独自のRFとBluetoothの比較

ヒューマン インターフェイス デバイス (HID) からモノのインターネット (IoT) 用のリモート センサーに至るまで、アプリケーションのワイヤレス接続に関して設計者には多くの選択肢があります。 行う必要があるより基本的な決定の XNUMX つは、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee などの標準ベースの RF インターフェイスを使用するか、それとも独自の RF 物理層 (PHY) を使用するかということであり、多くの設計者が依然として悩んでいます。 ) デザインとプロトコル。

どちらかを選択する理由はたくさんありますが、コスト、セキュリティ、消費電力、相互運用性、設計時間、干渉に対する堅牢性、共存、遅延、認証要件などの点での相対的なトレードオフも同様です。 これらのトレードオフの多くは相互に関連しているため、設計者はまず設計要件を決定し、それに応じて最適化する必要があります。

この記事では、標準の Bluetooth インターフェイスと独自の RF プロトコルのどちらを選択する際に考慮すべき要素について説明します。 次に、Bluetooth 5 モジュールが導入され、その後に独自のプロトコルを実装できるシリコン ソリューションが導入され、迅速に起動して実行する方法についてそれぞれに適切なガイドラインが示されます。


独自のRFの長所と短所
設計でセキュリティ、低消費電力、省スペース、パフォーマンスの方向での最適化が必要な場合には、独自の PHY とプロトコルが有効です。

セキュリティは、ガレージ ドア オープナーから IoT デバイスに至るまで、多くのアプリケーションにとって重要です。 独自の無線機を使用すると、さまざまな方法でこの問題に対処できます。 まず、独自の設計により、あまり知られていない RF インターフェイスはハッキングが困難であるという点で、「隠蔽によるセキュリティ」が保証されます。 また、独自のインターフェイスがポイントツーポイントであるか、より広範なネットワークに接続しない閉じたシステムで動作するため、隠されたままになる傾向もあります。 最後に、独自のインターフェイスの設計者は、他のメーカーのセキュリティ アルゴリズムと相互運用できる必要がなく、独自の高度な暗号化アルゴリズムを自由に開発したり、確立されたアルゴリズムを微調整したりすることができます。 異なるというだけで、それ自体がセキュリティ上の利点になります。

独自の無線設計は、Wi-Fi ネットワーク、電子レンジ、コードレス電話、その他の低電力無線ネットワークからの干渉に直面しても堅牢な接続を確保する場合に有利です。 設計者は、規格に縛られることなく、直接拡散スペクトル (DSSS) や周波数ホッピング拡散スペクトル (FHSS) などの技術を使用して、スペクトルを柔軟に活用できます。 さらに、予想されるリンク バジェットに基づいて独自の優先コーディング スキームを採用して、より高いスループットやより低い電力消費を実現できます。

この柔軟性はデータ パケット構造にも当てはまります。 標準ベースの無線デバイスとの相互運用性を確保するために必要なパケット オーバーヘッドがないため、アプリケーションのニーズに応じてパケット構造を合理化できます。

ハードウェア設計の観点から見ると、十分に理解されたパフォーマンス要件と、それらの要件が後の段階で変更されないという保証により、独自の RF インターフェイスの設計者はスペース、電力、パフォーマンスを最適化できます。 これは、アプリケーションのニーズを満たすために必要な関数のみを再度含めることによって実現できます。

独自の RF には多くの利点がありますが、考慮する必要がある要素も数多くあります。 100,000 つ目はコストです。カスタム RF IC 設計と関連ソフトウェアの非経常エンジニアリング (NRE) コストを正当化するには、特に低コストのデバイスの場合、予想数量は > XNUMX でなければなりません。

コストと密接に関係しているのは、特に RF 設計の気まぐれさと十分に文書化された RF 専門知識の不足を考慮すると、設計時間と、設計を成功させるために必要なファームウェアとソフトウェアの開発にかかる時間です。

Bluetooth は広く採用されており、常に適応しています
その対極にあるのが Bluetooth です。 当初は、HID やユーザーの煩雑なその他のデバイスを簡単にポイントツーポイント ケーブルに置き換えるテクノロジとして設計されましたが、すぐにワイヤレス オーディオおよびデバイス間接続ソリューションになりました。 Bluetooth Special Interest Group (SIG) による厳格な管理の恩恵を受けて、Bluetooth はよく理解されており、設計者は、ハードウェア ソースに関係なく、デバイスが他の Bluetooth 対応デバイスに接続し、相互運用できることを確信できます。

デバイスの広範な採用と相互運用性により、ハードウェアとソフトウェアが豊富になり、ワイヤレス インターフェイスを必要とする設計のコストが削減され、市場投入までの時間が短縮されました。 さらに、Bluetooth は長年にわたって進化してきました。

2.4 個の 1 MHz キャリアの GFSK 変調から始まり、常に 1 GHz の産業、科学、医療 (ISM) 帯域で動作し、2.0 Mbit/s のスループットを実現しています。 これは Bluetooth 基本レート (BR) と呼ばれます。 適応型 FHSS エンコーディング スキームにより、IoT によりワイヤレス接続されるデバイスが増えても、干渉源に直面しても堅牢性を維持できます。 より高いデータ レートを実現するために、Bluetooth 4+Enhanced Data Rate (EDR) は π/8-DQPSK (差動直交位相シフト キーイング) と 2DPSK 変調を使用して、それぞれ 3 および XNUMX Mbit/s のレートを実現します。

Bluetooth は SIG によって厳密に管理されていますが、設計者は 4.0 年の Bluetooth 2010 コア仕様の導入によってもたらされた変更を注意深く研究する必要があります。これにより、以前は Bluetooth Smart として販売されていた Bluetooth Low Energy (BLE) が導入されました。 BLE には Bluetooth クラシックとの下位互換性がないため、設計者はこの点に注意する必要があります。

BLE の主な目標は低消費電力です。 これは、デバイスが常に接続されている Bluetooth クラシックの接続指向のアプローチから、短期間必要な場合にのみ接続する非接続のアプローチに移行することで実現されます。 アプリケーションは、スマートウォッチやIoT用のセンサーなどのウェアラブルです。

最新バージョンの Bluetooth 5 では、BLE データ レートが 2 Mbit/s から 1 Mbit/s に 128 倍になり、より強力な前方誤り訂正 (FEC) を使用することで 4 kbit/s 接続の範囲が 50 倍の最大 XNUMX m に延長されます。 。 データ レートが高くなると、特定のタイム スロットでより多くのパケットを送信できるため、デバイスが長期間低電力モードまたはアイドル モードに留まることができるため、電力消費が削減されます。

通信範囲が長いため、設計者は、ビーコンを含む Bluetooth デバイスの距離とデータ レートをより柔軟にトレードオフできます。 ビーコンは、近くのモバイル デバイスに識別子をブロードキャストするバッテリー駆動の BLE デバイスで、ビーコンに近づいたときにモバイル デバイスが特定のアクションを実行できるようにします。 広告主に人気があり、屋内と屋外の正確な追跡も可能です。

ただし、SIG は、独自の RF インターフェイス設計者でも実行できる別の興味深い調整を実装しました。オーバーヘッド対ペイロードの比率を下げ、一定量の「実際の」データを送信するのに必要な送信回数を減らし、消費電力をさらに削減しました。

単純なケーブル交換テクノロジーとして始まったものは、より便利なものに変わりました。 その結果、設計者は現在、独自の RF インターフェイスを設計するための費用と経費を費やすよりも、迅速で簡単な Bluetooth ソリューションを探す傾向にあります。


Bluetooth で起動して実行する
市場投入までの期間が短縮され、設計予算も縮小するにつれて、Bluetooth インターフェイスを選択する傾向が必須になりつつあります。 幸いなことに、多くの設計には、既製の Bluetooth モジュールを収容するのに十分なスペースがあるため、設計チームは最終アプリケーションと差別化に集中できます。


独自のスイート スポットと Bluetooth のスイート スポット
フルカスタムの独自の無線設計と標準の Bluetooth の間には、別の選択肢があります。それは、設計者が独自のプロトコルとコーディング スキームを開発したり、Ant、Thread、またはジグビー。 利用可能なシリコンのコストが低下し、幅広いソフトウェア サポートが提供されるようになったことで、これは、コストと設計を最小限に抑えながら、差別化、最適化のためのある程度の自由度、およびセキュリティを強化するオプションを求める設計者にとっての「スイート スポット」となる可能性があります。スケジュールはそのままです。


まとめ
完全に独自の RF 設計ルートまたは標準 Bluetooth 無線のいずれかを選択する理由はたくさんあります。 コスト、時間、パフォーマンス、サイズ、セキュリティ、その他多くの要素の観点から、設計とアプリケーションの要件を満たすという点では、それぞれに適切な役割があります。 しかし、既製シリコンの多くのコストと時間の節約の利点、およびある程度の独自の差別化を追加する柔軟性を望む設計者のために、ベンダーは現在、構築するための堅実なハードウェア プラットフォームも提供しています。

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