Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
完璧なIoTプロトコルを選ぶことは、理想的なインテリアを見つけることに似ています。Thread、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、Matterのどれを選ぶにしても、消費電力、トポロジー、レイテンシー、拡張性、相互運用性、さらにはコストなど、それぞれのIoTアーキテクチャがもたらす特徴的な配列を理解することが、ニーズに最も適したものを選択するのに役立ちます。
どのIoTネットワークを選ぶべきか迷っているのでしたら、各ネットワークの長所と短所、重複するMatterアプリケーション層プロトコルとの相互作用、他の接続デバイスとの互換性について分析を深めるチャンスです。
Wi-Fiネットワークは、Wi-Fiインフラが広く普及しているため比較的拡張性が高く、従来より家庭で導入されています。Wi-Fiネットワークは多数のデバイスを扱うことができるが、より多くのアクセスポイントを配置するか、特定のWi-Fi規格が提供するメッシュネットワーキングオプションを利用することで、ネットワークを拡張する必要があります。また平均して、Wi-FiネットワークはZigbeeやThreadに比べて消費電力が大きいです。
IoTネットワークの急速な普及に伴い、バッテリー駆動のセンサーやデバイスの使用も急増している。その結果、電力を節約しながら優れたパフォーマンスを提供できるIoTプロトコルの必要性が高まっています。
IoTプロトコルの設計は消費電力レベルに直接影響し、ひいてはデバイスの性能に大きく影響します。したがって、最適なパフォーマンスを保証し、バッテリー寿命を維持するためには、特定のデバイスの使用状況に適したIoTプロトコルを選択することが最も重要になります。
Threadはバッテリー駆動のIoTデバイスに適した低消費電力プロトコルとして設計されています。低デューティ・サイクル、スリープ・ノード、エネルギー効率に優れたルーティングなどのメカニズムを使用して、消費電力を最小限に抑えます。Threadデバイスは、スリープ期間を最適化し、アイドル時のエネルギー使用量を削減することで、長時間のバッテリー駆動を実現できます。
Zigbee は低消費電力動作でも知られていますが、ソフトウェア・スタックが大きいため、Thread よりも消費電力が大きくなる傾向があります。Zigbeeは主にバッテリー駆動のデバイスで使用され、低デューティ・サイクル、スリープ・モード、効率的なネットワーク・ルーティングにより、デバイスのバッテリー寿命を延ばすことができます。適切な設計と実装により、Zigbee の高い電力レベルを回避して消費電力を最適化することができます。
Wi-Fiは、ThreadやZigbeeのような低消費電力プロトコルに比べ、消費電力が比較的高いIoTプロトコルです。これは、Wi-Fi無線機やデバイスがデータを送信するために、より頻繁な通信とアクティブな接続を必要とするため、消費電力が増加するためです。しかし、Wi-Fiパワー・セーブ・モード（PSM）のような省電力機能があり、Wi-Fiデバイスの消費電力を最小限に抑えることができます。
Bluetooth、特にBluetooth Low Energy（BLE）は、電力効率に優れ、低消費電力のIoTアプリケーションに適した設計となっています。BLEデバイスは、スリープモード、効率的なデータ転送、低消費電力のアイドル状態を利用してエネルギーを節約します。Bluetoothのスケーラビリティと低消費電力レベルは、近距離接続に依存するバッテリー駆動のIoTデバイスの間で人気の選択肢となっています。
IoTトポロジーとは、IoTネットワーク内でさまざまなオブジェクトや接続が相互作用する方法を指します。トポロジーは、トラフィック、スケーラビリティ、消費電力、さらにはマルウェアがネットワークに侵入するまでのスピードなど、無数の要因に影響を与えます。そのため、さまざまなタイプのIoTトポロジーとその機能を理解することは、ネットワークの展開と維持に不可欠です。
ThreadとZigbeeはメッシュ・ネットワーク・トポロジーを利用し、デバイスが非階層的に直接リンクされ、ネットワークを介してデータをルーティングします。これにより、デバイスはデータを受信するだけでなく、他のデバイスにデータを送信する仲介役としても機能します。
その結果、これらのプロトコルは広範囲をカバーする信頼性の高いネットワークを確立し、他のワイヤレス・プロトコルで一般的に必要とされるような、無線信号を遠くの機器に再送信することだけに特化した中継器を追加する必要がなくなります。
Wi-Fiはスタートポロジーを採用しており、すべてのデバイスはサーバーのような役割を果たす中央のハブまたはルーターに接続され、接続ノードはクライアントのような役割を果たします。中央ノードが接続ノードからパケットを受信すると、ネットワーク内の他のノードにパケットを渡すことができます。スター型トポロジは比較的移動が少なく、維持にコストがかかるが、集中型設計のため使い勝手がよく、1つのデバイスやケーブルに障害が発生しても機能を継続できるようになっています。
Matterは、Threadのメッシュ・ネットワーク・トポロジーとWi-Fiのスタートポロジーの上で動作することで、両者を組み合わせています。Threadのボーダールーターを使用することで、Matterネットワークはハイブリッドネットワークを構築し、ユーザーが両方のトポロジーの利点を享受できるようにします。
ほとんどのスマートホームの使用事例において、Zigbee、Thread、Bluetooth、Wi-Fiなどの一般的なIoTプロトコルは、平均的な家庭環境内の短距離から中距離に最適化された同様のレンジ機能を提供しています。つまり、接続されたIoTデバイスは、これらのIoTプロトコルで部屋やフロアさえも越えて効果的に通信できることになります。
環境要因は絶対的なネットワーク範囲に影響を与える可能性がありますが、一般的にデータ量が比較的少ない平均的なホームオートメーションシナリオでは、これらの違いは通常無視できます。スマートデバイスの制御、センサーの監視、ホームオートメーションシステムの管理に適した信頼性の高い効率的なネットワークを提供することに関しては、主要なIoTプロトコルで十分です。
図2：Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Threadのデータ転送速度と通信距離の比較グラフ
Silicon Labsのベンチマークによると、24の家庭用機器でBluetooth、Thread、Zigbeeのメッシュネットワークの接続性を比較したところ、Threadはペイロードが小・中程度で、ピークが小さく拡散が少ない（＜100ms）ため、最高のパフォーマンスを示しました。ペイロードが小さい場合、3つのネットワークはいずれも90msまで広がり、市場目標の200msを大きく下回りました。中程度のペイロードでは、Zigbeeが最も良好で、ほとんどのパケットが80msのレイテンシを受け、130msまで広がりました。Bluetoothの待ち時間は20～200msの間で最も大きなばらつきが見られました。
図3：Zigbee、Thread、Bluetoothのマルチキャスト遅延 24ノード・ネットワーク - ペイロードが小さい場合
図4：Zigbee、Thread、Bluetoothのマルチキャスト遅延 24ノード・ネットワーク - ペイロードが中程度の場合
出典： Silicon Labs
スケーラビリティは、IoTネットワークの導入を検討する際に最も考慮すべき事項のひとつと言っても過言ではありません。単に通信範囲の問題だけでなく、セキュリティ、セルラーカバレッジ、デバイスの接続性を考慮した上で、効果的な拡張を行う必要があります。また、単にスケールアップするだけでなく、簡単にスケールダウンできる柔軟なネットワークを持つことの難しさを考慮することも重要です。
Threadのメッシュ・ネットワーキングは、拡張性を念頭に置いて設計されています。デバイスをリレーとして機能させることで、ネットワークの対象範囲を簡単に拡張し、多数のデバイスを扱うことができます。Threadネットワークは、最大で数百、数千のデバイスを収容できるため、大規模なIoT展開に適しています。
ZigbeeはIEEE 802.15.4ワイヤレス・メッシュ・プロトコルを使用しており、その優れた拡張性で知られているため、多数のデバイスを含むアプリケーションで広く使用されています。Zigbeeネットワークは、そのメッシュネットワーキング機能と効率的なプロトコルにより、数百から数千のデバイスをサポートすることができます。
Wi-Fiネットワークは、Wi-Fiインフラが広く普及しているため比較的拡張性が高く、従来から家庭で導入されています。Wi-Fiネットワークは多数のデバイスを扱うことができるが、より多くのアクセス・ポイントを配置するか、特定のWi-Fi規格が提供するメッシュ・ネットワーキング・オプションを利用することで、ネットワークを拡張する必要があります。また平均して、Wi-FiネットワークはZigbeeやThreadに比べて消費電力が大きいです。
Bluetooth、特にBluetooth Low Energy（BLE）は、本来、大量のデバイスを使用する大規模な展開には向いていません。Bluetoothは複数のデバイスをサポートすることができますが、その主な焦点は、個人用デバイス、センサー、アクセサリーなど、近接した限られた数のデバイスを接続することです。
IoTの文脈における相互運用性とは、システムがシステム間で意味のある実用的な情報を伝送する能力を指しています。真に相互運用可能であるためには、IoTネットワークは、データを伝送するための物理的な通信インフラ（技術的相互運用性）、特定の種類のデータを共有するための共有構文（構文的相互運用性）、および転送されたデータを解釈するためのセマンティックIoTデプロイメントを備えていなければなりません。
Thread は、すべての Thread 認定デバイスが接続し通信するための共通プロトコルを提供することで、Thread ネットワーク内のデバイス間の相互運用性を可能にするように設計されています。しかし、Threadエコシステム外のデバイスとの相互運用性には、追加のブリッジやゲートウェイが必要になる場合があります。
Threadと同様に、ZigbeeネットワークではZigbee認証されたデバイスがネットワーク内で一緒に動作することができます。認証はZigbee仕様への準拠に基づいて与えられる。結局のところ、ThreadとZigbeeネットワークの存続可能性は、それぞれのエコシステムが市場に浸透し、最終消費者がどのようなデバイスを求めるかにかかっています。
Wi-Fiはおそらく、機器やメーカーを問わず、最も広く相互運用性をサポートしているのではないでしょうか。一般的なWi-Fi規格との互換性が満たされている限り、異なるメーカーのWi-Fi対応デバイスをWi-Fiネットワークに接続し、相互に通信することができます。これにより、スマートフォン、ノートパソコン、IoT機器、その他のネットワーク接続機器など、幅広いWi-Fi機器間での相互運用が可能になります。
Bluetoothは、短距離デバイス接続のための優れた相互運用性をサポートしています。スマートフォン、タブレット、オーディオ機器、IoT機器などのBluetooth機器は通常、メーカーに関係なくネットワークを介して相互に通信することができます。Bluetoothの標準化されたプロファイルとプロトコルは、オーディオストリーミング、ファイル転送、デバイス制御など、さまざまな使用用途における相互運用性を保証します。
Matterは比較的新しいIoTプロトコルで、Thread、Wi-Fi、Ethernetといった基礎技術の長所を組み合わせることで、スマートホームデバイス間の相互運用性を高めることを目的としています。異なるメーカーの Matter認定デバイスは、基礎となるネットワークプロトコルに関係なく、共通のアプリケーションレイヤーを使用して相互に通信することができます。
IoTネットワークのカスタマイズは、総コストの70～80％にも達する可能性があるため、ユーザーはこれまでの情報に基づいて、さまざまなIoTネットワークで何ができるかをしっかりと理解することが重要です。適切なIoTネットワーク・ベースを選択することで、消費者はカスタマイズにかかる時間とリソースを大幅に節約することができます。
低消費電力、低データレートのプロトコルであるThreadは、比較的安価なハードウェア・コンポーネントで実装できます。また、Thread が 2.4 GHz 周波数帯で動作し、手頃な価格の無線モジュールで広くサポートされているという事実も、Thread の利点ということができます。しかし、Thread対応デバイス自体のコストは、特定のハードウェア要件や希望する機能によって異なる可能性があります。Thread認証に関連する追加ライセンス料も考慮する必要があり、通常はThreadグループのメンバーシップを通じて管理されます。
Zigbeeは低コストで実装できるため、幅広いアプリケーションで利用されているIoTネットワークです。Zigbee対応のハードウェア・コンポーネントは広く入手可能で、価格も比較的手頃です。Threadが使用する2.4Ghzの周波数帯に加え、Zigbeeは安価な無線モジュールによく見られるサブGHzの周波数帯も使用することができます。Zigbee導入の全体的なコストは、デバイスの数、ネットワークインフラ要件、必要な追加機能や認証によって異なります。
Wi-Fiは広く採用されているプロトコルであり、さまざまな価格帯のハードウェア・オプションが用意されています。Wi-Fiモジュールとチップは、一般的に広く使用され、メーカー間の競争のため、手頃な価格です。しかし、Wi-Fi導入のコストは、アクセス・ポイントの数、ネットワーク・インフラ要件、特定のWi-Fi機能や認証に関連する潜在的なライセンス料などの要因によって左右される可能性があります。
Wi-Fiと並んで、Bluetoothも低価格のハードウェア・オプションで幅広くサポートされているネットワークであり、多くのIoTアプリケーションにとって費用対効果の高い選択肢となっています。Bluetoothモジュールとチップは、広く普及しているため、一般的に手頃な価格で入手できます。Bluetooth導入の全体的なコストは、デバイスの数、統合要件、必要な追加機能によって異なります。
IoT導入の総コストを計算する際には、導入コストに加えて、会員費と認証料を考慮することも重要です。料金表の概要は以下の通りです。
*上記の料金には、試験やサードパーティサービス（例：Bluetooth Qualification Expertサポート料金）に関連する費用は含まれていません。
結論として、Zigbee、Bluetooth、Thread、Wi-Fi、MatterといったIoTプロトコルの違いを理解することは、進化するスマートデバイスや相互接続システムの状況をナビゲートするために不可欠です。Zigbee、Bluetooth、Thread、Wi-Fiといった古くから確立されたプロトコルは、それぞれに強みと得意分野があります。Zigbeeは低消費電力のメッシュ・ネットワーキング・アプリケーションを得意とし、Bluetoothは近距離パーソナル・デバイスにシームレスな接続性を提供します。Threadは堅牢で安全な通信を提供し、Wi-Fiは高いデータ転送速度と幅広いデバイスの互換性を実現します。
Threadやその他の技術をベースに構築されたMatterの登場は、IoT分野における有望な発展を意味しています。Matterは、相互運用性を合理化し、デバイスの統合を簡素化し、スマートホームのエコシステムを強化することを目指しています。ThreadやWi-Fiといった既存のプロトコルを活用することで、Matterは異なるメーカーのデバイス間のギャップを埋め、統一されたシームレスなユーザー体験を提供することを目指しています。
Stanislas Charles
ワイヤレスおよびRFテストに7年以上の経験を持ち、Bluetooth、Zigbee、Thread、Matter等のさまざまなプロトコルに精通しています。MatterやThreadのテスト要件に関する疑問や質問を解決するため、常にお客様をサポートいたします。