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デュアルPAN IEEE 802.15.4ユース・ケース向けソリューション
Matterの普及に伴い、複数のネットワークをサポートするスマートホーム機器が求められるようになり、その重要性が増しています。Matterは異なるブランドやエコシステムの間で相互運用性を実現する統合アプリケーション・レイヤであり、今日の住宅に設置済みの数百万台ものスマートホーム・デバイスと共存しながら、インターネット・プロトコルを土台とした基盤となってセキュアな相互運用性をもたらすことを目的に設計されています。
一般的なスマートホーム・ネットワークの多くは、次の図に示すように、複数のテクノロジを使用して構成されています。たとえば、ZigbeeやMatter over Threadを使用するバッテリ駆動または低消費電力のデバイスもあれば、Matter over Wi-Fiを使用した高度なデバイスや常時電力供給が必要なデバイスもあります。
NXPでは、インテリジェントな自律型スマートホームへの移行を可能にするMatterソリューションを提供しています。
詳細については、www.nxp.com/matterをご覧ください。
ブロック図をダウンロードすると、拡大図がご覧いただけます。
このネットワーク・トポロジでは、セントラル・デバイスが少なくとも1つ存在し、このようなデバイス群を管理し相互接続することによってエコシステムの共存を保証しています。通常、このタスクを担う最適なデバイスがゲートウェイ/ハブであり、これによってスマートホームのローカル・ネットワーク（Zigbeeコーディネータ、Threadボーダ・ルータ、Matterコントローラー、Zigbee to Matterブリッジ）に複数のロールを埋め込む必要があります。デュアルPANのユースケースには、次のようなものがあります。
- Matterへの移行またはMatterのサポート追加の一方で、Zigbeeベース・デバイスのサポートを継続
- 複数のワイヤレス・プロトコルの管理機能を備えたゲートウェイ/ハブの構築（Matter、Threadボーダ・ルータ、Zigbeeを実行するゲートウェイ/ハブなど）
デュアルPANの設計に関する考慮事項
デュアルPANは、デバイスが2つのIEEE 802.15.4パーソナル・ネットワークに同時に参加できるようにする機能です。この機能により、既存の市場デバイスとMatterの相互運用が実現し、インテリジェント性の高い自動化が可能になります。たとえば、電力需要のピーク時に照明を自動的に暗くしたり、家電製品の電源を切ったり一時停止したりできます。
特定のユース・ケースでデュアルPANを最も効果的に実装する方法を決定するには、要件と重要度を評価し、優先順位を付ける必要があります。これには次の項目が含まれます。
- サービス品質/ネットワーク・パフォーマンス
- 各ネットワーク上のデバイスの役割
- 各ネットワークの所有権と制御権
- システム・コスト
NXPでは2つのアーキテクチャに対して広範なテストを実施し、設計の意思決定に役立つ背景情報とデータを提供しています。評価対象となった2つのアーキテクチャを以下の図に示します。エコシステムの構成や制限事項によっては、図中のRFチャネルAとBが同じになることも、異なることもあることに注意してください。
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NXPはこの2つのアーキテクチャを定義した上で、テストを実行する2つの構成を作成しました。
| シングル無線機ソリューション | デュアル無線機ソリューション |
|---|---|
| i.MX Linuxホスト MCX W71（ThreadおよびZigbee） |
i.MX Linuxホスト K32W0 (Zigbee) + IW612 (Thread) |
テストのセットアップ、テストの実施、収集されたデータ、結果について、詳しい情報が収録されたアプリケーション・ノートを用意しています。
デュアルPANの実装とテスト・データ
前述のように、ネットワーク内の各デバイスの役割がデュアルPANの結果に影響します。このようなデバイスはスリープ状態または主要回路が電源オンの状態（無線通信が常時可能な状態）で動作し、ネットワークでは同じRFチャネルまたは異なるRFチャンネルを使用できます。一般的に、デュアルPANのユース・ケースでは2つのルーティング・デバイス（常に電源オン）を使用します。
| ネットワーク1 | ネットワーク2 |
|---|---|
| スリープ状態 | スリープ状態 |
| ルーティング | スリープ状態 |
| スリープ状態 | ルーティング |
ルーティング |
ルーティング |
ブロック図をダウンロードすると、拡大図がご覧いただけます。
- 1つの無線機で2つの異なるRFチャネルと同時送受信することが物理的に可能です。
- 通信を行うには無線機がRFチャネルを切り替える必要あり
- 一方のチャネルに設定すると、もう一方のチャネルで送受信できなくなる
- これは、両方のチャネルで「常に受信する」が必須ではない（一方のネットワークにスリープ状態のデバイスがある場合など）ユース・ケースで効果を発揮する
- 同じRFチャネルとの同時送受信は、1つの無線機で容易に達成できます。
デュアルPAN実装のメリット
デュアルPANは、想定するユース・ケースと要件の優先順位に合わせて、シングル無線機ソリューションまたはデュアル無線機ソリューションとして構築できます。要件としては、サービス品質（ネットワーク・パフォーマンス）、各ネットワーク上のデバイスの役割、各ネットワークの所有権と制御権、システム・コストなどがあります。このデータは全体として、特にペイロード・サイズが大きくなりRFアクティビティが増加している状況で、デュアル無線機アーキテクチャで観察されるエラー・パケット損失とレイテンシが大幅に改善されることを示しています。
- シングル無線機ソリューション：低コスト、低柔軟性
- 同じチャネルまたは異なるチャネルを使用して、無線機を2つのPAN間で多重化することで運用します
- 802.15.4はチャネル評価後に送信を実行するという方式であるため、1チャネルでパケットが廃棄される可能性は低い
- 全デバイスが同じチャネルを使用している場合、密度の高い環境では1チャネルが混雑する可能性がある
- 一方のネットワークのみの制御権があり、もう一方のネットワークが別のエンティティ（スマートホーム・プラットフォームなど）によって所有されている場合、その他のネットワークがチャネルを変更するリスクがあります（Matterではその可能性が高くなります）
- PANコンテキストの切り替えに制限があるためRFチャネルの選択の自由度が低くなる
- 同じチャネルまたは異なるチャネルを使用して、無線機を2つのPAN間で多重化することで運用します
- デュアル無線機ソリューション：最適なパフォーマンス、高い柔軟性
- デバイスは各RFチャネルで受信のみを行うため、100%の時間でパケットを受信できます
- パケット損失なし
- 1チャネルのシナリオでも複数チャネルのシナリオでも、最適なパフォーマンスが得られ、柔軟性に優れる一方で、コストは増加します
- デバイスは各RFチャネルで受信のみを行うため、100%の時間でパケットを受信できます
NXPの包括的なポートフォリオには、プロセッシングとネットワーキングに関する要件が異なる多様なデュアルPANユース・ケースに対応するソリューションが含まれています。以下の表に、NXPのシステム・レベル・ソリューションのスナップショットをアプリケーション別およびユース・ケース別に示しています。
| アプリケーションとユース・ケース | シングル無線機ソリューション | デュアル無線機ソリューション |
|---|---|---|
IoTハブZigbeeコーディネータ、Threadボーダ・ルータ、Wi-Fi、イーサネット、Matterコントローラ |
Linuxホスト i.MX 9（Matter、Threadボーダ・ルータ） |
Linuxホスト i.MX 9（Matter、Threadボーダ・ルータ） RTOSホスト |
ブリッジMatter ZigbeeとThread間のブリッジ（ZigbeeとThreadの両方のルーティング機能を備える） |
Linuxホスト i.MX 9（Matter、Threadボーダ・ルータ） RTOSホストRW612 （Matter、Threadボーダ・ルータ、Zigbee、Bluetooth LE） |
RTOSホスト RW612 （Matter、Threadボーダ・ルータ、Zigbee、Bluetooth LE） |
自律的スマートホームの実現
スマートホーム・デバイスを製造するデバイス・メーカーは、Matterの普及が進む中で、スマートホームをインテリジェント性の高い自律型スマートホームへと進化させ、同時に消費者が簡単に利用できるエクスペリエンスを実現する必要があります。そのためには、既存のテクノロジ、特に今日すでに数百万件もの住宅に設置されているデバイスをサポートしなければなりません。NXPは、このようなシームレスなエクスペリエンスの構築に伴う困難な問題を把握しており、主なテクノロジ要件に対応する専用ソリューションを提供することに引き続き取り組んでいきます。テクノロジ要件の概要については、この記事に加えて、関連のアプリケーション・ノートを参照してください。
著者紹介
Sujata Neidig
Sujata Neidigは半導体業界で30年以上の経験を持ち、現在はワイヤレス・コネクティビティ担当マーケティング・ディレクターとして、IoTコネクティビティに関連した製品マーケティングと標準準拠への取り組みを推進しています。また、NXPを代表してThread GroupおよびConnectivity Standards Allianceの理事会に加わっているほか、Thread Groupのマーケティング担当バイス・プレジデントも務めています。テキサス州オースティンを拠点としています。
Michael Vannier
現在、ワイヤレス製品マーケティング・マネージャを務めるMichael Vannierは、ワイヤレス・コネクティビティを利用するソフトウェアやシステム・ソリューションの開発に10年以上取り組んだ経験があります。現在はNXPの製品マーケティング・チームの一員として、製品とソフトウェアの要件設定やワイヤレスMCUの仕様策定に携わっています。