IEEE 802.11ah（Wi-Fi HaLow）

読み：あいとりぷるいーはちまるにてんいちいちえーえいち　／　英語表記：IEEE 802.11ah / Wi-Fi HaLow

LAN・無線LAN

1GHz未満の周波数帯を用い、長距離通信や低消費電力、多数の端末の接続に対応するIoT向け無線LANの規格である。IEEE 802.11ahが通信の技術仕様を定め、Wi-Fi HaLowはその技術に基づくWi-Fi Allianceの名称である。

イマシルちゃんの解説

畑のセンサーや建物の設備など、離れた場所に置いた小さな機器からデータを集めたいことがあるよ。
そんな用途に向けた無線LANの規格がIEEE 802.11ahで、Wi-Fi HaLowという名前でも紹介されているんだ。
一般的な家庭のWi-Fiより低い周波数の電波を使い、遠くまで届きやすくしているよ。
通信する時間を調整して端末を休ませる仕組みもあり、電池で動く機器の消耗を抑えられるんだ。
大きなデータを一気に運ぶことより、あちこちに置いた機器から必要な情報を届けることに向いているの。
広い場所で配線の手間を減らしながら、たくさんの機器をネットワークにつなげられるのが役立つところだね。

より深い解説

通信規格と製品の認証を分ける

IEEE 802.11ahは、IEEE 802.11のうちSub-1GHzでの動作を扱う仕様である。電波の変調などを定める物理層と、媒体へのアクセスやフレームの交換を制御するMAC層の両方を扱う。単に既存の無線LANの周波数だけを変更したものではない。IEEEの規格概要も、この二つの層に関する拡張として位置付けている。

Wi-Fi Allianceはこの技術をWi-Fi HaLowと呼び、Wi-Fi CERTIFIED HaLowという認証プログラムを提供している。IEEEの仕様への対応と、認証を取得して相互接続性などの要件を満たすことは区別する。機器を選ぶときは「802.11ah対応」という記載だけで認証取得済みと判断せず、対応する機能と認証情報を確かめる。Wi-Fi Allianceの説明資料は、この認証と技術の関係を説明している。

2.4GHz帯や5GHz帯だけに対応した一般的なスマートフォンは、対応ソフトウェアを入れるだけではこの電波を使えない。端末側とAP側の両方に対応する無線機能が必要である。通常のWi-Fi機器と組み合わせるときは、有線LANや両方式に対応した機器を介してネットワークを接続する。

低い周波数と狭い帯域を使う理由

同じ送信電力やアンテナ利得などを前提にすると、周波数が低いほど自由空間での伝搬損失は小さくなる。壁などを回り込む性質も通信範囲に影響する。ただし、建材や地形、アンテナの設置位置で減衰は変わるため、低い周波数ならすべての障害物を通り抜けるという意味ではない。

規格上のチャネル幅には1・2・4・8・16MHzがある。帯域を狭くすると受信する雑音の量を抑えやすく、弱い信号で通信する設計に役立つ。一方で、一度に運べる情報量は小さくなる。広い帯域を使えば高速化しやすいが、利用可能な周波数の幅や受信品質が必要になる。Wi-Fi Allianceの技術資料は、低い周波数と狭い帯域の組合せによる通信範囲の拡大を説明している。

伝送には、周波数の異なる多数の副搬送波へデータを分けて送るOFDMを用いる。この基本方式を狭い帯域で動かすことと、後述する端末の休止やアクセスの調整を組み合わせている。

各国で使える周波数帯は同一ではなく、全機器がすべての幅に対応するわけでもない。規格に選択肢があることと、ある国のある製品でその設定を使えることを分けて考える必要がある。

距離と速度の数値には条件がある

伝送速度は帯域幅だけでなく、変調方式と誤り訂正の符号化率の組合せを表すMCSなどで変わる。弱い信号でも受信しやすい設定は、同じ時間に運べるデータ量が少なくなる傾向がある。そのため、最も遠くへ届く設定と最も速い設定を同時に使えるわけではない。

代表的な数値	成り立つ条件の例	読み違えやすい点
150kbit/s	1MHz幅、データを繰り返す長距離向けの変調・符号化設定、通常のガードインターバル	アプリケーションがそのまま使える実効速度ではない
約86.7Mbit/s	16MHz幅、1空間ストリーム、高速な変調・符号化設定、短いガードインターバル	国の制度や製品の対応範囲によって利用できない
1km級の通信	見通し、出力、アンテナ、受信感度などの条件を満たす場合	建物内を含むすべての場所で保証される距離ではない

数値はWi-Fi Allianceの技術資料に示された代表例である。無線区間の理論値から実効速度を求めるには、フレームのヘッダーや受信を知らせる応答フレーム、媒体を待つ時間も考慮する。大量の小さなデータを多数の端末が送る場合は、データ部分以外に使う時間の割合も大きくなる。

多数の端末へ必要な受信情報を知らせる

接続中の端末を識別するAID（Association Identifier）は13ビットの階層構造を持ち、最大8,191台の端末を識別する仕組みがある。ただし、これは端末の管理に使える規模を示す値であり、製品が必ずその台数を収容することや、全端末が同時に最高速度で送れることを保証する値ではない。

電池で動く端末は無線機能を休止していることがある。APはその端末へ渡すデータをいったん保存し、受信待ちのデータがあることをTIM（Traffic Indication Map）という通知で知らせる。多数の端末の状態を毎回すべて長いビット列として送ると、電波を使う時間も、それを読む端末の動作時間も増えてしまう。

そこで端末の識別番号をページ、ブロック、サブブロックなどの階層へ分け、必要な範囲の状態を効率よく通知する。端末が自分に関係する通知を受け取る時機を選べるため、不要な受信を減らせる。接続台数を増やすには番号の範囲を広げるだけでなく、管理情報の送信と受信を軽くする仕組みも必要なのである。端末管理と通知の構造を扱う研究で、この階層と動作が説明されている。

同時に送ろうとする端末を減らす

多数の端末が同じ時刻に送信しようとすると、媒体を取り合う待ち時間や衝突が増える。時間帯ごとに通信へ参加できる端末群を絞るのがRAW（Restricted Access Window）である。APは指定した端末群へアクセスの機会を与え、時間窓をさらにスロットに分けて割り当てることができる。

これは、すべての端末へ一つずつ専用の時間を与えるとは限らない。同じスロットに複数の端末を割り当てる構成では、その中で媒体へのアクセスを競う。競争する台数を減らす仕組みであり、設定にかかわらず衝突を完全になくす仕組みではない。スロット内の競合を評価した研究も、割り当てる台数や時間によって性能が変わることを扱っている。

一方、端末が起きて通信する時刻をAPと調整するのがTWT（Target Wake Time）である。端末は予定時刻まで休止し、起きて必要な通信を行う。毎回ずっと電波を聞き続ける必要を減らせる。これはIEEE 802.11ahにもある仕組みであり、後のWi-Fi 6だけに固有の機能ではない。

アクセスを許す端末群の制御と、端末が起きる時刻の調整を組み合わせれば、競合と消費電力の両方を抑えやすくなる。ただし、長く休止するほど、AP側に届いたデータを端末が受け取るまで待つ場合がある。技術資料の省電力機能の説明を踏まえ、センサーの報告間隔や遠隔操作で許される遅延に合わせて決める必要がある。

日本で使う周波数と設備の条件

日本では920MHz帯を用いる構成がある。2022年9月5日の制度改正によって、IEEE 802.11ahを含む最大4MHz幅の広帯域無線システムを国内で利用できるようになったことが、802.11ah推進協議会の告知で示されている。ARIB STD-T108の改定履歴でも、特定小電力無線局の20mW以下の設備について占有周波数帯幅の上限を拡大したことを確認できる。

ただし、この周波数帯に含まれるすべての周波数や設備区分を自由に使えるわけではない。使えるチャネル、空中線電力、送信時間や事前の電波確認などの条件は、適用する設備の規則と技術基準に従う。海外で示される広い帯域幅や出力の例を、そのまま国内設定へ当てはめない。製品の国内向け仕様と技術基準への適合を確認する必要がある。

周波数の制度は変化する。2026年9月の同協議会の850MHz帯に関する資料は、登録局制度や段階的な運用開始の予定を説明している。そこに示された将来の帯域幅や出力を、既存の特定小電力設備の条件と混ぜてはならない。導入時点で利用できる制度と認証対象を確認する必要がある。

ネットワークへの接続と保護

通常のIPネットワークへ接続できるため、センサーのデータを既存のIPアプリケーションへ渡しやすい。独自の無線方式からIPへ変換する専用の仕組みを必ず挟む必要はない。ただし、インターネットへ到達するためのAPやルータ、上位回線まで不要になるわけではない。

Wi-Fi CERTIFIED HaLowはWPA3などのセキュリティ機能を対象としている。Wi-Fi Allianceの認証説明を参考に、採用する機器の認証方式や暗号化の設定を確認する。無線区間を暗号化しても、端末の初期パスワード、ソフトウェア更新、管理画面の公開範囲などの運用は別に必要である。

設備用の端末が多数ある場合は、業務用PCなどと通信範囲を分け、必要な収集サーバとの通信だけを許す構成を検討する。電波が遠くまで届く性質は便利であると同時に、設置場所の外から接続を試みられる範囲にも影響する。通信範囲の広さとアクセスの許可を混同しないことが大切である。

用途に合うかを判断する

農地の環境計測、倉庫の設備監視、建物内のメーターなど、広い範囲の端末が比較的小さなデータを継続して送る用途と相性がよい。定期的な測定値だけでなく、設定変更や機器の更新データを逆方向へ送る必要も整理する。一方向の報告が通るだけでは運用を完結できない場合がある。

設計では、端末1台のデータ量に台数と送信頻度を掛けるだけでなく、無線区間を占有する時間を見積もる。遠くの端末が低速で送ると、同じデータ量でも長い時間を使う。多数の端末が定刻に集中して報告するなら、送信時刻の分散やアクセスの割当てが必要になる。

試験では受信強度だけでなく、データが届く割合、応答までの時間、電池の消費を実際の報告間隔で測る。省電力機能で休める時間が長くても、頻繁な再接続や再送が起きれば消費は増える。台数、距離、速度、電池寿命をそれぞれ独立した最大値として選ぶのではなく、実際の設置条件と通信パターンを組み合わせて適否を判断する必要がある。