家庭内ネットワーク、相互運用性の確保が課題

2004年4月号

Illustration by Richard Downs

家庭内ネットワーク、
相互運用性の確保が課題

パソコンやデジタル家電機器などの家庭内のデジタル機器を相互に接続するネットワークの必要性が高まっている。このためには機器をネットワークに容易に接続でき、接続された機器同士がデジタル・コンテンツを簡単にやり取りできる仕組みが欠かせない。相互運用性の確保と標準化作業が必須である。一方でコンテンツの著作権保護に、配慮する必要がある。

ワレン・ウェブ
Warren Webb

　デジタル家電の市場が、急速に成長しつつある。数多くのデジタル家電機器が家庭に入り込んでおり、これらの機器をネットワークで相互に接続することをエンド・ユーザーは要求し始めた。しかし現在、エンド・ユーザーがネットワーク接続のセットアップ方法を学び、操作方法を覚えることは容易ではない。機器をネットワークに接続するだけで、デジタル・コンテンツを簡単にやりとりできることが望ましい。機器同士の相互運用性を確保する、標準的な技術仕様が必要である。
　こういった課題に家電機器の設計者が対処することは、極めて難しい。新しく設計する機器は、既存の製品や競合他社の製品だけでなく、将来開発される製品とも相互に接続できる柔軟性を備えていなければならないからだ。例えばある機器がデジタル・データを表示する場合は、デジタル・コンテンツを生成して格納する機器と接続できるようにしておく必要がある。

　さらに具体的に述べれば、デジタル・テレビ受像機はさまざまなデータ入力に対応しなければならない。アンテナやケーブルなどである。そして各種の機器と接続できるようにしておく必要がある。家庭内にはVTR、DVDビデオ・プレーヤー、パソコン、携帯型情報機器、インターネット機器などがある。そして複数のテレビ受像機が存在している。こういった機器同士を簡単に接続する、家庭内ネットワークが不可欠なのである。
　エンターテインメント機器は、家庭内に存在する機器の大半を占める。ホーム・シアターやテレビ受像機、ステレオ機器などである。こういった機器は家庭内ではまだデジタル方式ではなく、アナログ方式であることが少なくない。一方でデジタル方式の機器が家庭に次々と入り込んでいる。このため家庭内ネットワークでは、アナログ方式の機器とデジタル方式の機器が混在した状態を考慮する必要がある。また忘れられがちだが、ホーム・オートメーション機器やセキュリティー機器なども、ネットワーク接続の対象に含めなければならない。
　現在、家電機器の多くは独立した、ほかの機器とは接続されていない状態で動作している。家庭内ネットワークがオープンな規格として普及すれば、状況は劇的に変化するだろう。エンド・ユーザーは自宅にいるかどうかに関係なく、どこからでもインターネットを通じて家電機器にアクセスし、制御できるようになる。

パソコンでメディアを扱う

　デスクトップ・パソコンやノート・パソコン、携帯型情報機器、多機能携帯電話機などは、家庭の情報化をけん引する。エンド・ユーザーはこれらの機器でさまざまなデジタル・コンテンツを取り込み、楽しんでいる。それは音楽データであったり、写真データや動画データであったりする。
　パソコンを使うと、デジタル・コンテンツを簡単に検索したり、順番を変えたりできる。デジタル・コピーも簡単である。そこでテレビ受像機やステレオ機器に接続できるパソコンが登場してきた。米マイクロソフト社のオペレーティング・システム「Windows XP Media Center Edition」を搭載したパソコンである。
　Media Centerは、ウインドウズXPプロフェッショナル版の拡張機能であり、ビデオ・レコーダーの機能を有する。またマルチメディア・データの編集と保存、再生用のユーザー・インターフェースを備える。Media Centerを動かすには特別なハードウエアを必要とする。このためマイクロソフト社は認定ベンダーを通じてのみ、Media Centerを販売中である。同社はまた、ソフトウエア開発キットの無償ダウンロード・サービスを提供している。
　Media Centerを搭載したパソコンには例えば、米ゲートウェイ社＊の「610XL Media Center PC」がある（図1）。17インチ型の液晶ディスプレイ、動作周波数3GHzのペンティアム4プロセッサー、512MバイトのDDR SDRAM、200Gバイトのハード・ディスク装置、CD-RW/DVD-RW装置、無線ネットワーク機能を搭載する。価格は2000米ドルである。

有線でつなぐ

　家電機器は、家庭内のあちこちに置かれている。ローカル・エリア・ネットワーク（LAN）はこれらの機器を相互に接続し、制御データとコンテンツ・データを伝送する。学校に通う子供のいる家庭では、複数台のパソコンを所有することが珍しくなくなってきた。有線あるいは無線のパソコン・ネットワークを構築した家庭が少なくない。しかし現在のところ、メディア・フォーマットや転送プロトコルなどはネットワークごとにばらばらである。
　最も普及しているパソコン・ネットワーク規格はイーサーネットである。イーサーネットはカテゴリー5のケーブルを介してノードを接続する。家庭内ネットワークとしての問題は、ケーブルの設置が面倒なことである。しかし各種のネットワークの中でもイーサーネットは安価なため、住宅建築業者はネットワーク技術としてイーサーネットを選ぶことが多い。米国では新築家屋の約20％が、ネットワーク用宅内配線をあらかじめ施工している。米IBM社から独立した 米ホーム・ディレクター社＊は、オーディオ・ビデオ・システムやセキュリティー・システム、パソコン、インターネット接続などに向けた宅内配線用製品を住宅建設業者に販売している（図2）。
　新たな配線が不要であるという特徴を備えるのが電力線ネットワークである。電力線ネットワークの開発者は、データ転送速度を高め続けてきた。1970年代半ばの苦痛なくらい低速の「X-10」から始まり、次世代の「Home Plug（ホームプラグ） AV」では100Mビット/秒へと向上する ＊1）。
　電力線ネットワークは、家庭内ネットワークとしては理想的に見える。機器を電源コンセントに接続するだけで、ネットワーク接続したことになるからだ。しかし電力線ネットワークは、いくつかの本質的な問題を抱えている。接続ノードがコンセントに限定されていること、接続ノードのコストがかかること、帯域幅を共有しなければならないことなどである。
　なお電力線通信技術としてはほかに、カナダのドモシス社＊が開発した「PowerBus」や 米エシェロン社＊が開発した「LonWorks」などがある。両社とも通信用モジュールなどの製品を販売している。

無線でつなぐ

　携帯型情報機器やノート・パソコンなどの電池動作機器が普及したことによって、無線による相互接続が家庭内ネットワークの有力候補に挙がってきた。無線ネットワークに接続しておけば、機器を容易に移動できるからだ。
　現在普及している無線ネットワーク規格には WiFi＊およびIEEE 802.11bがある ＊2）。通信距離は約100mと、家庭内で使うには十分だ。そしてこの規格に対応した半導体チップは、かなり安価になっている。通信プロトコルはイーサーネット、通信方式は CSMA/CA＊である。複数のユーザーが同じ周波数帯域を利用できる。問題は、電子レンジやコードレス電話機などと同じ周波数帯域を使用するため、これらの機器と干渉することである。ただし干渉が発生しても、無線通信が停止することはない。データ転送速度が低下するだけである。またセキュリティー対策が貧弱であるため、IEEE 802.11bのネットワークには使用権限のないユーザーが簡単に浸入できてしまう。
　WiFiおよびIEEE 802.11bの最大データ転送速度は11Mビット/秒である。この帯域幅は単一のビデオ・ストリームをかろうじて伝送できる程度にとどまる。複数のビデオ・ストリームや高精細デジタル・ビデオを伝送するには、より高速の無線通信技術を選択せざるを得ない。
　そこでIEEEは、より高速の無線通信規格であるIEEE 802.11aとIEEE 802.11gを策定した ＊3）。IEEE 802.11aの最大データ転送速度は54Mビット/秒と高い。変調方式は OFDM＊。搬送波周波数は5GHzと高く、家電機器と干渉せずに済む。IEEE 802.11gの最大データ転送速度は54Mビット/秒であり、IEEE 802.11aと同じだ。搬送波周波数は2.4GHzであり、IEEE 802.11bと同じ帯域を占有する。ただし通信距離はIEEE 802.11bよりも短い。IEEE 802.11a/b/gのすべてに準拠した無線通信用LSIがすでに入手可能である。このチップの価格は急速に低下しており、WiFi用チップに近づいている。
　現在、さらに高速な無線通信技術の開発と共通規格の策定が進行中である。UWB＊技術を利用した無線通信規格IEEE 802.15.3aである。UWB技術による無線通信では、通信距離が10mのときに最大データ転送速度110Mビット/秒を実現できる。この速度は、IEEE 802.11a/gの2倍に相当する。
　UWB技術は立ち上がり時間が極めて短いパルスを使い、ほかの機器にとっては無害な雑音にしかならない低い電力で信号を伝送する。信号エネルギーは、数GHzと広い帯域に拡散される（図3）。このため、IEEE 802.11などの無線技術と共存できる。
　現在のところ、IEEE 802.15.3aの標準化作業は難航している。米モトローラ社を中心とする陣営と、米インテル社や米テキサス・インスツルメンツ社などを中心とする陣営に分裂しているからだ。前者は直接シーケンス CDMA＊技術を、後者はマルチバンドOFDM技術を提案している ＊4）。

家庭でインターネット接続

　家庭内ネットワークを構成する重要な技術に、インターネット接続がある。高性能なシステムでは不可欠な機能だ。インターネット接続機能を利用することによって家電機器を遠隔地からモニターし、制御できるようになる。またインターネット接続機能は、家電機器を外部のコンテンツにアクセスできるようにする。
　インターネットに接続する方法はいくつか存在する。最も基本的な手法はダイヤル・アップ接続である。しかし多くのエンド・ユーザーはデジタル加入者線 （DSL＊）やケーブル・テレビ、広帯域無線などの手法を選ぶ。
　例えば無線技術によるメトロポリタン・エリア・ネットワーク規格のIEEE 802.16a、別名「WiMAX」がある。IEEE 802.16aは、1つの基地局から30kmの通信距離で数1000のユーザーに70Mビット/秒の速度でデータを伝送できる。周波数帯域は2G～11GHzである。
　家電機器とインターネットを結ぶゲートウエイ装置は、ファイアーウオールやネットワーク管理、デジタル・コンテンツ配信などの役割を担う。複数のベンダーが、ゲートウエイ・システムの開発と導入を促進するためにリファレンス・アーキテクチャーを供給している。
　例えば米 ADIエンジニアリング社＊は、米インテル社のネットワーク・プロセッサー「IXP425」を搭載したゲートウエイ用のリファレンス設計「Coyote（コヨーテ）」を販売中である。Coyoteは、イーサーネットあるいは ADSL＊を介したネットワーク接続機能、IEEE 802.11a/bのシングルあるいはデュアル・モード機能、2回線の音声電話回線、4ポートのイーサーネット・スイッチ、VoIP＊機能、USBポート、RS232インターフェース、IDEインターフェース、パラレル・ポートなどを備える（図4）。

標準の技術仕様が必要

　家庭内ネットワークが数多くの技術を利用できたとしても、すべてが普及するとは限らない。普及のカギは、家電機器同士がいかにうまく連携するかという点にある。ネットワーク接続されたさまざまな機器がデジタル・コンテンツを簡単に共有できるような、業界標準の技術仕様が望まれている。
　これまでにも複数の業界団体が、家電機器の相互運用性を確保する共通規格をまとめようとしてきた。しかしその大半は、主要なハードウエア・ベンダーとソフトウエア・ベンダーの参加を得られないでいる。
　その中でも DHWG＊は、比較的良好なスタートを切ったように見える。この業界団体にはマイクロソフト社やインテル社、米ヒューレット・パッカード社、米IBM社、ソニーなどの有力企業が参加しているからだ。DHWGは、家庭内でパソコンや家電機器、携帯型機器などが有線ネットワークおよび無線ネットワークで相互に接続された状態を想定する。そしてこれらの機器がデジタル・メディアをやり取りしたり、コンテンツ・サービスを受け取ったりできるようにする。このための設計ガイドラインとなる標準規格を2004年半ばまでに策定する計画である。策定する設計ガイドラインは、インターネット・プロトコルや UPnP＊（ユニバーサル・プラグ・アンド・プレイ）、WiFiといった既存の標準技術を利用する。
　相互運用性を確保するには、メディア・フォーマットや転送プロトコル、デバイス管理技術、ネットワーク技術などを定めなければならない。DHWGでは最も普及しているフォーマットを必ずサポートするとともに、高性能のフォーマットをオプションで標準規格に加える方針である。
　図5に、策定中のDHWG規格の概要を示す。例えばデジタル画像分野では、JPEG＊と PNG＊のサポートを要求する。PNGはライセンス・フリーのファイル・フォーマットである。ラスター・イメージを無損失で圧縮する。インデックス・カラー、グレイ・スケールおよびトルー・カラーをサポートしている。またDHWGは、オプションのフォーマットとして GIF＊と TIFF＊を加えた。
　デジタル・オーディオ分野では、LPCM＊のサポートを要求する。LPCMは非圧縮のオーディオ・フォーマットである。CDオーディオと似ているものの、CDよりも高いサンプリング周波数と量子化ビット数で符号化する。サンプリング周波数は48kHzあるいは96kHzである。量子化ビット数は16/20/24ビット。チャンネル数は最大8チャンネルである。オプションのファイル・フォーマットとしては AAC＊、MP3＊、AC3＊、ATRAC3plus＊、WMA9＊がある。
　デジタル・ビデオ分野では MPEG2＊のサポートを要求する。またオプションとしてMPEG1、MPEG4、WMV9＊を加えた。

著作権を保護する

　家庭内にネットワークを普及させるときの課題に、デジタル・コンテンツの著作権管理がある。映画や音楽などのコンテンツ制作者は、デジタル家電やネットワークなどの設計者に著作権保護の枠組みを設けて欲しいと考えている。しかし設計者にとっては、著作権保護を組み込む利点がない。そこでコンテンツ制作者は著作権保護を標準規格に組み込むべく、DHWGに働きかけている。DHWGは当初、著作権保護を重視していなかったからだ。
　マイクロソフト社はソフトウエア開発キットの「Windows Media Rights Manager（ウインドウズ・メディア権利マネジャー） 9」シリーズを供給している。この開発キットを使うと、デジタル・メディアのファイルを暗号化してライセンスを発行するアプリケーション・ソフトウエアを作成できる。こうして作成した「Windows Media（ウインドウズ・メディア）」ファイルは、暗号化鍵で暗号化されたファイルを含む。ライセンスを入手した者だけが、このファイルを再生できる。

接続を自動化する

　家電機器の相互接続を簡単に実現するためには、機器同士の接続を自動化する必要がある。このためには、機器を自動的に検出し、管理する仕組みを備えていなければならない。そこでDHWGは、UPnPを標準仕様として要求している。UPnPは、機器がピア・ツー・ピアでネットワークに接続するために利用できる、一連のサービスを定義する。UPnPを組み込んだ機器はネットワークに接続するだけで、複雑な操作や設定作業をせずともネットワークを利用できるようになる。
　UPnPは共通プロトコルを使用しており、デバイス・ドライバーを不要にしている。このためプログラミング言語やオペレーティング・システムに依存せずにUPnPを実装できる。インテル社はUPnP搭載機器用のリナックス・ソフトウエア開発キットを作成し、オープンソースのコミュニティーに公開した ＊5）。

用語解説 / 会社情報

【米ゲートウェイ社】
Gateway, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.gateway.com/


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