今日のサブ GHz ネットワークで利用できる高度な機能を見る

IEEE 802.15.4g 規格は、業界標準の PHY を使用してスマートシティを拡張するためのプラットフォームを提供し、ネットワークの採用を容易にして複雑さを軽減するために開発されました。Wi-SUNのようなプロトコルは、メーカーが利用でき、都市が導入できる相互運用性のあるソリューションを提供するために、この規格に基づいて構築されています。これにより、複数ベンダーのデバイスが同一ネットワーク上で相互に通信できるようになります。Wi-SUNは、802.15.4g規格のサブセットを活用して、デバイスの機能を制限することなく互換運用性を向上させます。802.15.4g規格に概説されているFSKおよびOFDM変調方式の両方を使用して、Wi-SUNでは、ネットワーク上の他のデバイスとの相互作用を制限することなく、8つの異なるFSK構成や4つのOFDMオプションを選択して、アプリケーションに最適なソリューションを見つけることができます。Wi-SUNにネイティブのIPv6のアドレス指定機能が組み込まれていることで、IPベースのネットワークを簡単に組み込むことができ、従来のサブGHzベースのソリューションで一般的であった複雑さが解消されます。

802.15.4g規格とそれをサポートするために開発されたICは、サブGHzネットワークではほとんど見られなかった柔軟性を提供します。この柔軟性は大きなメリットですが、複雑さを伴い、設計者は利用可能なさまざまなPHY構成やオプションについてより深く理解する必要があります。各構成にはエコシステム内で独自の位置付けがあり、さまざまなユースケースのニーズに対応し、開発者がネットワークをそのアプリケーションのニーズに制限することなく、アプリケーションに最適なものを選択できるように最適化されています。

FSK、OFDM、O-QPSK

802.15.4g 規格は、スマートユーティリティネットワークの通信仕様を標準化するための 3 つの異なる変調方式を定義しています。これらの変調は次のとおりです。

• SUN FSK: 既存のネットワークで最も一般的に使用される方式。
• SUN OFDM: より高い帯域幅の接続性と低レイテンシーを提供し、OTA などの機能を可能にします。
• SUN O-QPSK: データレートが低く、より長距離のオプションを提供します。

これらの PHY はそれぞれ、ネットワークに異なるメリットをもたらすように設計されており、開発者はネットワークを定義して展開する際に最適な柔軟性が得られます。すべての設計選択と同様に、すべてのエンドノードのニーズを満たす単一のソリューションはありませんが、標準内でサポートされている 3 つの PHY を組み合わせることで、ネットワーク内の各アプリケーションに最適な PHY を選択できます。

SUN FSK および FEC

FSK 変調は、長年にわたり米国の多くのアプリケーションで広く使用されており、802.15.4g は SUN ネットワークの一部として使用できる特定の PHY 構成を定義しています。Wi-SUN は、これらの PHY のサブセット (下表を参照) を使用して、50～300 kbps のデータレートをサポートし、帯域幅は 100～600 kHz の範囲です。

Wi-SUN および 802.15.4g の一部として定義された PHY のうち、FSK は各動作モード内の単一のキャリアとデータレートに依存する最も単純なソリューションです。このシンプルさには、考慮すべきいくつかの課題が伴います。例えば、データレートを上げるには、チャネル帯域幅も拡大する必要があり、その結果としてネットワークはノイズの影響を受けやすくなります。

FSK ベースのネットワークでは、FEC（前方誤り訂正）を利用して、信頼性とネットワークのポイント・ツー・ポイント範囲を改善することもできます。しかし実際には、期待されるほど大きな差は得られません。FSK PHY に FEC を追加すると、特定の帯域幅またはチャネル間隔の有効データレートが半分に削減されます。FSK PHY の最低データレートを除き、FEC を追加するという実用的な利点はありません。下のチャートを見ると、FSKオプション5が緑色で表示されます。この PHY は、帯域幅600 kHzで、データレート300 kbps、またはFEC使用時に150 kbpsをサポートします。FEC を有効にすると、感度は約-103 から 約-107 dB へ向上します。FSKオプション3（青で表示）を見ると、FECなしで同様の感度が得られ、より狭い（400 kHz）帯域幅を維持できることが分かります。ほとんどの場合、オプション5でFECを有効にするよりも、オプション3とその低い帯域幅を選択する方がはるかに有益です。FSK オプション 1b は、FEC を有効にした状態で Rx 感度の大幅な改善 (-110 対 -115 dB) を示すため、この非常に特殊なケースでは、最大ポイント・ツー・ポイント範囲が必要で、かつ50% のデータレート低減を許容できる場合に推奨されます。

北米 - 200/400/600 KHz チャネル間隔

図 1 - FSK データレートと感度

SUN OFDM とその利点

OFDMは、当初1980年代にデジタル音声放送を支援するために開発され、その後1990年代にはデジタルテレビに採用され、さらにWi-Fi規格（802.11g/nなど）の一部として使用されました。これはマルチキャリア変調方式で、特定のキャリアが同期に使用され、他のキャリアがデータ伝送に用いられることで、非常に効率的な変調とコーディングを実現します。OFDM は、すべての MCS (変調およびコーディング方式) モードで同じ同期を利用し、パケット内シグナリングを用いることで、設定変更なしにモード間を容易に切り替えられるという、組み込みのスケーラビリティと柔軟性を備えています。

マルチパス干渉に対して非常に堅牢で、都市環境に最適です。しかし、OFDM には電力増幅器の非常に厳しい直線性要件があるため、規格の制限内に収めるために出力電力が制限される可能性があります。802.15.4g は、4 種類の OFDM オプション (下表を参照) を規定しており、それぞれオプション内で設定可能な MCS レベル (MCS0 ～ MCS6) があります。これらのオプションは、オプションおよび MCS レベルに応じて 12.5 kbps から 2.4 Mbps のデータレートをサポートします。特定のオプション内で、MCS レベルを選択して、ネットワークの即時のニーズに基づいて MCS0 から MCS6 までのデータレートを最大 24 倍まで拡張できます。Silicon Labs は、MCS6 と比べてビットレートが 50% 増加する MCS7 のサポートを追加しました。

Wi-SUN FAN 1.1は、MCSレベル0～6を使用して、4つのOFDMオプションを指定します。以下の表は、EFR32FG25 SoCのRx感度レベルと、それが各オプションおよびMCSレベルによって設定された異なるデータレートに応じてどのように変化するかを示しています。一般に、FG25は、特定のOFDMオプション内のさまざまなMCSレベル間でRx感度に約12～16 dBの差があり、その結果、ポイント・ツー・ポイントの通信範囲が低下する可能性があることを示しています。デバイスは、OFDMに組み込まれたパケット内シグナリング機能を使用して、さまざまなMCSレベルをリアルタイムで簡単に切り替えることができます。これにより、データレートを低くして最大限の信頼性を達成し、その後、無線（OTA）アップグレードなど、より高いスループットのニーズに対応するためにデータレートを短期間上げることができます。

SUN OFDM の柔軟性

図 2 - Wi-SUN データレートおよび感度

一般に、OFDMはFSKベースのネットワークよりも大きな利点があります。これにより、大量のネットワーク帯域幅やエンドデバイスの電力を消費することなく、OTAアップグレードの効率的な実装を可能にする、より高いデータレートとスループットが可能になります。また、データレートが高いほど、オンエア時間が短くなり、大規模なネットワークに大きな影響を与える可能性があります。オンエア時間が短いほど、ネットワークの輻輳が減少し、堅牢性が向上します。また、ネットワークにより多くのノードを追加できます。

FSKと OFDMの比較

FSKとOFDMの変調方式はどちらも、進化する802.15.4gベースの環境で使用されています。FSK ベースのネットワークのシンプルさや OFDM ベースのネットワークのデータレートに勝るのは非常に困難ですが、さまざまなユースケースがあるため、すべてに推奨される万能な実装はありません。

これら 2 つの可能なネットワーク構成を比較する場合、最も簡単な比較ポイントの一つはオンエア時間です。以下の表は、異なるOFDMおよびFSK PHY構成における1500バイトのペイロードの送信時間を示しています。この比較は、結果の整合性を確保するため、同じ帯域幅で行われました。予想通り、オンエア時間とデータレートの間には線形関係がありますが、前述のように、FSKでは帯域幅をデータレートに合わせて拡大する必要があるため、制限された環境では実現可能な範囲が制限されます。

この例から学ぶべき最も重要な点は、FSKと比較してOFDMがネットワーク利用効率の面ではるかに優れているということです。このようにオンエア時間が大幅に短縮されることは、実際の実装において多くの利点をもたらします。例えば、インドは、認可不要のスペクトル（865-868 MHz）で非常に狭い周波数帯が解放されており、チャネル帯域幅は200 kHz に制限されています。この地域では、OFDMを用いることでFSKと比較して最大で3倍のデータレートを実現でき、各デバイスのオンエア時間を短縮できます。OTAアップデートの例では、OFDMを使用すると、同じ帯域幅のFSKを使用するよりも、タスクを3倍速く処理できます。実際のアプリケーションでは、これにより、更新に要するデバイスのオンエア時間が短縮されるか、もしくは同じ時間内で更新できるノード数を3倍に増やすことができます。言い換えれば、FSKと比較した場合、同時に3倍の数のOFDMデバイスを更新できるということです。これは小規模なネットワークにおいては重要かもしれませんが、単一ネットワーク内に数十万台のデバイスが存在する場合、それがどれほど大きな違いをもたらすかは容易に想像できるでしょう。OFDM は、これらの狭帯域アプリケーションにおいて、FSK よりもはるかに効率的で、特定のタイミングでより多くのノードをネットワークに確実に接続し、ネットワーク全体の輻輳を低減できます。

FSKと比較した場合、スケーラビリティと効率性はOFDMの主な利点ですが、いくつかの欠点も考慮する必要があります。OFDM の線形電力要件により、同程度の出力レベルのFSKと比較すると、送信時（Tx）の電流消費が大きくなります。送信時間が短いため、平均消費電力はその一部は相殺されるものの、これはシステムレベルで考慮する必要があり、一部のバッテリー駆動アプリケーションでは制約となる場合があります。

性能比較: ヨーロッパ / インド

ヨーロッパとインドは、帯域幅が限られた環境でOFDMを使用して性能を向上させる方法を示す格好の例です。どちらの地域も現在200 kHzの帯域幅またはチャネル間隔を使用しており、FSKベースのネットワークで可能なデータレートを大幅に制限し、ネットワーク全体の機能も制限しているため、OFDMまたはSUN O-QPSK PHYの使用に最適なケースとなっています。

上の図は、これまで詳しく説明してきたすべてのPHYを示しています。これらの地域におけるOFDM（オプション4）とFSKのユースケースを比較すると、3つの結論（上にA、B、Cとして提示）を導き出すことができます。ケースAを見ると、同様の受信感度または範囲で、OFDMがデータレートを30～50%増加できることが分かります。ケースBを見ると、同じデータレートでおよそ4 dBの感度改善が得られ、その結果、ポイント・ツー・ポイントの通信範囲が大幅に延長されます。最後に、ケースCはAとBの両方を一つの例にまとめたものです。FSK 2aを見ると、OFDMオプション4MCS4はデータレートを50％向上させ、受信感度を2dB改善することができ、その結果、スループットの向上と通信範囲の拡大の両方を実現できます。

さらに詳しく見ると、FSKとOFDMの両方と比較した場合、SUN O-QPSK PHYを使用すると大きな改善が得られることが分かります。50 kbpsのデータレートだけを見ると、SUNのO-QPSKはOFDMと比べて5dBの改善、FSKと較べて8dBの改善をもたらし、これらの低データレート用途におけるポイント・ツー・ポイント通信範囲に大きな影響を与えます。この実際の例から、マルチPHYアーキテクチャを活用することで得られるWi-SUNのようなネットワークが提供する柔軟性により、スタックレベルで複雑化させることなくネットワークを最適化でき、また最小限の追加オーバーヘッドでこれらのデバイス同士が相互に通信できることが分かります。

EU-IN：200KHz チャネル間隔

性能比較: 北米の例

上の図は、すべての3 PHYの実装を示しており、それら間の潜在的な性能のトレードオフを示しています。

このプロットはより複雑ですが、そこから導き出せる結論は明確です。

• OFDMは、単一チャネルOFDMは、単一チャネル間隔オプションで複数のデータレートを利用できる非常に柔軟なPHYです。
• 特定のFSK PHYでは、同じ通信範囲と帯域幅で、OFDMを用いてデータレートを上げることができます。
• SUN O-QPSKは、サポートするデータレートとチャネル間隔の範囲内で、FSKとOFDMの両方に大幅な通信範囲の改善を実現します。

北米では、開発者はニーズに基づいてネットワークを最適化することができ、ほとんど妥協することなく、アプリケーションに最適なPHY、チャネル間隔、データレートを柔軟に選択できます。