--- title: IoT無線プロトコル url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/07-wireless-communications/02-iot-wireless-protocols locale: ja area: hardware tags: - hardware - wireless-communications date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 低消費電力・低レート・広域カバレッジまたはローカルメッシュ構成の無線プロトコル全体像 --- # IoT無線プロトコル > 低消費電力・低レート・広域カバレッジまたはローカルメッシュ構成の無線プロトコル全体像 --- ## プロトコル比較一覧 | プロトコル | 周波数帯 | レート | 距離 | 消費電力 | メッシュ構成 | 主な用途 | |------|------|------|------|------|------|----------| | Zigbee | 2.4G/868/915M | 250kbps | 10〜100m | 極めて低い | Mesh | スマートホーム | | Thread | 2.4G/Sub-G | 250kbps | 10〜100m | 極めて低い | Mesh | スマートホーム | | Matter | IP層 | - | - | - | 横断的 | 統一アプリケーション層 | | Z-Wave | 800〜900M | 100kbps | 30m | 極めて低い | Mesh | スマートホーム（専用） | | LoRa | 433/868/915M | 0.3〜50k | 2〜15km | 極めて低い | Star | センサ/農業 | | NB-IoT | 認可済みセルラー | 250kbps | 数km | 低い | セルラー | 検針/市町村 | | NFC | 13.56M | 106〜848k | <10cm | 極めて低い（パッシブ） | P2P | 決済/入退室管理 | | UWB | 3〜10G | 6.8M〜1G | <200m | 中 | P2P | 高精度測位 | --- ## Zigbee ### 特徴 ``` IEEE 802.15.4ベース Meshトポロジ: 各ノードが中継可能 → カバレッジ範囲が広い 自己修復: 某ノードが故障 → 自動的に新しい経路を探す 低消費電力: 端末ノードはスリープ可能（電池で数年駆動） 欠点: - 2.4G帯域の混雑 - IPを直接サポートしていない → ゲートウェイによる変換が必要 - ベンダーロックイン（Zigbee 3.0で改善されたが） ``` ### 典型的なネットワーク ``` Coordinator（コーディネーター）×1: ネットワーク作成、ゲートウェイ相当 Router（ルーター）×N: メッセージ中継、常時給電必須 End Device（エンドデバイス）×N: スリープ対応デバイス、電池駆動 一般的な用途: Philips Hue, Aqara, IKEA TRÅDFRI ``` --- ## Thread + Matter ### Thread ``` Zigbeeと同系統（802.15.4）だが、IPv6をネイティブサポート Meshトポロジ、6LoWPANでIPv6パケットを圧縮 利点: ✓ 各デバイスにIPv6アドレスが付与される → アプリケーション層のゲートウェイ不要 ✓ 真の分散型（コーディネーターのような単一障害点なし） ✓ Border RouterはIPブリッジとしてのみ機能し、プロトコル変換は行わない 課題: Thread Border Routerが必要 （Apple TV, HomePod, Google Nest Hubなどに内蔵） ``` ### Matter ``` Matter ≠ 無線プロトコル！ Matterはアプリケーション層の統一規格 Matterは以下のプロトコル上で動作する: - Thread（低消費電力Mesh） - WiFi（高帯域） - Ethernet（有線） Matterが解決する問題: 「Aqaraを買えばAqara Hubしか使えない、Hueを買えばHue Bridgeしか使えない…」 Matter → 1つのデバイスをApple Home / Google Home / Alexaで同時に制御可能 注意: Matterデバイス ≠ Hubが不要 Threadデバイスは依然としてThread Border Routerが必要 （ただし共用可能で、特定ブランドに限定されない） ``` --- ## LoRa / LoRaWAN ### LoRaの利点 ``` WiFi/BLE/Zigbeeのカバレッジ範囲は狭すぎる（数十メートル） セルラーモジュールは高価 + SIMカード管理の手間 + 消費電力が大きい LoRa: 極めて低いデータレートで極远距离を実現 LoRa = 物理層（Semtechの専用変調方式） LoRaWAN = MAC + ネットワーク層（オープンスタンダード） ``` ### 主要特性 ``` Sub-GHz帯域（433/868/915 MHz）: 壁透過性が高く、干渉が少ない 拡散変調（CSS）: ノイズレベル以下の受信が可能（-140dBmの感度！） レート: 0.3 kbps 〜 50 kbps（拡散因子が大きいほど遅いが、より遠距離） リンク予算: 最大約170dB → 都市部で2〜5km、田舎で10〜15km 消費電力: 送信時〜100mA、スリープ時〜1μA ``` ### LoRaWANネットワークアーキテクチャ LoRaWANネットワークアーキテクチャ:スター型アクセス、ゲートウェイは転送のみ、サーバー側で多重受信除去 Device スター型トポロジ LoRa Gateway 転送のみ・プロトコル変換なし IPネットワーク Network Server 多重受信除去・復号・ルーティング 同じアップリンクパケットが複数のGatewayで同時に受信される可能性あり → Network Serverが一元化して多重受信除去を行う Device省電力モード（Class A / B / C） Class A・必須対応 送信後に受信ウィンドウを開く 最も省電力 Class B 定期的に受信ウィンドウを開く スケジュールによる遅延あり Class C 常時受信開放（有線給電） 遅延なし 重要なトレードオフ: Class Aが最も省電力だが下り通信に遅延があり、唯一強制対応モード。Class Cは遅延なしだが継続的な給電が必要。 ### 用途 ``` 農業: 土壌湿度センサ（数km間隔、電池で数年駆動） 検針: 水道メータ/電気メータ（Sub-GHzが地下階を透過） 追跡: 家畜/資産 GPS+LoRa 環境モニタリング: 気象観測所/水質 ``` --- ## NFC / RFID ### NFC（13.56 MHz） ``` 超近距離（<10cm）、誘導結合ベース 3つのモード: Reader/Writer: タグの読み書き（入退室カード/決済） Card Emulation: 携帯電話をカードとして模倣（Apple Pay/交通系IC） P2P: デバイス間での小データ交換（Android Beam、既に边缘化） NFCタグの種類: Type 1/2（NTAG）: 最も一般的、小容量（<2KB） Type 4（DESFire）: 安全性が高く、入退室/決済 Type 5（ISO 15693）: もう少し遠い（〜1m）、図書館 パッシブタグ: リーダーの磁界からエネルギーを供給 → バッテリ不要 ``` ### RFID ``` LF（125kHz）: 動物埋め込み/入退室管理、極短距離 HF（13.56MHz）: NFCはこのカテゴリに属し、図書館/身分証明書 UHF（860〜960MHz）: 物流/倉庫、最大10m以上 LF/HF: 磁界結合（近界） UHF: 電磁波リバースキャタリング（遠界） ``` --- ## UWB（超広帯域） ``` 極短パルス（nsレベル）+ 広帯域（>500MHz） → 飛行時間（ToF）でセンチメートルレベルの精度 特徴: - 屋内センチメートル級測位（WiFi/BLEより遥かに高精度） - マルチパス干渉に強い - 消費電力は中程度 用途: - Apple AirTag / U1チップ - 車キー（CCC Digital Key） - 屋内ナビゲーション - サッカー/スポーツ追跡 周波数: 3.1〜10.6 GHz（中国では6〜9 GHz） ``` --- ## 速查: どの場面でどのプロトコルを選ぶか ``` 電池駆動 + 長距離（km級） → LoRa 電池駆動 + スマートホームMesh → Thread/Zigbee IP直接通信が必要 → Thread（IPv6） マルチベンダー相互運用性 → Matter対応デバイス 決済/入退室管理/近距離 → NFC センチメートル級屋内測位 → UWB 広帯域 + 低遅延 + 消費電力に寛容 → WiFi ウェアラブル + 携帯電話通信 → BLE 検針 + セルラーカバレッジあり → NB-IoT（自前でゲートウェイ構築不要） ``` --- *キーワード: Zigbee, Thread, Matter, LoRa, LoRaWAN, NFC, RFID, UWB, 802.15.4*