インダストリー4.0と、物理的な設定がますます困難になる中での低遅延処理能力の需要は、堅牢なエッジコンピューターにおける堅牢な接続機能の必要性を高めています。遠隔地、モバイル、または不安定な環境での困難な展開のために特別に構築されたデバイスは、有線伝送が不可能または非現実的な場所で、接続されたデバイス、外部ネットワーク、およびクラウドのリソースとワイヤレスで確実に通信する必要があります。
ワイヤレス技術の発展は、分散型IoT/IIoT展開に柔軟性をもたらし、その有用性が従来の信頼性の高い有線システムレベルにまで向上しています。技術は、その適用性を決定する上で、カバレッジ、エネルギー効率、データレートのレベルが大きく異なります。以下に、堅牢なエッジ展開を解決するのに役立つ3つの主要技術を紹介します。
堅牢なエッジ展開を解決するのに役立つ3つの実証済み技術
1. セルラー接続
セルラー接続には、4G（およびそれ以前の世代）、LTE、そして急成長する5G技術が含まれ、モバイル電話およびIoTアプリケーション向けに高速で広範囲の通信を提供します。加入者識別モジュール（SIM）を使用することで、セルラー技術を搭載したデバイスは、すべてのIoT展開において最も自由な範囲を享受できます。セルラーデバイスは、SPIやUARTなどの低レベルプロトコルを介して通信するモデムと統合されています。従来、柔軟なローミング接続機能を備えているため、リモート通信やフリート通信に最適です。
主要な4Gワイヤレスブロードバンドは、モバイル展開で12Mbps、固定利用で1Gbit/sと、3Gの最大10倍のデータ速度を実現します。一方、5Gは、平均速度が最新の有線インターネットと同等の1Gbit/sです。5Gは最終的に4Gよりも大幅な低遅延化をもたらし、最大10Gbit/sから100Gbit/sの間（すでに1.8Gbit/sが観測されている）に達すると予測されています。低電力広域ネットワーク（LPWAN）の確立を含むセルラー技術の発展は、エッジおよびIoT展開に新たな柔軟性をもたらします。
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5Gはきめ細かなネットワークスライシングを可能にし、ユーザーはユースケースや企業のビジネスモデルに応じて接続の柔軟性を高めることができます。データ収集アプリケーションは、重要な自動運転車や時間厳守の産業機能と同じネットワーク可用性や低遅延要求を持ちません。通常、これは個々のアプリケーションセグメントのために、しばしば法外な費用がかかる専用ネットワークの構築を必要とします。スライシングは、4Gのすでに十分な容量の10倍にあたる1平方キロメートルあたり100万台のデバイスをサポートする5Gの能力によって、よりスケーラブルなIoT展開を可能にします。
セルラーは、車載アプリケーション、広範囲に分散された展開、または遠隔地の展開に最大のパフォーマンス上の利点を提供します。リモートビデオ監視、車両テレマティクス、集中的な処理など、非常に応答性が高く、データ集約的なアプリケーション向けにクラウドのリソースと通信するのに最適です。クラウドの信頼性により、ハードウェアの要求が軽減され、内部メモリ、プロセッサ、およびソフトウェアアプリケーションのローカルな必要性が減少します。
5Gのスケーラビリティは、自動運転車やスマートシティのようなデータノードの高密度化を必要とするユースケースの発展を促進するでしょう。しかし、セルラーには、現在、IoTにおける普遍的な使用を妨げる欠点があります。最も重要なのはコストです。セルラーサービスは通常、データ転送に対してビット単位で課金されるため、データの処理と保存のためにクラウドのリソースに依存するコストに影響を与える可能性があります。また、サービスが高速になるほど、信号の信頼性に対する課題が大きくなります。5Gの高速ミリ波周波数伝送は、建物、木、悪天候などの物理的な障害物による信号遮断の影響を受けやすくなっています。LPWANを利用しないセルラーデバイスは、Wi-Fiと比較しても、Bluetoothネットワークよりもかなり多くの電力を消費します。
2. Wi-Fi
Wi-Fiは、IoTの主力として機能してきた商標登録された無線LAN技術です。5Gと同様に、Wi-Fiは超高信頼低遅延通信（URLLC）の提供に不可欠です。Wi-Fiは、高速、広い範囲、豊富な機能セット、および展開の網羅的な制御レベルを提供します。Wi-Fiは、専用の産業用プロトコルや、セルラーやBluetoothなどの他の通信ともうまく連携する、拡張された接続標準ファミリーをサポートします。Wi-Fiは、展開のニーズに応じて範囲と消費電力を調整できる構成の柔軟性を提供します。
このブログで議論されている通信オプションの中で、Wi-Fiは現在、遅延と帯域幅の点で有線接続に最も近いパフォーマンスを提供します。Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）はこのパフォーマンスの卓越性を基盤としており、完全に実現されたIoT向けに開発されたため、追加の接続価値があります。まず、Wi-Fi 6はWi-Fi 5（IEEE 802.11ac）よりも最大40パーセント高速になる可能性があります。Wi-Fi 6はまた、2.4GHzと5GHzの両方の帯域で動作するデュアルバンドの俊敏性を提供します。低帯域は長距離通信に利用され、5GHzは障害物のない環境でより高速を提供し、デバイスがさまざまな条件下で最適に通信できるようにします。
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Wi-Fiの詳細な構成可能性により、技術ユーザーはパフォーマンスと設定をカスタマイズして、接続されたシステムを最適化できます。接続されたデバイスごとにデータレート、速度、制限、およびアクセス許可を細かく割り当てることができます。また、エッジデバイスの視認性を高め、脆弱なヘッドレスIoTデバイスの伝統的に不安定な展開で強力なセキュリティ対策を実装できるようにします。Wi-Fiネットワークは、接続されたデバイスごとのセキュリティ問題のよりきめ細やかな処理を可能にし、ネットワークの継続的な稼働時間を確保しながら、潜在的に侵害されたコンポーネントを速やかに削除して他のデバイスへの感染を防ぎます。さらに、Wi-Fi Protected Access（WPA）は、ネットワークデバイスとのパスワード暗号化通信を可能にし、接続されたシステムとデータへのサイバー侵入を防ぎます。
Wi-Fiの俊敏性は、多くの堅牢なIoTユースケースに最適です。Wi-Fiルーターの範囲内にある分散型ネットワークは、データを迅速、安全、かつ確実に伝送するために正常に展開できます。たとえば、エッジ監視システムは、低遅延ワイヤレス接続に依存して、監視センター、クラウドのリソース、または他のネットワークに視覚データを中継し、利用可能な帯域幅とリソースを最大限に活用して効率的なセキュリティと安全を提供します。しかし、その詳細な構成可能性は、デバイスの展開にかなりの時間と労力を要します。Wi-Fiシステムは、セルラーやBluetoothよりも実装がはるかに複雑です。継続的なデータ料金が発生しないため、Wi-Fiはセルラーよりも運用コストが低い傾向があります。ただし、Wi-Fiもセルラーと同様に、Bluetoothよりも機能に多くの電力が必要です。
3. Bluetooth
Bluetoothは、低消費電力デバイス向けに、迅速でシンプルな接続を提供する軽量技術です。Bluetoothの台頭は、メーカーが市場コスト、サイズ、バッテリー寿命に最適化された技術を開発したことにより、IoTの拡大と歩調を合わせて進みました。セルラーとWi-Fiが範囲と速度を提供することを目的としているのに対し、Bluetoothは、これらの伝送ベンチマークが主要な関心事ではない状況で、1対1または多対多の接続を提供します。
Bluetooth技術は、Bluetooth Special Interest Group（SIG）によって設定された単一の仕様の下に統合されたいくつかのプロトコルで構成されています。この仕様により、Bluetoothデバイスは展開設定に関係なく、相互に普遍的に接続できることが保証されます。ペアリングは多くの場合、ボタンを押すだけで行われ、迅速なローカルIoTセットアップを可能にします。
軽量技術であるにもかかわらず、Bluetoothは驚くほど信頼性が高く、急速にスケーラブルです。Bluetoothデバイスは、「マスター」デバイスが最大7台の「スレーブ」をコマンドするピコネットを形成できます。2つ以上のピコネットは、一方のピコネットではスレーブとして、もう一方のピコネットではマスターとして機能するデバイスを介して結合され、より広範なスカッターネットを形成できます。Bluetooth 5は、個々のデバイスの故障時にネットワークパフォーマンスを維持する自己修復メッシュネットワーク上でも動作できます。分散型メッシュネットワークは、約32,000台の相互接続されたBluetoothデバイスを組み込むことができます。
Bluetoothは、混雑した2.4 GHzの産業用、科学用、医療用（ISM）無線周波数帯で、1ミリワットの弱いデータパケット信号を通信します。しかし、デバイスは適応型周波数ホッピング（AFH）を通じて干渉を回避します。AFHは、他のワイヤレスデバイスが伝送と競合するチャネルを毎秒1,600回検出して迂回します。前方誤り訂正（FEC）アルゴリズムは、破損したデータを検出して修復し、信頼性の高い伝送を実現します。
Bluetoothネットワークは、速度、範囲、セキュリティにおいてセルラーやWi-Fiに劣ります。しかし、これらの制限は、産業空間における独自の条件によって緩和され、Bluetoothの柔軟な展開と低消費電力は、インダストリー4.0の実装に不可欠な資産となります。スマート製造施設では、接続された機器は、大規模なデータ負荷を処理するための帯域幅や、産業空間を超える範囲を必要としないことがよくあります。機器は通常、短いバーストのデータと信号を他の機器に、または処理と収集のために産業用PCやエッジコンピューターに送信する必要があります。Bluetoothの耐干渉性は、機器の動作周波数エミッションや、データを通信する何千ものデバイスやセンサーを考慮する必要がある「ノイズの多い」産業空間に適しています。Bluetoothは、他の技術よりも軽量なデバイスと信号のセキュリティを提供しますが、デバイスの短い範囲と管理された施設空間への配置により、リモートサイバー攻撃の脅威が排除されます。
結局、どのテクノロジーが主流なのか？
ほとんどのテクノロジー導入と同様に、最善の選択は意図されたユースケースに適切であると判断されたものです。各ソリューションはほぼあらゆるシナリオで役立つ機能を備えていますが、特定の実装には1つ（またはいくつかの戦略的な組み合わせ）が最適であることが通常証明されます。遠隔地やモバイル環境におけるリアルタイムIoTのニーズには、セルラーのシームレスなローミング接続が必要となるでしょう。個々のデータ負荷や電力要件を持つ、さまざまなデバイスの高度さを組み込んだより静的なエッジネットワークシステムでは、Wi-Fiの複雑な構成可能性が恩恵をもたらすかもしれません。低データ量のワイヤレス信号が溢れる小規模で管理された空間では、Bluetooth展開の操作性が恩恵をもたらすでしょう。しかし、最善の選択は、接続されたデバイスの成長と将来の多様化を可能にするものです。3つのオプションすべてを提供する計算デバイスを選択することで、オペレーターはより優れた展開の柔軟性とスケーラビリティを獲得し、ハードウェアの有用性を拡張できます。
プレミオは組み込みコンピューティングで接続します
Premioの堅牢なエッジおよび組み込みコンピューター、マザーボード、産業用パネルPCのポートフォリオは、さまざまな接続オプションを備えています。Bluetooth、4G LTE、5G、Wi-Fi 5（および現在のWi-Fi 6）は、強力なCPUおよびGPUコンピューティングパワーをネットワークシステム、IoTデバイス、クラウドのリソースにリンクさせ、厳しい条件下でほぼ無限のビジネスクリティカルなアプリケーションを実行します。
Premioの産業用コンピューターは、困難な展開条件に耐えるように特別に設計され、強化されています。ファンレスで、衝撃や振動に対する耐性が評価されているPremioのコンピューティングソリューションは、遠隔地、モバイル、または不安定な堅牢なIoT接続システムに堅牢な処理を提供します。
優れた処理能力と豊富な接続性の融合により、オペレーターはIoTシステムをより詳細に制御できます。オペレーターは、独自のアプリケーションセットを実行するために、クラウドのリソースとローカルコンピューティングの理想的なバランスを無限の柔軟性で実現できます。IoTネットワークを無限に拡張し、適切な接続技術を割り当てる能力は、組織にとって将来を見据えた運用を行う上で大きな利点となります。