Wi-Fi®測位コンポーネントが測位アプリケーションのGNSSとセルラーのギャップを克服

位置情報サービスは資産管理において強力なアドバンテージとなりますが、バッテリの消耗という大きなペナルティを伴うことが多く、一部のIoTアプリケーションを事実上機能不全に陥らせる可能性があります。全地球測位衛星システム（GNSS）と広範な範囲のセルラーサービスは、デバイスの地理的位置を決定する比較的簡単な手段を提供します。しかし、Wi-Fiネットワークが普及すれば、カバー範囲や性能のギャップを補完したり、場合によっては置き換えたりすることができます。

ワイヤレストラッキングの代表的な存在は、米国が運用する全地球測位システム（GPS）で、複数の地域の衛星ナビゲーションシステムを包括するGNSSの一部を形成しています。しかし、GPSモデムがコールドスタートから初期位置算出時間（TTFF）までに数分かかることがあり、その間にバッテリをかなり消費します。また、建物の壁など、衛星と受信機の間に見通し線を遮るものがある場合も障害となります。

固定セルラー基地局は、「測位」アプリケーションにも利用できます。セルラー位置情報スキャンは、GPS/GNSSよりも消費電力は少ないですが、精度は劣ります。セルラー測位は、使用されているセルラータワーの種類によっては、数百メートルから数千メートルずれることもあります。この精度の低さは、たとえば大規模な倉庫や海上コンテナ船で移動する資産を追跡するような用途には致命的となる可能性があります。

Wi-Fiはセルラー測位よりも正確で、電力効率もほとんど変わりません。すべてのWi-Fiネットワークに固有のSSID（サービスセット識別子）と、各アクセスデバイスに固有のBSSID（基本サービスセット識別子）は、魅力的な測位オプションを提供しますが、ほとんどのWi-Fi用集積回路はこのタスクに最適化されておらず、一般的にコストが高く、かさばり、電力を大量に消費します。

Nordic Semiconductorは、エンジニアが無線技術の組み合わせを利用する柔軟なアプリケーションを開発するために使用できるコンポーネントや、パフォーマンスやカバレッジの問題を解決するためのクラウドベースのサービスを提供しています。

Wi-Fi測位の有用性

測位は、バッテリ駆動の家庭用センサ、健康モニタやフィットネス機器、産業用資産追跡装置や環境センサ、小売店の在庫管理やPOS機器など、数多くのアプリケーションを豊かにすることができます。

代表的な使用例としては、企業が資産の位置を追跡してサプライチェーン管理と物流を合理化したり、ウェアラブルが医療チームに健康上の問題を警告したり、小売業者や銀行業者が決済カードの不正使用を検出して軽減したり、車両管理事業者が車両をリアルタイムで追跡したりすることが挙げられます。GPS、セルラー、Wi-Fiにはそれぞれ長所と短所があるため、1つの場所に固定されていないデバイスの場合、1つの無線技術だけに頼ることは問題になる可能性があります。

Wi-Fiは、ネットワークやアクセスポイントがすぐに利用でき、アクセス可能なユースケースにおいて、位置情報を取得するためのシンプルで費用対効果の高いソリューションです。ほとんどのWi-Fiデバイスは、電力効率や実装の精度に大きなばらつきがあるものの、何らかの測位機能を組み込んでいます。

Wi-Fi Allianceは、IEEE 802.11mc規格を組み込んだWi-Fi CERTIFIED Locationプログラムにより、これらの機能を促進し、相互運用性を確保するための措置を講じています。FTM（Fine Timing Measurement）プロトコル、アクセスポイント、およびWi-Fi CERTIFIED Locationに準拠した無線LANカードを利用することで、Wi-Fiアクセスポイント（AP）が正確な位置を把握している限り、1メートル以内で位置を特定することができます。

しかし、エンジニアは、費用対効果の高い測位アプリケーションを開発するために、よりコンパクトでエネルギー効率の高いコンポーネントを必要としています。多くのIoTデバイスおよびセンサにとってバッテリ寿命を最大限に延ばす効率的な電力消費は、極めて重要です。Nordicは、IoTエコシステムのコネクティビティを高めるため、Wi-Fiやその他の測位オプションを活用するコンポーネントの製品ラインアップを提供しています。

ワイヤレスコンパニオン

nRF7000（図1）は、超低消費電力アプリケーション向けに最適化されたワイヤレスコンパニオンICで、最大限の電力効率を実現します。データを送信しない代わりに、SoC（システムオンチップ）、MPU（メモリ保護ユニット）、またはMCU（マイクロコントローラユニット）ホストにアクティブおよびパッシブスキャン機能を提供し、Wi-Fi測位を行います。

図1: Wi-Fi測位アプリケーション向け低消費電力Wi-Fi 6用nRF7000コンパニオンIC 。（画像提供：Nordic Semiconductor）

nRF7000は、2.4GHzと5GHzのWi-Fi周波数帯域の両方をスキャンでき、そのためにPHY層とMAC層の一部を実装しています。データ用にはQSPI（6線式）またはSPI（4線式）、Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4無線を含むホスト用には3線式または4線式の共存制御インターフェースを介して、ユーザーアプリケーションを実行するホストMCUまたはアプリケーションプロセッサに接続されます。

nRF7000は、2.4GHzと5GHzの無線を内蔵したコンパニオンICであるnRF7002の改良版であり、Wi-Fi 6データ接続と測位機能を備えたホストチップを提供します。また、シングルバンド2.4GHz無線を提供する nRF7001もあります。どちらも、既存のBluetooth® Low Energy、Thread®、Zigbee®システムに最新のWi-Fi 6機能を追加するのに適しています。

これらの各デバイスはNordic以外のホストにも接続できますが、nRF Cloudプラットフォームを使えば、Wi-Fi、セルラー、GNSS測位をサポートするコンポーネントで「Silicon-to-cloud測位ソリューション」を提供できます。

nRF7000によるWi-Fi測位情報の取得

NRF9160-SICA-B1A-R7（図2）などのNordicのnRF91シリーズセルラーシステムインパッケージ（SiP）製品は、nRF7000/7100/7200 IC（nRF70シリーズ）に最適なNordicのホストデバイスとして指定されています。これらは、LTE-M、NB-IoT、GNSS、RFフロントエンド（RFFE）、電源管理をサポートするアプリケーションプロセッサとマルチモードモデムをコンパクトな10 × 16 × 1.04mmパッケージに内蔵しています。その他の推奨ホストは、NordicnRF52およびnRF53シリーズのBluetoothマルチプロトコルSoCです。

図2: LTE-M/NB-IoTモデムとGNSSを搭載したnRF9160 SiPは、nRF7000と統合され、Wi-Fiを組み込んだシームレスな測位アプリケーションを提供します。（画像提供：Nordic Semiconductor）

nRF7000とnRF91を組み合わせることで、GNSSとセルラーを補完し、屋内および屋外で正確なWi-Fi測位による位置情報の修正が可能になります。Wi-Fi測位サービスが設定されると、デバイスは近くのWi-Fiアクセスポイントをアクティブまたはパッシブにスキャンし始め、SSID、BSSID、信号強度のデータを収集することができます。

nRF91は、コンパニオンICからの情報を使用して、AP情報をnRF Cloudに送信することができます。nRF Cloudは、既知の位置のWi-Fiデータベースを使用して、デバイスがAPに接続しなくても、少なくとも2つの近くのAPに関連する正確な位置を決定します。その後、クラウドサービスは、デバイスや情報が必要な場所に位置情報を送り返すことができます。位置が決定された後、デバイスはバッテリ電力を節約するために低電力状態に入ることができます。

nRF Cloudでは、次のような測位の代替オプションが用意されています。

• TTFFの高速化を可能にするアシストGNSS
• 予測GNSSは、新たな補助データ要求の頻度を減らすために、最大2週間分の予測衛星データを提供
• GNSS受信機を必要とせず、最も近いセルに基づいた大まかな位置情報を提供するシングルセル（SCELL）
• 最も近いセルと近隣のセルを利用することで、より正確ではあるが、まだ大まかな位置情報を提供するマルチセル(MCELL)

nRFクラウドのこれらの位置情報プロセスはそれぞれ、位置精度と消費電力について異なる特性を提供します。Nordicによると、Wi-Fiの測位精度は5mから15mであるのに対して、GNSSでは5mから10m、マルチセル方式セルラーでは200mから300m、シングルセル方式セルラーでは1,000mとなっています。遅延はセルラーが最も短く1秒未満、GNSSとWi-Fiはいずれも数秒かかります。Nordicによる消費電力テストでは、セルラー方式が122.48mCとわずかに優れ、Wi-Fiは125.85mC、A-GPSを利用したGNSSは316.71mCという結果でした。

Nordicは、すべてのnRF70シリーズデバイス用のnRF Connect SDKソフトウェア開発環境や、Arduinoシールド形式のnRF7002 EKデュアルバンド開発キット（図3）など、いくつかのツールを提供しています。このキットにはnRF7002が組み込まれており、nRF7000とnRF7001の両方をエミュレートできます。nRF70シリーズを利用したアプリケーションを開発する際には、nRF9160 DK開発キットと組み合わせることができます。

図3：nRF7002-EK評価キットにはnRF7002 が含まれており、nRF7000とnRF7001の両方をエミュレートできます。（画像提供：Nordic Semiconductor）

まとめ

nRF7000シリーズとnRF91シリーズにより、Nordicは、開発者が位置情報サービスのために複数のワイヤレス技術を活用できるIoTソリューションを開発できるようにします。この製品は、高性能、低消費電力、柔軟な統合オプションを提供し、位置測位オプションをシームレスに切り替えることができる幅広いアプリケーションに対応します。