大規模IoT導入に適した5G規格

非セルラー技術に基づく5G規格

かつて、DECTテクノロジーはDigital Enhanced Cordless Telecommunications (デジタル拡張コードレス電気通信) の略で、主に無線電話システムに使用されていました。DECT NR+ (技術的にはDECT-2020 NRとも呼ばれます) は、ITU-Rが定義した5G標準に組み込まれた最初の非セルラー テクノロジーです。DECT-2020 NR規格は、正式にはIMT-2020要件と呼ばれる5Gテクノロジーに関するITU-Rの要件を満たすためにETSIによって開発されました。

DECT NR+ は、ポイントツーポイント、スター、メッシュ トポロジをサポートします。ここで言及されているメッシュ トポロジは、クラスター ツリー トポロジと呼ばれる部分メッシュの一種であることに注意することが重要です。これは、デバイスがクラスターと呼ばれる複数の独立したツリーにグループ化されることを意味します。クラスター ツリー トポロジは、ブランチを持つスター トポロジの一種です。すべてのクラスターは相互接続されてメッシュ ネットワークを形成します。これは、完全なメッシュ トポロジのようにすべてのノードが相互接続されているわけではないため、部分的なメッシュです。

DECT NR+ ネットワークでは、ノードはアグリゲータ ノード、リレー ノード、またはリーフ ノードとしての役割を担うことができます。アグリゲータ ノードは、インターネットにアクセスし、動作周波数を選択し、外部へのルーティングを示すビーコン フレームの送信を開始するゲートウェイとして機能します。ネットワークには、外部接続を備えた複数のアグリゲータ ノードが存在する場合があります。リレー ノードは、他のクラスターおよびクラスター内のリーフ デバイスに情報をルーティングすることでネットワークを拡張します。リーフ ノードはネットワーク内の最も外側のノードであり、データの送信のみが可能です。

ポイントツーポイントおよびスター トポロジでは、インターネット バックホールを持つノードはアグリゲータ ノードとして定義され、他のすべてのノードはアグリゲータ ノードに接続されたリーフ ノードとして定義されます。メッシュ トポロジの場合、このメカニズムにより、デバイスはネットワークのニーズに基づいてデバイスの役割を自律的に割り当てることができ、ネットワーク トポロジの「自己組織化」と「自己修復」がサポートされ、トラフィックが多い場合の輻輳の問題が解決されます。各デバイスは、アグリゲータ ノードへの利用可能なルートに基づいて次のホップを個別に決定します。つまり、クラスタ ツリーは自律的に形成されます。

DECT技術として、DECT NR+ は、DECTフォーラムが使用拡大に取り組んでいる一部の地域 (中国、インド、日本) を除き、世界中で専用となっている無認可の1.9 GHz DECT周波数帯域を利用できます。

DECT NR+ は、DECT周波数帯域で従来のDECTと共存できます。DECT NR+ は共存を考慮して設計されているため、ISM周波数帯域も使用できます。実際、この規格は450MHzから6GHzまでの複数の認可済みおよび認可されていない周波数帯域をサポートしています。

スマートシティにおける大規模IoT導入に適したソリューション

5G規格では、5Gテクノロジーの3つの独立したユースケースが定義されています。その中には、前世代のモバイル ネットワークと比較して、より高速なデータ レートとより大きなネットワーク容量を提供することに重点を置いた拡張モバイル ブロードバンド (eMBB) も含まれます。さらに、低消費電力、高密度、スケーラビリティを重視し、多数の低電力デバイスやセンサーを接続することを目的としたMassive Machine-Type Communications (mMTC) もあります。最後に、リアルタイムの応答性を必要とする重要な通信やアプリケーションに極めて低い遅延と極めて高い信頼性を提供することを目的とした、超信頼性低遅延通信 (URLLC) があります。

mMTCは、スマート シティ、農業、製造、ヘルスケアなどのさまざまな分野に関連する、多数の低電力デバイスとセンサーを接続するニーズに対応します。ITU-Rが定義したmMTCのユースケース要件を満たすテクノロジは、高いデバイス密度 (1平方キロメートルあたり100万台のデバイス)、長いバッテリ寿命、非同期アクセスなど、いくつかの機能をサポートする必要があります。

一方、URLLCは超低遅延と超高信頼性を重視し、障害が許されない即時のデータ転送を必要とする重要なミッションクリティカルな通信やアプリケーションに対応します。URLLCユースケースにより、低遅延システムで初めてワイヤレス操作を考慮できるようになり、これまでは有線接続でのみ実現可能だった低遅延と信頼性が実現します。URLLCのアプリケーションには、自律型ロボット、電力配分、モーション制御などがあります。

現在、「あらゆるアプリケーションに最適な標準は存在しない」ため、既存のIoTテクノロジの統合はほとんど行われていません。たとえば、LTE-MおよびNB-IoTセルラーIoTは、遅延要求を低減した長距離LPWANの提供を目指していますが、ライセンスされたスペクトルを使用するため、データ コストが発生します。一方、LoRaWANでは高価なインフラストラクチャの構築が必要です。カスタマイズされたワイヤレス ソリューションが不足しているため、スマート街灯などのアプリケーションの設計はより複雑で扱いにくく、コストも高くなっています。そのため、資金不足の市当局は、数百万から数十億の端末デバイス向けに大規模に展開する必要がある、インテリジェントなゴミ箱、マイクロ モビリティ ソリューション、公共交通システム、配送追跡などの低コストのワイヤレスM2Mテクノロジーを求めています。これらのテクノロジーは要件を完全に満たすことが困難であることが判明しました。

スマート シティに適したソリューションが登場しており、DECT NR+ はスマート シティの大規模なIoTアプリケーションに最適です。これは、マルチベンダー エコシステムをサポートし、将来志向でスケーラブルな、単一の安全で信頼性の高い無線規格です。さらに、DECT NR+ はライセンスフリーの無線スペクトル割り当てを使用するため、データ コストがかからず、ライセンスが必要な対応製品に比べて運用コストが安くなります。DECT NR+ は、ワイヤレス5Gを民主化し、大規模なデバイスの導入を可能にするとともに、セルラーの利点をすべて提供しながら、大規模なIoT導入のコストを大幅に削減します。

DECT NR+をサポートする高度に統合されたソリューション

最近、Nordicは、セルラーIoTおよびDECT NR+ 施設向けのまったく新しいSiP (System in Package) ソリューションを導入し、ワイヤレス製品ポートフォリオを拡大しました。この新しいエンドツーエンドのセルラーIoTソリューションであるnRF91シリーズSiPには、2つの新しいデバイス (nRF9161™ とnRF9131™) を含む3つのデバイスに加え、評価および開発ツール、開発ソフトウェア、nRFCloudサービス、テクニカル サポートが含まれています。Nordicは、IoT企業向けに包括的な設計および展開ソリューションを提供することに取り組んでいます。同社の製品には、設計サポート、チップセット、モジュール、ソフトウェア、サービスが含まれており、使いやすさ、安定性、コスト効率を実現しており、このような包括的なセルラーIoTソリューションが単一の企業によって提供されるのは初めてです。

nRF91シリーズは、専用アプリケーション プロセッサとしてArm Cortex-M33を搭載しており、ユーザーは完全なプログラミングを実現できます。1MBのフラッシュメモリ、256KBのRAM、および複数の周辺機器を誇ります。このシリーズは、LTE接続と測位機能以外にも、幅広いアプリケーションをサポートし、セルラーIoTおよびDECT NR+ (nRF9161およびnRF9131に限定) ドメインにおける真のエッジ コンピューティングの可能性を広げます。さらに、NordicはオープンソースのnRF Connect SDK (ソフトウェア開発キット) も提供しており、ユーザーは専用のアプリケーション プロセッサ上でカスタマイズされたアプリケーションを開発できます。nRF9131 mini SiPには、PMIC (電源管理集積回路)、受動デバイス、水晶が統合されていないことに注意してください。

nRF91シリーズは、LTE-MおよびNB-IoTアプリケーションをサポートする完全に統合されたセルラーIoTソリューションであり、そのエネルギー効率に優れたイノベーション、すなわちeDRX (拡張不連続受信) とPSM (省電力モード) は、LTE-MおよびNB-IoTの電力節約に大きく貢献します。eDRXとPSMは連携して動作し、数か月から数年のバッテリー寿命を実現します。nRF91シリーズは、デバイス間の干渉による電力の浪費を最小限に抑えながら、これらの周波数帯域内での通信のパフォーマンスと信頼性を管理および保証するサービス品質 (QoS) もサポートしています。

nRF91シリーズは、高い導入密度と広範なカバレッジを備え、真に大規模で高密度な導入を可能にします。nRF9160には重要な追加セキュリティ対策が含まれており、Arm TrustZoneやArm CryptoCellなどの機能によってデバイスのセキュリティが強化され、安全で信頼できる実行とキーの生成および保存が可能になり、最適なセキュリティが提供されます。

SiPパッケージに高度に統合されたDECT NR+ソリューション

NordicのnRF9161 SiPは、セルラーIoTおよびDECT NR+ アプリケーション向けに特別に設計されており、高度に統合されたSiPソリューションの新しい標準を確立します。nRF9161は、低電力LTEテクノロジー、高度な処理能力、堅牢なセキュリティ機能を活用し、優れた高性能と汎用性を実現します。前モデル (nRF9160) と比較すると、DECT NR+ および3GPP Release 14 LTE-M/NB-IoTのサポートを含むいくつかの機能強化が組み込まれています。

nRF9161は、DECT NR+ および3GPP Release 14 LTE-M/NB-IoT LTEプロトコル スタックのサポートを含むさまざまな追加機能を誇り、グローバルな接続と高い効率を実現します。統合モデムにより、地理的制限のない世界規模の接続が実現され、独自のモデム機能が組み込まれているため、エネルギー効率と使いやすさがさらに向上します。DECT NR+ の可能性を最大限に活用するために、nRF9161のDECT NR+ プロトコル スタックは、安全で長距離かつスケーラブルな大規模メッシュ アプリケーションを実現します。

Nordicは、DECT NR+ アプリケーションに最適な強力なソリューションであるnRF9131 Mini SiPも提供しています。さらに、nRF9161 SiPと同じセルラー通信操作用のLTEスタック サポートを共有します。nRF9131はチップベースの従来の設計を簡素化し、大規模なセルラーIoTアプリケーションに最適です。nRF9161 SiPと比較すると、nRF9131は統合度が低いため、部品表 (BOM) コストが削減されます。ただし、携帯電話最終製品の認証にかかる非経常的費用 (NRE) は、希望する地理的範囲に応じて増加することに注意することが重要です。したがって、nRF9131 Mini SiPは、グローバルNR+ アプリケーションや特定の地域を対象とした大規模なセルラー製品に最適です。

nRF9131はDECT NR+ アプリケーションに最適であり、このコンテキストで優れたパフォーマンスと機能性を発揮します。より小型のフォームファクタと柔軟な調達オプションを提供するため、nRF9161よりもコンパクトで、他の特性を備えたPMICと互換性があります。さらに、nRF9131のファームウェア機能はnRF9161と完全に互換性があり、2つのSiP間でシームレスな切り替えが可能になります。Nordicはリファレンス デザインも提供しており、nRF9131をNordicのnPM6000 PMICと組み合わせることで、nRF9161と同等の電力消費を実現できます。

結論

DECT NR+ は、強力で効率的な自己組織化ネットワークに基づき、ノードあたりのコストが低く、産業、農業、資産追跡、スマート シティ、スマート エネルギーなどの市場における大規模なM2Mアプリケーションに大規模なIoTアクセスを提供することが期待されており、市場開発の可能性は極めて大きいです。Nordicは、迅速な商用化のために主要なワイヤレス テクノロジーを早期に採用してきた実績があり、DECT NR+ 商用ソリューションを市場に投入した最初の企業の1つです。NordicのnRF91シリーズは、お客様がDECT NR+ アプリケーションの急速な開発をサポートするのに役立ちますので、ぜひ理解を深めてください。