解説：ユビキタス無線ネットワーク体系
第２回： 短距離無線と無線 PANRF-ID から ZigBee まで総括
執筆：千葉大学 工学部情報画像工学科教授 工学博士 阪田 史郎氏 無線 LAN･Bluetooth［更新：2004.11.5］ 短距離無線の主要規格である RF-ID タグ、DSRC、特定小電力無線、微弱無線について、そして無線 PAN の 主要規格である Bluetooth、UWB、ZigBee、センサ間デバイスインタフェースについて、各規格の位置付け、標 準化同行について体系的に整理していく（編集部）。 ◇ 短距離無線 ――RF-ID タグ、DSRC、特定省電力無線―― 短距離無線には、非接触センサ／IC カードにより簡易通信を行うものから、センサネットワークとし ても利用できる高機能のものまである。前者では、JR 東日本の Suica、RF-ID（Radio Frequency Identification）タグ、ITS（Intelligent Transport System、高度道路交通システム）における自動料金徴 収 用 の ETC （ Electronic Toll Collection ） で 用 い ら れ る DSRC （ Designated Short Range Communication、専用狭域通信）が代表的な利用例である。後者として用いられる無線の代表例が、 特定省電力無線、微弱無線であり、無線 PAN に位置付けられる ZigBee は、センサネットワークとして も機能することが期待されている。 ◇ RF-ID タグ RF-ID タグは 1970 年代から研究がなされ、1980 年代には国内においても工場内での部品管理の 自動化ツールとして活用されてきた。その RF-ID タグが、2001 年以降ユビキタスネットワーク技術の 象徴として急速に注目を集めるようになり、実用化が進展している。RF-ID タグの特徴を表 1 に示す。 表１．RF-ID の特徴 非接触 通信距離は平均で 1∼100cm 被覆可能 遮蔽物（金属を除く）が入っても認識できる 小型・薄型 貼り付け可能な商品や製品の幅が広がる ユニーク ID チップ単体に個別の識別子があるため、モノを個別に管理可能 環境・耐久性 汚れ、振動に強く経年変化が少ないため、長期間にも耐えられる 書き換え可能 一旦書き込んだ情報に新たな情報を加えたり、書き換えができる 移動中 移動していても読み書きが可能 複数同時読取り 複数のタグを一度に認識することが可能 RF-ID タグを用いた既存のシステムは、 ・ RF-ID タグ：人や車だけでなく荷物、商品などのあらゆるモノに搭載される ・ RF-ID ﾘｰﾀﾞ／ﾗｲﾀ：RF-ID タグと無線で通信し、タグ情報の書込み、読取りを行う ・ コンピュータ：ﾘｰﾀﾞ／ﾗｲﾀをコントロールする ・ データベース：タグの ID や読取り情報、センサ情報を管理する で構成される一種の無線通信システムである。図 1 に RF-ID の構造を示す。 タグは、情報を記憶する IC チップ（メモリ）とﾘｰﾀﾞ／ﾗｲﾀとの無線を送受信するアンテナから構成され、 RF-ID ﾘｰﾀﾞ／ﾗｲﾀは RF-ID タグとの送受信を行うためのアンテナとコンピュータからの命令を処理す るコントローラから構成される。図１．RF-ID の構造 さらに、RF-ID RF-ID タグの分類としては、 ・利用する無線周波数 - 135kHz - 13.56MHz - UHF（900MHz 付近の帯域） - 2.45GHz ・バッテリーの有無 - アクティブ（バッテリーあり） - パッシブ（バッテリーなし） ・IC チップ（メモリ）
- Read Only - Write Oce - Read Write などがある。 現在日本では 13.56MHz が主流となってお り数多く製品化されている。 表２．RF-ID の周波数の分類による各種特性 135kHz 未満 13.56MHz UHF （900MHz 付近の帯域） 2.45GHz 通信方式 電磁誘導 電磁誘導 電波 電波 通信距離 ∼1m ∼1m ∼7m ∼2m 指向性 広い 広い シャープ シャープ オンメタル △ × △ △ 対ノイズ × ○ ○ ○ 対無線 LAN ○ ○ ○ × 対水分 ○ ○ △ × 日本 ○ ○ × ○ 米国 ○ ○ ○ ○ 欧州 ○ ○ ○ △
また、RF-ID タグには、UID（Unique Item identification）と呼ばれるタグを一意に識別するための読 取り専用の ID と、利用者が書換え可能なユーザ領域（最大 8KB 程度）がある。この UID に関する標 準の代表が EPC（Electronic Product Code）である。EPC の標準化は、EPC グローバル（旧．Auto-ID センタ）によって推進されている。Auto-ID センタは、1999 年に自動認識技術のプロジェクトとして米 国の MIT（Massachusetts Institute of Technology）に設立された。その後 Auto-ID センタは、2003 年 に発展的解消を遂げて、ビジネスへの導入と研究開発の 2 つの役割に分かれることになり、前者のビ ジネスへの導入とそれに関連する標準化の活動を行う非営利組織（NPO：Non-Profit Organization） として EPC グローバルが設立された。
EPC グローバルによる RF-ID タグのシステムは EPC ネットワークと呼ばれ、 その構成は図 2 に示 す通りである。図 2 において、ONS（Object Name Service）は、インターネットにおける DNS（Domain Name Service）と同様の手順で EPC を IP アドレスに変換する機能を提供する。PML（Physical Markup Language）は、XML（eXtensible Markup Language）に基づく、製品に関する情報を記述するための 言語である。Savant は、EPC ネットワークの基盤となるミドルウェアであり、主にﾘｰﾀﾞからの複数のイベ ントの処理をスケジューリングする、イベントマネジャーの機能を果たす。
図２．EPC ネットワーク（旧．オート ID システム）の構成 図３．96 ビット版 EPC のフォーマッ
※PML：Physical Markup Language ※ONS：Object Name System
図 3 に 96 ビット版 EPC のフォーマット概要を示す。なお、国内では EPC グローバルの他に、YRP （Yokosuka Research Park）ユビキタスネットワーキング研究所において、ユビキタス ID センタが提唱 されている。表 3 に EPC グローバルとユビキタス ID の主な仕様の相違を示す。 表３．EPC グローバルとユビキタス ID センタの比較 EPC グローバル ユビキタス ID センタ 設立時期 米国拠点は 1999 年、日本拠点は 2003 年 1 月 2003 年 3 月（国内） 設立母体 米国 MIT T-Engine フォーラム ID の長さ 96 ビット 128 ビット 国内で使用する 周波数帯 13.56MHz、2.45GHz（候補） 13.56MHz、2.45GHz 無線通信の仕様 独自仕様 ISO14443，同 15693 等 RF-ID の既 存の無線通信仕様を利用 当初想定する アプリケーション例 流通システムでの商品追跡、万引き防止、ブランド 品の海賊版防止等 情報家電、モバイル機器等生活空 間での各種用途 ﾘｰﾀﾞ/ﾗｲﾀの HW OS 独自仕様 T-Engine と eTRON インターネットの利用 利用を想定 選択肢の 1 つ ネットワーク上のシステム データ収集用ソフト Savant、名前解決用サーバ ONS 等 今後開発予定
セキュリティ 利用者が無線通信機能をオフにできる Kill ｺﾏﾝﾄﾞ等 eTRON によるリアルタイム PKI 等
◇ DSRC DSRC は、1990 年代半ば以降標準化が進展し、国内では 2001 年に ITS における ETC のための 通信手段として利用が開始されている。DSRC の国内での主要諸元を表 4 に示す。 表４．DSRC（日本）の主要諸元 周波数 5.8GHz 通信方式 アクティブ 路側機：全二重 車載機：半二重 データ伝送速度 上り下りともに 1Mbps, 4Mbps 通信距離 数 m∼数百 m プロトコル 同期式
◇ 特定小電力無線、微弱無線 特定小電力無線、微弱無線について、これらの相違を表 5 に示す。三菱電機で研究試作されたマ イクロサーバ（センサネットワークにおけるサーバノードに相当し、クライアントのセンサや他のセンサ ネットワークのマイクロサーバと通信する）は特定省電力無線を用いている。 表５．主な短距離無線の諸元 方式 微弱無線 特定省電力無線 規格 独自 独自 伝送速度 2kbps 2.4kbps 利用周波数帯域 307.74MHz 316.74MHz 429MHz 伝送距離 30m 30∼300m 消費電力（通信／待機） 66mW/3.3mW 59mW/0.3mW ◇ 無線 PAN ――Bluetooth、UWB、ZigBee――
図 4 に IEEE802.15 における無線 PAN の標準化の経緯、図 5 に IEEE802.15 の構成を示す。2004 年 9 月現在具体的な活動を行っているのは、Bluetooth に関する TG1、UWB に関する TG3a、ZigBee に関する TG4 の 3 つである。軍事研究に起源をもつ UWB が最も古くから研究されてきたが、使用周 波数の問題が未解決、最も高性能で最先端技術を用いる、相容れない 2 つの仕様が提案されてい る、などの理由から、実用化は 2006 年以降と考えられる。
図４．無線 PAN 標準化の変遷 図５．無線 PAN IEEE802.15 の構成
◇ Bluetooth
Bluetooth は、1990 年代前半に Ericsson で研究が進められた無線通信技術で、1998 年に Ericsson, Nokia, IBM, Intel, 東芝の 5 社が Bluetooth SIG（Special Interest Group）を結成し、この SIG を中心 に仕様の開発、標準化が進められた。Bluetooth は、携帯電話や PDA 等のモバイル端末とその周辺 機器間とを接続するための規格として検討され、多種多様な機器間の接続にかかわる物理的、論理 的な仕様を規定したコア仕様と、その上位における情報のやりとりを規定するプロファイル仕様から 構成される。
図 6 に Bluetooth のプ ロ ト コ ル ス タ ッ ク を 示 す。 L2CAP：Logical Link Control and Adaptation Protocol HCI：Host Controller Interface 表 6 に主要にコア仕様、プロファイル仕様として、図 7 に示すようなプロファイル群が規定される。 表６．Bluetooth 主要諸元 周波数帯域 2.4GHz ISM バンド 出力 1mW （半径約 10m）∼100mW（半径約 100m） 変調方式 GFKS/FHSS （1 次/2 次） データ転送速度 1Mbps（最大） 音声：64kbps（SCO（Synchronous Connection-Oriented）リンク ） データ：432.6kbps （ACL（Asynchronous Connection Less）リンク）
同時通信端末数 1 対 n、8 台/ch、32ch 通信方式 周波数ホッピング、スペクトラム拡散方式 図７．Bluetooth の プロファイル TCS：Telephony Control Protocol Specification Bluetooth は、中央のハブと 1 対 1 のリンクによって接続されたノードの集合からなる、スター型のト
ポロジーを基本としている。ハブとなるノードをマスタと呼び、末端となるノードをスレーブと呼ぶ。1 つ のマスタに対して 7 つまでのスレーブを同時に接続することができる。1 つのマスタと 7 つまでのスレ ーブで構成されるネットワークをピコネットと呼ぶ。通信はマスタとスレーブ間のみで行われ、スレーブ とスレーブ間で直接通信を行うことはできない。 ピコネットを形成する際には、近隣ノードの探索、発見されたノードの呼出し、コネクションの確立の 順に動作が行われる。はじめに 1 対 1 でこれらの動作が行われ、以降マスタが次々にこれらの動作を 行うことによって、複数のスレーブが参加するピコネットが形成される。なお、9 以上のノードに拡張す る場合は、8 つまでのピコネットがつながった、すなわち 64 ノードまでのネットワークを形成することが できる。このピコネットが複数接続されたネットワークを、スキャタネットと呼ぶ。 ◇ UWB
UWB（Ultra Wide Band）は、1980 年代後半に米国国防総省 DoD（Department Of Defense）の軍事 研究の一環として、壁などの障害物を通過してその向こう側に存在する物体の認識を可能にするレ ーダ技術として検討されていた。この中で、広帯域インパルス、特に変調キャリアを必要とせず、ベー スバンド信号を直接電波として送出できる技術として UWB という用語が使われ始めた。
‘94 年の米国による軍事機密扱いの制限撤廃、’98 年の法制度変更に関する米国 FCC（Federal Communication Commission）による諮問を経て、’02 年 2 月に FCC が UWB 通信方式を正式に認可、 すなわち民間での利用を許可し、半導体、家電、PC 業界による技術開発競争が激化した。 100Mbps 以上の高速通信と 200mW 以下の低消費電力。UWB 以外に､2 条件を満たす技術は無い。 表７．UWB の主要諸元 周波数帯域 3.1∼10.6GHz 帯域幅 7500MHz 送信電力 0.1∼0.5mW（典型値） インドアでの到達距離 20m 以下 通信速度 50∼480Mbps 基本通信品質 10-5（BER） 変調方式 OFDM（MB-OFDM）/CDMA（DS-CDMA） シンボル値 242ns ガードインターバル長 60ns 使用する MAC レイヤ 802.15MAC デバイスの消費電力目標 200mW 以下 （連続使用時） ‘04/9 時点で、法制度および産業界からの技術的な要望が以下の 6 点にまとめられている。 （1） 送信帯域は､3.1GHz∼10.6GHz､これ以外の帯域への漏洩電力は法制度下での規制を受ける。 （2） （1）の送信帯域で送信可能な最大電力は、法制度の許可する範囲で平均 41.25dBm/MHz。 （3） 送信シンボルとしての UWB 信号は、500MHz 以上の帯域幅をもつ。 （4） 通常室内環境の 10m の距離で､110Mbps 以上のスループット。通信品質を維持の条件下。 （5） スループットに関して、見通し内近距離 3m で 480Mbps 以上を達成する。 （6） デバイスの通信時消費電力を最大 200mW 以下に抑える。
図 8 に他の無線 PAN、無線 LAN を含めた UWB の位置付けを示す。UWB の標準仕様について は 2004 年 10 月現在、DS（Direct Sequence）-UWB 方式と MB-OFDM（Multi-Band Orthogonal
Frequency Division Multiplex） 方式の 2 つの方式が提案され、 一本化に向けた審議が続けら れている。表 8 に両方式の主な 相違を示す。 図８．UWB の位置付け 表８．IEEE802.15.3a で 審議中の UWB の 2 方式 DS-UWB 方式 MB-OFDM 方式 周波数帯 3.1∼5.15GHz （Low Band） 5.825∼10.6GHz （High Band） 3.168∼5.820GHz （Low Band） 5.544∼10.296GHz （High Band） 周波数チャネル数 2 チャンネル 13 チャンネル 占有帯域幅 1.368GHz （Low Band） 2.736GHz （High Band） 528MHz 伝送速度 25∼450MHz （Low Band） 25∼900MHz （High Band） ∼1350Mbps （Multi Band） 55∼480MHz 無線アクセス方式 TDMA-TDD 変調方式 DS-SS （BPSK, QPSK, M-BOK） MB-OFDM （BPSK, QPSK） サービスエリア（参考値） ∼10m モビリティ 考慮されていない 他システム干渉 干渉なし（FCC 規定： 3.1∼10.6GHz において-41.3dBm/Hz 以下） 耐マルチパス対策 パスダイバーシティ マルチキャリア化＋ ガードインターバル付加 UWB については、屋内、屋外を含め以下のような様々な応用が考えられている。しかし、国内で は以下に述べるように、屋外での利用のめどが立っていない。 ・ ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙﾒﾃﾞｨｱｻｰﾊﾞ（ﾎｰﾑｻｰﾊﾞ）と家庭内で移動できるﾌﾗｯﾄﾊﾟﾈﾙ･ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲとのﾋﾞﾃﾞｵ接続 ・ ケーブルレス・ホームシアター・システム ・ ディジタルカメラ、ビデオカメラ、AV 機器、PDA、プリンタ等の周辺機器群のケーブルレス接続 ・ ITS における車車間通信（衝突防止等） ・ 狭域ホットスポットにおける映画やビデオ等の高速ダウンロードサービス
図９．想定される UWB アプリケーション例 国内では、2002 年より総務省を中心 に国内での利用の検討が開始され、 3.1∼10.6GHz における被干渉システ ムとなる、電波天文、第 4 世代携帯電 話、放送、地球探索衛星等との調整 が続けられている。 2004 年 2 月 に 開 催 さ れ た USB （Universal Serial Bus）フォーラム（PC の周辺機器群を接続する有線の標準 バスとして、既に普及している USB に 関する業界標準化団体）では、無線ネ ットワークとして用いる UWB について MB-OFDM 方式の採用を決定した。ま た、同じ時期に、その事業化推進グル ープとして Intel、Microsoft、Agere、
HP、NEC、Philips、Samsung の 7 社による Wireless USB Promoter Group が結成されている。USB の 無線版であるワイヤレス USB は、PC の周辺機器のワイヤレス接続に加え、情報家電のｲﾝﾀﾌｪｰｽとし てもその利用が期待されている。 図 10 に UWB を用いたワイヤレス USB のシステム体系の例を示す。 (資料：インテル) UWB に関しては、MAC レイヤ以上 の 標 準 化 、 相 互 接 続 を 目 的 と し た WiMedia と 呼 ぶ 業 界 団 体 が あ り 、 WiMedia はワイヤレス USB を業界標 準として支持することを表明している。 ◇ ZigBee ホームオートメーションへの応用を狙いとして、2001 年以降 IEEE802.15.4 において、標準化が進 展した無線通信規格である。当初は赤外線によるリモコンを置き換える程度と考えられていたため注 目度は高くなかったが、ユビキタスシステム進展、普及への期待の盛り上がり、センサネットワークとし ての利用可能性の高まりとともに、2004 年初頭から急速に注目を集めるようになった。Bluetooth より も低速（約 1／3）ながら、低価格、低消費電力というセンサネットワークの要求に合っている。もともと ホームオートメーション用に検討された経緯があるため、今後家庭内において、無線 LAN をバックボ ーン（幹線）、ZigBee を支線とするホームネットワークの構成も考えられる。
表 9 ZigBee の物理層仕様、図 11 ZigBee ネットワークモデル、図 12 ZigBee プロトコル構成を示す。 現在周波数帯が、利用する国に応じて 3 種類設定されている。IEEE802.15.4 の物理層では、 HomeRF（Home Radio Frequency）の技術を転用し、「HomeRF Lite」として提案されたプロトコルで通
信する。すなわち、受信電力測定やリンク品質通知、チャンネルの使用状況を確認するための、無 線 LAN で使用される CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）などの機 能を有している。
なお、HomeRF は 1998 年に Intel、IBM、HP、NEC、Compaq（現在の HP）、Proxim などによって提 唱された、データと音声をハイブリッド型で通信する家庭用無線ネットワークの仕様である。データ通 信については IEEE802.11b を採用しているため IEEE802.11b と競合し、また音声通信とのハイブリッ ド制御が複雑などの理由で 2003 年に解散している。 表９．ZigBee の物理層の仕様 周波数帯 2.4GHz （全世界で使用可能） 925MHz （米国で使用可能） 2.4GHz （欧州で使用可能） チャネル数 16 10 1 変調方式 O-QPSK BPSK BPSK 拡散方式 DSSS DSSS DSSS チップレート（kchip/sec） 2000 600 300 データレート（kbps） 250 40 20 図１１．ZigBee のネットワークモデル 図１２．ZigBee のプロトコル構成 これらの機能を用いることにより、ﾈｯﾄﾜｰｸを構築する時に、各チャンネルの受信電力を測定し、他 システムからの干渉電力が少ないチャンネルを探すことができる。また、使用しているチャンネル品 質が劣化した場合に、通信チャンネルを変更する仕組みも提供されている。このように、同じ周波数 帯を利用する他のシステムと共存する環境で、できる限り干渉を回避し、高品質な通信が行えるよう に工夫されている。 ZigBee の特徴として以下が挙げられる。 （1） 通信範囲は 9∼69 メートル （2） 赤外線とは異なり、見通しがよい空間である必要はなく、信号はドアも突き抜ける （3） 電池によって数ヶ月から数年動作させることを想定しており、0.1%以下の低頻度で間欠動作さ
せることによって省電力化が図れる（Bluetooth では定期的に充電が必要） （4） 30m 秒程度で新しくﾈｯﾄﾜｰｸに参加することが可能、15m 秒程度でｲﾝｱｸﾃｨﾌﾞ状態からｱｸﾃｨﾌﾞ 状態に遷移することが可能で、省電力化のための間欠動作を効率よく行うことができる（Bluetooth で はそれぞれ 3 秒以上、3 秒程度の時間が必要） （5） ﾈｯﾄﾜｰｸの接続可能ﾉｰﾄﾞ数は最大 65535（2 の１６乗-1）｡大規模ﾈｯﾄﾜｰｸ構築（Bluetooth は最大 8） （6） 他のシステムから受ける干渉を回避する仕組みがある （7） オプションで QoS（帯域）を保証した通信が可能 （8） ﾒｯｼｭﾈｯﾄﾜｰｸの構築が可能。ﾒｯｼｭﾘﾝｸとｽﾀｰﾘﾝｸを組合せたﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟﾈｯﾄﾜｰｸの構築も可能。 サイズと価格については、2008 年に、ZigBee チップのサイズが 3mm＊3mm、価格が 2 ドル以下に なることが予想されている。なお、2002 年に発足した業界団体の ZigBee Alliance が標準仕様の策定、 製品普及活動を推進しており、今後家庭内を含めたセンサネットワークとしての利用が期待される。 ※センサ間デバイスインタフェース センサ間のデバイスインタフェースの標準化が、IEEE1451.2 として仕様化されている。IEEE1451.2 では、センサおよびｱｸﾁｭｴｰﾀをﾈｯﾄﾜｰｸに接続する際の以下のｲﾝﾀﾌｪｰｽ仕様を定めている。 ・ ｽﾏｰﾄ/ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻ/ｲﾝﾀﾌｪｰｽ/ﾓｼﾞｭｰﾙ STIM（Smart Transducer Interface Module、最大 255 個の ｾ ﾝ ｻ ﾔ ｱ ｸ ﾁ ｭ ｴｰ ﾀ の 接続 が可 能 ） を ｲ ﾝ ﾀｰ ﾈ ｯ ﾄに接 続 す る ため に、 NCAP （Network Capable Processor）に接続するためのｲﾝﾀﾌｪｰｽ
