IEEE802.15.4の概要
IEEE802.15.4は2003年にIEEE（米国電気電子学会）が策定したLR-WPAN（Low Rate Wireless Personal Area Network：低レート無線パーソナルエリアネットワーク）の標準規格です。物理層（PHY）とMAC層（Media Access Control）を規定しています。
主な特徴は以下の通りです：
- 低レート（最大250kbps）— センサーデータ送信に必要十分
- 低消費電力（コイン電池で年単位動作可能）
- 短距離（数十m〜数百m）
- 低コスト（モジュール価格が安い）
- 多数ノード接続（理論上65,536台）
- 免許不要のISMバンド使用
これらの特性により、IoT・ワイヤレスセンサーネットワーク（WSN）・スマートホーム・産業用無線制御で広く採用されています。
周波数帯とデータレート
IEEE802.15.4は複数の周波数帯と通信速度を規定しています。
| 周波数帯 | 地域 | チャネル数 | データレート | 変調方式 |
|---|---|---|---|---|
| 2.4GHz帯（2400-2483.5MHz） | 世界共通 | 16ch（11〜26） | 250 kbps | O-QPSK |
| 915MHz帯 | 北米 | 10ch（1〜10） | 40 kbps | BPSK |
| 868MHz帯 | 欧州 | 1ch（0） | 20 kbps | BPSK |
2.4GHz帯は世界共通利用可能かつ最高速で、TWELITEもこの帯域を採用しています。日本国内の特定小電力無線として ARIB STD-T66 に準拠します。
パケット構造（フレーム構造）
IEEE802.15.4のパケットは 最大127バイトと非常にコンパクトです。これにより通信時間が短く干渉に強い設計になっています。
パケットは以下の構造で構成されます：
- SHR（Synchronization Header）: プリアンブル4バイト + SFD（フレーム開始識別子）1バイト
- PHR（PHY Header）: パケット長1バイト（最大127）
- PSDU（PHY Service Data Unit）: MAC層データ（最大127バイト）
- MHR（MACヘッダ）: フレーム制御2バイト + シーケンス番号1バイト + アドレス情報
- MSDU（ペイロード）: 実際のデータ
- MFR（MACフッタ）: FCS（CRC-16）2バイト
通信時間は最大4ミリ秒（4/1000秒）と一瞬で、衝突確率を最小化しています。詳細な構造はIEEE802.15.4 パケット構造ページで解説しています。
キャリアセンス（CSMA-CA）
IEEE802.15.4のMAC層では CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式）を採用しています。送信前にチャネルが使用中かを確認し、空いていれば送信、使用中ならランダム待機後に再試行することで衝突を回避します。
WiFi（IEEE802.11）と同じCSMA系の方式ですが、IEEE802.15.4はパケットが小さく送信時間が短いため、衝突確率がWiFiよりも遥かに低いのが特徴です。
DSSS（直接拡散方式）と干渉耐性
IEEE802.15.4の2.4GHz帯は DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum：直接拡散方式）を採用しています。データを高速のチップシーケンスで拡散して送信することで、ノイズや干渉に強くなります。
結果として、電子レンジ・WiFi・Bluetoothとの共存環境でも安定通信が可能です。狭帯域（2MHz幅）なため、WiFi（20MHz幅）の隙間にも入り込めます。
ネットワークトポロジー
IEEE802.15.4は複数のネットワークトポロジーをサポートします：
- スター型：1台のコーディネーター（親機）を中心に多数の子機が接続。シンプルで管理しやすい。
- ピアツーピア型：機器間で直接通信。中継機を経由してマルチホップも可能。
- クラスターツリー型：階層的なネットワーク。大規模システム向け。
- メッシュ型：すべての機器が中継機能を持ち、経路冗長性が高い。IEEE802.15.4自体は規定しないが、Zigbee/Thread等の上位プロトコルで実現。
他規格との比較
| 規格 | 周波数 | 速度 | 消費電力 | 距離 | 主用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| IEEE802.15.4 | 2.4GHz他 | 250kbps | ◎ 極低 | 数十m | センサーNW・IoT |
| WiFi（802.11） | 2.4/5GHz | 数百Mbps〜 | × 高 | 数十m | 動画・大容量データ |
| Bluetooth Classic | 2.4GHz | 1-3 Mbps | △ 中 | 10m | 音声・データ転送 |
| BLE | 2.4GHz | 1Mbps | ○ 低 | 10〜30m | ビーコン・ウェアラブル |
| LoRaWAN | 920MHz他 | 0.3-50 kbps | ◎ 極低 | 数km | LPWA・スマートシティ |
| NB-IoT | セルラー | 62 kbps | ○ 低 | 数km | LPWA・セルラー |
IEEE802.15.4を採用する上位プロトコル
IEEE802.15.4は物理層・MAC層のみを規定しており、その上に複数のプロトコルが構築されています：
- Zigbee：スマートホーム・産業オートメーション向けのメッシュネットワーク
- Thread：Google/Apple/Amazonが推進するMatter対応のIPv6ベースメッシュNW
- 6LoWPAN：IPv6を低電力無線で利用するためのアダプテーション層
- WirelessHART：産業用センサーネットワーク
- ISA100.11a：プロセス産業向け
- TWELITE NET（モノワイヤレス独自）：シンプル・高信頼の親機/中継機/子機ネットワーク
IEEE802.15.4 vs Zigbee の違い
よくある混同：IEEE802.15.4は物理層・MAC層の規格、Zigbeeはその上のネットワーク層・アプリケーション層を含む完全なプロトコルです。「IEEE802.15.4 = Zigbee」ではありません。TWELITEはIEEE802.15.4をベースに、モノワイヤレス独自のシンプルプロトコル「TWELITE NET」を採用しているため、Zigbeeとは互換性がありません。
IEEE802.15.4の改訂版
IEEE802.15.4は継続的に改訂されています：
- IEEE802.15.4-2003：オリジナル版
- IEEE802.15.4-2006/2011/2015/2020：改訂版
- IEEE802.15.4g/e：920MHz帯（サブギガ）対応、低消費電力強化
- IEEE802.15.4z：UWB（Ultra Wide Band）対応、精密測位
TWELITEとIEEE802.15.4
TWELITEは IEEE802.15.4-2006準拠の2.4GHz帯を採用しています。世界共通帯域・250kbps高速・16チャネル・小型13.97mm角・1.0μA省電力Sleepというスペックで、IoTセンサーネットワーク構築に最適化されています。920MHz帯との比較もご覧ください。