共存、消費電力およびセキュリティ

はじめに

前回は、設計に最適なワイヤレステクノロジを選択するためのいくつかの検討事項について説明しました。

周波数スペクトル、ライセンススペクトルとアンライセンススペクトル、およびいくつかの一般的な帯域を考察しました。また、通信範囲と出力電力や受信機の感度など、範囲に影響を与えるさまざまな要素についても説明しました。前編では、ネットワークトポロジの説明、メッシュとポイントツーマルチポイント、およびコスト、消費電力、レイテンシなどの関連トレードオフの説明で終わりました。

後編となる今回は、Coexistence(共存)、消費電力、セキュリティなど、残りの検討事項について説明します。共存という用語に馴染みがない場合、ここでは共存とは、共通の周波数帯域で互いに共存し、かつ動作する必要があるデバイスを指します。

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Coexistence(共存)

前編で述べたように、ほとんどのワイヤレスソリューションは、アンライセンス帯域で共有スペクトルを使用しています。その結果、周波数帯域とそれらの帯域のチャネルは、さまざまな種類の無線および信号からの圧力を受けています。

無線が互いに干渉する問題は共存と呼ばれます。このテーマについては、別のアプリノート「Coexistence in 2.4GHz」にて詳細な説明をしているので、ここでは簡単な要約のみ記載します。

高い送信電力と比較的広い帯域幅を備えた2.4GHz Wi-Fi ネットワークは、Bluetooth Low Energy(Bluetooth LE)接続とConnectivity Standards Alliance(旧Zigbee Alliance)のGreen Powerプロトコルの両方に干渉します。

Bluetooth LEには、ビジー状態のチャネルに関する情報を毎回検出して保持し、これらのチャネルを回避することにより、周波数ホップする機能があります。この機能は適応型周波数ホッピングスペクトラム拡散(AFHSS)と呼ばれ、Wi-FiおよびZigbeeパケットの存在時に はBluetooth LEの信頼性を向上させます。

Zigbeeテクノロジはこの機能を提供していませんが、Wi-Fiチャネルと重複しないチャネルに割り当てることができます。一般に、Bluetooth LEおよびZigbeeネットワークは共存できます。Wi-Fiネットワークは、共存メカニズムにより積極的に管理するか、ZigbeeとWi-Fi間のチャネルをセットアップして重複を最小化する必要があります。

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  図1. 簡略化された周波数マップ

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  図2. 周波数マップの簡略化された時間領域ビュー、Bluetooth LEチャネルの周波数ホップと占有チャネルのスキップ方法を示す

市場トレンドは、これらのさまざまな無線機をチップ上に統合して、共存がシステム設計の懸念事項になるようにすることで、ハードウェアとソフトウェアの両方を完全に最適化し、これらの異なる技術を並べて使用し、可能な最高の経験を提供できるようにすることです。しかしながら、統合されていない無線機用のソフトウェアソリューションも存在します。

適切に共存しないと、Bluetooth LEを通過するオーディオが途切れ、Zigbeeパケットの再試行が必要になり、全体のWi-Fiスループットが低下します。共存が成功すると、衝突が軽減され、さまざまなプロトコルからのメッセージに優先順位が付けられ、すべてのプロトコルで全体的なサービスの品質が向上します。共存は適切に機能していると目立たないため、当然のことと考えがちです。

消費電力

消費電力は、最も重要な検討事項の1つです。さまざまなプロトコルの実装に必要な消費電力を決定する、物理学に基づく基本的な制限とトレードオフが存在します。

RFパワーアンプとも呼ばれる送信機は、システム内で最も消費電力が多い部分です。RFパワーアンプは動作クラスによって説明されます。クラスA、B、AB、およびCは線形増幅器と見なされ、増幅器クラスが高くなると電力効率が向上します。たとえば、クラスCのアンプはクラスABよりも効率的です。効率は向上しますが、直線性はクラスが高い動作ほど低下します。クラスD、E、F、Gなどは非線形増幅器であり、基本的に共振負荷を備えたスイッチです。振幅変調と位相変調の両方を使用する場合は、線形PAが必要です。ただし、定振幅変調の場合、電流がほぼゼロのときにスイッチングが発生する可能性があるため、電力効率を最大化するためにスイッチングアンプが使用されます。このように動作モードの種類や検討事項が多いため、次の例では効率が50％の理想的なクラスAアンプを想定しています。

たとえば、50Ω負荷(アンテナ)に+30dBmを50％の効率で供給するパワーアンプトランジスタには、約200mAが必要です。これは残りのシステム電力を考慮せず、PAトランジスタに必要な電力(ドレイン効率として知られている)のみを考慮します。また、送信機は非常に迅速かつ正確な立ち上がり/立ち下がり時間でオンとオフを切り替える必要があります。その結果、特にエネルギーが制限され、大きなスイッチング過渡状態に耐える力が乏しいバッテリ駆動システムでは、慎重ない電源設計とデカップリングが重要になります。

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  表1. PAトランジスタの消費電力と出力電力、50Ω負荷、50％ドレイン効率

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電力効率に関する最終的な注意事項として、RFエンジニアには電力付加効率(PAE)と呼ばれる別のメトリックがよく使用されます。これはPA(PinputmW)を駆動するのに必要な電力を考慮しています。PAには大型トランジスタがあり、プリドライブ回路は大量の電力を消費する可能性があります。

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一般に、プロトコルの性能が高いほど消費電力も高くなります。たとえば、4×4 MIMOシステムには4つの並列受信チェーンと送信チェーンが必要であり、これにより消費電力がほぼ4倍になります。一部のブロックはチェーン間で共有されるため、1対1の関係ではありませんが、シグナルチェーンが追加されているため、消費電力は依然として高いままです。

システムをバッテリで動作させる場合は、実際の使用時間とデューティサイクルも重要な検討事項です。Bluetooth LE温度センサビーコンのような非常に低いデューティサイクルのアプリケーションでは、CR2032コイン電池1個で10年以上使用することができます。このタイプのアプリケーションの一般的なアクティブな時間のデューティサイクルは約1％です。これはシステムが99％の間はアイドル状態であることを意味します。これがバッテリおよびバッテリフリー(環境発電)動作を評価または設計する際に、スリープ電流またはアイドル電流が重要なパラメータである理由です。

他の電源はもちろん主電源やPower over Ethernet(PoE)です。一例を挙げれば、Wi-FiベースのIPカメラは通常PoEを動力源としています。

電源のような、ほぼ無限のエネルギー源に接続された製品を設計するときに、消費電力を気にしないで済まそうと誘惑されるエンジニアもいますが、そう単純な話ではありません。政府はますますデバイスの消費電力を精査し、規制する方向に動いています。プラグインされる製品が増えるにつれ、電力節約が徐々に膨らみ大きな影響を与える可能性があります。存分な経済的および社会的利益を得るには、消費電力を常に最小限に抑える必要があります。もう1つの目立たない消費電力の検討事項は、ネットワークトポロジ自体です。

セキュリティ

セキュリティは実際のところ検討事項ではなく要求条件です。各プロトコルには、少なくとも最小レベルのセキュリティが組み込まれています。セキュリティのテーマは、不可能ではないにしても、このような概要記事で短い段落に要約することは困難です。とはいえ、考慮すべきいくつかの重要なポイントを以下に示します。

ワイヤレスネットワークにとって最も脆弱な瞬間は、ペアリングまたはオンボーディングのプロセスです。これはセキュリティ情報を無線によりノード間で交換する必要があるときで、このときネットワークが最も脆弱です。これに対する一般的な解決策は、帯域外(OOB)プロトコルを使用することです。たとえば、新しいWi-Fiルータをテストするために、Bluetooth LEを介したペアリングプロセスをトリガするQRコードの存在があります。Bluetooth LEは通信範囲が限定されているため、物理的な距離がハッカーにとってもう1つの障壁となるため、良い選択肢でもあります。そしてもちろん、電話はクラウドに接続でき、そこでセキュリティ情報を取得できます。一部のシステムでは、ペアリングは独自のプロトコルリンクを介して行われます。

ペアリング後の最も基本的なセキュリティは、データペイロードを暗号化することであり、これは非常に長い間行われてきました。しかし、現在Wi-Fiなど一部のプロトコルでは、管理フレームとプロトコルオーバヘッドも暗号化する必要があります。それでも十分ではなく、動的暗号化も必要です。動的暗号化がなければ、ハッカーは非常に効率良くフレームを嗅ぎまわって、プロトコルをリバースエンジニアリングする可能性や、ネットワークの仲介者やなりすましとして振る舞う可能性があります。動的暗号化には時間が経過すると有効期限が切れるキーがあるため、ハッカーが侵入しても、再ハッキングをせずに時間を遡ったり早めたりすることはできません。動的暗号化では、ハッカーはシステムをオフラインでリバースエンジニアリングするのではなく、実際の無線でやりとりすることも必要でした。そのほうがはるかに高速なので以前はこの方法でハッキングを行っていました。幸いなことに、これは現在不可能です。

セキュリティスキームも保護対象物のリスクに合わせて拡張する必要があります。セキュリティを追加すると、コストとメンテナンスのオーバヘッドが増えるため、経済的に保護されているデータの価値に見合う必要があります。一例として、Zigbeeテクノロジは第一に信頼システムのルートです。委託されると、プロトコルはデバイス間の信頼のルートを仮定します。Zigbeeネットワークはインターネットに接続されておらず、システム管理者の管理下にあるローカルネットワークであるため、これは合理的な仮定です。

Bluetooth LEは、全面的なセキュリティを必要としないきわめてシンプルなノードとしてよく使用されます。他人が自分のリビングルームの温度センサデータにアクセス可能かどうかには関心がなくても、誰かが大切な薬など使用期限がある品のコールドチェーンタグをハッキングしたり偽装したりできるとすれば、とても気になるかもしれません。このため、Bluetooth LEは異なるユースケースと通信データの価値に基づく、スケーラブルなセキュリティ機能を提供します。

Wi-FiはIP(インターネットプロトコル)ベースでインターネットに接続されているため、可能な最高レベルのセキュリティを備えていなければなりません。実際のアプリケーションのリスクレベルに応じて拡張できる、多様なレベルのセキュリティスキームが存在します。たとえば、ホームネットワークの要件は、エンタープライズソリューションが必要な銀行やオフィスビルのネットワークよりも緩やかです。

セキュリティに関する最終的な考え方として、セキュリティ設計が完了することは決してないと肝に銘じることが大切です。ハッカーとセキュリティ技術の双方が絶え間なく続く「いたちごっこ」を演じていますが、これは今後も変わらないので、システムを将来にわたって保証し、可能な限り安全に維持できるようにソフトウェアを更新するメカニズムを設計に組み込んでおくことが重要です。

まとめ

この前後編のシリーズでは、通信プロトコルと相互運用性の要件、周波数帯域と共存、通信範囲、電力、ネットワークトポロジ、セキュリティなど、ワイヤレス製品を設計する前に理解しておく必要がある、さまざまなシステムレベルでの検討事項と各種要素について説明しました。

各テクノロジにはエコシステム内でそれぞれの持ち場があり、設計の各部分において何が最も効果的かを知っておけばいいだけです。オンセミ(onsemi)も短距離から中距離、長距離、さらにそれ以上のすべてのユースケースに対応できるワイヤレスソリューションを用意することで、簡単なBluetooth LE温度センサビーコンでも、エンタープライズ品質のWi-Fiでも、ワイヤレス設計のあらゆる課題に対する対応を図っています。