LTE-M、NB-IoT、DECT NR+ コンビネーションデバイスキットを使用したワイヤレスIoT設計の実現

モノのインターネット（IoT）向けの低電力広域ネットワーク（LPWAN）セルラーワイヤレス技術、たとえばLong-Term Evolution Machine Type Communication（LTE-M）や狭帯域のモノのインターネット（NB-IoT）は、既存の実績あるセルラーインフラを使用して、バッテリ駆動デバイスに1キロメートル（km）以上のワイヤレス接続範囲を提供します。New Radio+（DECT NR+）は、大規模なIoT展開においてセルラーに近いアプローチを必要とするアプリケーション向けライセンス料なしのLPWAN代替手段です。この3つのアプローチはいずれも、短距離無線通信の経験がある開発者にとっても、実装が複雑になる可能性があります。

LTE-M、NB-IoT、またはDECT NR+プロトコルのソフトウェアスタックと自動モデムが統合された事前認証済み製品を提供するソリューションプロバイダと協力することで、LPWAN設計の複雑さを軽減することができます。このようなソリューションにより、開発者はアプリケーションの差別化に集中し、市場投入までの目標時間を達成することができます。

この記事では、長距離IoT接続におけるLTE-M、NB-IoT、DECT NR+の利点を要約し、実装上の課題について説明します。次に、Nordic SemiconductorのセルラーIoTとDECT NR+デバイスの組み合わせと関連開発キットを紹介し、これらの課題を克服するためにこれらをどのように使用できるかを示します。

LTE-M、NB-IoT、またはDECT NR+ワイヤレスを使用する理由

インターネットを形成するグローバルネットワークの基本的な一部となるためには、IoTデバイスはコストのかかるゲートウェイを使用せずに、インターネットプロトコル（IP）を使用してクラウドと通信できなければなりません。農業、スマートシティ、環境モニタリングなどのアプリケーションでは、通信を長距離で行う必要があり、メンテナンスも最小限で済みます。後者は、バッテリ寿命を最大化するための低消費電力につながります。

LTE-MとNB-IoTは、こうした課題に対するセルラーソリューションを提供します。これらは3GPPが定めた仕様に基づいているため、IPの相互運用が可能で、キロメートル以上の範囲をカバーします。LTE-MとNB-IoTは、それぞれ698メガヘルツ（MHz）から960MHz、1710MHzから2200MHzの周波数帯で動作します。LTE-MとNB-IoTの技術的な詳細を表1にまとめました。

表1：LTE-MとNB-IoTの比較。（画像提供：Nordic Semiconductor）

DECT NR+は、ライセンス料なしで長距離接続を必要とするアプリケーションに代替手段を提供します。5G仕様に基づき、1900MHz帯で動作し、高密度LPWANをサポートし、マシンツーマシン（M2M）通信や都市全体の大気質モニタリングに適しています。

RF設計の簡略化

RF設計の実装は、多くの開発者にとって困難であり、市場投入までのスケジュールに影響を及ぼすことがよくあります。しかし、いくつかのハードウェアの課題は、複雑さの多くをカバーする統合ソリューションを選択することによって克服することができます。その1例が、Nordic SemiconductorのnRF9161システムインパッケージ（SiP）です（図1）。

SiPは、アプリケーションソフトウェア専用のArm^® Cortex^®-M33プロセッサと、LTE-M、NB-IoT、DECT NR+ RFインターフェースをサポートするモデムを内蔵しています。また、RFフロントエンド(RFFE)と電源管理システムも搭載し、すべて16.0 x 10.5 x 1.04ミリメートル（mm）のランドグリッドアレイ（LGA）パッケージに収められています。このモデムはIPv4/IPv6および暗号化されたファームウェアオーバーザエア（FOTA）アップデートをサポートしています。アプリケーションプロセッサは、1メガバイト（Mバイト）のフラッシュメモリと256キロバイト（Kバイト）のRAMでサポートされています。

図1：nRF9161 SiPには、Arm Cortex-M33プロセッサ、LTEモデム、RFFE、メモリ、および電源管理が搭載されています。（画像提供：Nordic Semiconductor）

SiPは、位置追跡などのアプリケーション用にGNSSレシーバも搭載しています。インターフェースと周辺モジュールには、12ビットA/Dコンバータ（ADC）、リアルタイムクロック（RTC）、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）、インターインテグレーテッドサーキット（I²C）、インターICサウンド（I²S）、ユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ（UART）、パルス密度変調（PDM）、パルス幅変調（PWM）などがあります。SiPは、単一のデバイス、アンテナ、バッテリ、SIMまたはeSIM、センサを使用して、セルラーまたはDECT NR+ IoTソリューションを開発することができます（図2）。

図2：nRF9161 SiPは、高度に統合されたセルラー（LTE-M、NB-IoT）およびDECT NR+ IoTコネクティビティソリューションです。（画像提供：Nordic Semiconductor）

ソフトウェア設計の課題

RF IoT設計の課題はソフトウェアにも及んでいます。セルラーおよびDECT NR+スタックは大規模かつ非常に複雑であり、いずれかをゼロから構築するにはプロトコルの専門家が必要です。LTE-MとNB-IoTの場合、スタックが構築されテストされると、開発者はセルラー固有のアテンション（AT）コマンドを実装しなければなりません。これらは、セルラーモデムとそのホストコントローラ間の通信の基本となります。主にモデムの設定やデバッグ、モバイルネットワークオペレータ（MNO）を介したネットワーク接続を可能にするために使用されます。

Nordicは、SiPのモデムにあらかじめプログラムされた実績のある安定したLTE-Mスタックを供給することで、ソフトウェアコーディングの問題を軽減しています。さらに、NordicのシリアルLTEモデムアプリケーションは、モデムにデータの送受信を指示するATコマンドを処理します。

セルラーモデムは、技術的な課題だけでなく、地域特有の厳しい認証要件や規制要件も満たさなければなりません。これらには、LTE仕様との互換性を保証するグローバル認証が含まれ、エンドデバイスがLTE-MまたはNB-IoTネットワーク上で通信できるようにします。さらに、MNOによっては独自の認証要件を設けているところもあります。

ここでもまた、Nordicは、最も重要な地域、主要なネットワーク、およびそれらのネットワークの主要なLTEバンドで動作するnRF9161 SiPを事前に認証することで、開発者の負担を軽減しています。

nRF9161開発キットの使用方法

nRF9161 SiPは、セルラーIoTとDECT NR+の開発に関連するハードウェアとソフトウェアの重要な課題をいくつか軽減していますが、実用的なプロトタイプの作成にはまだ取り組みが必要です。設計プロセスを迅速化するために、NordicはnRF9161 DK開発キット（図3）とソフトウェアツール一式を提供しています。このツールは、Nordicのワイヤレスソリューションのための統合開発環境であるnRF Connect SDKによって構成されています。

開発キットにはSiPが組み込まれており、完全に機能するプロトタイプを実現するために必要な回路が含まれています。このキットには、LTE-M/NB-IoTおよびDECT NR+専用アンテナと、GNSS用統合パッチアンテナが搭載されています。プログラミングとデバッグは、オンボードのSEGGER J-Linkで可能で、キットにはあらかじめデータが入ったSIMカードが同梱されています。また、ソフトウェアSIMの使用にも対応しており、消費電力をさらに削減できます。

図3：nRF9161DKには、LTE-M、NB-IoT、およびDECT NR+用のnRF9161 SiPが含まれ、LPWANとGNSSアンテナ、プログラミングとデバッグ用のオンボードSEGGER J-Link、およびプリロードされたSIMカードが搭載されています。（画像提供：Nordic Semiconductor）

nRF9161キットで開発を始めるには、SIMカードを差し込み（またはeSIMをアクティブにし）、PROG/DEBUG SW10スイッチを 「nRF91」に設定し、キットをmicro USB2.0ケーブルを使ってデスクトップコンピュータに接続する必要があります。開発キットには、Windows、macOS、またはUbuntu Linuxオペレーティングシステム（OS）が必要です。

次のステップでは、NordicのnRF Connect for Desktopをインストールし、ソフトウェアをアクティベートします。そこから、セットアップとインストール手順をガイドするツールであるクイックスタートアプリケーションをインストールすることができます。このソフトウェアは、開発キットのファームウェアのアップデートとSIMカードのアクティベーションを簡素化します。キットからクラウドにデータを送信するために、開発者はNordic nRF Cloudアカウントを設定するか、他のクラウドサービスに接続することができます。

クイックスタートアプリケーションは、開発者をNordicのnRFコネクトSDKに導きます。SDKは、NordicのnRF Connect for VS Code拡張機能を使用して、一般的な統合開発環境（IDE）であるVisual Studio Codeで動作します。SDKはアプリケーションの開発に使用され、GNSS、セルラー、Wi-Fi測位を使用したデバイスの位置情報の取得や、nRF9161キットからクラウドへのセンサデータの送信など、便利なサンプルが含まれています。

アプリケーションが構築されると、オンボードnRF9161 SiPのArmアプリケーションプロセッサのプログラミングは簡単です。最初のステップでは、USBケーブルを使ってキットをPCに接続し、電源を入れます。nRF Connect for VS Codeエクステンションから、開発者は「Actions View」の「Flash」オプションをクリックする必要があります。通知が表示され、プログラミングの進行状況が表示され、完了が確認されます。

この開発キットにより、開発者はLTE-M、NB-IoT、またはDECT NR+のRF信号をチェックすることもできます。良好なRF性能は、IoTデバイスと基地局間の通信範囲を最大化するために不可欠です。測定を行うには、キットの小さな同軸コネクタ（J1）とスペクトラムアナライザの間にケーブルを取り付けます（図4）。

図4：nRF9161開発キットのRF信号は、同軸ケーブルでスペクトラムアナライザに接続して測定できます。（画像提供：Nordic Semiconductor）

nRF9161 DK用の高機能開発ツール

アプリケーションがプログラムされると、Nordicは開発者がその性能を観察できる2つのツールを提供します。1つ目は、Power Profiler Kit II（PPK2）です（図5）。このスタンドアロンユニットは、200ナノアンペア（nA）から1アンペア（A）の範囲で、100nAから1ミリアンペア（mA）の分解能で開発キットの消費電流を測定できます。PPK2は、1Aで最大5ボルトを開発キットに供給することもできます。

図5：PPK2は、アプリケーション実行時のnRF9161開発キットの平均消費電流と瞬間消費電流を測定できます。（画像提供：Nordic Semiconductor）

PPK2は、nRF Connect for Desktopソフトウェアの一部であるPower Profilerアプリと共に使用されます。開発者はアプリを使用して、アプリケーション実行時のnRF9161キットの平均消費電流と瞬間消費電流を解析できます。必要であれば、ミリ秒間隔でズームインしながら、同時に長時間の読み取りを行うことができます。測定されたデータは、さらに処理するためにエクスポートすることができます。

消費電力解析により、開発者は、設計のバッテリ寿命を延ばすために、アプリケーションコードのどこを修正すれば電力を節約できるかを確認できます（図6）。

図6：nRF Connect for DesktopのPower Profilerアプリは、アプリケーションの実行時に消費電流を表示します。（画像提供：Nordic Semiconductor）

NordicのCellular Monitorツールはアプリケーション開発を支援し、nRF Connect for Desktopソフトウェアでサポートされています。モニタは、開発キットがアプリケーションを実行する際に、nRF9161 SiPのモデムが何をしているかを表示します。これには、ネットワークパフォーマンス、デバイスステータス、データ伝送が含まれます。これらの詳細により、開発者はモデムのトラフィックを分析し、アプリケーションのパフォーマンスを最適化することができます。情報はシリアルターミナルに表示されます。

まとめ

LTE-M、NB-IoT、および DECT NR+ LPWAN 技術は、IoT デバイスの信頼性、安全性、およびスケーラブルな長距離コネクティビティをサポートしますが、ワイヤレスハードウェアおよびソフトウェアデバイスの開発は困難です。NordicのnRF9161 SiP、組み込みプロトコルソフトウェア、サポートするnRF9161 DK開発キットとアプリは、設計の複雑さを大幅に軽減します。