東京大学 講義 スマートグリッドを実現する IoT無線ネットワーク技術 2016年4月25日 福永 茂 [email protected] © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 本日の講義内容 IoT無線ネットワーク センサネットワーク IoTの定義 スマートグリッドとスマートメータ スマートグリッドとは 日本におけるスマートグリッドの取組み IoT無線ネットワーク技術 マルチホップネットワーク 大規模高信頼マルチホップ技術 省電力技術 920MHz帯無線通信 920MHz帯の特性 法制度化動向 IEEE802.15.4の標準化動向 920MHz無線マルチホップの事例紹介 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 1 IoT無線ネットワーク © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 2 センサネットワーク さまざまな場所に無線通信機能付のセンサを設置して、収集した環境情 報をもとに、新しい機能を提供するネットワーク 無数にセンシングポイントを配置することで、これまで測定できなかったさま ざまな情報を高精度に入手可能 データ量や発生頻度は少なく、電池で動作するものも多数あり センサの有無に関係なく、装置間でデータを通信するという意味からM2M (Machine to Machine)ネットワークという呼び方もある。 全てのものをネットワークにつなぐと言う意味で、IoT (Internet of Things)と いう呼び方が広まっている。 センサノード クライアント 端末 GW 固定網 サーバ 基地局 センサネットワーク © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 3 （参考） IoTの定義 センサや装置等の「モノ」をつないで、情報を収集したり、蓄積/ 分析したり、その結果を活用して制御したりする仕組みを、 M2M (Machine to Machine) ネットワークやIoT (Internet of Things)と呼ぶ。 「モノ」と「モノ」が自律的につながるものもあれば、スマートフォンなどの IFを使って、人に情報を提示してから制御するものもある。 10年ぐらい前は、無線ネットワーク部分をIoTと表していたが、 ここ2年ぐらいで、IoTという言葉の定義が拡張 上位の光ネットワークやクラウド側のビッグデータ分析（人工知能）など も含めてIoTと表現するケースが主流 近年では、工場での機械制御やロボット制御などのため、高信頼かつ 超低遅延の伝送が求められている。 ⇒IoT2.0と呼ぶこともある © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 4 センサ 搭載するセンサと実現機能の例 環境情報を取得 センサ： 温度、湿度、照度、圧力、振動、煙、CO2濃度、花粉、音量、降水量、・・・ 機能： 温度管理、構造物管理、天気予報、大気汚染管理、・・・ 人の情報を取得 センサ： 赤外線、加速度、体温、心拍、発汗、心電、筋電、血流、血糖値、・・・ 機能： 位置推定、行動分析、体調管理、・・・ その他 映像、音、スマートメータ、各種端末、ロボット センサを搭載しない場合もある アクチュエータ（機器制御） 照明、空調、リモコン、各種制御機器（工場、家庭、オフィス、車内など） モバイル機器（スマートフォン、タブレット） 他のノードからのセンサ情報を表示 携帯電話網とのGW © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 5 センサネットワークの利用シーン① 家庭 照明機器 制御 外部ネットワーク 空調機器制御 ホームゲート ウェイ、電話 窓開閉センサ 火災報知機 温度センサ ドア開閉センサ 各種リモコン 健康管理 （体温、心拍、血圧センサなど） 家電機器 制御 メータ検針 浴室ホームオートメーション 健康管理 侵入センサ 出典 「総務省 情報通信審議会 情報通信技術分科会 小電力無線システム委員会 報告」 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 66 センサネットワークの利用シーン② 街角・公共 ジョギング中の健康管理 高齢者の見守り、動態把握 交通事故防止 危険区域立ち入り管理 自律移動支援 （障害者誘導など） 出典 「総務省 情報通信審議会 情報通信技術分科会 小電力無線システム委員会 報告」 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 77 センサネットワークの利用シーン③ オフィス・工場・病院 空調機器 外部ネットワーク 中継器 ゲートウェイ 温度センサ マシン、工程、廃棄物の 監視 医者・看護師の位置・行動管理 患者の位置・病状管理 （体温、心拍、血圧センサなど） 出典 「総務省 情報通信審議会 情報通信技術分科会 小電力無線システム委員会 報告」 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 88 スマートグリッドと スマートメータ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 9 米国 電力事情 電力供給のシステムが不安定であり、需要のピーク時に供給が間に 合わず、大規模停電が発生する。 大小の電力会社が乱立しており、発電、送配電、小売業者が別々に なっている。 政策 2009年、オバマ政権が、「グリーン・ニューディール政策」を発表。ス マートグリッド関連に45億ドルを投資。 NIST (National Institute of Standard and Technology / U.S. Department of Commerce)を中心とした国際標準化の推進 スマートグリッドの狙い ＩＴによる電力系統の信頼性向上（安定化） スマートメータ設置などによる雇用創出 電力情報を活用した新たなサービスの創出 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 10 欧州 電力事情 電力メータの設置率、精度が低い。また家庭内設置でユーザーによ る使用量通知方式のため盗電や不正利用が多発。 北欧での風力発電、南欧での太陽光発電が盛んであり、再生可能エ ネルギーによる省エネの気運が高い。 電気自動車の普及率が高い。 政策 2006年、ＥＵがスマートメータ導入を決定。各国が導入計画を策定。 ＥＵは2022年までにスマートメータ導入率100％を目指す スマートグリッドの狙い スマートメータの設置による電気料金の回収率の向上。 再生可能エネルギーによる供給変動の吸収。 電気自動車の給電インフラの充実。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 11 日本の電力事情 Before 2011 地域ごとに大手電力会社が管理。発電、送配電、小売を全て一社で実 現。 電力需要のピークに合わせた発電供給体制。 需要予測に合わせた高度な発電量制御と送配電網の管理。 世界一の電力安定性。地域停電はほとんど発生しない 再生可能エネルギーの普及率が低いが、省エネ機運の高まりにより、 普及率向上の期待。 再生可能エネルギーの普及促進の一環で、余剰発電の全量買取義務。 電流の逆流による電力制御の不安定化が懸念される After 2011 電力の供給が不安定になり、電力需要のピーク時に安定供給できない。 原子力発電に頼っていたエネルギー政策の見直しが迫られている。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 12 日本のスマートグリッド政策 2009年、経産省が「日本版スマートグリッド」構想を発表。以降、スマート コミュニティ実現に向けた施策を次々と実施中 スマートコミュニティアライアンスの設立 国際標準化ロードマップの作成 実証実験の推進（4拠点：横浜市、豊田市、けいはんな、北九州市） スマートメータの普及にむけた制度検討 After 2011 発電の供給拡大と、電力需要の抑制を並行して推進 スマートハウスの推進に向けた標準化 （特に東北地区における）スマートシティ構想の推進 家やビルのエネルギー管理システム導入の補助金制度 HEMSと生活サービスの連携事業の推進 日本におけるスマートグリッドの狙い 家庭、地域での省電力化。 再生可能エネルギーの利用促進。 電気自動車の利用促進。 高度に完成した電力網に影響を与えないシステムの構築。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 13 その後のエネルギー政策 電力小売完全自由化 （2016年4月） 家庭向けを含め、全ての電力の小売事業が自由化 発電所を持たない新事業者は、大手電力会社から電力を購入するか、再生可能エネルギー を調達 スマートメーターや送配電網は、大手電力会社が所有。新事業者は託送量を払って利用 大手電力が、地域を越えてサービス可能。電力の論理的な配送（ローカル消費と精算） 自由競争の導入により、電力料金の値下げやサービス充実が期待される 送配電分離（2018年） 大手電力会社が、発電部門と送配電部門に分社化（送配電部門の中立化） 電力料金メニュー多様化。天候（発電）や需要状況に合わせた「リアルタイムプライシング」 が導入され、需要家は多様な料金体系の中から最適な購入先の選定と利用が求められる これに伴い、太陽光発電や蓄電池、スマート家電をコントロールして、買電、売電のタイミン グを自動制御するxEMSが普及拡大 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 14 日本のスマートグリッド動向 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 15 日本版スマートグリッド構想 全国電力網（ナショナルグリッド）に対して、地域で再生可能 エネルギーを「地産地消」することを目指すローカルグリッド を実現する。 太陽光発電等の発電機能や蓄電池等の充電機能、電気自 動車への充電機能等を備えた「スマートハウス」が地域で連 携し、電圧を平滑化した「余剰電力」をナショナルグリッドへ 戻すことで、ナショナルグリッドの安定性を阻害しない仕組み を作る。 地域単位で電力制御を行う スマートコミュニティの実現 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 16 スマートコミュニティのイメージ 出典： 経済産業省資料 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 17 スマートハウスのイメージ 出典： 経済産業省資料 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 18 スマートメータ スマートメータは、スマートハウス、スマートコミュニティを実現するのに必 要なキー装置 スマートメータにもさまざまな定義がある 自動検針するための通信機能を備えた電力・ガス・水道メータ AMR : Automated Meter Reading エネルギーマネージメント機能も備えたメータ AMI : Advanced Metering Infrastructure スマートメータへの期待 ユーティリティ企業の業務効率化 検針、遠隔開閉、安全確保など 省エネ促進 消費量の見える化、デマンドレスポンス制御など 系統安定化 太陽光発電、電気自動車充電等との連携など © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 19 スマートメータによる省エネ制御 直接制御（デマンドレスポンス） 外部から家庭内の機器を直接制御して、消費量を調整する。 エアコンの温度設定 優先度の低い照明、スプリンクラー等のＯＦＦ 間接制御 消費量の見える化によるユーザへの努力促進 部屋単位、または主な家電機器の電気料金を表示 ユーザの努力による節電効果をCO2削減量として表示 白くま、ペンギン等のイラスト 需要状況等に合わせて料金単価変更。料金単価に応じた機器制御 スマート家電に予め料金単価と動作条件をプログラム設定 電力企業は電力需要に合わせて料金体系をオンデマンドで変更 電気料金に合わせて機器が自動的に制御 センサ等による周辺の状況と組み合わせた制御も可能 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 20 スマートメータ制度検討会 出典： 経済産業省資料 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 21 スマートメータ制度検討会の結論と、After2011の状況 スマートメータ導入時期 2020年代の早い段階で全需要家に導入（導入期間は10年間、開始時期未定） ↓ 5年間で80％の導入 ⇒高圧メータ（事業所、集合住宅等）は5年間で全数導入。 低圧メータ（一般家庭）は7年間で導入 スマートメータとHEMS間のデータ メータ値、時刻、逆潮流量（太陽光発電量） 測定頻度と遅延 30分ごとに測定し、次の日に届ける。（Bルートは即時） ↓ 30分ごとに測定し、30分以内に届ける。（Bルートは即時） 伝送ルート 電力会社がデータ収集するAルート、メータから直接HEMSにデータを渡すBルート、 および第三者がデータ収集して開示するCルート フォーマットの標準化 2012年度に継続検討 ↓ スマートハウス標準化検討会にて標準化 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 22 スマートメータの情報をHEMSへ 経済産業省資料より © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 23 HEMS標準化の対象 経済産業省資料より © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 24 5層以上の標準IFとしてECHONET Liteを推奨 経済産業省資料より © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 25 HEMS標準化当時の省庁間連携 経済産業省 総務省 スマートハウス検討会 （2011年度） -HANとBルートの標準インタフェースとして ECHONET Liteを推奨。NWプロトコルとして IPv6を推奨（2012年2月） スマートハウス・ビル検討会 （2012年度∼） -課題① 重点機器の下位層（伝送メディア） の特定・整備 -中間取りまとめ (2012年9月) -公知の通信方式を推奨する TTC -HAN向けガイドラインTR-1043 (2012年11月) -ECHONET Liteの下位層の 標準プロトコルを列挙 -最終報告 (2013年5月) -複数のプロトコルを推奨 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. -ECHONET Lite向け920MHz標準 JJ-300.10 (2013年2月) 26 スマートハウス・ビル検討会の推奨方式(2013年5月) 選定基準 オープン標準 IPv6対応 推奨方式 920MHz無線 2.4GHz無線 5.0GHz無線 有線 電力線 Wi-SUN Wi-Fi Bluetooth Wi-Fi Ethernet G3-PLC （低レート） HD-PLC （高レート） Bルートは青字のみ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 27 プロトコルスタック 経済産業省資料より © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 28 IoT無線ネットワーク技術 （無線マルチホップネットワーク技術） © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 29 マルチホップNWの特徴 比較対象： 基地局とのみ直接接続できるスター型のNW（無線LANなど） マルチホップ ネットワーク 構造 シングルホップ 遮蔽物 遮蔽物 基地局 通信可能 基地局 通信不可能 低コスト（基 地局設置コ スト低減） ・基地局と直接電波が届かないノードも他のノード を経由して接続できるので、基地局設置数を減ら すことが出来る。 ・基地局から直接電波が届くノードとだけ接続する ため、多くの基地局を設置する必要がある。 カバー範囲 ・マルチホップして広い範囲をカバーできる。電波 が届きにくい場所でも、他のノードを経由して届か せることが出来る ・基地局との間に遮蔽物がある場所や遠い場所は カバーできない。 設置容易 ・近隣のノードに電波が届く場所ならどこでも設置 可能。周囲の物を動かして電波の届き方が変わっ ても、別のノード経由で通信継続可能 ・基地局と電波到達できる場所にしか設置できな い。周囲の物を動かすだけでも届かなくなる可能 性があり、メンテナンス費用も高くなる ・基地局設置場所の選定次第で全体のカバー範 囲や基地局数に影響するので、基地局の設計に 専門知識が必要 高信頼・対 障害性 ・中継するノードが故障しても他のノードを経由し て通信可能。 干渉回避 ・近隣のノードにのみ電波が届けばよいので、干 渉範囲が狭い。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. ・遠くのノードに電波を直接届かせるために強い出 力で送信する必要があり、干渉範囲が広くなる。 30 システム構成 ・ ・ アクセスネットワークとして、無線マルチホップネットワーク等が利⽤ 遠隔サーバにセンサデータを送信、データを蓄積・処理 ＜無線マルチホップを活用したIoTシステム＞ エネルギー プラント 領域別スマートサービス 交通 河川･橋梁 防災 都市 健康 農業 アプリケーション データ解析/業務システム IoTプラットフォームサーバ IoT共通基盤 NW管理サーバ 3G/LTE 広域ネットワーク 光 ゲートウェイ センサー ネットワーク センサー 橋梁 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. センサーネットワーク （無線マルチホップ） アクセスネットワーク 道路・トンネル 31 スマートコミュニティにおける無線マルチホップネットワーク技術 家庭内NW (HAN)と、スマートメータ間NW (SUN)やフィー ルドNW（FAN)等の屋外NWの2つの無線マルチホップ NWで構成される。 HAN (Home Area NW) 各種センサ 太陽光パネル サービス企業 ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ ホームGW WAN (Wide Area NW) 各種サーバ 家電機器 ｽﾏｰﾄﾒｰﾀ ﾊﾟﾜｰｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅ IP NW BS 無線NWに対する主な要求 HAN • 省電力 • 干渉回避 • ｾｷｭﾘﾃｨ（ﾌﾟﾗｲﾊﾞｼ保護、改竄防止等） • 相互接続性 FAN・SUN • 大規模、高信頼 • 電波到達性 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. EV SUN (Smart Utility NW) FAN (Field Area NW) BS 基地局 ｽﾏｰﾄﾒｰﾀ等 32 無線ネットワークへの要求 • モノとモノをつなぐスマートネットワークには、さまざまな要求がある • 提供するサービスにより要求の組み合わせが異なる 大項目 大規模 電波 伝搬 省電力 信頼性 設置 運用 項目 要求の例 ○：必要 △：必要なケースあり ×：不要 HAN SUN 工場 橋梁 農業 台数 数百∼数千の装置を接続できること × ○ △ × △ 距離 装置間隔が離れている場所で通信できること × ○ ○ ○ ○ 到達性 電波障害物がある場所で接続性を確保できること ○ ○ ○ ○ ○ 環境変化 周辺環境の変化による電波伝搬の特性変化に対応できること ○ ○ ○ ○ ○ 干渉低減 周囲のシステムとの干渉を低減できること ○ ○ ○ △ △ 電池駆動 AC電源が取れない（配線コストが高い）場所へ設置できること △ △ △ ○ ○ 電池レス 電池交換できない場所で運用できること × × × △ △ 安定運用 確実にデータが届くこと ○ ○ ○ ○ ○ 時刻同期 各ノードの時刻が正確に一致していること × △ ○ ○ × 故障 故障/メンテナンス時に運用が停止しないこと △ ○ ○ ○ △ ｾｷｭﾘﾃｨ データ漏洩、改ざんされないこと、認証鍵を簡単に設定できること ○ ○ ○ × × 設置容易 複雑な設定不要で運用を開始できること ○ ○ △ △ ○ コスト 装置コスト、設置コスト、運用コストが安いこと。基地局が少ないこと ○ ○ ○ ○ ○ ﾒﾝﾃﾅﾝｽ 遠隔からメンテナンス、障害対応ができること。動作ログが取れること △ ○ ○ ○ ○ 停電対応 停電後に速やかにシステムが復旧すること ○ ○ ○ ○ × 災害対応 災害時に仮設基地局等で運用できること × △ × △ × 相互接続 マルチベンダ間で接続できること ○ △ △ × × © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 33 大規模・高信頼マルチホップ技術 Many to One方式を改良することで、大規模かつ高信頼のNWを実現 特徴 制御トラフィック量の削減により，ノード数増加に対する大規模化に対応 再送機能や経路切替機能により，屋外環境でのリンク品質の変動に対応 BSの障害を自律的に検出し，動的に隣接BSに切替えることで耐障害性に 対応 1) 大規模化：ブロードキャストの廃止 × BS 3) 耐障害性：BSの動的切替 × BS × 2) 屋外環境：障害物によるリンク品質変動 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 34 （参考）低消費電力技術 省電力ルータ技術（IEEE802.15.4eに採用） エンドデバイスだけでなくルータもスリープできる技術 伝送遅延が大きくなる課題あり トラフィック発生 DAT A 送信ノード 起動要求 起動応答 間欠受信 受信ノード R R Ack 周期 T[s] OKI TURTLE方式 経路に合わせてタイミングを制御することで、低遅延かつ低消費電力を実現 トラフィック発生 ノード4 R データパケット 起動要求パケット ノード3 R 起動応答パケット ノード2 R R ノード1 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 35 920MHz帯の特徴 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 36 920MHz帯の特徴 2.4GHz帯と比較した920MHz帯の利点 項目 説明 高電波到達性 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。 低消費電力 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。 低干渉 無線LANなど他の無線システムが少なく、各種雑音源からの 電波干渉も少ないため、安定したシステムを提供できる。 「無線マルチホップNW技術」と組み合わせることで、カバー率と信頼 性の高いNWインフラを実現可能となる。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 37 ＜参考＞ 920MHz実験結果の紹介 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 38 920MHz帯 電波伝搬特性： 屋外 〔荒川土手、周辺住宅街〕 概要 920 MHz 帯 免許不要局による電波伝播特性 条件 送信出力 20 mW ／ アンテナ高 2 m 親機∼子機間の 1対1 通信距離を測定 結果 見通しに近い環境での到達距離 ：1 km 以上 （免許が必要な 250 mW の場合の推計到達可能距離：10 km） 見通しのない環境での到達距離 ：建物に囲まれた場所 150 m 程度／道路沿い 200 m 程度 ・・・送信局 ・・・届く ・・・届かない 見通し 市街地 注） 一例を示すものであり、周辺環境により到達距離は変動します。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 39 実験結果の紹介 − 950MHz vs 2.4GHz 回りこみ特性 − 2.4GHzとの比較において，見通し外環境で10倍以上の回りこみ特性を確認 950MHzでは回折面から50mの区間では，パケットエラー率はほぼ0% 建物横はグラ ンド，駐車場 のため，反射 の影響は少 5m 4m 基地局 9m 11m 50m 距離 (m) 950MHz PER 2.4GHz RSSI PER RSSI 5.5 0% -61dBm 0% -83dBm 10 0% -79dBm 96% -94dBm 20 0% -73dBm 100% - 30 0.2% -79dBm 100% - 40 0% -82dBm 100% - 50 0% -86dBm 100% - 建物の影となる 見通し外の環境 に基地局，移動 局を設置 OKI本庄工場 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 基地局 移動局 (5.5m付近) 40 920MHz帯 電波伝搬特性 屋内編 [フロア内横方向] 施設内[OKIシステムセンタ蕨]内のフロア横方向での電波到達性の比較調査結果 電波到達 OK 〔計測可能〕 測定ポイント 920MHz （20mW） 429MHz （10mW） 電波到達 NG 〔計測不可〕 2.4GHz （10mW） ① ② ③ ＯＫＩシステムセンター 新棟 3F 考察 ・ 2.4GHz帯は、見通しがない環境では 殆ど電波が到達しない ① ③ ② ○ 子機 ・ 429MHz帯は、見通しがない環境下 でも回折率が高いので、電波は到達 するが、地面や壁等からの設置距離 が取れないと反射波の影響で減衰率 が大きい。（出力も10mW） ・ 920MHz帯は、2.4GHzや429MHzよりも 電波の特性や電波出力のバランスが 良い 親機 鉄扉 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 41 920MHz帯 電波伝搬特性 屋内編 〔フロア縦方向〕 施設内〔OKIシステムセンタ蕨〕のフロア縦方向での電波到達性の製品比較調査を実施 条件 アンテナ高 2 m 親機∼子機間の 1対1 通信距離を測定 親機 子機（電波到達OK） 結果 子機（電波到達NG） 920MHzは、7F（4フロア）まで到達。 429MHzは、4F（１フロア）まで到達。2.4GHzは4Fでも電波到達せず。 920MHz （20mW） 429MHz （10mW） 2.4GHz （10mW） 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 42 実験結果の紹介 − 950MHz vs 2.4GHz 雪の影響 − 積雪による電波伝搬の変化はほとんどない 雪に覆われた状態での受信強度の減衰もほとんどない 受信電波強度 [dBm] 0 -20 -40 950MHz 2.4GHz -60 -80 -100 0 冬の実験風景 20 40 60 80 100 覆った雪の厚さ [cm] 120 140 80cmの雪で無線機を覆った状態 出典： 総務省 東北総合通信局 「山間部における広域センサーネットワークの構築に関する調査検討会」 http://www.soumu.go.jp/soutsu/tohoku/houkoku/sensor_net/ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 43 電波伝搬特性の悪い場所での応用例① 設置間隔を短くできない装置間の情報伝達 電柱/街灯の設備の異常を送信 橋梁、トンネル、道路、鉄道レールなどの構造物監視 屋外の広域環境モニタリング 子供の安全安心の屋外通信インフラ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 44 電波伝搬特性の悪い場所での応用例② 電気、水道、ガスメータの自動検針 マンションにおけるパイプシャフト内のメータの自動検針 地中に設置された水道メータの自動検針 物置、自転車、自動車等によるメータ遮蔽時の検針 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 45 電波伝搬特性の悪い場所での応用例③ 工場や病院、倉庫など金属装置が密集する場所での モニタリング 大型機械装置の振動、歪み監視 大型タンクの圧力、温度、振動、歪み監視 密集した配管の流量、温度監視 溶鉱炉内の温度監視 配電盤内のスイッチ制御、状態監視 金属製ロッカー内の装置制御、資材監理 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 46 920MHz帯の 法制度化動向 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 47 900MHz帯の電波法改正の動向 2012年春 920MHz帯への移行と送信出力増加、周波数拡張、条件緩和 パッシブタグシステム 高出力 中出力 空中線電力： 1W 通信距離： 5∼10m ゲートでの複数タグ読み取り 空中線電力： 250mW 通信距離： 2m 屋外利用 低出力 空中線電力： 10mW 通信距離： 10cm ハンディ利用 制度化 (2005.4) アクティブ系 小電力無線システム 空中線電力： 10mW 通信距離： 数百m センサネットワーク，アクティブタグ 免許不要 キャリアセンス機能追加 (2006.1) 制度化 (2006.1) ミラーサブキャリア方式追加 (2008.5) チャネル幅緩和 (2008.5) 制度化 (2008.5) 周波数拡張 (2010.5) 制度化 (2010.5) 周波数拡張，条件緩和 (2010.5) 周波数拡張，条件緩和 (2010.5) 周波数移行 (2012) 周波数移行、免許不要化 (2012) 周波数移行 (2012) 周波数移行、送信出力増加 (2012) © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 48 800/900MHz帯の周波数割当ての国際動向 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 単位MHz 日本 915∼928MHz 950∼958MHz 欧州 865∼868MHz 915∼921MHz（検討中） 米国 902∼928MHz 中国 920∼925MHz 韓国 917∼924MHz 豪州 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 918∼926MHz 49 2011年改正の主な効果 周波数移行 国際的に協調できる周波数となり、市場の活性化を期待できる。 スマートメータ等の普及を考慮して5MHz幅の拡張がなされており、ス マートメータ等に適した条件を規定できる。 条件改正 アクティブ系無線システムの特徴を生かすため、パケット単位の公平 性を高める改正を行い、電波利用効率の向上が見込める。 送信出力緩和 送信出力制限を10mWから、20mWや250mW(簡易無線局)に緩和 することで、電波到達性を高めることができ、多種の新しい応用に利 用できる。 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 50 IEEE802.15.4 標準化動向 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 51 標準化の意義 標準方式を規定することで、システム間の相互接続性が 可能となり、利便性が向上するとともに、市場が活性化する。 920MHzでも 国際標準方式を 利用できるようにしたい © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 52 920MHz無線 Wi-SUNのスタック構成 アプリケーション 経済産業省が推奨するECHONET Lite ネットワーク IPv6を利用して、全ての装置をIP接続 6LoWPANを利用して、ヘッダ圧縮/パケット分割 マルチホップも利用可能 MAC/PHY PHY: 920MHzに対応したIEEE802.15.4gを利用 MAC： IEEE802.15.4eの拡張機能（ビーコン拡張など）も利用 Wi-SUNの構成例 ECHONET Lite TCP/UDP IPv6 6LoWPAN IEEE802.15.4e IEEE802.15.4g 920MHz © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 53 国際標準化の活動 − IEEE802.15.4g − スマートメータ向けとして、IEEE802.15.4を拡張 2012年3月に標準化完了 目的 低速無線をスマートユーティリティネットワーク(SUN)へ適用するため， 既存の IEEE802.15.4のPHYを修正 (スマートメータ間通信の無線方式の実現) 概要 周波数： 920MHz, 2.4GHz帯（日本の場合） データレート： 50kbps、100kbps, 200kbps, 400kbps （日本-GFSKの場合） 変調方式： GFSK, OFDM, DSSS PHYフレームサイズの拡張： 2048オクテット ⇒ Etherフレーム / IPパケットを考慮 屋外スマートメータ環境下でのリンクマージンの最適化 ⇒ 1ホップで数kmの到達距離を目指した変調方式の採用 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 54 国際標準化の活動 − IEEE802.15.4e − 産業用途向けに、IEEE802.15.4のMACを拡張 2012年3月に標準化完了 目的 産業用途のセンサネットワーク向けにIEEE802.15.4のMAC機能を拡張 TG4g（SUN）で必要な機能も規定 スコープ TDMA、チャネルホッピング、GTS拡張による高信頼化 アクセス制御の高度化、省電力化 エンド端末間通信の低遅延化 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 55 920MHz無線マルチホップの 事例紹介 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 56 920MHz無線マルチホップが実現するソリューションの例 エネルギーマネージメント ビルや工場、店舗、一般家庭での電力使用量を管理 電力機器を制御し、節電、効率的な再生可能エネルギーの利用 スマートメータ 電力/ガス/水道メータをネットワーク接続し、遠隔からデータ収集、制御 一般家庭やビルの電力の見える化 工場モニタリング 工場や倉庫内の温度管理、空調制御 水やガスの流量管理 機械装置の故障検出 社会インフラモニタリング 河川の水位監視 橋梁・トンネルの劣化監視、震災後の安全性確認 農業 ビニールハウスの温度管理、空調制御 日照時間、雨量の監視 エネルギー プラント © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 交通 河川･橋梁 防災 都市 健康 農業 57 スマートメータネットワーク（SUN） 近隣の電力、ガス、水道メーターを無線マルチホップネットワークで接続 電力メータは、30分毎にメータ値を伝送し、基地局で集約して、電力会社へ配送 920MHz無線が利用しにくい場所では、携帯電話網やPLC（電力線通信）を活用 電力会社 BS スマートメータ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 58 スマートハウス（HEMS） • ECHONET Liteにより各機器との相互接続を確保しスマートハウスを実現 • ECHONET Liteミドルウェアアダプタにより無線通信機能を持たない家庭内の各機器を ECHONET Liteネットワークに接続 HEMSによるスマートホーム 国際標準 対応 920MHz無線対応ドングル 分電盤 電力会社 パワー コンディショナ 電力計 ＣＴメータ ガス会社 太陽光 発電パネル 計量器 開閉器 920MHz USBﾄﾞﾝｸﾞﾙ 燃料電池 節電管理 アプリ 蓄電池 エアコン ﾐﾄﾞﾙｳｪｱｱﾀﾞﾌﾟﾀ ｻｰﾋﾞｽｹﾞｰﾄｳｪｲ サービスセンタ 通信会社 HEMSサービス © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. WiFi 920MHz ネットワーク HEMS モニタ 家電 スマートタップ Lite ECHONET ECHONET Lite 対応 59 電⼒遠隔監視（BEMS, FEMS） ビル・⼯場の各エリアの電⼒センサのネットワーク化による消費電⼒を遠隔監視。 巡回でチェックする工数を削減し、リアルタイムの状況把握を実現。 既設や新設の電⼒センサーを無線化 することで、低コスト・短納期で導入。 少ない無線機で広範囲をカバー。 FEMS/BEMS向け 受電点 〔契約メーター〕 パルスカウンタ 工場・プラント データ収集装置 パルス 検出器 キュービクル RS-485 電⼒ センサー RS-485 920MHz 無線子機 RS-485 920MHz 無線子機 電⼒センサ − RS-485 センサー内蔵機器 920MHz 無線親機 RS-485 920MHz 無線子機 分電盤 920MHz 無線子機 複合ビル © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 60 太陽光発電 パネル監視 太陽光発電システム監視のネットワーク無線化による落雷被害軽減対策。 監視機器を無線化することで、落雷の誘導雷被害を最低限に抑えることが可能。 ⽇照計データと発電量の⽐較からパワコンやパネル故障の検知も可能。 システムの部分故障の早期発⾒と不良箇所の絞込みが容易となり、損失を低減。 発電監視センター インターネット 3G回線等 計測/監視 サーバ ゲートウェイ装 置(3Gルータ等) ストリング 計測機器 920MHz 無線親機 各種センサ ・日照計 ・温湿度等 RS-485 920MHz 無線子機 パワコン単位で計測す ることで、パワコンの 異常検知、発電量のモ ニタリングが可能。 周辺に設置する日照計等の 気象センサーも合わせて 無線化が可能 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 接続箱 直流ライン 交流ライン パワー コンディショナー 920MHz 無線子機 RS-485 接続箱 920MHz 無線子機 ストリング単位で計測すること で、パネルの異常・故障をより 細かく検知することが可能 61 生産設備の故障監視 工場内で自動運転している生産設備の故障監視。 24時間稼動している無人生産設備などの異常をリアルタイム通知。 夜間でも故障を把握できるため、ダウンタイムを最小化。 無線化により配線⼯事が不要。広い敷地内や道路跨ぎなどの配線困難な場所にある設 備の稼動監視を低コスト・短納期で導入可能。 無人生産ライン A 接点 無人生産設備 無人生産ライン B データ 収集装置 パトランプ デジタル 変換機 RS485 920MHz 無線子機 メール受信 異常発⽣ 無人生産設備 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. デジタル 変換機 920MHz 無線親機 920MHz帯 無線ネットワーク パトランプ 接点 RS485 各設備の状態をリアルタ イムで監視。異常発⽣時 にメールを送信。 インターネット 日時：○月○日 23:56 場所： 生産ラインB ●●工程 状態： 異常発⽣ RS485 920MHz 無線子機 どこにいても異常発⽣を リアルタイムで把握。 即時対処可能。 ⽣産設備管理者 62 （今後の展開） 社会インフラ監視への適用 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 63 老朽化する社会インフラ(橋梁、トンネル、道路等)の監視 ◆ 社会インフラが抱える課題 （国土交通省資料より情報抜粋） 老朽化インフラ増大 今後20年で建設後50年以上 経過するインフラの割合が 加速度的に高くなる 維持管理 更新費不足 インフラの長寿命化が 必要 定期的な巡視・点検による インフラの健全度の把握要 【従来の点検方法】 人手による目視・打音検査が主流 【課題】 ①検査精度（見落し・誤診断等） ②人員不足 ③費用不足 ⇒ 解決策として現状、一部のインフラ点検でセンサ活用が進んでいる ◆ 無線センサ技術を活用したインフラ監視システム 今後、さらに急増する老朽化インフラを効率的に監視するために、 より安価で信頼性の高い無線センサ技術を活用したインフラ監視システム が必要となる 電波到達性の高い920MHz無線は、広範囲のインフラを監視するネットワーク として適している © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 64 橋梁・道路の健全度監視 橋梁やトンネルの異常振動やたわみ、結合部のずれの遠隔監視 ■ インフラ健全度を把握するために必要なセンサデータの収集を安価・容易・確実に実施。 ■ センサデータの分析・予測を⾏うことで、保全業務や防災等に活⽤可能。 ■ システム構成 例 920MHz センサネットワーク 振動ﾃﾞｰﾀ GW 出動要請 光ファイ バー網 ／ 3G網 分析 予測 インフラ管理センター 橋梁・道路 ■異常振動・たわみ ■結合部のずれ © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 現地点検 斜面・法面 ■崩落・⼟砂崩れ 65 斜面崩壊・予兆の監視 斜面に設置した電池駆動センサの情報で斜面崩壊・予兆の遠隔監視 斜面の傾き・動きをセンシングして土砂崩れの発生を検知し、対策を迅速化 気象情報、⼟壌⽔分量等のセンサとの組み合わせにより災害予兆を推測 省電⼒マルチホップ無線（スリープルータ方式）により、電池駆動を実現 省電⼒の無線マルチホップ通信技術 マルチホップ通信かつ 電池駆動を実現する スリープルータ方式 省電⼒のセンサ採⽤ X軸 管理者 Y軸 Z軸 無線センサ 920MHz無線 マルチホップ通信 ■MEMS加速度センサ LAN/3G回線 ゲートウェイ 無線マルチホップ通信でセンサを集約 ⇒ 有線⼯事、通信回線料を削減 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 太陽光発電＋バッテ リーによる⾃⽴化可能 ・ 3軸重⼒⽅向(傾斜) ・ 加速度(振動) ■土壌水分センサ ・ ⼟中の⽔分含有量 66 河川の水位監視 中小河川の監視とリスクの可視化（水位予測）で水害減災 ⽔位計（超⾳波）、⾬量計により、現在の河川の水位を可視化 気象情報と過去のデータとの組み合わせにより、未来の水位を推測 河川監視局設備 国交省(河川事務所) 県(建設事務所)など 河川監視 サーバ 防災行政無線 メッシュネットワーク 管理装置 操作卓 60MHz 基地局 無線機 ⽔位・⾬量、予報・警報 気象庁（雨量予測) 気象庁 920MHz帯 基地局無線機 見える化・水位予測 水防本部(町役場) 水位データ、雨量データ 水位計 流域全体・主 要地点に設置 水門 水門 水門 河川 河川 河川 雨量計 920MHz帯 子局無線機 中小河川流域 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 防災無線網 60Mデジタル 固定系 水門 河川 水門 水門 河川 河川 流域全体・主 要地点に設置 拡声子局 エリアメール 緊急通報メール 戸別受信機 67 （例）千曲市沢⼭川の河川監視システム 大規模ストレージ設備 雨 量 デ １ 鳴海 起返(オキガエシ) ２ 千曲市 ー 700m Internet ー タ ・ 水 位 デ ⻑野市 千曲川 タ を 転 送 ：排水機場 ：920MHz無線 ：水位計 ：雨量計 沢 山 川 雨宮(アメノミヤ) ３ 雨宮 500m 五⼗⾥川 ４ 水位計 沢山川流域の雨量データ・水位データ 河川監視局 ６箇所の排水機場に設定した計9式の河川 東屋代監視用水位センサー（超音波式水位計）、1 (C) Google Maps 箇所の河川監視用雨量センサー（転倒ます 方式雨量計)から10分間隔でデータを収集 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 大堰(オオゼキ) ５ ６ 生萱(イキガヤ) 68 © Copyright 2016 Oki Electric Industry Co., Ltd. 69
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