新国際無線通信規格Ｗｉ－ＳＵＮ ＦＡＮに対応した無線機の基礎開発に成功

ポイント

• 半径数ｋｍ内に存在する数百のセンサーからの情報をＩＰｖ６による無線多段中継（マルチホップ）を利用して、低消費電力で収集。
• 製造ベンダー間で相互接続性がある新国際無線通信規格Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮを初めて無線機の形で実現。
• 国際規格対応によりアプリケーション開発が非常に容易になり、マルチホップを利用したＩｏＴ開発が促進。

＜原田 博司　プログラム・マネージャーのコメント＞

社会リスクを低減する超ビッグデータプラットフォームを構築するためには各種センサー、メーター、モニターから創出されたビッグデータを効率的に処理エンジンに伝送する必要性があります。一方で社会実装を行うために容易にプログラミング可能であり、かつ小型、低消費電力、低コストである国際標準化された無線機を実現する必要性があります。今回開発したＷｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮはこのすべてを満たす国際無線通信規格です。今回この規格に対応した無線機の開発に成功したことにより、全世界でＷｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮシステムが今の無線ＬＡＮシステムのように広がることが期待されます。

＜研究の背景と経緯＞

ＩｍＰＡＣＴ　原田 博司　プログラム・マネージャーの研究開発プログラムでは、現状のビッグデータ規模を遥かに凌ぐ「超ビッグデータ」の創出・活用を可能とする超ビッグデータプラットフォームを構築し、この技術による新たな社会応用として、製造工場へのサイバー攻撃、故障の撲滅を目指すファクトリセキュリティと予見先取ヘルスケア・医療サービスを目指すヘルスセキュリティに関する研究開発を行っています。

この超ビッグデータプラットフォームの実現のためには各種センサー、メーター、モニター等の各種計測器に無線デバイスを備え、創出されたビッグデータをインターネット等を介して効率的に処理エンジンに伝送する必要性があります。これは、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ：“モノ”のインターネット）とも呼ばれています。

この無線によるＩｏＴネットワーク実現のためには、高品質で長距離かつ安全でかつ消費電力の低いネットワーク技術が必要となります。こうした中、京都大学 原田研究室は低消費電力でＩｏＴを実現する無線通信方式を開発し、米国ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇにおいて国際標準化をしました。また、ローム株式会社はこの規格に準拠した通信モジュールを開発してきました。また、両者はＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇをベースにした無線通信規格の技術適合性・相互接続性認証を行うＷｉ－ＳＵＮアライアンス^注３）を理事会メンバーとして構築し、国内外１００社以上の企業と本技術の普及促進を行っています。このＷｉ－ＳＵＮアライアンスにおいては２０１６年５月１６日に新国際無線通信規格Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮの仕様書を発表しました。Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮは電気・ガス・水道のメーターリング、環境、人の行動等を管理、制御するスマートシティ、そして工場、医療用センシングを構築する様々なＩｏＴアプリケーションにおいて、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ規格の低消費電力無線伝送技術とＩＰｖ６によるマルチホップ技術を利用した、相互運用可能な低消費電力ＩｏＴ無線通信技術です（図１）。このＷｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮは、米国ＩＥＥＥ８０２．１５．４／４ｇ／４ｅを無線伝送部に持ち、米国ＩＥＴＦ　６ＬｏｗＰＡＮ^注４）を介してＩＰｖ６パケットの伝送を可能とし、米国ＩＥＴＦ　ＲＰＬ（ＩＰｖ６　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　Ｌｏｓｓｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ）^注５）によるマルチホップ技術、米国ＩＥＥＥ８０２．１ｘの認証方式を利用した、通常の無線ＬＡＮと同様の手軽さでＩｏＴを実現できるシステムです（図２）。

しかし新規格に対応した無線機の基礎開発はまだ十分行われておらず、その有用性を広く伝えることができていませんでした。また、現状の製造ベンダーごとに独自開発されているＩｏＴ無線通信技術は通信仕様がオープン化されておらずアプリケーション開発が難しいという問題がありました。

＜研究の内容＞

今回、Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮに対応した基礎無線機（図３）を開発し、同無線機を複数台用いて、マルチホップを利用したＩＰ通信を行う基礎実験に成功しました（図４）。

この無線機は、Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮ仕様書に記載の以下の機能を持ちます。

• 日本で運用上必要となるＩＥＥＥ８０２．１５．４／４ｇ／４ｅに対応した物理層、ＭＡＣ層
• １ホップあたり最大１ｋｍ程度の伝送距離を実現するＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ物理層
• ６ＬｏｗＰＡＮ、ＩＰｖ６に代表されるＩＥＴＦ^注６）制定のアダプテーション層、ネットワーク層、トランスポート層
• ＲＰＬを用いたマルチホップ通信方式

本無線機は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４／４ｇ／４ｅ技術を核に、ＷｉＦｉ^ＴＭシステムで導入実績のあるインターネット接続用国際規格、およびＩＰをベースに無線機間のマルチホップを実現する国際規格を統合した機能を搭載しています。そのため、ＷｉＦｉ^ＴＭシステムと同様にアプリケーション開発が簡単にでき、スマートシティ、スマートメータリングを構成する各種センサー、メーター、モニターを手軽にインターネットに接続できます。

本成果は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４／４ｇ／４ｅの標準化・開発実績のある京都大学の原田研究室が本仕様に対する無線機の基本設計を行い、ローム株式会社が本仕様に対応した通信モジュールの開発および無線伝送部の基礎ソフトウェアを開発し、日新システムズ株式会社が基本設計にもとづき本仕様に対応した通信ミドルウェアの開発を行いました。

＜今後の展開＞

今後、３者はＷｉ－ＳＵＮアライアンスが主催するＷｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮ相互接続性仕様検証イベントに参加し、Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮ規格の技術適合性・相互接続性認証仕様作成に貢献するとともに、本無線機を仕様に完全準拠するための開発を京都における産学連携コンソーシアム「次世代Ｗｉ－ＳＵＮ共同研究コンソーシアム・京都」を基盤として推進します。また、工場の制御機器、医療機器にも接続して、超ビッグデータの創出実験を行う予定です。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮ（Ｆｉｅｌｄ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）

Ｗｉ－ＳＵＮアライアンスが制定するスマートメータリング、配電自動化を実現するスマートグリッドおよび、インフラ管理、高度道路交通システム、スマート照明に代表されるスマートシティを無線で実現するためのセンサー、メーターに搭載するＩＰｖ６でマルチホップ可能な通信仕様。２０１６年５月１６日にバージョン１が制定。Ｗｉ－ＳＵＮ　ＦＡＮワーキンググループで制定。物理層部にＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ、データリンク層にＩＥＥＥ８０２．１５．４／４ｅ、アダプテーション層にＩＥＴＦ　６ＬｏｗＰＡＮそしてネットワーク層部にＩＰｖ６、ＩＣＭＰｖ６、トランスポート層にＵＤＰ、そして認証方式としてＩＥＥＥ　８０２．１ｘを採用している。また製造ベンダー間の相互接続性を担保するための試験仕様等も提供されている。

注２） ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ

屋外で利用可能なセンサー、メーター等に搭載し、エネルギーマネージメント等を行うために必要となる無線通信伝送部（物理層）の国際標準規格。１ホップ最大１ｋｍ程度のマルチホップが都市部でも実現でき、低消費電力にＩＰｖ６等の情報を伝送できる特長を有する。米国ＩＥＥＥ８０２．１５委員会で制定。京都大学　原田 博司は、この標準化委員会の副議長であり、フレーム同期部コードが強制規格に採用される等技術的なメジャーコントリビュータである。

注３） Ｗｉ－ＳＵＮアライアンス

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ規格をベースにエネルギーマネージメント、防災、工場等の各種アプリケーションを実現するために他のオープンな国際標準規格と融合させ、製造ベンダー間で相互接続可能な国際無線通信規格「Ｗｉ－ＳＵＮ　Ｐｒｏｆｉｌｅ」を制定する任意団体。現在会員企業は全世界に１００社以上。スマートメーターと宅内エネルギー管理システム（ＨＥＭＳ）との間の通信規格「Ｗｉ－ＳＵＮ　ＥＣＨＯＮＥＴ」は全国の電力会社に採用。現在すでに当該仕様が搭載されているスマートメーターは７００万台以上出荷。今後は東京電力管内で２０００万台以上出荷される予定。詳細はhttp://www.wi-sun.orgを参照。

注４） ＩＥＴＦ　６ＬｏＷＰＡＮ

ＩＥＥＥ８０２．１５．４で標準化された物理層、ＭＡＣ層方式で効率的にＩＰｖ６のパケットを伝送するためのインターフェースをするための仕様。ＩＥＴＦで規格化されている。ＩＰｖ６はアドレス等を記載するヘッダ部分の情報が大きく、センサー系の無線システムで伝送するために負荷がかかる。そのために、ヘッダ部分を圧縮することを行う。また、ＩＰｖ６のデータ部分の情報部分が大きくなった場合は、分割して伝送することを行う。

注５） ＩＥＴＦ　ＲＰＬ（ＩＰｖ６　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　Ｌｏｓｓｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ）

ネットワーク層でＩＰをベースに機器間をマルチホップでデータ伝送する仕様。米国ＩＥＴＦで規格化されている。

注６） ＩＥＴＦ

インターネット技術の標準化を推進する任意団体。コンピュータシステムを相互接続するため、共通の技術仕様策定を議論するグループから発展したもの。

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