションでは、処理の大部分をクラウドが担っています。

これを、ローカルデータ分析やデバイス上での意思決定を提供する新しいワイヤレスエッジアプリケーションと対比してみましょう。産業用予知保全はその好例です。この場合、センサノードは、クラウド内で分析するために継続的にデータを送信するのではなく、事前に定義された範囲外のマシンの特性や性能の変化を検出し、クラウドに通知を送信します。当然のことながら、これにより限られたネットワーク帯域幅を節約し、より重要な洞察に充てることができるようになります。

とはいえ、低ビットレートのセキュリティカメラネットワークや、レポートと同じくらい制御が重要なスマートビルディングのインフラのように、生データや圧縮データをリアルタイムでストリーミングするのが最適な場合もあります。こうした場合では、長距離・低電力ワイヤレスアクセスネットワーク（LPWAN）プロトコルは適さない可能性があります。なぜなら、これらのプロトコルは主に小さなデータパケットや頻度の少ないレポート送信を想定して設計されているからです。標準的なWi-Fiは高いデータレートを提供しますが、その通信距離と電力要件は、バッテリ駆動デバイスの導入オプションを制限する可能性があります。したがって、開発者は、この2つの間の妥協点を提供するワイヤレスプロトコルから恩恵を受けることができます。そこで登場するのが、Wi-Fi HaLowです。

Wi-Fi HaLowが信頼性の高い長距離データストリームをサポートする仕組み

Wi-Fi HaLowの基礎となるIEEE 802.11ahオープン規格は、LPWAN技術よりも高いデータレートを提供し、標準的なWi-Fiと比較して長距離通信を可能にします。これにより開発者は、次世代デバイスにおける圧縮ビデオストリーミングや高周波データバーストなど、より要求の厳しいワイヤレスワークロードを実装することができます。

以下に、この規格の概要を示します。主要な技術仕様のいくつかが、IoT導入の運用上のメリットにどのように直結するかをご紹介します。

• サブ1ギガヘルツ（GHz）キャリア（図1）：この規格は、壁を通り抜けやすく、建物内での信頼性の高い通信をサポートし、導入条件にもよりますが、屋外で約1キロメートル（km）の通信距離を可能にします。
• 狭帯域OFDMチャンネル：スマートシティのような大規模な導入のために設計されたこの規格は、アクセスポイントあたり8,000台以上のデバイスの理論容量を定義しています。ただし、これも実際の条件によって異なります。
• ネイティブIP対応：Wi-Fi HaLowは独自のアクセスポイントを必要としますが、LAN技術との直接インターフェースをサポートしています。多くのワイヤレス規格とは異なり、通常、独自のミドルウェア層を必要としないため、導入が簡素化されます。

図1：Wi-Fi HaLowはサブ1GHzで動作するため、長距離通信や高い透過性を実現するのに適しています。（画像提供：Quectel）

また、Wi-Fi HaLowは省電力モードやTarget Wake Time（TWT）動作にも対応しており、低デューティサイクルのデバイスでは数か月から数年のバッテリ寿命を実現します。これにより、従来のIoT導入におけるメンテナンス要件が軽減される一方で、中程度のスループットを持つオンデマンド通信が可能になります。

開発者がIoTネットワークに新しいワイヤレスプロトコルを採用することに消極的なのは理解できますが、採用は難しいことではありません。RF設計の複雑さを軽減しつつ、コンパクトなWi-Fi HaLowを統合するためのソリューションはすでに存在しています。

コンパクトなWi-Fi HaLowモジュールで大規模接続を実現

QuectelのFGH100M Wi-Fi HaLowモジュール（図2）は、技術の導入がいかに簡単であるかを示す好例です。このモジュールは、13 × 13 × 2.2ミリメートル（mm）、0.72グラム（g）のパッケージでWi-Fi HaLow機能を提供し、軽量でスペースに制約のあるIoTデバイスに適しています。

図2：FGH100Mは、バッテリ駆動のエンドノードに適したコンパクトなモジュールでWi-Fi HaLow機能を提供します。（画像提供：Quectel）

電源オプションには、バッテリから直接動作させるための3.0～3.6ボルト、またはデバイスI/Oからの1.8～3.6ボルトがあり、FGH100Mモジュールを既存の設計に簡単に組み込むことができます。単一のSDIO、SPI、アンテナインターフェースを介した統合により、開発はさらに効率化されます。さらに、Quectelはヨーロッパ、アメリカ、カナダ、オーストラリア、ニュージーランド向けに事前認証を提供しており、コンプライアンスを緩和し、市場投入までの時間を短縮しています。

FGH100Mシリーズは、高いおよび低い最大物理層（PHY）データレートによって異なるアプリケーションに対応する2つのモデルで構成されますが、実際の性能は設置条件によって異なります。FGH100MAAMDは最大3.3メガビット/秒（Mbit/s）の通信を提供し、スマートドアロックや音声アシスタントなどの低～中程度のスループットのアプリケーションをサポートします。FGH100MABMDは、大規模なファームウェア更新や帯域幅に制約のあるデータストリーミングを必要とする圧縮ビデオインターホンシステムなど、より高いスループットを必要とする用途向けに、チャンネル構成に応じて32.5Mビット/秒のレートをサポートします。

まとめ

IoTは絶えず進化していることを踏まえると、開発者にとって、大規模な環境でも適度なデータスループットを実現する長距離通信プロトコルの必要性がますます高まっていることは明らかです。Wi-Fi HaLowはこのニーズに適しており、壁の透過性が高く、ネイティブIPに対応しているという利点もあります。統合が容易な設計と事前認証により、QuectelのFGH100Mモジュールは、さまざまなアプリケーションにWi-Fi HaLowを迅速に実装する方法を提供します。