2012年7月25日から2.4GHz帯に加えて新たに 920MHz帯がISMバンドとして割り当てられ日本国内で使用できるようになりました。ISMバンドとは Industrial, Scientific and Medical Band の略で、主に産業・科学・医療向け用途に割り当てられた周波数帯域で免許不要で使用できます。
920MHz帯無線は別名「サブギガ帯無線」と呼ばれています。サブギガ帯無線とは1GHz以下の周波数帯のことを意味します。サブギガ帯という呼び名はWiFiやBluetoothで使用されている2.4GHzとの対比としてよく使われます。具体的な数字で呼ばずにサブギガと呼ぶ理由は、2.4GHz帯は世界共通で使用できる周波数ですが、サブギガ帯は国により使用できる周波数帯が異なるためです。
最近ではサブギガ帯を使用した LPWA（Low Power, Wide Area）と呼ばれる通信速度を極限まで落として長距離通信を実現した通信規格が話題になっています。新たに割り当てられた920MHz帯は期待が大きく、920MHzの説明の多くは従来の2.4GHzと比較して到達距離が長く、回折性が高いため障害物があっても回り込むので優れているとしています。しかし、モノを無線化する際にはその他にも考慮すべき点がいくつかあります。
それぞれ一長一短があり、2.4GHz帯にも優れた性質が多くあります。920MHz帯無線と2.4GHz帯無線はそれぞれに特徴があり目的に応じて使い分けるものです。一般に無線機能を装置に実装する場合、無線モジュールを使用します。従来の2.4GHz帯無線モジュールに加え920MHz帯無線モジュールが加わり選択の幅が広がりました。モノを無線化する際に 920MHz帯無線モジュールと2.4GHz帯無線モジュールのどちらを選択するかのご参考にして下さい。
比較表（一覧）
| 比較項目 | 2.4GHz帯（TWELITE採用） | 920MHz帯 |
|---|---|---|
| 波長 | 12.5cm | 32.6cm |
| アンテナサイズ（1/4λホイップ） | ◎ 約3cm | △ 約8cm |
| アンテナ選択肢 | ◎ 豊富 | △ 限定的 |
| 規格 | IEEE802.15.4 / ARIB STD-T66 | IEEE802.15.4g/e / ARIB STD-T108 |
| 最大通信速度 | 250 kbps | 100 kbps（日本国内） |
| 最大パケットサイズ | 127 byte | 2048 byte |
| 送信休止時間 | なし（連続送信可） | あり（厳しい制約） |
| キャリアセンス義務 | なし | あり（128μs or 5ms以上） |
| 到達距離（自由空間 100dB） | 995m | 2,594m |
| 世界共通利用 | ◎ ISMバンドとして世界共通 | △ 国ごとに周波数が異なる |
| 共通使用可能帯域幅（世界） | 83.5 MHz | 約 0.5 MHz |
| 大規模ネット構築 | ◎ 有利 | △ 通信時間制約あり |
アンテナの小型化
IoTやM2M向けのモノを無線化する用途では装置を小型化したいというニーズが強いため、アンテナは小型で性能が高いことが理想です。アンテナのサイズは使用する電波の波長で決まります。よって、2.4GHz帯は920MHz帯に比べアンテナを半分以下に小型化できます。
2.4GHzの波長は12.5cm、920MHzの波長は約32.6cmで、920MHzの波長は2.4GHzの波長よりも2.6倍長いです。例えば波長の1/4（1/4λ）で小型のホイップアンテナを設計する場合、2.4GHzは約3cm、920MHzは約8cmになります。小型センサー、小型無線タグ等の装置に8cmのアンテナは少し大きいかもしれません。
そして、アンテナを無理に小型化すると性能が犠牲になり、利得が低くなり通信性能が悪化します。同じ大きさで同じ設計のアンテナを比較した場合、920MHzのアンテナよりも2.4GHzの方が高利得になります。リンクバジェットはアンテナの送信と受信の双方で加算されますので利得の差は2倍で効いてきます。つまり、パスロスの計算で920MHzは2.4GHzよりも8.33dB余裕がありますが、アンテナを2.4GHzと同等のサイズに小型化して利得が4.2dB小さくなると2.4GHzとの差は相殺されてしまいます。よって、装置の小型化が必要な場合は同じゲインのアンテナを920MHz帯よりも小さく出来る2.4GHz帯が有利です。
アンテナの選択肢が豊富
無線通信性能はアンテナに大きく左右されます。無線はアンテナが"命"です。2.4GHz帯はWiFiやBluetooth等、世界中で幅広く使われているため設置要件や用途に応じ様々なアンテナが市場に大量に出回っており、機能、性能、価格面で選択肢が豊富なのが長所です。指向性アンテナを用い電波伝搬のエリアに制限を設けたり、高利得アンテナにより飛距離を伸ばしたりできます。
一方、920MHz帯は2.4GHz帯に比べアンテナの選択肢が限られます。特に920MHz帯の指向性アンテナに関しては波長が長いため高利得なものはそのサイズが巨大になり、設置場所が大きく制限されます。例えば 2.4GHz のパッチアンテナは、12cm 四方程度で構成できますが、920MHz 帯では単純計算で 28cm 四方の面積が必要になります。豊富な2.4GHz帯アンテナのラインナップもご覧ください。
センサーネットワーク向け両偏波パッチアンテナ
アンテナの位置と向きが通信に大きく影響します。通常のアンテナはお互いの向きを揃えないと感度が悪くなります。これは電波の波のゆれる向き（偏波）が異なってしまうためです。しかし、IoTやM2Mのセンサーネットワーク向けの用途ではセンサーの設置条件によってはアンテナの向きを揃えることが困難ですし、ウェアラブル端末のように移動している無線端末の場合はアンテナの方向は不定です。この問題を解決するためにセンサーネットワーク向けの両偏波パッチアンテナを開発しました。両偏波パッチアンテナは相手側のアンテナの向きが垂直でも水平でも良好な感度で通信できるため、様々なモノとの通信や移動端末との通信に最適なアンテナです。
電池で長時間使用
モノの無線化では電池で長時間動作することも重要な要件です。コイン型電池で年単位の動作をさせる用途も多いためです。電池は待機時間、起動時間、ネットワークへの接続時間、通信時間でそれぞれ消耗されます。
データ転送速度が速いほど、送信時間は短くてすみます。920MHz帯と2.4GHz帯を比較した場合、920MHz帯は通信速度が遅いため2.4GHz帯に比べて不利になります。センサーネットワーク向けの2.4GHz無線規格 IEEE802.15.4 規格は通信速度を 250kbps に定めています。920MHz帯を含む通信規格の IEEE802.15.4g は複数の通信速度を定めていますが、現状で日本国内で最速は 100kbps です。よって、2.4GHz帯は920MHz帯の最速と比べても通信速度が速く省電力に有利です。
2.4GHzを使用した通信規格のIEEE802.15.4は消費電力、受信感度、端末収容数のバランスをセンサーネットワークに最適化しています。同じ2.4GHzを使用した通信規格のWiFi（IEEE802.11）やBluetooth（IEEE802.15.1）はネットワークに接続した後は通信速度が速いのですがネットワーク接続に時間がかかるためその間に電池が消耗しますので省電力運用には適しません。
TWELITE CUE・TWELITE ARIA は CR2032 コイン電池で年単位の動作が可能なセンサー無線タグです。加速度・温度・湿度・磁気センサーを搭載し、ハードウェア・ソフトウェア開発不要で運用可能です。エナジーハーベスト技術についてはエナジーハーベスティングとは？のページをご覧ください。
送信休止時間とキャリアセンス
2.4GHz帯はデータの連続送信が許可されていますが、920MHz帯は通信時間や通信間隔に制限があり連続送信は許可されていません。データの再送時や省電力を実現させるためにも自由なタイミングで送信を開始できることは重要です。更に送信タイミングの制限はスループット（通信速度）やレイテンシー（遅延時間）を悪化させますので、ネットワークに参加できる端末数が減少したり処理時間が間に合わないケースが懸念されます。
920MHz帯の場合（ARIB STD-T108）
920MHz帯の通信仕様は ARIB STD-T108 で規定されています。この中で使用制限として送信休止時間が規定されています。920MHz帯では連続通信が許されておらず通信する際には送信休止時間を挿入しなくてはなりません。よって、電波干渉が無い場合でも、この制限により自由なタイミングでの送信が不可能です。これは、使用するチャネル別に制限事項が異なり制御が煩雑になります。キャリアセンス時間も128μs以上と5ms以上の2通りが定義され、それぞれ連続送信時間と1時間あたりに許された送信時間、休止時間が異なります。法に従った送信を行うための制御ソフトウェアの開発は複雑さを増すでしょう。
2.4GHz帯の場合（ARIB STD-T66）
2.4GHz帯の通信仕様は ARIB STD-T66 で規定されています。送信休止時間の規定が無く自由なタイミングで送信を開始することができ、連続通信の制限もありません。複雑な仕様による制限事項の考慮を必要とせず、極めてシンプルな制御が可能です。少ない遅延時間（低レイテンシ）での通信が可能です。データの再送や使用チャネルの変更等を自由に行う時間が確保できるため、干渉対策が可能です。
世界各国での使用
現状、世界共通で使用できる免許不要の周波数帯は2.4GHz帯のみです。920MHz帯は世界共通で使用できません。ビジネスのグローバル化が進み、製品やサービスを日本国内のみならず海外に展開するケースが増加しています。例えば工場内の設備の監視制御システムの場合、国内工場と海外工場で同一のシステムが使用出来ることは大きなメリットです。
サブギガ帯は世界で共通して使用できる周波数が存在しません。海外では北米が 915MHz帯、ヨーロッパが 868MHz帯をサブギガ帯として使用しています。全ての主要国で共通している帯域幅は約0.5MHzと極めて狭くなります。一方、無線免許なしで使用できる帯域（ISMバンド）として唯一共通して使える周波数帯が2.4GHzです。国際的に 2400MHzから2483.5MHzの83.5MHzと十分な帯域が確保されています。
2.4GHz帯は干渉し易いのか？
無線を使う以上、どの周波数を用いたとしても電波干渉は常に起こり得ます。2.4GHz帯の懸念事項はWiFiの混雑です。しかし、5GHz帯を使用して433Mbps〜6.93Gbpsの高速なデータ通信が可能な最新仕様のIEEE802.11acがリリースされたため、今後WiFiは5GHz帯への移行が進み、2.4GHz帯の混雑は緩和されます。
IEEE802.15.4のデータパケットは非常に小さく（1チャネル幅2MHz、最大127バイト）、通信速度が速い（250kbps）、通信時間は最大0.004秒（4/1000秒）と一瞬ですのでパケットが衝突する可能性は極めて低い設計になっています。920MHz帯はIEEE802.15.4g/eで規定されている最大パケットサイズは2048バイトまで許されており、通信速度が100kbpsの時の通信時間は0.164秒、通信速度が50kbpsの時の通信時間は0.328秒となります。このような長時間通信を行い通信占有時間が大きな端末がネットワークに多数参加した場合、920MHz帯の方が干渉が起き易い状態になります。
IEEE802.15.4は狭帯域通信でノイズ消去性能が高いDSSS（スペクトラム拡散）を採用しています。2.4GHz帯は920MHz帯のように送信制限や休止時間がありませんので、速やかなデータ再送によりエラーを訂正することが可能です。つまり、2.4GHz帯は920MHz帯よりも通信プロトコルによる確実な干渉回避を構築可能です。
大規模ネットワーク構築
周波数が高い方がより多くの情報を伝送することが出来ます。よって、2.4GHz帯は920MHz帯よりも短い時間で通信が可能です。そして、2.4GHz帯には920MHz帯のように送信休止時間の制限がありませんので一定時間により多くの通信が可能です。結果として2.4GHz帯は920MHz帯よりも大規模なネットワークを構築可能になります。
通信距離とフレネルゾーン
通信距離は周波数よりも無線モジュールの性能差に大きく依存します。基本的にリンクバジェットが大きな無線モジュールが良く飛びます。リンクバジェットは送信出力、アンテナの送信利得、アンテナの受信利得を足したものから受信感度を引いたものです。
自由空間における理論値
100dBのリンクバジェットでの通信距離は920MHzで2,594m、2.4GHzで995mです。同じリンクバジェットの場合、920MHzの通信距離は2.4GHzに対して約2.6倍長い計算になります。920MHzは2.4GHzに対してリンクバジェットが 8.33dB 少なくても同じ距離で通信可能です。しかし、実際に無線機器が理想的な自由空間で使われることは稀で使用環境は様々です。
アンテナの高さとフレネルゾーン
電波はアンテナ間を結んだ線に対して回転楕円体の形状で広がり伝播します。この空間をフレネルゾーンと呼びます。フレネルゾーンの一部にでも障害物があれば通信距離に影響します。アンテナ間が100mの場合、2.4GHzは1.8m、920MHzは2.9mのアンテナ高が必要です。1000mの場合、2.4GHzは5.6m、920MHzは9mのアンテナ高が必要です。つまり、920MHzは2.4GHzに比較して1.6倍のアンテナ高を必要とするということになります。
アンテナが低い場合はアンテナ間に何も無くても大地が巨大な障害物となります。そして、920MHz帯は2.4GHz帯よりフレネルゾーンの径が大きいため障害物に影響される範囲が広いということになります。よって、サブギガの長距離通信の効果を発揮させるためには携帯電話の基地局のように十分高い位置にアンテナを設置し、高出力で通信する必要があります。
フレネルゾーン60%確保時の通信距離
一般的にフレネルゾーン半径の60%を確保できれば通信を良好に行えるといわれています。高さ70cmでフレネルゾーンの60%を確保できる距離は 2.4GHzで約44.5m、920MHzで約17mです。2.4GHzは920MHzよりも2.6倍長い距離となります。高さ1mでフレネルゾーンの60%を確保できる距離は 2.4GHzで約90m、920MHzで約40mです。室内で使用する場合は壁や床、天井で閉ざされた空間で電波が回折する隙間はありません。よって、センサーネットワーク用途で電波到達に最も重要な要素は回折性ではなく透過性です。
まとめ：どちらを選ぶべきか
M2M、IoTをはじめとするセンサーネットワーク機器に使用する場合は920MHz帯に比べ2.4GHz帯が有利な点が数多くあります。2.4GHz帯はグローバルに製品展開ができる点、アンテナサイズが小さいため製品の小型化ができる点、通信速度が速いため低レイテンシの通信ができる点、送信休止時間が無いので連続通信ができたり干渉回避対策に有利な点など多くのメリットを持ちます。
2.4GHz帯（TWELITE採用）を選ぶべき用途
- 装置の小型化が重要な無線タグ・センサーノード
- グローバル展開を想定する製品（世界共通ISM帯）
- 多数の端末が高頻度通信する大規模センサーネットワーク
- 低レイテンシのリモコン・制御用途
- アンテナの選択肢を活かしたい用途（指向性・高利得等）
920MHz帯を選ぶべき用途
- 屋外で見通しのある長距離通信（フレネルゾーン確保可能な高所設置）
- 低速・低頻度の通信で済み、LPWAインフラを活用したい場合
- WiFiの混雑を完全に避けたい特殊用途