著者 ヨーロッパ人編集者
DigiKeyのヨーロッパ担当編集者の提供
2017-11-22
エレクトロニクス関連のプロジェクトや製品を設計する場合、他の機器との通信機能が必要な場合が多くあります。気象情報、医療データ、操作制御コマンドなど、ほぼすべてのデータは伝送する必要があると言えます。有線か無線かにかかわらず、この相互通信を実現するために活用できるさまざまな通信規格の選択肢があります。通信距離が長いと、多数のデバイスを簡単に接続できないことがあるため、距離が制限要因になる場合があります。このような場合、物理的なワイヤで機器を接続すると、高価で複雑な構成になる可能性があります。しかし、ワイヤレス通信は、開発コストを削減し、構成を簡素化することができ、はるかに柔軟なソリューションを提供します。
ワイヤレス通信とは一般に、電波を使って数メートルの近距離から数キロメートルの長距離、さらには数百万キロメートルに及ぶ遠く離れた宇宙空間との無線通信を行うことを指します。ワイヤレス通信技術には、光、音波、および電磁誘導方式も含まれます。
また、ワイヤレス通信には数多くのトポロジがあります。まず、スマートフォンとBluetoothイヤホンのように、他の1つのデバイスのみと直接通信するBluetooth 3.0以下のポイントツーポイントデバイスがあります。この場合スマートフォンは普通、他のBluetoothデバイスと通信するためにはイヤホンから切り離す必要があります。また、メインデバイスと他の複数デバイスを接続するポイントツーマルチポイントもあります。Wi-FiやBluetooth 4.0以上がポイントツーマルチポイント接続の例です。
ワイヤレス通信トポロジを選択する際、考慮すべき点がいくつかあります。
認証
有線通信技術と同様、ワイヤレスも地域の規格に準拠しなければなりません。無線のコンプライアンスはずっと厳しいため、規格に合格するのは難しくなります。無線のコンプライアンスは、いくつかの基本的なコンセプトに基づいて機能します。デバイスは、その無線技術に割り当てられた特定の周波数でのみ動作します。その周波数以外の他の機器と干渉してはならず、また他の周波数帯で動作する他の機器によって干渉されてはなりません。このことは米国連邦通信委員会（FCC）規則のパート15に詳述されています。また、最大送信電力（EIRP）に関する規則もあり、これは周波数帯ごとに異なります。
FCCは、通信機器を規制する米国の独立機関です。製品を販売するためには、FCC標準規格に準拠し、製品やパッケージに固有のFCC IDを表示する必要があります。この状況はヨーロッパでは少し異なります。認証は、多くの整合規格を含む自己認証CEマーキングによって承認されます。周波数スペクトルを使用するすべての製品を扱う特定の欧州指令は、無線機器指令（RED）、旧R&TTEです。FCCコンプライアンスと同様に、欧州市場での適合の証明としてCEマークを製品に表示する必要があります。
FCCとCEは、主な認証規格のうちのわずか2つに過ぎません。カナダ、オーストラリア、ニュージーランド、香港、日本、韓国、アジア太平洋地域、アフリカ、そして南米にはそれぞれ独自の規格があり、そこで製品を合法的に運用するためにはそれぞれの規格を満たす必要があります。
メーカーにとって、地域ごとに異なる規格や、それぞれの製品について「型式承認」と呼ばれるものを取得することは、設計やテストに多大な負担を強いることになります。ディスクリートワイヤレストランシーバの設計を行うには、専門的な無線設計の専門知識と無線試験装置への投資が必要であり、新製品開発に多大なコストと時間を費やすことになります。そのため、高速デジタル回路から発生するEMIや、厳しいEMC製品規制への対応という課題に対処するよりも、多くのエンジニアリングチームは、ワイヤレス接続を組み込むためのシンプルなアプローチを選択しています。
このことを念頭に置くと、製品開発の初期段階では、認証済みの無線モジュールを選択するのが一般的です。これによって、無線コンプライアンス取得に大幅な遅れを生じることなく、合理的な市場投入までの時間を確保することができます。利用可能なモジュールは、プログラム可能なものか、適切に機能するために外部のマイクロコントローラ/マイクロプロセッサを必要とするものかどちらかです。多くの既製モジュールには、内蔵またはオンボードアンテナも含まれており、未知の課題や、起こる可能性のある認証の問題を減らすことができます。
開発の後期段階、通常は量産に近い段階で、カスタムワイヤレスソリューションの開発を検討することは可能です。製品開発と関連する認証の取得にはコストがかかることがありますが、大量生産においては製品コストが大幅に削減でき、また、初期の生産計画を確実に遂行することができ、さらなる投資が行われる前に製品を市場に導入してテストすることが可能です。
ワイヤレス技術の選択
市場ではさまざまな無線通信方式が利用可能です。それぞれに独自の長所と短所があります。可能なモジュールを選択する前に、これらのテクノロジのどれが開発中の製品の要件を満たすかを明確にする必要があります。以下では、ワイヤレス規格を選択する際に考慮すべき重要なポイントを示します。
- 帯域幅
- 距離
- 安全
- 電力
- 周波数
帯域幅
帯域幅は、どれだけのデータをどれだけの頻度で送信するかに焦点を置きます。Wi-Fiは、11Mbps（802.11b）～1.3Gbps（802.11ac） のデータ レートで常時接続を提供します。Bluetooth3.0および4.0は、フルパワーで最大60メートルまで最大25Mbpsを提供しますが、常時接続されているわけではありません。一方、SigfoxとLoRaは、10分ごとに12バイトの低速送信であるため、消費電力を削減し、バッテリ寿命を最大限に延ばすことができます。
距離
距離は、送信機と受信機間の最大距離に関係します。Bluetooth Smart（旧Bluetooth Low Energy）のように、短距離において優れた技術もあります。GPSのような他の技術は、何千キロも離れた地球を周回する衛星からの信号を受信することができます。
安全
セキュリティは、モノのインターネット（IoT）やその他のワイヤレスデバイスにおいて現在ホットな話題です。ある地点から別の地点へワイヤレスでデータを送信する場合、セキュリティの問題が発生します。ワイヤレス技術の中には、強力な暗号化によってこの問題を解決するものもありますが、これはバッテリの寿命を犠牲にしており、帯域幅も減少させる可能性があります。ここで温度や湿度といったごく基本的なデータを取得するモニタリングデバイスは、おそらく保護する価値はないでしょう。こう言っている間でも、保護する価値のないデータはワイヤレスネットワークの弱点となり、他のより安全なデバイスにアクセスされることがあります。クレジットカード情報のような機密データには、より強力な暗号化が必要です。考慮すべき重要な要素には、データの機密性、同じネットワーク上の他のデバイス、ワイヤレス規格により提供される暗号化などが含まれます。
電力
これは、製品に適したモジュールを選択する上で最も重要な側面の1つです。省エネのためだけでなく、製品寿命を向上させる可能性のある熱の低減のためにも、可能な限りエネルギー効率を上げることは常に良い考え方です。バッテリ駆動の機器と常時接続のコンセントの違いによって、機器の動作を大きく変えます。壁のコンセントから常時給電される機器は、設計がはるかに簡単です。バッテリで動作するワイヤレス製品は、充電、交換、あるいは長寿命電源の設計を検討する必要があります。最初はバッテリの交換など些細な作業に見えるかもしれませんが、遠隔地に配置されたIoTセンサのような機器を何千個も持っている顧客の場合、必要なリソースとその後のコストは膨大なものになります。
周波数
周波数は重要ですが、ワイヤレスモジュールを選択する際の主な基準である必要はありません。しかし、特定の周波数帯が飽和していたり、特定の状況下で製品が特定の周波数帯で動作することが違法になる場合もあります。この記事で説明するワイヤレスモジュールでは、割り当て周波数は明確に定義されています。
GSM、GPRS、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+、および4G LTE
携帯電話のようなモバイル機器で使用されるデジタルセルラーネットワークでは、さまざまな名称や技術が使われています。これらはすべて、互いに進化したものに過ぎないことを知っておくと役立ちます。General Packet Radio Service（GPRS）とEnhanced Data GSM Evolution（EDGE）は第2世代の技術で、2Gとも呼ばれます。ダウンロード速度はそれぞれ114Kbpsと384Kbpsです。3Gはモバイル通信の第3世代であり、High Speed Down-link Packet Access（HSDPA）はそれを強化したもので、ダウンロード速度は3Gが3.1Mbps、HSDPAが14Mbpsです。Evolved High Speed Packet Access（HSPA+）は、最大168Mbpsを可能にする第4世代のテクノロジです。4G long term evolution（LTE）は、HDストリーミングと最大299.6Mbpsのダウンロード速度をサポートします。
GSMモジュールを選択する際に注意すべき重要なことの1つは、製品の将来性を保証できるかどうかです。Sierra WirelessとU-bloxの両社とも、2G、3G、4Gオプションの幅広いピン互換モジュールを提供しています。つまり、開発者は1枚のPCBを設計し、目的のモジュールを所定の位置に入れ替えるだけで、音声とデータ接続を簡単に統合し、あらゆる地域やワイヤレスネットワークに展開することができます。ネットワーク事業者がインフラのアップグレードを進める一方で、最終的には2Gや3Gのような古い技術のサポートをやめ、4Gや今後登場する5Gのようなメンテナンスが容易なネットワークに移行して行くでしょう。
セルラーモジュールの例としては、U-bloxのLARA-R204があります。4バンドと13バンドでの動作が可能で、Verizon LTEネットワークでの使用に特化して設計されたこのモジュールは、すべてのLTEネットワーク帯をサポートするLARA-R2製品シリーズの1つにすぎません。シングルまたはマルチモード構成で動作し、コンパクトなLGA 100ピンフォームファクタにパッケージされ、多くの周辺インターフェースオプションを提供します。図1にLARA-R2シリーズの機能ブロック図を示し、ベースバンドプロセッサ、トランシーバ、RFフロントエンド、およびパワーマネジメント機能で使用可能なインターフェースをハイライト表示しています。
図1：U-blox LARA-R2の機能ブロック図
ワイヤレスモジュールを製品に組み込む場合、ホストとの通信が確立される方法を検討することが重要です。UARTとI2Cは一般的なインターフェース方法ですが、GPIOやUSBなどの追加IOポートが利用可能な場合も多く、他のセンサやデバイスの追加に役立っています。考慮すべき他の機能には、希望する通信プロトコル（FTP、HTTPなど）がサポートされているかどうか、そして、IoT設計にとってますます重要になっているモジュールのファームウェアをワイヤレスで更新する機能（FOTA）があるかどうかが含まれます。言うまでもなく、暗号認証や暗号化技術などのセキュリティ機能は、安全な通信リンクを用意するための鍵となります。
このセルラーモジュールのもう1つの特徴は、2つのアンテナソケットと専用のトランシーバフロントエンドを備えていることです。制御ピンにより、ホストアプリケーションはアンテナダイバーシティ機能を有効にすることができ、これによりベースバンドプロセッサは、所定のリンクに対してどのアンテナが最良のセルラー信号強度と品質を提供しているかを判断できます。
モジュールの全機能の設定と制御は、業界標準の「AT」コマンドセットを使用して、接続されたホストから容易に実行できます。U-bloxセルラーモジュール全体の「AT」命令の使用方法について詳しく説明した包括的なリファレンスマニュアルは、こちらをご覧ください。
Wi-FiおよびBluetoothモジュール
Wi-FiとBluetoothは、現在最もよく使われている2つのワイヤレス技術です。Wi-Fiは、ユーザーをローカルネットワークやインターネットアクセスに接続する方法として、ほぼすべての家庭や企業で使用されています。Bluetoothは、ハンズフリーヘッドセットからワイヤレススピーカ、マウス、キーボード、プリンタなどに至るまで、さまざまな低消費電力デバイスに使用されています。Wi-Fiがローカルエリアネットワークでの高速通信を目的としているのに対し、Bluetoothは携帯機器を対象としています。両者は補完的な技術であることが多く、多くのモジュールにはWi-FiとBluetoothの両方の機能が搭載されています。
Silicon LabsのWF111シリーズは、広範囲な商用、産業用、そして民生用アプリケーションに適したコンパクトタイプの802.11 b/g/n準拠Wi-Fiモジュールの良い例です。最大72.2Mbpsのデータレートに対応し、WEP、WPA、およびWPA2暗号化をハードウェアでサポートするこのモジュールは、SDIOおよびCSPIホストペリフェラルインターフェースを装備しています。内蔵チップアンテナまたは外部アンテナ用U.FLコネクタのどちらかが使用可能で、BluetoothモジュールをWi-Fiデバイスと共存させることができるBluetooth共存機能を備えています。この機能により、各モジュールは他方のモジュールを確実に認識でき、リンクパフォーマンスを低下させる可能性の高い同時データ伝送を避けることができます。
Wi-Fi接続とBluetooth接続の両方を1つのデバイスで実現するもう1つのワイヤレスモジュールが、Texas InstrumentsのWL1831です（図2）。両方の通信方式を必要とする設計のために、このコンパクトな省スペースモジュールは、わずか13.3 x 13.4 x 2 mmの大きさで、RFトランシーバ、フロントエンドフィルタ、RFスイッチ、および包括的な電源管理機能を統合しています。アンテナソケットは2つあり、そのうち1つはWi-FiトランシーバとBluetoothトランシーバで切り替えられます。
図2：Wi-FiおよびBluetoothモジュールを組み合わせた
Texas InstrumentsのWL1831
消費電力、特にWi-Fiの消費電力はバッテリ駆動設計にとって大きな懸念事項であるため、WL1831は接続時のアイドリング消費電力を800μA以下に抑えることでこの課題に対応しています。
LoRa/Sigfoxモジュール
LoRaとSigfoxは、868MHz（EU）と902～928MHz（米国）の両周波数帯で動作する2つの類似した無線技術です。これらは全く競合するものではありませんが、同じ周波数で似たような動作をします。これらはデータレートが非常に低く、広帯域ネットワークのLPWAN（低消費電力ワイドエリアネットワーク）として動作し、IoTに最適です。Sigfoxは超狭帯域技術として設計されており、30〜50kmの距離で10分ごとに最大12バイトを送信でき、1日に最大4つのメッセージを受信できます。一方、LoRaはコマンドアンドコントロールシナリオ向けに設計されています。データパケットサイズはまだ小さいですが、ユーザーが定義できます。データ受信に制限はなく、通信距離は15～20kmに短縮されます。
これらのプロトコルに対応したトランシーバモジュールを提供するベンダーが増えています。その一例が、Multi-Tech SystemsのMultiConnect xDot moduleです。このLGAパッケージデバイスは、欧州地域における多くのIoTアプリケーションに最適です。2µA未満のディープスリープ電流を持つため、バッテリ寿命は10年以上に達すると予想されます。さらに、ピンマルチプレクシングを使用することで、フル機能のペリフェラルセットが提供されます（図3）。モジュール制御は、追加のプログラミングの必要がない標準的な「AT」コマンドセットを使用するか、ARM mbed開発者ライブラリを使用することで実現できます。
SigfoxとLoRaはどちらも、通常は通信以外の用途に予約されている産業科学医療用（ISM）無線帯域で動作します。とはいえ、ISMバンドで使用するために開発されたモジュールもまだ存在します。これらのモジュールは通常、通信に独自のプロトコルを使用します。これらの帯域で最も一般的な周波数は、433MHz、863～870MHz（EU）、902～928MHz（米国）、2.4～2.5GHzです。
メッシュネットワーク
ワイヤレスネットワークの中には、必ずしもポイントツーポイントやポイントツーマルチポイントシステムで動作しないものがあることは注目に値します。ZigBee、WiMAX、Bluetooth Meshのようないくつかのワイヤレス技術は、n対nのネットワークで動作します。つまり、デバイスは通話が必要なデバイスの範囲内にいる必要がなく、同様のデバイスのネットワークを介してエンドデバイスに信号を送ることができるのです。MicrochipのATSAMR21G18のようなデバイスは、ZigBeeメッシュネットワークの構築に最適です。必要な2.4GHzトランシーバブロックに加え、このデバイスにはいくつかの包括的な暗号認証機能が含まれており、最大動作周波数は48MHzで、最大17個の外部GPIOピンを提供します。
まとめ
プリコンプライアンスモジュールは、開発やコンプライアンステストにかかるコストを大幅に削減できます。ただし、市場にリリースする前に新製品をさらにテストする必要がありますが、個別設計の範囲までは必要ありません。モジュールはそれ自体はプリコンプライアンスしていますが、別のシステムや製品に追加されると、その動作が影響を受ける可能性があります。
選択プロセスを支援するため、DigiKeyはワイヤレス開発ツール製品セレクタ、IoT製品選択ガイド、ワイヤレスリファレンス設計ライブラリをWebサイトで公開しています。
