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

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

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

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

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

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）

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）

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）