令和3年度 春期 応用情報技術者試験 午後 問題 問4 IoTを活用した駐車場管理システムの通信方式と要件定義

本文の〔無線通信方式の検討〕において、LPWAについて「通信速度は a が、b の通信方式として、IoT向けに低価格のサービスが普及している」と記述されています。
LPWA (Low Power Wide Area) は、IoT 端末向けの無線通信方式であり、長距離通信 と 低消費電力（省電力） を特徴としています。その反面、LTE や Wi-Fi などの通信方式と比較して、通信速度は遅くなります。
したがって、空欄 a には「遅い」が当てはまります。

各選択肢の解説

• イ 省電力: これは通信速度の特徴ではなく、空欄 b に入る特徴です。
• ウ 大容量: LPWAは通信速度が遅く、大容量データの送受信には適していません。
• エ 速い: LPWAの通信速度はLTEなどに比べて遅いため誤りです。

本文の〔無線通信方式の検討〕において、「BLEも b という特徴がある」と記述されています。
表3の「端末Pの仕様案」を見ると、端末Pの電源方式は「バッテリ給電」とされています。したがって、端末Pで使用する通信方式には、バッテリを長持ちさせるための 低消費電力性 が求められます。
LPWA (Low Power Wide Area) と BLE (Bluetooth Low Energy) は、どちらもIoT機器などで広く利用される 省電力 な通信方式です。
したがって、空欄 b には「省電力」が当てはまります。

各選択肢の解説

• ア 遅い: これは通信速度の特徴であり、空欄 a に入る特徴です。
• ウ 大容量: BLEやLPWAは、大容量データの送受信よりも省電力を優先した規格であるため誤りです。
• エ 速い: LPWAやBLEの共通の主な特徴（表1の要件を満たすもの）としては適切ではありません。

端末Pからクラウドサービスへのデータ送信に必要な最低限の通信速度を算出します。

1. データサイズの確認:
   表3「端末Pの仕様案」より、HTTP通信の場合、1回当たりに通信するデータサイズは 2,000 バイト です。

2. ビット単位への変換:
   通信速度はビット／秒で求めるため、バイトをビットに変換します。
   $2,000 \text{ バイト} \times 8 \text{ ビット/バイト} = 16,000 \text{ ビット}$

3. 通信速度の計算:
   本文の〔LPWA通信サービスの選択〕より、このデータを 1分（60秒）以内 に送信する必要があります。
   $16,000 \text{ ビット} \div 60 \text{ 秒} = 266.666\dots \text{ ビット/秒}$

4. 四捨五入:
   小数第2位を四捨五入して小数第1位まで求めると、266.7 となります。

端末P1台当たりの月間の最大データ通信量を算出し、表4から適切な料金プランを選択します。

1. 1回当たりのデータサイズ:
   表3より、HTTP通信を使用する場合、1回当たりのデータサイズは 2,000 バイト です。

2. 1日当たりの最大データ通信量:
   本文の〔LPWA通信サービスの選択〕より、送信回数は1日 30回 を上限としています。
   $2,000 \text{ バイト/回} \times 30 \text{ 回/日} = 60,000 \text{ バイト/日} = 60 \text{ kバイト/日}$

3. 月間の最大データ通信量:
   1か月を最大の31日として計算すると、以下のようになります。
   $60 \text{ kバイト/日} \times 31 \text{ 日/月} = 1,860 \text{ kバイト/月}$
   （※1か月を30日とした場合でも $1,800 \text{ kバイト/月}$ となります）

4. 料金プランの選択:
   表4の料金プランを見ると、以下のようになっています。

   • プランA: 100 kバイト
   • プランB: 500 kバイト
   • プランC: 2,000 kバイト

   必要な通信量（約 1,860 kバイト）をカバーでき、かつ条件を満たすものは プランC となります。

高得点のポイント

• 1回当たりの通信データサイズ（2,000バイト）と、1日の最大送信回数（30回）を用いて、正しくデータ通信量を算出できていること。
• 算出された月間の最大データ通信量をもとに、表4から容量を満たす適切なプラン名「プランC」を正確に解答できていること。

クラウドサービスで必要となる全体の最低限の通信帯域を算出します。対象とする通信は「端末Pからのデータ収集」と「スマートフォンからのアクセス」の2つであり、これらが 同時に発生 することを想定して合計します。

1. 端末Pからのデータ収集に必要な帯域:

   • 設問2(1)で求めた通り、端末P1台が1分以内にデータを送信するために必要な最低通信速度は 266.7 ビット/秒 です。
   • 表1の項番4より、駐車場のパーキングスロットは最大 20万台分（200,000台） あります。
   • 全ての端末Pが同時に通信した場合の帯域は以下のようになります。
     266.7 ビット/秒 × 200,000 台 = 53.34 Mビット/秒（必要な帯域なので小数第1位に切り上げると 53.4 Mビット/秒＝イの値）

2. スマートフォンからのアクセスに必要な帯域:

   • 本文の〔クラウドサービスへのデータ蓄積とサービス提供〕より、スマートフォン1台当たりに必要な帯域は 64 kビット/秒 です。
   • 表1の項番5より、駐車場アプリからの同時アクセス数は最大 1,000 です。
   • これらが同時にアクセスした場合の帯域は以下のようになります。
     64 kビット/秒 × 1,000 = 64.0 Mビット/秒

3. 合計の通信帯域:

   • 53.34 Mビット/秒 + 64.0 Mビット/秒 = 117.34 Mビット/秒 となり、これを満たす最小の選択肢は 117.4 Mビット/秒（オ）
   • 選択肢の中で、この値を満たす最低限の帯域は オの 117.4Mビット／秒 となります。

各選択肢の解説

• ア (26.7Mビット／秒): 現在の約10万台で計算した端末P分（266.7 × 100,000 = 26.7M）の誤答です。
• イ (53.4Mビット／秒): 端末Pからのデータ収集分のみの帯域であり、スマートフォンからのアクセス分が加算されていません。
• ウ (64.0Mビット／秒): スマートフォンからのアクセス分のみの帯域であり、端末Pからのデータ収集分が加算されていません。
• エ (90.7Mビット／秒): その 26.7M にスマートフォン分 64.0M を足した値（90.7M）の誤答です。
• オ (117.4Mビット／秒): 正解です。
• カ (128.0Mビット／秒): 必要な帯域を満たしてはいますが、選択肢中にある「最低限の」値としては 117.4Mビット/秒 が存在するため不適切です。

環境情報を5年間保存するためにクラウドサービスで必要となる保存領域のサイズを算出します。

1. 1台・1日当たりのデータ量:
   • 1回当たりのデータサイズ: 2,000 バイト（表3より）
   • 1日当たりの送信回数の上限: 30 回（〔LPWA通信サービスの選択〕より）
   • 1台・1日当たりのデータ量: $2,000 \text{ バイト} \times 30 \text{ 回} = 60,000 \text{ バイト}$
2. 全台数・1日当たりのデータ量:
   • パーキングスロットの最大台数: 20万台（200,000台）（表1 項番4より）
   • 全台数・1日当たりのデータ量: $60,000 \text{ バイト} \times 200,000 \text{ 台} = 12,000,000,000 \text{ バイト}$ ($12 \times 10^9 \text{ バイト} = 12 \text{ Gバイト}$)
3. 5年間の総データ量:
   • 期間: 5年間。1年を365日として計算します。
   • 総日数: $365 \text{ 日/年} \times 5 \text{ 年} = 1,825 \text{ 日}$
   • 5年間の総データ量: $12 \text{ Gバイト/日} \times 1,825 \text{ 日} = 21,900 \text{ Gバイト}$
4. T（テラ）バイトへの変換:
   • $21,900 \text{ Gバイト} = 21.9 \text{ Tバイト}$
   • 小数第2位は存在しないため、解答は 21.9 となります。

送信エラー時にデータを蓄積して再送する仕組みにおいて、蓄積データの制限に関する問題です。

本文の〔LPWA通信サービスの選択〕の冒頭において、「端末Pで利用可能なLPWA通信サービスでは、月間に使用できる 最大データ通信量 に応じて異なる料金プランが用意されていた」と記述されています（表4も参照）。
送信エラーが続いて端末内にデータが蓄積され、通信回復時にそれらを一斉に送信しようとした場合、月間の制限を超えてしまう可能性があります。
制限を超過すると、通信速度の制限や追加の通信料金が発生する恐れがあるため、過去のデータを選別し、送信データ量の累積が利用プランの制限を超えないように制御する必要があります。
したがって、空欄 c には、表4の列名にもなっている「月間の最大データ通信量」が入ります。

高得点のポイント

• 本文中の〔LPWA通信サービスの選択〕や表4の記述を根拠として、LPWA通信サービスにおいて制限となる要素を正しく特定できていること。
• 通信速度や通信回数ではなく、「データ通信量」に関する記述であることを理解し、「月間の最大データ通信量」という字句を正確に抜き出せていること。

表3のデータ送信方式の候補から、「暗号化通信」かつ「最も通信量の少ない方式」を選択します。

1. 暗号化通信の条件:
   表3に挙げられている候補は HTTP, HTTPS (HTTP Over TLS), MQTT, MQTTS (TLS で暗号化した MQTT) の4つです。
   このうち、通信経路が暗号化されるのは、TLSを利用している HTTPS と MQTTS の2つです。

2. 通信量の少なさの条件:
   残った HTTPS と MQTTS を比較します。
   HTTP（およびHTTPS）はWebでの一般的な通信プロトコルであり、リクエストやレスポンスに比較的大きなテキストベースのヘッダ情報が付加されます。
   一方、MQTT（およびMQTTS）は、IoT デバイスなどのリソースが限られた環境向けに設計された軽量なプロトコルであり、ヘッダサイズが非常に小さく、HTTPと比較して通信量が少なくなります。

したがって、暗号化通信時に最も通信量が少ない方式は「MQTTS」となります。

高得点のポイント

• 表3の候補の中から、暗号化通信であるという条件（TLSを使用しているもの）で選択肢を正しく絞り込めていること。
• HTTPプロトコルとMQTTプロトコルの特性の違い（ヘッダサイズの大小やIoT向けであること）を理解し、より通信量が少ない「MQTTS」を選択できていること。