IoTデバイスとデザインのためのセルラーモジュールの使用

私たちの世界がますます接続され、データ駆動型になるにつれて、多くのデバイスに対する需要は断続的な提出やデータ収集から、クラウドサービスへの即時報告へと移行しています。これは、クライアントのWiFiネットワークを超えたデバイス、例えば農場のセンサーや移動中のセンサーなどになると、いくつかの深刻な課題を提示することがあります。大規模な工業用地や農場全体に無線ネットワークを展開するコストは、メンテナンスやサポートのコストを考慮せずとも禁止的になることがあります。多くの状況では、建設機械や配送車両を扱う際のように、無線ネットワークを展開するオプションが存在しないことさえあります。

最近のプロジェクトの一つでは、資産追跡や予防保全データ収集デバイスとして使用できるLTE接続GPS追跡/監視システムを設計しました。資産追跡プロジェクトのようなセルラーインターネットオブシングス製品は、デバイスがよりスマートになり、これまで以上に多くのデータを生成するにつれて、人気が高まると予想されます。次のモバイル製品にセルラー通信を追加したい場合、セルラーネットワークについて、そしてそれが組み込み/モバイルデバイスとどのようにインターフェースするかを知る必要があります。

セルラーIoTとは何か？

IoT製品にセルラー機能を組み込む方法が気になる方のために、最先端を保つために必要な決定版ガイドをまとめました。このガイドで取り上げる内容は以下の通りです：

1. セルラー・インターネット・オブ・シングス・サービス
2. SIMカード
3. セルラーモジュール
4. セルラーバンド/プロトコル
5. IoT/M2Mオペレーター
6. セルラーモデムはあなたに適していますか？

セルラー・インターネット・オブ・シングス・サービス

セルラーネットワークは世界の多くの陸地に存在し、デバイスがどこに行っても、データをクラウドに送信するための最も優れた、最も簡単にアクセスできる地上ネットワークを提供します。標準化されたバンドとプロトコルのおかげで、ニューヨーク、USA、ヨーク、UK、またはオーストラリアのヨークにセルラーモデムを搭載したデバイスを供給しても、新しいインフラストラクチャを必要とせずに私たちのサービスに接続できることを知っています。

「インターネット・オブ・シングス」（IoT）デバイスの概念は比較的新しいものですが、機械通信のためにセルラーネットワークを使用すること自体は新しい概念ではありません。もし、あなたがデバイスにセルラーを使用することを考えているなら、少量のデータを使用するためだけに電話プランや類似の契約に縛られるコストを心配しているかもしれません。幸いなことに、これについて心配する必要はありません！携帯電話には電話プロバイダーがあるように、デバイスにはマシン・ツー・マシン（M2M）プロバイダーがあります。

M2Mプロバイダーには、一般的なセルラーネットワークプロバイダーに比べていくつかの大きな利点があります：

• 自社のネットワークだけでなく、世界中の数百のネットワークへのアクセスを許可する傾向があります。
• 通常、データまたはデータ+SMSのみで、高価な音声やビデオ機能のために支払うことはありません。
• 通常、プランやサブスクリプションは必要なく、使用した分だけを支払うプリペイドで、クレジットの有効期限が長いです。

主要なIoT接続プロバイダー（HologramやTruphoneなど）は、すでに世界規模でのカバレッジを提供しているか、またはそのネットワークを世界中に拡大するプロセスにあります。これは、あなたに代わって地元のオペレーターと交渉し、顧客の蓄積されたデータ量を活用することで実現できます。これは、非常に安価に数メガバイトのデータを購入でき、それが6ヶ月または1年の有効期限を持つことがあり、断続的なセンサーデータを収集するのに最適であることを意味します。多数のデバイスを展開している場合、M2Mサプライヤーは、すべてのSIMカードを一元的に管理し、デバイスごとではなくアカウントごとにデータ容量を持たせることをしばしば許可します。これにより、コストと管理の負担をさらに軽減できます。

一元管理に加えて、多くのプロバイダーはSIMを簡単に管理するためのAPIも提供しています。これにより、独自のポータルを通じてクライアントに情報とデータを簡単に提供できます。ほとんどのプロバイダーでの自動化ルールにより、デバイスに問題が発生した場合に自動的に通知されるため、顧客がデータの収集が停止した理由を尋ね始めるのを待つ代わりに、積極的に対応できます。

テストのために、Three（少なくとも一部の国では）のような一般的なモバイルプロバイダーは、契約不要のSIMカードを提供し、アクティベートすることで、IoTアプリケーションにとって少なくとも相当量の月間データを無料で利用できます - 通常は月に約200MBです。電話やタブレットを持つユーザーにとっては、これにより月に数日ごとにFacebookを読み込むことができるかもしれませんが、圧縮されたテキストデータを送信するIoTノードにとっては、毎日数千のセンサー読み取りを無コストで送信できる可能性があります。

SIMカード

通常、一般的なプロバイダーからのSIMカードには技術データシートが付属しておらず、指定されたサービス温度範囲や産業/自動車用の資格もありません。M2M SIMカードでは、10年の定格寿命を提供する拡張温度範囲カードを入手できます。これらの評価は、デバイスの成功にとって重要です。デバイスが人里離れた油井や農村部の農場にある場合、技術者やエンジニアが現場を訪れるコストは非常に高額になる可能性があり、数ドルのSIMカードを交換するだけで済むかもしれません。

同様に、消費者向けSIMカードは、電話の24ヶ月契約を超える寿命があるとは期待されていません。もし製品が厳しい環境で機器を監視し続けることになる場合、電力が供給されている限り、サービスを必要とせずに10年間そこにあるかもしれません。Würth、Molexなどからの高品質なSIMカードソケットと組み合わせることで、セルラーインターネットオブシングスデバイスのSIMカードが故障しても、製品が接続を失うことはないと確信できます。

組み込みSIM（eSIM）

代わりに、組み込みセルラーモデムモジュール（eSIMなどのSIMカード）を使用すると、基板上の貴重なスペースを大幅に節約できます。SIMカードが読み取り専用であるのに対し、eSIMは書き換え可能であり、さらに良いことに、基板上の他のコンポーネントと同様に表面実装が可能です。eSIMのサポートは通常のSIMカードほど広くはありませんが、先進国のほとんどの主要ネットワークではサポートされています。基板スペースを節約するだけでなく、セルラーのインターネットオブシングス製品にeSIMを採用することで、大幅なコスト削減も見込めます。eSIMチップのコストは通常、SIMカードとソケットの合計よりも低く、SIMカードをソケットに手動で挿入する労力を大幅に節約できます。eSIMは、デバイスの組み立て時のエージングテストとテストプロセス中に自動的にプログラムすることができます。

暗号化

SIMを製品に追加することの興味深い利点がいくつかありますが、それは隠されているかもしれません。SIMカードの歴史はスマートカードと深く結びついており、多くのSIM指向のマイクロコントローラーには広範な暗号化サポートがあります。

これらの理由から、Hologramのような一部のセルラー型インターネットオブシングス（IoT）プロバイダーは、統合された証明書管理、信頼のチェーン、ワンタイムトークン、その他の高度なセキュリティ機能をSIMカードに追加しています。証明書の管理は簡単な仕事ではありません：このトピックは非常に複雑で、小さなミスがビジネスに長期的な影響を与える可能性があります。それでも、小型のマイクロコントローラーに適した有用な暗号化ライブラリーを見つけるのは難しいです。IoT SIMは、デバイスのより堅牢で、より安全な通信への第一歩となることができます。

セルラーIoTモジュール

セルラーキャリアの認証の複雑さに加えて、意図的な放射電磁適合性法規とセルラーモジュールを構築するためのすべてのプログラミングを考慮すると、セルラーモジュールを使用することをほぼ確実に望むでしょう。典型的な事前認証済み無線モジュールは、自分で設計および認証を行うよりも、約10,000ユニットまで安価に実装できますが、セルラーモジュールは100,000ユニットを製造する場合でも、自分でやるよりも安価である可能性が高いです。幸いなことに、いくつかの素晴らしい、現代的なオプションが利用可能です。

歴史的に、セルラーモジュールは大きく、電力を多く消費し、機能が限られていました。たとえば、人気のあるSIMCom SIM900は24mm×24mm（576平方mm）のサイズですが、私がプロジェクトで使用したより現代的なuBlox SARA-R4は16mm×26mm（416平方mm）でありながら、はるかに多くの機能を提供し、帯域幅も大幅に高いです。新しいLTEバンドを活用することで、uBloxのセルラーモジュールはSIM900よりも4倍以上のデータレートを提供します。uBloxはSIM900と比べてネットワークと通信するために顕著に多くの電力を使用するわけではありませんが、LTEのおかげで最大4倍のデータレートを実現しているため、同じ量のデータを送信する場合、理論上は電力消費量が四分の一になり、これはバッテリー寿命にとって大きな利点です。

セルラーモジュールは、過去数年間の技術の大幅な進歩にもかかわらず、依然として比較的高い電力を消費します。対照的に、典型的なLoRaWANモジュールは、最大出力で送信する際に450 mWの電力のみを使用しますが、LTEモジュールの場合は2 W以上を使用します。しかし、LTEモジュールは、基地局に近い場合は自動的にはるかに少ない電力を使用して送信します。対照的に、LoRaモジュールは通常、設定された電力レベルを使用するようにプログラムされており、自動送信電力削減機能を含めるためには、より多くのファームウェア開発が必要です。一見すると高い電力消費にもかかわらず、LTEモジュールのスループットはLoRaWANモジュールよりもはるかに大きいです。LoRAの最大データレートは27kbpsで、LTEモジュールの最大スループットの約15倍遅いです。電力消費量は4倍しかないにもかかわらず、LTEモジュールはデータの送信をより速く終えてスリープ状態に戻ることができ、全体としては電力を少なく使用します。

バイトあたりの電力を少なく使用する可能性があるにもかかわらず、LTEモジュールの大きな最大電力消費は他のコストを伴います。より大きな電源が必要となり、これによりボード上のコンポーネントのコスト、ボードのサイズ、およびデバイスが電流を処理するためのバッテリーや電源が潜在的に増加します。

どのセルラーモジュールを使用するか？

LTEトラッカープロジェクトのために多くの調査を行った結果、uBlox SARA R410が私の要件に最も適していました。しかし、それがあなたのプロジェクトの要件に完璧なセルラーモジュールであるとは限りません。ここでは、特に順序をつけずにいくつかの注目すべき代替品を紹介します：

セルラーバンド/プロトコル

3GPP（第3世代パートナーシッププロジェクト）は、セルラーネットワークのための新しい技術仕様を開発する責任を持つ団体です。彼らの作業は、多数の国内外の委員会によって標準に取り入れられます。

3GPPが作成した仕様や資料を詳細に読むと、4G、4.5G、5Gなどのよく宣伝されるマーケティング用語はほとんど言及されません。3GPPチームは、現代の技術の多くが彼らの肩の上に築かれていることを考えると、爽やかで謙虚なアプローチの下で作業を行っています。彼らがこの主題に関して提供する唯一のガイドラインは以下の通りです：

• 1G: 最初のアナログベースの無線電話技術。80年代のウォールストリートの映画や電話ブリックを思い浮かべてください。
• 2G: 1990年代の技術で、GSM/GPRS、EDGE、SMS、データサービスが含まれます。電子業界の私たちによって広く採用されており、これは非常にレガシーな技術です。
• 3G: 既存のGPRSおよびEDGE技術を改善し、データレートの向上、パケットファーストアプローチを実現。
• 3.5-4G: LTE、LTE Advanced、LTE Advanced Proを含みます。これは現代のデバイスとオペレーターによって最も一般的に採用されている世代です。
• 5G: 最新世代で、世界の最も裕福な国々での実装が始まったばかりで、多くの革新をカバーしており、積極的にマーケティングされています。

現在、最後に凍結された3GPPリリースはリリース15（2017年に承認）で、リリース16とリリース17はまだ作業中です。3Gおよび4Gの仕様は主にLTE標準の下にあります。LTEは、割り当てられたデータレート、リリース番号、MIMO構成、その他のパラメータに基づいてデバイスをカテゴリに分けます。

カテゴリ1から5は元々のもので、2006年のリリース8にさかのぼり、約10 Mbitから300 Mbitをカバーします。リリース10とリリース11は、カテゴリ6から12を通じて、最大速度を4 Gbitに拡大しました。

私たちにとってより興味深いのは、リリース12と13が何をしたかです。前者は最大速度1 Mbitと消費電力の削減を実現したCAT-0を導入しました。後者は0.68 Mbitまで下げましたが、SigFoxやLoRaのようなプロトコルと競合する超低消費電力のデバイスの作成を可能にし、単一セルのリチウム一次電池から10年間のバッテリー寿命を実現しました。

10年間のバッテリー寿命が必要な場合、IoT-NBを選択する以外にほとんど選択肢はありませんが、電力要件が少し緩い場合は、CAT-MとCAT-1のフォールバックで世界中をカバーできるはずです。

幸いなことに、多くの企業が複数のプロトコルをサポートするLTEモジュールを提供しており、通常はNB-IoTとCAT-Mの組み合わせで、時にはGPRSやCAT-1のフォールバックが付いています。

2Gと3G

2Gネットワークは、しばしばレガシー組み込みデバイスで使用されるタイプで、最大接続速度が40kbpsとなっており、多くのセンサー読み取りやその他のデータが転送されるWeb APIなど、多くの現代のアプリケーションにとって非現実的な接続速度です。低速度は電力消費にも影響を与えます。1MByteのデータを送信する場合、2Gモデムを3分間電源に接続したままにする必要があります。より高速なモデムを選択することで、可能な限りスリープ時間を延ばし、時間とバッテリー電力を節約できます。

多くのネットワークオペレーターは、完全に2Gサポートを廃止しています。今日使用されているほとんどのモバイルデバイスによって未使用であり、顧客の需要は農村地域を除いてほとんど存在しません。スマートフォンのアプリケーションの大部分は、データレートが遅すぎてソフトウェアにネットワークが応答していないように見えるため、2G接続では動作しません。3Gも非常に似た理由で2Gのように急速に時代遅れになっています。現代のデバイスは3Gが提供できるよりも高いスループットを要求し、現代のキャリアにとってこの技術をサポートすることはあまり意味がありません。2Gよりも世界中で3Gのサポートははるかに多いですが、その日々は数えられています。

LTEカテゴリー

非常に近い将来、世界の大部分で利用可能になるセルラー機能の最低レベルは、LTEネットワークによって提供されることになります。ここでは、異なるLTEカテゴリーの短い説明をします：

5G

5Gは上記のLTEカテゴリとは大きく異なります。性能と要件を向上させるだけでなく、最大71GHzの周波数をサポートし、膨大な数のデバイスを可能にします。5Gは、3GPPリリース15から17を通じて、より接続された社会の基盤を築きます：ミッションクリティカルな通信、技術構築のためのAPI、車両および鉄道の接続性、超信頼性通信、低遅延、プライベートネットワーク、さらには非地上ネットワーク（NIN）や衛星通信まで。したがって、5Gは、前述のNB-IoTプロトコルを通じた超低電力デバイスのサポート拡大や実装の複雑さの削減を通じて、より高く、より広く、そしてより小さく進化します。

5Gの大々的に宣伝されている機能の多くは、組み込みアプリケーションにとってはほとんど役に立たない可能性があります。膨大な帯域幅は、組み込みマイクロコントローラーやマイクロプロセッサが利用するには難しいでしょう。新しい高周波帯は、タワーへのアクセス範囲を大幅に制限し、最も重要なことは、LTEをサポートするセルラーモデムが比較的最近になってようやく登場したことです。ほとんどのIoTデバイスにとって実用的な低コストの大量生産5Gモデムがリリースされるまで、おそらく数年はかかるでしょう。

過去50年間で、私たち電子エンジニアがアクセスできる組み込みデバイスは、消費者向けIT業界に約20年遅れていました。私たちは20年前のCPUと同様の密度を持つマイクロコントローラーを使用しています。基本的なLinux組み込みシステムは、通常、2000年代初頭のシステムのパワーに相当します。私たちは依然として、無線通信用の2000年代の技術（私たちが話してきたGPRSネットワーク）をデバイスでよく使用しています。認めざるを得ませんが、私たちが使用するデバイスは、20年前の技術のサイズとコストの一部です。ここ数年で、このギャップが大幅に縮小し始めたのを見てきましたが、これは部分的には携帯端末業界のおかげです。スマートフォン業界の大規模な推進力が、近い将来、私たちがアクセスできる事前認証済みのセルラーモデムを提供することになるのでしょうか？

LTEの特徴

3GPPは、特にNB-IoTプロトコルを使用する製品において、セルラーのインターネットオブシングス製品の消費電力を大幅に低減するいくつかの機能を導入しました。重要な機能の2つは：

パワーセーブモード（PSM）

PSMまたは省電力モードは、デバイスがネットワークから切断されることなくスリープ状態になることを可能にします。この間、データの交換はできませんが、典型的なモデムスリープの欠点、例えばネットワークに再接続するための電力を多く消費するハンドシェイクやスリープに入った後のタイムアウトを解消します。デバイスはスリープ時間に関する希望をネットワークに伝えますが、最終的な決定はネットワークが行います。

拡張不連続受信（eDRX）

eDRXは、シンプルな機能のためのやや暗号的な頭字語です。活性化されると、デバイスはメッセージを受信できないが送信のみ可能なeDRX期間を選択できます。PSMほどの省電力効果はありませんが、デバイスがデータ送信を続けることを可能にし、興味深い妥協点となります。LTEデバイスに以前許可されていた数秒の期間と比較して拡張されています。

IoT/M2Mオペレーター

ここにIoT SIMネットワークオペレーターのリストがありますが、私たちはどの企業も推奨していませんが、以下を含むいくつかはオンラインレビューで一貫して自分たちを区別しています：

• Things Mobileは、IoTセルラーマーケットのファーストムーバーの一つとして、特にIoTをターゲットにした最も有名なM2Mプロバイダーかもしれません。
• 1NCEは、魅力的な価格の10年オプションを提供しています。
• Truphoneは、企業向けに長年事業を展開している英国のオペレーターで、現在は幅広いIoTポートフォリオを持っています。
• Hologramは、広範なクラウドサービス、Python SDK、Linux SBC（シングルボードコンピュータ）の統合サポートを提供しています。これは、始めるのが最も簡単なものの一つです。
• Twilio Narrowbandは、世界中で最大級のVoIPおよびメールオペレーターであるTwilioからの最新の提供で、非常に開発者に優しいことで知られています。

セルラーモデムはあなたに適していますか？

特定のアプリケーションでは、セルラー接続が、広範な物理およびソフトウェアインフラを構築せずにデータをWebサービスに戻す唯一の方法かもしれません。初期から、セルラーは大きなモデムを伴い、送信されるバイトごとに非常に電力を多く消費する恐ろしいデータレートでした。それにもかかわらず、WiFi接続が利用可能で、デバイスが常にWiFi接続範囲内にある場合は、セルラーのインターネットオブシングス製品を構築するよりもWiFiを選択する方が簡単です。SIMカードとそれに伴うM2M契約を管理する必要がなく、既に利用可能な接続がある場合には、それは多くの余分なオーバーヘッドです。

もしもあなたのデバイスが移動中であるか、他のネットワークオプションがない場所にある場合、セルラーはカバレッジがある限り完璧な選択肢になり得ます。セルラーモデムを使用することは、利用可能な他のどのオプションよりも安価で速いでしょう。非常に遠隔地にあるデバイスを扱っている場合は、データが時間内に送信されることを確実にするために、セルラーのバックアップとして衛星サービスを検討する必要があるかもしれません。プリパッケージされたセルラーモデムを使用する素晴らしい点は、高周波モバイルデバイスのEMCの課題の多くがモデムレベルで既に解決されていることです。PCBデザイナーとしてのあなたの仕事は、モデムの周りに残りのボードを適切に配置し、異なる回路ブロック間の隔離を確保することです。

セルラーIoT製品のPCBを作成する準備ができたら、Altium Designer®の設計およびレイアウト機能を使用してください。ボードの製造準備ができたら、Altium 365®プラットフォームを使用して製造業者とプロジェクトデータを共有できます。さらに質問がある場合は、Altiumの専門家にお電話ください。