IoT向けのサブGHzワイヤレスMCUおよびコンポーネント

投稿日 2021/11/15 月曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

近年、IoTデバイスの使用が大幅に増加しており、その多くは産業生産、インフラ、ホームオートメーション、スマートメーター、ウェアラブル電子機器などの背景で進行しています。消費者向けスペースでは、IoTデバイスは主にWiFiやBluetoothを介して、短距離の屋内ネットワークに接続します。今日では、より多くのデバイスが低周波プロトコルを介して長距離で統合されるか、同じデバイス上で高周波と低周波のプロトコルを組み合わせたハイブリッドアプローチを取っています。これをすべてまとめるには、複数の無線プロトコルとデジタル処理、組み込みアプリケーションの融合が関わってきます。

なぜこれらのシステムでサブGHz無線に焦点が当てられ続けているのでしょうか、特にBluetooth、WiFi、セルラー、その他の2.4 GHz ISMバンドオプションなど、多くの有用なプロトコルがすでに存在する場合には？サブGHz無線には利点があり、IoTサービスプロバイダーからこれらの製品に対するサポートが大幅に増えています。これは、プライベートネットワークアーキテクチャを構築し、基地局を通じてクラウドサービスに接続するか、既存の無線キャリアを通じてクラウドサービスにアクセスすることがはるかに簡単であることを意味します。米国では、主要な通信会社が自社のネットワーク上でIoTサービスを提供しており、主要なクラウドサービスプロバイダーを使用してIoTハードウェアと接続する自分のクラウドサービスプラットフォームを設定できます。

結局のところ、サブGHzプロトコルをボードに載せることができなければ、長距離、低電力無線通信およびこれらのプロトコルが可能にするサービスを利用することはできません。この記事では、広く認識されているサブGHz帯内での低電力、長距離無線接続における主要な考慮事項について見ていきます。

サブGHz無線オプションの選択

サブGHz無線接続を備えたIoT製品を構築するには、これらの周波数をサポートし、IoTネットワーク用の望ましい無線プロトコルを実装するチップセットを選択する必要があります。IoTデバイスに使用される初期のMCUにはこれらの機能が含まれておらず、専用モジュールが必要であったり、デバイスアプリケーションでのエミュレーションが必要でした。今日では、複数のサブGHzプロトコルをサポートするいくつかのチップセットと完全に統合されたMCUがあります。これらの製品の中には、2.4 GHz範囲の高周波ISMバンド、および可能であれば5 GHzまでのWiFiもサポートするものがあります。IoTプロトコル選択の基本についてはこちらをお読みください。

さまざまな標準とプロトコルの組み合わせが、設計で利用可能な周波数を決定し、これが電力消費の主要な要因となります。有線または無線ネットワーキングプロトコルを選択する際、通常、データレートが主要な考慮事項です。サブGHz無線では、これらのプロトコルの低電力消費と、これらの周波数で利用可能な長距離が主な利点です。したがって、ネットワーク上のエンドデバイスにとって、デバイスの寿命と通信範囲の要件をアプリケーションに合わせることが通常、より重要です。

範囲と電力のバランス

高周波と低周波のプロトコルは、減衰と消費電力の2つの主要な側面で異なり、それらの理想的な適用領域を決定します。一般に、低周波数は低消費電力と長距離に対応しているため、サブGHzプロトコルはこれらのIoTアプリケーションに理想的です。低周波数伝送は、丘、建物などの障害物による問題も少ないため、この長距離能力は中継地点や基地局の必要性をなくします。これを、エンドユーザーへのサービス提供のためにミニ基地局を実装する必要がある次世代の5G展開と対比してください。

特定の距離と伝送周波数（実際には波長）で送信機の電力要件を見積もる簡単な方法は、Friisの経路損失式を使用することです。この式は、伝送周波数（またはむしろ波長）と範囲の間のトレードオフを示しています：

ここで：

Pr = 受信電力
Pt = 送信電力
Dt = 送信機の指向性
Dr = 受信機の指向性
d = 送信機と受信機のアンテナ間の距離
λ = 伝送波長

効果的に、受信機の感度（dBmで指定）を知っていれば、与えられた波長と見通しの伝送距離に必要な送信機の電力を決定できます。一般に、伝送範囲を2倍にすると、無線リンクの電力予算を6 dB増やす必要があります。さらに、周波数を2倍にすると、受信電力が6 dB減少することがわかります。これらはすべて、2つのアンテナ間の見通し伝送に依存する理想化された要因です。実際のシナリオで展開されたデバイスは、吸収、多重経路伝播および反射、さらには天候からの損失を経験します。したがって、限定された範囲の可能性を考慮して、システムに現実的な安全余裕を確保することを確認してください。

サブGHzチップセットの重要な仕様

範囲と伝送周波数は、サブGHz IoTデバイスを設計する際の主要な考慮事項ですが、これらの設計で考慮すべき他の仕様がいくつかあります。

消費電力

サブGHzワイヤレス製品（および他のすべてのワイヤレス製品）は、特定の範囲仕様を持たないか、持っていてもそれは単なる推定値に過ぎません。それらは、EIRP値（等価等方向放射電力、単位はdBm）として指定された特定の電流に対する電力出力値を持ちます。指向性/利得が1より大きいアンテナを使用して指向性のある転送を行い、データを送信するために必要な消費電力を削減することができます。待機電流が低く、低電力モードおよびウェイクアップタイマーを備えたシステムを使用することで、システム全体の消費電力をさらに削減できます。これらの要因をすべて考慮すると、消費電力を最小限に抑え、コインセル電池で10年以上の総有用寿命を持つデバイスを設計することができます。

受信機の感度

上述の通り、受信機の感度と送信周波数がシステムの範囲を決定します。帯域幅が大きいチャネルは、より高感度の受信機を必要とし、これがサブGHzリンクの範囲を制限する可能性があります。これを補うためには、送信電力を増加させる、範囲を制限する、データレートを下げる、またはアプリケーションに適した異なるプロトコルに移行することが必要になるかもしれません。アンテナの利得/指向性もここで役割を果たし、方向性のある送信によって低感度を補うことができます。

変調と共存に関する考慮事項

ISMバンドプロトコルの特定の部分が共存の課題を経験するのと同様に、サブGHzバンドもチャネル間で干渉を経験することがあります。サブGHzプロトコルは通常、キーイング変調方式（FSK、ASK、OOKなど）を使用します。場合によっては、データをより高いビットレートにエンコードするか、周波数ホッピングスプレッドスペクトラム（FHSS）のような方式でチャネル帯域幅を増加させるために、スプレッドスペクトラムメカニズムが使用されます。下に示されている例は、与えられた平均送信電力のために帯域幅を増加させるためにデータレートの増加が使用されていることを示しています。

スプレッドスペクトラム送信の概念。送信されたデータ（青）をより高いビットレートのエンコーディング（赤）に広げることで、受信機は潜在的な干渉源に耐えることができます。

(代替テキスト: スプレッドスペクトラム送信)

スプレッドスペクトラム信号は干渉を受けにくいですが、端末デバイスの送受信回路は、チャネルの帯域幅全体にわたって電力を広げるために、より高い帯域幅を持つ必要があります。FHSSの実装は、EMCのコンプライアンスを確保するために追加のテストが必要であり、両端に十分な受信機感度を持つ互換性のあるデバイスが必要になります。一部のデバイスでは、スプレッドスペクトラム信号を十分に受信するための感度を提供するために、専用のトランシーバーモジュールが最適な選択肢となる場合があります。

サブGHz無線およびトランシーバーオプション

要するに、新製品にサブGHz無線を統合して長距離IoTネットワークに導入するには、基本的に2つの方法があります：

チップ上にサブGHzワイヤレス機能が統合されたプロセッサを使用する
システムのホストコントローラと互換性のある外部サブGHzトランシーバを使用する
必要な周辺機器をすべて含むワイヤレスモジュールを追加する

システムが行う必要があることに応じて、どちらのオプションも実行可能であり、両方のカテゴリに多くのコンポーネントがあります。最初の2つのオプションは、フィルタ、フィードライン、アンテナ、または一般的にRFデバイスのようなものを設計したことがない場合、少し努力が必要になるかもしれません。しかし、複数のベンダーから提供されている高度に統合された製品ラインがあり、いくつかの優れたオプションが以下に示されています。

Microchip, ATSAMR30M18A-I

MicrochipのATSAMR30M18A-IサブGHzワイヤレスモジュールは、統合アンテナを備えたIEEE 802.15.4準拠の無線を含むMCUとして機能します。このキャステレーションされたSMDモジュールには、統合された256 KBフラッシュメモリを備えたARM Cortex-M0+ MCUと、700/800/900MHz ISMバンド用の統合トランシーバーが含まれています。使いやすいSiPとして、12ビット350 ksps ADC、最大3.4 MHzで動作するI2C、USB 2.0インターフェース、16 GPIOなど、MCUに期待される標準機能もいくつか含まれています。外部アンテナが必要で、下の表には承認されたアンテナのリストが含まれていますが、同様の仕様を持ち、テストに合格すれば他のアンテナも使用できます。

NXP Semiconductor, OL2385AHN

NXP SemiconductorのOL2385AHNは、複数のサブ1GHzバンド（160〜960 MHz）をサポートする組み込みMCUコアを備えたマルチバンドワイヤレスRFトランシーバーです。このデバイスは、複数の変調方式（400 kbps/200 kbps FSK、ASK、OOK）をサポートする4つの選択可能な周波数範囲を備えた高度に統合されたトランシーバーです。ボード上で、ホストコントローラーはこのデバイスとSPI、UART、またはLINプロトコル互換のUARTを介してインターフェースできます。このコンポーネントでターゲットとされる主なアプリケーションエリアには、スマートインフラ製品、スマートホーム技術、M2M通信、センサーネットワークのためのLPWANが含まれます。

NXP OL2385AHN無線送信機のブロック図。[出典： (Alt text: サブGHz設計)

Texas Instruments, SimpleLink Wireless MCUs (CC13xx and CC430F51xx)

Texas InstrumentsのSimpleLinkワイヤレスMCUラインは、サブ1GHzバンドで動作する新しいIoT製品を開発するための私の個人的なお気に入りの一つです。この製品ラインのいくつかのコンポーネントは、複数のISMバンド、WiFi、Bluetooth、および1〜2GHzの間の他のものもサポートしています。この製品ラインには、自動車製品に適格なMCUも含まれています。SimpleLinkのさまざまな製品は、これらのサブ1GHzプロトコルをサポートしています：

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (T, S, C, N mode)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

TIのポートフォリオ内の他の製品を使用している場合、これらの製品と周辺デバイスのためのTIのSDKサポートを使用して、IoTプラットフォーム用のアプリケーションを簡単に開発できます。これらのMCUは、標準のデジタルインターフェースを介して他の周辺ASICともインターフェースでき、設計者に新しいIoTプラットフォームを構築するための多くの柔軟性を提供します。

サブGHz IoTの未来

WiFi、Bluetooth、5Gに注目が集まり続けていますが、それらが消費者スペースで非常に普及しているからだけではありません。サブ1GHz帯はなくなることがなく、IoTネットワークの低消費電力のバックボーンとして引き続き存在し続けます。長距離通信能力、低消費電力、実装の容易さは見逃せないほど魅力的であり、持続的な低データレートアプリケーションでさらにISMやセルラーの混雑に貢献することは理にかなっていません。サブ1GHzアプリケーションでシステム設計者が必要とするコンポーネントのいくつかは、以下のカテゴリーに分類されます：

ソフトウェア定義ラジオのように、可能な周波数やプロトコルの範囲をサポートできるカスタムソリューションを開発している場合は、RFフロントエンドを構築するために追加のコンポーネントが必要になります：

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