センサネットワーク向け900MHz帯の 標準化動向 福井 潔 福永 茂 OKIでは、図1に示すように、スマートメータリングや 表1 900MHz帯の特徴 ホームICT基盤等の実現を目指し、屋外環境に適した大規 模・高信頼マルチホップネットワーク技術やHEMSなど 項目 2.4GHz帯と比較して、電波の到達距離が長い。また、 建物などの障害物がある場合でも、電波が回り込んで届 く特性が高い。これにより、長い通信距離を必要とする 場合や、障害物が多い場所での利用に適している。 消費電力 電波の到達距離が長いため、同じ距離を通信する場合 には、2.4GHz帯と比較して送信出力を下げることがで きる。そのため、消費電力が低い。 無線LANなどブロードバンド用途の無線システムが割り 当てられていないなど、各種雑音源からの電波干渉が少 ないため、安定したシステムを提供できる。 のホームICTサービスの基盤に適した省電力ネットワーク 技術を開発している。これらのシステムでは、ネット ワークに接続される機器が固定設置されており、電波の 到達性に応じて設置場所を調整することが困難な場合が 多いため、ネットワークの高信頼化技術に加え、適切な 周波数帯を選択することが重要である。OKIでは、電波到 説明 電波到達性 干渉 帯域 2.4GHz帯と比 較して周 波 数 帯 域が 狭い 。従って、 100kbit/s程度の通信に適している。 達性と伝送レート等のバランスが良いという特徴を持つ サブギガバンドを利用したシステム開発を進めている。 日本では、スマートメータ等のセンサネットワーク向 900MHz帯はこのような特性を有していることから、機 けに、現在950MHz帯が割り当てられているが、ワイヤ 器が固定設置されており、電波の到達性に応じて設置場 1） レスブロードバンドの活用に向けた周波数再編 の中で、 所を調整することが困難な特徴を持つセンサネットワーク 920MHz帯に移行することが決まっている。本稿では、 に適している。 950MHz帯と920MHz帯を合わせて、「900MHz帯」と ただし、電波到達性だけを考えると、より周波数の低 い特定小電力システム用の429MHz帯の方が特性は良い。 呼ぶこととする。 本稿では、センサネットワーク向けに割り当てられた 900MHz帯の特徴とその標準化動向について説明する。 しかし、900MHz帯で想定しているセンサネットワーク では、電波としての到達性だけでなく、マルチホップ通 信のような通信方式としての到達性を組み合わせて、最 ①大規模・高信頼マルチホップNW ②省電力ホームエリアNW 終的なシステムとしての高い到達性を実現する必要がある。 429MHz帯は、電波到達性は良いが、割り当てられてい ホームＩＣＴ る帯域が狭く、9,600bit/s程度の通信速度しか利用でき 環境 見える化 ホームコントロール ないので、マルチホップ通信を安定して行うほどのスルー HEMS プットが得られない。これに対し、950MHz帯で規定さ 防犯／見守り ヘルスケア IP網 電力消費 見える化 れているIEEE802.15.4dの伝送速度は100kbit/sであり、 ＥＶ充放電管理 光アクセス回線 ホームゲートウェイ パワコン制御 （逆潮流対策） スマートメータ センサネットワークで想定されるマルチホップを伴う データ伝送には十分である。このように、900MHz帯は、 電波到達性やマルチホップ通信の実現性、低消費電力等 図1 OKIが取り組むセンサネットワークシステム を考慮すると、バランスの取れた、良い選択肢であると 言える。 900MHz帯の特徴 900MHz帯が割り当てられるまでセンサネットワーク 向けに利用されてきた2.4GHz帯と比べ、900MHz帯は、 OKIでは、これまでに数多くの電波伝搬測定実験を実施 周波数が低く、センサネットワークやRFID等の小電力無 し、900MHz帯の電波伝搬特性が優れていることを確認 線専用の帯域であるため、表1のような特徴がある。 している。以下では、その一部を紹介する。 ＊1）ZigBeeは、ZigBee Alliance Inc.の登録商標です。 104 900MHz帯の電波伝搬特性 OKIテクニカルレビュー 2011年10月／第218号Vol.78 No.1 900MHz帯としては、IEEE802.15.4d準拠の950MHz 帯の機器を用い、比較として、ZigBee®＊1）等で利用されて 5m いるIEEE802.15.4準拠の2.4GHz帯の機器を用いた。送 4m 基地局 9m 11m 信出力は、2.4GHzのZigBee市場で主に利用されている 50m 1mWに揃えて測定した。 見通し環境での距離特性 見 通 し 環 境 で の 受 信 電 波 強 度（ R S S I ： R e c e i v e d Signal Strength Indication）の距離特性を図2に示す。 何点かの距離で測定した結果をプロットし、さらに自由 空間での距離減衰曲線をそれぞれ描いている。見通し環 図3 回り込み特性の実験環境 境とは、送信機と受信機の間に何も無い状態のことを 言う。アンテ ナの高さが十分に高い場合は自由空間と らに数十∼数百mの到達も期待できる。なお、この建物の 同等になるが、センサネットワークを想定してアンテナ 左側はグラウンドになっており、電波を反射するものは 高を2mに設置して測定しているため、距離が離れるに 存在しないため、この結果は概ね回り込みによるものと、 つれて「フレネル効果」と呼ばれる、地面の影響による 建物の隙間を透過したものを合わせた結果と考えられ、 減衰が見られる。 900MHz帯の回り込み特性が優れていることが確認で 1mWの送信出力の場合、950MHzは約600mまで到達 きた。 しており、2.4GHzと比較して約3倍の到達距離が得られ ている。 900MHz帯の課題 現在、センサネットワーク向けの周波数帯として、 受信電波強度 [dBm] 0 950MHz帯が割り当てられているが、この周波数帯は、 −20 −40 950MHz 2.4GHz −60 −80 「パッシブタグシステム」と「アクティブ小電力無線シス テム」が共用することを前提に技術的条件が決められて いる。また、パッシブタグシステムが制度化された後に、 −100 1 10 100 1000 距離 [m] 図2 見通し環境での受信電力の距離特性 アクティブ小電力無線システムの制度化が行われたため、 アクティブ小電力無線システムの技術的条件は、パッシ ブタグシステムに合わせる形で規定された。このため、以 下の技術的条件がアクティブ小電力無線システムとして は、望ましくない条件となっている。 見通し外環境での回りこみ特性 ● 2.4GHz帯は、電波の直進性が強く、建物など電波を遮 蔽する物がある場合は、その陰になっている場所に届き 長いキャリアセンス時間 （10ミリ秒） ● にくい。一方、950MHz程度まで周波数が下がると、建 図3は、建物で遮蔽された「見通し外」の実験環境で 典型的なパケット長（数ミリ秒程度）に対して、長い最 大送信時間（キャリアセンス時間10ミリ秒の場合1秒、 物があっても、電波が回り込んで、遮蔽物の陰まで届く 傾向が強くなる。 典型的なパケット長（数ミリ秒程度）に対して、非常に キャリアセンス時間128マイクロ秒の場合100ミリ秒） ● 典型的なパケット長（数ミリ秒程度）に対して、非常に 長い送信後の停止時間 （100ミリ秒） ある。この図を使っての回り込み特性の測定結果を説明 する。基地局を建物の陰で受信局から直接見えない場所 920MHz帯への移行において実施される技術的条件の に設置し、受信局を離しながら50mまで測定した。 見直しに際してこれらの技術的条件が改善されることを 2.4GHz（赤色の矢印）は見通しが取れなくなった5m地点 期待している （図4：次ページ） 。 が限界で、それ以上は通信できなかったが、950MHz （青 色の矢印） は50m地点でも−86dBmの受信電力であり、さ OKIテクニカルレビュー 2011年10月／第218号Vol.78 No.1 105 さらに、2010年末に国会で承認された放送法の改定に 2008.5 950MHzアクティブ無線の制度化 2010.5 周波数拡張、条件緩和 ■ 干渉回避、省電力化、高速化、低コスト化が 可能になり、注目度向上 より、免許不要局の送信出力の上限を10mW以上とする ことが可能になったことに伴い、920MHz帯アクティブ システムの送信出力の上限は、20mW、一部の帯域にお いては250mWに改定される見込みである。 これまでの審議の結果、920MHz帯で規定される見込 2012.7 周波数拡張、送信出力UP ■ ■ ■ ■ 920MHz帯への周波数移行による国際協調 スマートメータ向けに帯域幅を5MHz拡張 送信出力上限が大幅にUP パケット通信に適した条件変更 みであるアクティブ小電力システムの主な技術的条件を 表2に示す。 表2 920MHz帯アクティブ小電力無線システムの技術的条件 アクティブ小電力無線システム 250mW以下 20mW以下 局種 図4 国内法令改正の動向 空中線利得 周波数帯 チャネル数等 900MHz帯の制度化動向 総務省の中長期的な電波政策の展望として示された 2003年の「電波政策ビジョン」において、950MHzに 「無線タグ」を割り当てることが述べられている。これを キャリアセンスレベル ステムの新しい送信出力のカテゴリが導入されるのと並 920.6∼ 923.4MHzの 200kHz間隔 計15チャネル 920.5∼ 923.5MHz 923.5∼ 928.1MHz 920.6∼928MHzの 200kHz間隔 計38チャネル 915.9∼929.7MHz ①916∼928MHzの200kHz間隔 計61チャネル ②928.15∼929.65MHzの 100kHz間隔 計16チャネル ①200kHz × n（n=1∼5） ②100kHz × n（n=1∼5） ①128us以上 ②5ms以上 128us以上 −80dBm キャリアセンス不要 ----- 最大送信時間 400ms（総和 ①400ms（総和360s/h以下） ①100ms（総和3.6s/h以下） 360s/h以下） ②4s ②50ms 送信時間後の停止時間 ①2ms以上（送信時間6ms以 2ms以上（送 ①100ms（総和3.6s/ h以下） 下の場合は0秒） 信時間6ms以下 ②50ms ②50ms以上 の場合は0秒） 受け、2005年に送信出力1Wまでの「高出力パッシブタ グシステム」が制度化された。その後、パッシブタグシ 3dBi以下 920.5∼ 923.5MHz 無線チャネル キャリアセンス時間 1mW以下 特定小電力無線局 情報通信審議会 情報通信技術分科会 移動通信システム委員会（第2回）資料より抜粋 行して、2008年にセンサネットワークやスマートメータ、 アクティブタグ等に利用できる「アクティブ小電力無線 これらの技術的条件は、電波法、電波法施行規則、無 システム」が制度化され、2010年には周波数拡張に伴い、 線設備規則などの複数の法令にまたがって規定される。こ いくつかの技術的条件が緩和された。 のため、利用者が理解し易いように、技術的条件に業界 さらに、総務省において、 「ワイヤレスブロードバンド での運用ルール等の規定を追加したARIB標準規格が策定 実現に向けた周波数再編アクションプラン」として、次 される。950MHz帯のアクティブ系小電力無線システム 世代携帯電話 （LTE：Long Term Evolution） 等を国際的 のARIB標準規格は、 「ARIB STD-T96」2）に規定されて な動向に合わせて周波数を割り当てることなどを中心に、 いる。920MHz帯のARIB標準規格についても、法令化と 700MHz帯と900MHz帯の各周波数の総見直しが検討さ 並行して策定が進められている。 れたが、その中で、2012年7月に「アクティブ小電力無 線システム」は920MHz帯へ移行することが決まった。 移行される920MHz帯は、米国の915MHz帯に含まれ る帯域である。また、欧州でも、センサネットワーク向 けに900MHz帯の割り当てが審議されており、国際協調 の活性化が期待できる。 106 日本向けPAN規格IEEE802.15.4d 本節では、日本の950MHz帯を対象としたIEEEの国際 標準化の動向を説明する。 センサネットワークの市場では、ZigBeeが代表的な国 また、920MHz帯は、スマートメータ等のセンサネッ 際標準であり、無線方式はIEEE802.15.4が利用されて トワーク向けに5MHz幅の拡張を実施することが決まって いる。IEEE802.15.4は2003年に初版が規定されたPAN いる。これに伴い、RFIDなどのパッシブタグシステムと （Personal Area Network） のための標準規格であり、当 センサネットワーク等のアクティブ小電力無線システム 時はグローバルに利用できる2.4GHz帯と、サブギガバ の帯域を分離し、それぞれのシステムにより適した技術 ンドとして米国の915MHz帯と欧州の868MHz帯だけが 的条件とする見直しが実施され、キャリアセンス時間、最 規定対象になっていた。2008年の電波法改正に伴い、日 大送信時間、送信後の停止時間などが改善される見込み 本で950MHz帯が利用可能となったことを受け、日本の である。 950MHz帯用の物理層をIEEE802.15.4の規定に追加する OKIテクニカルレビュー 2011年10月／第218号Vol.78 No.1 提案を実施し、2009年にIEEE802.15.4dとして標準化を ま と め 実現した。 米国915MHz帯や欧州868MHz帯向けには、二相位相 本稿では、スマートメータ等のセンサネットワークで 偏移変調（BPSK：Binary Phase Shift Keying） が規定 の利用が想定されている900MHz帯の特徴および標準化 されていたが、日本の950MHz帯のチャネル幅の狭いこ の動向を紹介した。 とと、低消費電力化を考慮して、OKIからは回路構成の簡 まず、定性的な特徴の分析や、OKIがこれまでに実施し 単なガウスフィルタ周波数偏移変調（GFSK：Gaussian た伝搬特性測定実験結果から、900MHz帯が無線マルチ filtered Frequency Shift Keying）の規定を提案した。 ホップ通信を行うセンサネットワークシステムに適した BPSK方式の伝送速度が20kbit/sであるのに対し、GFSK 周波数帯であることを示した。 は100kbit/sを実現している。IEEE802.15.4d標準とし 次に、国内における900MHz帯制度化の動向および、 ては、従来のIEEE802.15.4の変調方式と親和性の高い 900MHz帯を利用した国際標準化の動向を解説した。国 BPSKと、センサネットワークにより適したGFSKの両方 内制度化においては、ワイヤレスブロードバンドの活用 式を規定した標準が策定された。 に向けた周波数再編の中で進められている950MHz帯か GFSKはBluetoothでも利用されている汎用的な技術で ら920MHz帯への移行にあたり、センサネットワークと あるが、IEEE802.15.4で採用されたのは初めてであった。 してより使いやすい技術的条件となるよう見直しが行わ 現在のIEEE802.15.4d市場ではGFSKを搭載するものが れている。また、既に標準化が完了しているPAN向けの ほとんどであり、後述するIEEE802.15.4gでもGFKSが IEEE802.15.4dに加え、SUN向けのIEEE802.15.4gが標 主流となる見込みである。 準化されつつあり、通信方式の国際標準も充実してきて いる。 今後OKIでは、920MHz帯において、これらの標準を利 スマートメータ間ネットワーク向け規格 IEEE802.15.4g 2008年頃からスマートメータ間ネットワーク向けの無 用し、スマートメータリングやホームICT基盤等に適用す るネットワークシステムの開発を進める予定である。 ◆◆ 線方式の審議がIEEE802.15.4gとして始まった。 IEEE802.15.4gはIEEE802.15.4シリーズの規格であ り、PAN標準の一部ではあるが、スマートメータ向けと いうことでSUN （Smart Utility Network） と呼ばれている。 広域でのスマートメータを接続することが目的であるた め、サブギガバンドを利用することが基本となっており、 日本では950MHz帯が対象である。 IEEE802.15.4gではセンサネットワークに適したGFSK ■参考文献 1）総務省「ワイヤレスブロードバンド実現のための周波数検討 ワーキンググループとりまとめ（ワイヤレスブロードバンド実現 に向けた周波数再編アクションプラン） 」 http://www.soumu.go.jp/main_content/000092954.pdf 2）ARIB STD-T96「特定小電力無線局950MHz帯テレメータ 用、テレコントロール用及びデータ伝送用無線設備」 と既存のIEEE802.15.4で主に規定されているOQPSKに 加え、将来の高レート化を見込んで無線LAN等で主流の OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing） も採用されている。 GFSKに関しては、IEEE802.15.4dを規定した直後と いうこともあり、フレームフォーマットの細部に違いは ●筆者紹介 福井 潔：Kiyoshi Fukui. 研究開発センタ システム技術研究開発 部 ネットワークシステムユニット 福永 茂：Shigeru Fukunaga. 研究開発センタ システム技術研究 開発部 ネットワークシステムユニット あるが、同一のLSIで両方式の対応が可能となるように変 調パラメタ等は同じ規定となっている。 伝送レートは、できるだけ各国で揃えつつ、それぞれ の状況を考慮して審議を行った結果、GFSKの場合、日本 向けには50kbit/s、100kbit/s、200kbit/s、400kbit/s の4つが規定されている。 OKIテクニカルレビュー 2011年10月／第218号Vol.78 No.1 107