グリーンＭＥＭＳセンサ端末・ネットワークシステムを実現する共通基盤技術

短電文化を用いた超低消費電力無線通信技術の開発（独）産業技術総合研究所
岡田 浩尚

ＮＭＥMＳ技術研究機構

発表内容

１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．開発内容と取り組み
４．超低消費電力無線通信技術の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的
グリーンセンサ
・自立電源 → 徹底した低消費電力化必要
室内光

特に無線は消費電力が大きいため、低消費電力化が必要

低消費電力無線通信プロトコル
・ZigBee：メッシュネットワーク可・Bluetooth LE： 携帯電話への接続が容易

高信頼性を求めている

課題：高信頼性が不要なセンサネットでは消費電力が大きい
グリーンセンサでは電力や塵埃量などを送信→ 必ずしも100%の通信信頼性を必要としない
ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目標

本研究の目標右図条件での端末の低消費電力化手法の開発

マルチホップの必要性はない→単方向通信距離 50m程度
信号

送信側
・端末数：1000

受信側・電力は豊富（AC電源）

情報の緊急性は低い→ 99%の信頼性で良い受信回路で決まる
SNの改善は多くは望めない

具体的には、送信端末の仕事量(送信時間 x 電力)の低減（電力の低減は難しく、低減率も多くは望めない）

本研究では送信時間の低減技術を開発した。
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３．開発内容と取り組み

送信時間低減技術の開発
・送信時間は ビットレート(bit/s) と 電文量(bit) で決まる
・最大ビットレートは必要な通信距離によって決まる→ 電文量の低減化技術を開発する
受信部の支配的なノイズである
白色雑音は帯域に比例→ 低ビットレート → 狭帯域 → SN増

電文量低減化イメージ
従来の電文フォーマット
プリアンブル

ユニーク
ワード

ID

送信内容

CRC

短電文化実現の主な課題
 最適な短電文化手法の検討

短電文化後この分だけ低消費電力になる

 単純な電文となるため、他システムからの不要信号排除手法が必要

CRC：巡回冗長検査

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４．超低消費電力無線通信技術の開発
多値化：１つの物理量に複数の意味を持たせる
１回音を出して0,1を表現する場合、太鼓音
0シンバル音1

最低音0000000

最高音
1111111128レベル(7bit)

2レベル(2bit)

88番目は1011000

2値FSK(周波数偏移変調)
128レベルを表現する場合には7回音を出す必要がある (27=128)
例：88は2進数では1011000
0 →太鼓音、1 → シンバル音シ太シシ太太太

７倍の時間が必要

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多値(128値) FSK

４．超低消費電力無線通信技術の開発

低消費電力通信に最適な多値化とは？
１回音を出して0,1を表現する場合、
QΘ

TimeI

最大音量
1111111

最小音量
0000000

多値ASK(振幅偏移変調)

Power

周波数で多値化する場合・・・
帯域幅

周波数同じ電力で同じSNの通信が可能

振幅（音量）

位相多値化するほどSN低下→ 電力増加が不可欠

但し、復調部にFV変換ではな
く各周波数を独立して検出できるFFTを用いる

電圧

音叉

FV変換

周波数

使用可能な全帯域を用いた多値FSKを使用
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４．超低消費電力無線通信技術の開発

多値FSKの課題
・全端末が同じ周波数帯を使用するため、多元接続に問題がある可能性がある
通常本研究

通信時間

同じ周波数
通信時間

周波数A
周波数B

衝突周波数B

無線センサ
端末

時間

信頼性を確保するため、端末毎に異なる周波数を使用する

グリーン
センサ端末

時間

送信情報量が少なくし、同じ周波数でも衝突する確率を低減する（本システムでは１%の衝突確率まで許容）

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４．超低消費電力無線通信技術の開発
電文衝突確率の見積もり
モデル 端末数(N)：1000, 通信時間(Ttrans)：1ms
Tint1

Tint0
St

Tint0

Tint1
Tr

St

Tr

Tint1：10s

時間
時間

St (スタート時刻): 0 から Tint0 の範囲の乱数
Tint0, Tint1 (間欠時間): 定数
Tr (衝突回避のための時間): 0からTint1

TtransTint0

Tint0 >> Tint1の場合の理論式

Tint0 > 100sであれば衝突確率1%以下を実現可能
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N x Ttrans４．超低消費電力無線通信技術の開発
プリアンブル、ユニークワードレス通信
従来の電文フォーマット
プリユニークアンブル ワード

ID

送信内容

CRC

Si4013では 32bitを推奨

?
短電文化後

● プリアンブル：bitの意味はなく波形に意味があり、端末と受信機の同期に用いる

多値FSKにより短電文化● ユニークワード：どこからがデータの始まりかを示すフレーム同期に用いる。通常16bit程度

課題：プリアンブル(PR)やユニークワード(UW)は多値化できない→ PR, UWを削除し、同期無しで生じる損失が、PR,UW分を送信する電力より小さくなるようにしたRP, UWレス受信器を開発する

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．超低消費電力無線通信技術の開発
プリアンブル、ユニークワードレス通信
PR：32bit, UW: 16bit, ID: 10bit, Data:8bit 計66bitを送信する場合、データ部は128値の多値化により3シンボルになるしたがって、PR, UW分は48/51=0.94 → 電力の94%をPR, UWで使用→ 本研究では3dB以下の損失(実質6シンボル分送信すれば同程度のSN)を実現する
6/51≒1/10の低PR, UWレス受信機を開発する
消費電力化
プリアンブルについて
損失0dB

損失3dB(－50%)
周波数

CH1CH2CH3

損失の見積もり1MHz帯域で128値のFSKを行い、端末に±20ppmの水晶振動子を使用すれば、2.2dB以下の損失とすることが可能

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．超低消費電力無線通信技術の開発
FFT部の構造時系列
周波数スペクトラム群

時間

信号

FFT

FFTフレーム

F1

周波数

電文開始位置ずれを低減するため、通常の4倍の速度でFFTを行い、7フレーム分の結果を平均して使用する場合、→ 0.2dB程度の損失(ユニークワード分)
従来の電文フォーマット

3ｄB以下の損失でプリアンブル、ユニークワードレス通信が実現できるシステムを開発したプリユニーク
アンブル ワード

ID

送信内容

CRC削除
短電文化後
特許2件出願ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．超低消費電力無線通信技術の開発
不要信号除去手法の開発 （CRCの代替手法）
F1 F2

場合によってはたった2シンボルしか送信しない

周波数

128値FSK 送信データ：ID 6bit, Data 8bit ⇒ 2シンボル⇒ 時系列周波数スペクトルにデジタルフィルタをかける

時間

課題：他システムからの不要信号を誤受信する

すべて受信してしまう

周波数
①

電文

②

時間

②
①

①所定の電文長以上の電文を排除(電文の前後に受信強度はノイズレベルであることを確認する)②それぞれのシンボルの受信強度はほとんど同じことを確認する
特許1件出願ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．超低消費電力無線通信技術の開発
復調部の構造
時系列
周波数スペクトラム群

周波数－bit列のテーブ
ルからデータを復調

FFT
F1

周波数

空間ダイバシティ（複数のアンテナを用いて受信確率を増加させる）
アナログ
フロントエンド

F0: 0000 000
F1: 0000 001
・・F127: 1111 111

デジタル
電文復調回路(FPGA)

メモリ上にあるスペクトル群を解析し、電文を検出
FPGA9cm

アンテナ

アンテナ

MCU
メモリ

GCON

1.5cm

開発した受信機

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．超低消費電力無線通信技術の開発
本手法を実現する送信機の開発
プロセス：0.18um

・多値FSK: PLLにより実現
・VDD: 1.55V
・クロック： 1kHz RC オシレータ
消費電流 1A・ADC: 8bit
2.54mm・デジタル入力：I2C

SAWフィルタアンテナ
カスタムIC

ADC+100倍アンプ

コンパレータ

1 kHz
クロック発生器
ロジック
40MHz RF
基準信号発生器

レギュレータ
コネクタ

One-Time
PROM
PLL
RF パワーアンプ

送信機

ＮＭＥMＳ技術研究機構

Vref発生器

４．超低消費電力無線通信技術の開発
実証試験
磁界、VOC、塵埃、CO2、電流センサの無線部に使用
達成実績（値）・外形: 5cm x 2cm
・送信電力: 10μW (@VDD=1.55V, 18bit送信)
無線送信（0.84ms）

消費電流測定2cm

5cm

RFモジュール

ＮＭＥMＳ技術研究機構

受信システム５．ネットワーク・応用分野

単方向遠距離通信で低消費電力通信が必要なアプリケーション

動物健康管理インフラ管理ＮＭＥMＳ技術研究機構

広域自然災害予知

６．まとめ・315MHz帯で50m程度の単方向通信、パケット衝突確率を1%以下とする場合の低消費電力無線通信のプロト
コルを設計し、それを実現可能な受信機を開発- FFTを用いた128値FSK→ データ部は1/7の電文量- プリアンブル(PR)、ユニークワード(UW)レス受信機→ 損失を1dB程度に抑え、通常5-10byte程度のPR+UWを削除

・8値FSKが可能な315MHz帯特定小電力無線局の規格に準ずる送信機を開発し、18bitのデータ送信で10μWであることを実証

ＮＭＥMＳ技術研究機構