920MHｚ帯特定小電力無線モジュールの最新技術動向

【１．はじめに】

　ＩｏＴを支える無線技術として、低消費電力で、カバーエリアの広い、その名の通りのＬｏｗ　Ｐｏｗｅｒ　Ｗｉｄｅ　Ａｒｅａ（ＬＰＷＡ）が注目をあつめている。ＬＰＷＡとひとくくりに呼ばれるものの、多種多様な方式があり、それらのメリット・デメリットもまた、多様である。今回は、その中でもロームが特に開発に注力している��Ｗｉ−ＳＵＮ�≠ﾌ最新動向を紹介する。

【２．Ｗｉ−ＳＵＮとは】

　Ｗｉ−ＳＵＮとは、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｍａｒｔ　Ｕｔｉｌｉｔｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋの略で最近策定された新しい無線通信規格のことである。２０１２年にＷｉ−ＳＵＮアライアンスが発足し、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇをベースとした標準化が進められている。

　図１に、様々なＩｏＴ向け無線通信規格の中でのＷｉ−ＳＵＮのポジションを示す。

　この図から分かるように、Ｗｉ−ＳＵＮはＷｉ−Ｆｉより通信距離が長く、ＬｏＲａ　ＷＡＮやＳｉｇｆｏｘよりデータ転送のスピードが速いという特徴を持っている。適度に飛び適度に速く、基地局に依存しないバランスの良い無線通信規格であるため、ＩｏＴ市場で最も適用範囲が広い無線といえる。

【３．Ｗｉ−ＳＵＮプロファイルの種類】

　Ｗｉ−ＳＵＮアライアンスには技術仕様を策定するワーキンググループ（以降、ＷＧ）があり、複数のプロファイルが策定されている（図２）。

　ＨＡＮ　ＷＧ、ＦＡＮ　ＷＧ、ＲＬＭＭ　ＷＧ、ＪＵＴＡ　ＷＧの４つのワーキンググループにより４種類のプロファイル策定が進められている。

　ロームでは、既に仕様策定・認証が開始されているＨＡＮ、ＦＡＮ、ＪＵＴＡの３つのプロファイルに対応した製品の開発を進めており、その最新状況について紹介していく。

【４．Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮ】

　ＨＡＮ　ＷＧで策定されたプロファイルのひとつに「Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮ」がある。ロームでは２０１９年１月からＷｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮに対応した無線通信モジュール「ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１」の量産を開始している。Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮは従来のＨＡＮに通信距離を拡張するリレー通信機能や、電池駆動機器でも双方向通信を可能にするスリープ通信機能をサポートした最新の規格である。家庭内ネットワーク（Ｈｏｍｅ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＨＡＮ）はもちろん、工場や商業施設内の広い場所でＷｉ−ＳＵＮ対応機器が活躍するシーンが増えていくことが予想される（図３）。

　Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮ規格について、図４に概要を表す。

　ＨＡＮ　ＷＧでは、はじめにＢルート通信、次にシングルホップＨＡＮ、そして最新のＥｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮという順でプロファイルが策定されている。

Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮ規格の特徴：

１．リレー通信が可能

　従来のＷｉ−ＳＵＮ　ＨＡＮ規格では１対多のスター型接続のみをサポートしていたが、Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮでは１対多対多のツリー型接続が可能となる。これにより、例えば宅内のＨＥＭＳコントローラと屋外に設置された蓄電池やＥＶチャージャといった機器との通信のように、通信端末同士が見通し外で通信距離が離れている場合でも、中継機を介することでより安定した通信が可能となる。

２．スリープしながら双方向に通信（スリープ通信）が可能

　通常、無線通信で双方向に通信を行う場合、無線機は常に受信状態を維持する必要がある。しかし、受信状態中はある程度電力を消費するため、電池で動作するセンサー機器などが双方向通信を行うことは難しく、一般的には送信のみをサポートする方式が採用されている。それに対しＷｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮでは、省電力動作を意識した双方向通信方式をサポートしており、ユーザーは電池駆動でも最適な通信を行うことが可能となる。

ローム製無線通信モジュール「ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１」の特徴：

１．全モードサポート

　ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１は、Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮで規定されているすべてのモードをサポートしている。そのため、ゲートウエイなどのネットワークを統括するコーディネータ、家電やセンサーなどのネットワークにつながるエンドデバイス、無線通信を中継するリレーデバイス、省電力動作を行うスリーピングデバイスのすべてに使用できる。またスマートメーターと接続するＢルートにも利用可能だ。煩わしいハードウエアの交換やファームウエアの切り替えも不要である。ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１は、お客さまのニーズに応じた様々な用途に使用できる。

２．「ＦＯＴＡ（Ｆｉｒｍｗａｒｅ　ｕｐｄａｔｅ　Ｏｖｅｒ　Ｔｈｅ　Ａｉｒ）」機能を搭載

　無線通信でファームウエアデータを配信および更新するＦＯＴＡを行うには、通信速度が遅いと時間がかかるため、ある程度の通信速度をもった規格が適している。また、実運用を考えた場合、通常の通信を行いながらＦＯＴＡを実行する必要があり、バックグラウンドでファームウエアを格納するための領域をデバイスに確保する必要がある。ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１は、�@Ｗｉ−ＳＵＮによる速い通信（１００ｋｂｐｓ）と�Aファームウエア格納領域を２つ持つラピスセミコンダクタ製無線通信ＬＳＩを採用し、実運用に最適なＦＯＴＡ機能を実現した。

　ＦＯＴＡ機能の搭載により、万一の不具合にも迅速に対応することができ、さらに規格のマイナーアップデートにも低コストで対応することができる。

３．評価ボード

　ロームは、お客さまの評価期間短縮に寄与する、ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ11を実装した評価用基板「ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１−Ｔ０１」のインターネット販売を３月から開始している（図７）。

　また、無線モジュールスタートガイドやハードウエア仕様書、外付けアンテナリストなど、開発に必要なドキュメントすべてを、ロームホームページのサポートページよりダウンロードすることができる。
https://micro.rohm.com/jp/download_support/wi-sun/

【５．Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡ】

　ロームは電池駆動を行うスマートメーター用の新しい国際無線通信規格である「Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡ」に向けた製品開発を規格策定の段階から行ってきた。ローム製無線通信モジュールは、既に東京ガスで採用されており、２０１９年５月に正式リリースされた「Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡ」において、認証試験用の基準器（ＣＴＢＵ：Ｃｅｒｔｉｆｉｅｄ　Ｔｅｓｔ　Ｂｅｄ　Ｕｎｉｔ）として採用されるとともに、業界でいち早くアライアンス認証を取得した。

【Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡ規格の特徴：】

１．電池駆動のスマートメーターで１０年以上の動作が可能

　Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡは、独自の間欠動作（一定間隔で送受信する以外、全てスリープ）を行うことで、受信時間を極めて短くしており、同じ９２０ＭＨｚ帯特定小電力無線を扱う従来のＷｉ−ＳＵＮ（Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮのエンドデバイスモード）と比較して消費電流を９８％以上削減している。このため、電池駆動のガススマートメーターや水道スマートメーターなどを１０年以上動作させることが可能になる（図８）。

２．多数のアプリケーションが混在するエリアでも高信頼の通信が可能

　送信機が通信を開始するにあたり、一般的な低消費電力無線通信では連続で送信動作を行うが、Ｗｉ−ＳＵＮ　ＪＵＴＡではビーコンをキャッチするまで受信動作を行い、この間電波を占有する送信動作を行わない。したがって、通信回数が増えた場合でも電波占有時間が増えにくく、安定した通信を行うことができる（図９）。

【ローム製無線通信モジュールの特徴：】

１．高信頼のメッシュネットワークを構築可能

　最大４ホップまでのマルチホップ通信（中継機能）をサポートしているため、故障などで使えなくなった経路が発生した場合に、送信先に達するまで継続的に経路を再構成するメッシュネットワークを構築することができる。

２．セキュリティ機能内蔵

　セキュリティ機能を内蔵し、通信の暗号化とセキュリティ鍵の更新を無線通信モジュール側でサポートしているため、ホスト側で複雑な処理をすることなく、簡単にセキュアな通信を行うことができる。

【６．Ｗｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮ】

　京都大学　大学院情報学科原田博司教授の研究グループと、日新システムズ、ロームの共同開発によって、２０１９年１月にＷｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮの認証を取得した（図１０、１１）。

【Ｗｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮ規格の特徴：】

１．マルチホップ・メッシュネットワークへの対応

　マルチホップ・メッシュネットワークは、一般的に用いられるスター型ネットワークとは異なり、図１２に示す通り多段にデバイスを接続してメッシュ状にネットワークを構築し、面的にエリアをカバーすることができる方式である。

デバイスの冗長な配置により、複数の経路ができるため、単一障害点によるシステム全体の障害を避けて、より安全なネットワークを構築することが可能となる。

　これにはＩＥＴＦのオープンな仕様であるＲＰＬ（ＩＰｖ６　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　Ｌｏｗ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）と呼ばれるプロトコルを採用している。ＲＰＬにより、近隣のデバイスを自動的に発見し、自律的にメッシュネットワークを構築する。通信経路はまず、デバイス同士が交換する無線通信品質を基にデータを収集するアクセスポイントであるボーダールーター（Ｂｏｒｄｅｒ　ｒｏｕｔｅｒ）までの仮想的な距離であるＲａｎｋ値を計算する。そして、Ｒａｎｋが最も小さい経路を最適経路と判断して通信を行う。

　設置後の地勢の変化や突発的な電波障害に対して、他の経路を選択することで安定したシステムの運用が可能になる。

２．高度な認証と暗号通信

　ＲＡＤＩＵＳ／ＡＡＡサーバーによる認証を採用しており、認証方式にはＥＡＰ−ＴＬＳを使用する。接続されるデバイスには、クライアント認証書を設定できる。許可されたデバイスのみボーダールーター側で一元管理されるため、経路が変わってもデバイスごとの設定は不要となる。また、暗号には非常に強力なＡＥＳ暗号を用いて安全な通信が可能となっている。クライアント証明書は、Ｗｉ−ＳＵＮアライアンスによって指名されたＧｌｏｂａｌＳｉｇｎ社の発行する証明書を使用することができる。本格的にシステムを稼働させる際には正式なクライアント証明書で運用できるよう設計されている。

３．周波数ホッピング

　国内においては、５０ｋｂｐｓ通信時に９２２．４０ＭＨｚ（３３ｃｈ）から９２８．００ＭＭＨｚ（６１ｃｈ）の２８チャンネル、１５０ｋｂｐｓ通信時には９２２．５０ＭＨｚ（３３、３４ｃｈ）から９２７．７ＭＨｚ（５９、６０ｃｈ）の１４チャンネルの範囲で各デバイスはチャンネル切り替えを行いながら動作させる。ユニキャスト通信の場合は、各デバイス自身が持つＥＵＩ−６４のＭＡＣアドレスをキーに、ブロードキャスト通信の場合は疑似乱数であるＴＲ５１ＣＦ（ＴＲ５１　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）あるいはＤＨ１ＣＦ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｈａｓｈ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）により利用チャンネルを計算し、一定の周期ごとにチャンネルを切り替えて通信を行う。チャンネル切り替えはシステムの目的や運用に合わせて変更が可能となっている。また、切り替えチャンネルの範囲あるいはチャンネルマスクを個々のデバイスに設定することも可能で、柔軟なシステムを構築することができる。周波数ホッピングによって電波干渉やノイズなどに耐え得る強固なシステムを構築するとともに秘匿性の高い通信ができる。現在の電波法では、Ｗｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮの電波帯において１時間に６分のみの送信制限があるが、周波数ホッピングにより複数チャンネルを使用することで１時間に１２分の制限に緩和される法改正が計画されており、それが施行されるとさらにＷｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮの適用範囲が拡大されていく。

【７．今後の展望】

　ロームは今後Ｗｉ−ＳＵＮ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＨＡＮ（ＢＰ３５Ｃ０−Ｊ１１）、ＪＵＴＡの普及促進およびＷｉ−ＳＵＮ　ＦＡＮモジュールの開発・量産に注力していく。
　スマートメーターはもちろん、それ以外の物流・資産管理やセキュリティ・スマートビルなどが注目されているＬＰＷＡ市場で最も適用範囲の広いＷｉ−ＳＵＮの普及促進に努め、より良い社会の実現に貢献していく。

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