IPA IoT・モバイル通信 — 頻出論点と過去問

頻出論点

1. この分野は何か

センサや小型機器をつなぐIoTの通信方式と、スマートフォンなどで使われる移動体通信の仕組みを扱う分野です。電池で長く動く近距離・広域の無線規格や軽量なプロトコルを、通信距離・消費電力・回線の性質に応じて使い分け、モバイル網の電波特性や提供形態の違いを判断できるようになります。

2. 実際の出題のされ方

ITパスポートでは、IoTとモバイル通信の代表的な用語と特徴の対応付けが中心です。省電力の近距離無線であるBLE、広域・省電力のLPWA、端末同士がバケツリレー式に中継するマルチホップ、電力線に高周波信号を乗せるPLCが問われています。モバイル通信では、複数の周波数帯を束ねるキャリアアグリゲーション、障害物の裏に回り込みやすいプラチナバンド、他社から通信インフラを借りてサービスを提供するMVNOが出題されています。

応用情報技術者の午前と高度試験の午前Iでは、各通信規格の性質の比較やネットワーク構成上の役割が問われます。無線PANで用いられるBLE、非接触ICカードだけでなく機器間の双方向通信も備えるNFC、1つの基地局で広範囲をカバーするLPWAの識別が出題されています。また、端末の近くに処理装置を置いて遅延と通信量を抑えるエッジコンピューティングや、移動中に接続を保ったまま基地局を切り替えるハンドオーバーも問われています。

高度試験の午前IIでは、個別規格の仕様やアプリケーション層プロトコルの特徴まで踏み込んで問われます。ZigBeeの特徴、BLEビーコンによる測位と従来規格との互換性、LPWAの個別規格であるLoRaWANの選択、IoT向けの軽量プロトコルであるMQTTとCoAPの性質、自営網を構築するローカル5Gの制度上の特徴が出題されています。

3. 学習のポイント

1. IoTの通信規格（近距離無線・広域無線・有線）

   • BLE（Bluetooth Low Energy）: Bluetooth 4.0で追加された2.4GHz帯の無線PAN規格です。ボタン電池で半年〜数年間動作するほど低消費電力で、デバイスが発信するビーコンの電波強度から距離や位置を測位する用途にも使われます。なお、Bluetooth 3.0以前とは通信方式の互換性がありません。
   • NFCとZigBee: NFCは数cm程度の近距離非接触通信規格で、機器同士で双方向通信を行うピアツーピア機能を備えます。ZigBeeは物理層とMAC層に IEEE 802.15.4 を採用した省電力の無線方式で、センサネットワークやスマートメータで使われます。また、端末同士が通信をリレー方式で中継して広範囲に届ける仕組みをマルチホップと呼びます。
   • LPWA（Low Power Wide Area）: 低消費電力と数km〜数十kmの広域通信を両立する無線通信方式の総称です。免許が不要な周波数帯（アンライセンスバンド）を使い仕様が公開されている LoRaWAN と、携帯電話事業者が免許を受けた周波数帯（ライセンスバンド）とLTEの仕組みを使う NB-IoT・LTE Cat.M1 の違いを押さえておきましょう。
   • PLC（Power Line Communication）: 電力を供給する電力線に高周波の通信用信号を乗せ、電力線を有線の通信回線として利用する技術です。

2. IoT向けアプリケーションプロトコルとエッジコンピューティング

   • MQTT: TCP上で動作し、ブローカを介した パブリッシュ／サブスクライブ（Publish/Subscribe）型 モデルを採用する軽量プロトコルです。アプリケーション層のプロトコルヘッダが最小 2バイト と極めて小さく設計されています。
   • CoAP（Constrained Application Protocol）: トランスポート層にUDPを用いるバイナリベースの軽量なクライアント／サーバ型プロトコルです。UDPを使い、ヘッダが小さく、再送も軽い仕組みで行うため、パケット損失が起きやすいネットワークにつながる小電力デバイスの通信に向いています。
   • エッジコンピューティング: 演算処理のリソースをセンサ端末やIoTゲートウェイの近傍に配置することで、クラウドへ全データを送る場合に比べてアプリケーション処理の低遅延化と通信トラフィックの最適化を実現します。

3. 移動体通信（モバイルネットワーク）の技術と事業形態

   • 電波の周波数特性と高速化: 電波は周波数が低い（波長が長い）ほど障害物の裏に回り込みやすく（回折）、携帯電話の 700MHz帯〜900MHz帯 はつながりやすいプラチナバンドと呼ばれます。また、複数の異なる周波数の電波を束ねて高速化する技術をキャリアアグリゲーションと呼びます。
   • 移動時の接続制御: 移動中に接続を維持したまま通信する基地局を切り替えるのがハンドオーバー、契約事業者のエリア外で提携他社の設備を借りて通信するのがローミング、モバイル端末を親機としてPC等をインターネットに接続するのがテザリングです。
   • MVNOとローカル5G: 自社で無線回線インフラを持たず他社（MNO）から借りて移動体通信サービスを提供する事業者が MVNO（仮想移動体通信事業者） です。一方、ローカル5Gは、電気通信事業者ではない一般企業や自治体、土地・建物の所有者であっても、無線局の免許を取得すれば自らの敷地や建物内に独自の5Gシステムを構築できる仕組みです。

4. 間違えやすいところ

• PLC（電力線搬送通信）とPoE（LANケーブル給電）の混同:
  PLCを問う問題で、PoEが誤答肢として並んだことがあります。PLCは電力線を使ってデータ通信を行う技術、PoEはLANケーブルを使って電力を供給する技術であり、ベースとなる線と重畳するものが逆です。
• BLEの互換性・周波数帯・速度に関する誤答肢:
  BLEについて、Bluetooth 3.0以前の機器と互換性がある、5GHz帯を使う、最大24Mビット／秒で通信できる、Wi-Fiのアクセスポイントとも通信できる、通信に赤外線も使えるといった選択肢はすべて誤りです。BLEは2.4GHz帯を使用し、通信速度は1〜2Mビット／秒程度で、従来のClassic Bluetoothとは互換性のない独立した省電力プロトコルスタックを持っています。
• MQTTとCoAP・HTTPの特徴の取り違え:
  パブリッシュ／サブスクライブ型を採用するのは MQTT であり、CoAPはクライアント／サーバ型です。また、CoAPについてテキストベースのプロトコルとしたり、大容量で高い信頼性が要求される通信に向くとしたりする誤答肢にも注意が必要です。
• ローカル5Gと5GHz帯無線LAN・キャリアのエリア拡張の混同:
  ローカル5Gという名称から、5GHz帯を用いた高速無線LAN（Wi-Fi）や、携帯電話事業者が電波の届かない場所に小型設備を置いてエリアを拡大するサービスと誤解させる選択肢が並んでいました。ローカル5Gは第5世代移動通信システムの技術を電気通信事業者以外の主体が免許を取得して自営で構築するものです。