大規模なテストネットワークにおけるBluetooth PAwR

2024 年 8 月 21 日 | Sai Bharadwaj Balaji | この記事は 5 分で読めます

Bluetooth接続スマートデバイスの進化とダイナミックな環境では、効率的な相互接続性と信頼性の高い通信が製品性能の成功に不可欠です。洞察力のある多様なデータに対する需要の高まりに伴い、ワイヤレスネットワークはますます拡大しています。Bluetooth Low Energy（LE）では、数千ノードの容量を持つ大規模なネットワークに対するニーズが高まっています。しかし、接続ベースの通信は、サポートする接続が少な過ぎ、接続のない通信が一方向のままであるため、そのニーズは満たされていません。さらに、接続ベースの通信には継続的な専用のエアタイムとメモリが必要ですが、それは利用可能なエネルギー資源にかなりの負担をかけることになります。産業産業オートメーションや資産追跡などリアルタイムのアプリケーションも、同期の信頼性が低いため、遅延の問題が発生します。これらの技術は大規模な集中型ネットワークには適していないため、新しいシステムを開発する必要がありました。

Periodic Advertising with Responses (PAwR)の導入

2023年1月にリリースされたBluetooth Core Specificationのバージョン5.4は、PAwR、すなわちPeriodic Advertising with Responsesと呼ばれる、拡張広告機能と定期広告機能を組み合わせた新機能を導入しています。通信は、あらかじめ設定されたタイムスロットのノード間で行われるようになり、常時オンになるデバイスと、それに伴うエネルギーの無駄を排除できるようになります。この機能により、10,000ノードを超える可能性があるスターネットワーク内の低消費電力デバイスを使用して、大規模な集中型双方向 Bluetooth LE 通信が可能になりました。さらに同期されたパケット伝送と干渉の軽減により、全体的なレイテンシーが大幅に削減され、ユーザーはPAwR対応デバイスを構築できるようになると共に、要求の厳しいリアルタイムのアプリケーションのために、エコシステム全体でシームレスな相互運用性を確保できます。

実際のアプリケーションにおける新しいシステムの計画的な展開と同様に、PAwRシステムも堅牢性、効率性、および信頼性の高い動作についてテストする必要があります。これらの大規模な無線ネットワークのテストには、現実的なテストを可能にするために相当なリソースが必要となるため、課題が伴います。

大規模PAwRネットワークのテスト

いくつかの潜在的なアプリケーションがありますが、Bluetooth5.4のPAwR 機能は、依然として主に電子棚ラベル（ESL）市場*によって牽引されています。一般的なESLネットワークでは、1つのアクセスポイント(AP)が数千のタグと通信することがあります。したがって、ネットワークの堅牢性とパフォーマンスは重要であり、アプリケーション開発時に優先順位を付ける必要があります。開発が正しい方向に進むように、アプリケーションは現実的な環境で、理想的には現実的な規模でテストする必要があります。

数千のノードを含む大規模なIoTネットワークの場合、現実的な規模でのテストは、個々のステークホルダーに物流面と財務面の両方の課題をもたらす可能性があります。Silicon Labsでは、顧客がこれらの課題に費やすリソースを最小限に抑え、大規模なアプリケーションでも、開発から生産までの効率的な進捗を可能にしたいと考えました。

当社の製品がこれら要求の厳しいアプリケーションで使用できることを確認するため、フィンランドのエスプーにあるオフィスで大規模なテスト・ネットワークを構築しました。最大1500ノードをサポートするこのネットワークは、これまでパフォーマンス、研究、統合ベースのPAwRテストの実行に使用されてきました。しかし、このネットワークは Bluetooth メッシュや Zigbee など他の技術にも利用できます。

テスト・ネットワークの設定

当社のテスト・ネットワークは柔軟性を考慮して開発されており、6～12個のカスタムメイドの木製モジュールを保持するためにサーバーラックを使用しています。各モジュールは15ネットワーク・ノードを保持し、各ノードは MG22 または MG24 無線基板と組み合わせた市販の Silicon Labsワイヤレス・スターターキットです。スターターキットを使用することで、無線基板を簡単に交換できるため、当社ポートフォリオにあるあらゆる技術をテストできます。

図1 - 大規模テスト・ネットワークの一部。サーバーラックは、モジュール式の柔軟なセットアップを可能にします。

図2 – ネットワーク・スタックを形成するボード。

ネットワークとの実際のワイヤレス通信をテストしていますが、その間もUSBまたはイーサネット接続で、すべてのノードにアクセスできます。これにより、個々のノードをリアルタイムで管理およびデバッグできます。テストとネットワークを管理するために、ここでは内部ツールの組み合わせを使用しています。これらはすべて、独自のテストフレームワークによって結び付けられています。このフレームワークを使用して、グローバル規模での共同社内開発を可能にします。

大規模なネットワークのテスト

大規模なテスト・ネットワークの主な利点は、現実的で要求の厳しい環境の中で、個々のノードまたは無線ネットワークのより大きな部分のパフォーマンスと統合を分析できることです。これにより、テスト中に検出される特定の制限に開発を集中させ、そのユースケースのために製品を最適化する機会が得られます。

現在、ESLはBluetooth LEで最も要求の厳しいアプリケーションの1つとなっています。これらのネットワークを、大規模にテストすることは非常に重要です。それにより、大量のRFアクティビティがネットワークのパフォーマンスと安定性にどのように影響するかを当社と顧客が理解できるようになるからです。大規模なテスト・ネットワークを使用してアプリケーションを分析する方法を示すために、テスト・ネットワークの開発中に収集されたサンプルテスト結果を作成しました。このテストでは、1,100タグのESLネットワークを展開する際に、ESLサンプルアプリケーションのパフォーマンスを測定しました。

ESLネットワークの展開

ESLネットワーク展開の手順は、次のように要約できます。

アクセスポイント (AP) は、PAwRトレインを開始し広告ESLタグをスキャンします。
APは使用可能なタグに接続し、タグは広告を停止します。この段階では、複数タグの同時設定を可能にするために、マルチ接続を使用できます。
各タグには、APによってグループとタグIDが割り当てられます。以後、タグはそのグループとタグIDによって識別されます。
タグは、Periodic Advertisement Sync Transfer (PAST) 手順中に PAwR トレインに同期されます。
タグが同期されると、APから切断され、APからの同期パケットのリスニングが開始されます。

この手順は、ネットワーク内のすべてのタグに対して実行され、その後、ESLネットワークが展開されます。PAwRトレインは、すでに設定されたタグの同期を維持するために、すべての条件で実行する必要があることに注意してください。

ESLネットワークの展開 – テストサンプル

このテストでは、1つのAPを使用した1,100のESLタグを含むネットワークのESLネットワーク展開を対象としています。そのため、ESLサンプルアプリケーションを使用し、単一接続のみをサポートするように設定されました。したがって、APは一度に1 つのタグを完全に設定してから、次のタグに進むようになります。この設定は、さまざまなネットワークの最適化方法を比較してテストする際に使用できるベースラインとなります。例えば、マルチ接続を使用すると、このESLネットワーク展開パフォーマンスはベースライン結果と比較して50%以上向上しました。

生成された散布図は、各ESLタグのネットワーク展開を個別に視覚化するものです。プロット上の各ドットは1つのタグを表し、Y軸は設定時間を、X軸は各ESLグループの開始と終了を表します。1,100のタグのネットワークの場合、最初の47グループには23のタグが含まれ、最後のグループには19のタグが含まれます。

データセット内の外れ値は、フォーマット（グループ、タグ）を使用して個別にラベル付けされます。これにより、さらなる分析が必要なネットワーク内の動作を簡単に認識できます。

一般に、より大きな無線ネットワークでは、より多くのネットワーク輻輳が発生します。このテストの開始時には、1,100のタグが同時に広告を発信したため、避け難いパケットの衝突が発生しています。APとタグ間の接続を確立するにはパケットの再送信が必要になるため、これによってネットワーク設定の手順が遅くなります。

ネットワーク輻輳の影響は、上記のサンプルで直接確認できます。ネットワーク設定の最初に、外れ値があります。しかし、設定が進むにつれ広告されるタグが少なくなり、輻輳や外れ値が少なくなっています。

BluetoothにPAwR が導入され5.4、大規模なスターネットワークのサポートが改善されて以来、Bluetooth LE は新しいユースケースに統合されています。これまでのところ、この統合は主にESLによって推進されています。しかし、他のユースケースも出現しつつあります。新しいPAwRアプリケーションの開発と統合をサポートするために、Silicon Labsは1,500のノードを含む大規模なテスト・ネットワークを開発しました。ネットワークのハードウェアはモジュール式で、さまざまな技術のテストに使用できます。テスト結果のサンプルに示されているように、大規模なテスト・ネットワークは、ワイヤレス・ネットワークの動作に関するインサイトを提供し、さまざまなユースケースにおいて、信頼性の高いアプリケーションをより効率的に開発できるようになります。　