通信デバイス工 学
山田 博仁
-
無線通信デバイス-
2021
年度 大学院講義資料講義につい て
1.
講義スケジュール
4/15
講義について、無線通信デバイス(Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee)
4/22
ソフトウェア無線(SDR)
4/29
その他無線通信デバイス(RFID
など)
5/6
通信ネットワークの現状
5/13
半導体光デバイスの基礎
5/20
物質の発光現象、物質と電磁場との相互作用5/27
2 準位系での相互作用と光増幅のメカニズム6/3
レーザー
6/10
電磁場の量子化と全量子論
6/17
半導体中での光学遷移、フォトダイオード、LED
6/24
半導体レーザー、光増幅器
7/1
非線形光学
7/8
光変調器、光スイッチ、波長フィルターと光合分波器7/15
その他の光デバイス、まとめ2.
質問等E-mail: [email protected]
、電気系2
号館202 3.
号室講義資料のダウンロードURL: http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe
Youtube
動画配信によるオンデマンド講義通信デバイスと
無線通信デバイス
は
Wi-Fi
ノートPC
やスマホ等に搭載され、高速の無線データ通信を実現。IoT
の本命光ファイバー通信用デバイス
赤外線通信デバイス
IrDA
規格旧 携帯電話の「赤外線メールアドレス交換」デジタルカメラの「赤外線プリント」など
有線通信デバイス
半導体レーザ、フォトダイオード、光増幅器、光変調器、光スイッチ、光合 分波器他
1)
電波を用いるもの2)
光を用いるもの赤外線リモコン
ZigBee
Bluetooth
RFID FeliCa(Sony
が開発した非接触型のIC
カードの技術方式の名 称でSuica
や楽天Edy
がこの方式を利用)
や改札や物流管理等 で利用超低消費電力で、低速データ通信を実現。センサー
NW
の本命か?
デジタル機器用の近距離無線通信で、NFC
等でも利用赤外
LED
による低速データ通信LPWA Low Power Wide Area
の略であり、少ない電力で広範囲/
長距離の 低速データ通信を実現する無線通信技術の規格(
ローカル)5G
第五世代の移動通信規格であるが、IoT
やセンサーNW
としての利 用検討Wi-Fi 規格一 覧
ノート
PC
やスマホ等、モバイル機器で現在広く利用されている通信方式規格
IEEE
802.11b IEEE
802.11g IEEE
802.11a IEEE
802.11n IEEE 802.11ac
IEEE 802.11ad
(WiGig)
IEEE 802.11ax
(Wi-Fi6)
周波数帯2.4GHz
帯2.4GHz
帯5GHz
帯2.4GHz
帯5GHz
帯5GHz
帯60GHz
帯2.4GHz
帯5GHz
帯周波数
帯域幅
20MHz 20MHz 20MHz 20MHz
40MHz
20MHz 40MHz 80MHz 160MHz
2.16GHz
20MHz 40MHz 80MHz 160MHz
最大伝送速度
(
ストリーム当り
)
11Mbps
54Mbps (20MHz
幅
)
54Mbps (20MHz
幅
)
150Mbps (40MHz
幅
)
867Mbps (80MHz
幅
)
6.75Gbps (2.4GHz
幅
) 9.6Gbps
MIMO
対応× × ×
〇 〇 〇 〇通信可能
距離
100m 100m 100m 100m 100m 10m 100m
変調方式DSSS OFDM OFDM OFDM OFDM
256QAM π/4BPSK
OFDM OFDM
1024QAM
Wi-Fi 規格制定の歴 史
Wi-Fi
規格と通信速度の変遷出典
: https://businessnetwork.jp/Detail/tabid/65/artid/5925/Default.aspx
ax
Wi-Fi に用いる周波数帯の特 徴
使用周波数帯 長所 短所
2.4GHz
帯 壁や天井などの障害物があっても、離れた部屋でも、
5GHz
帯 よりも電波が届きやすい同じ周波数帯を利用する機器
(
電子レンジ等)
が家庭内に多い ため、電波干渉により接続状況 が不安定になったり、通信速度 の低下が起きやすい5GHz
帯無線
LAN
専用の周波数帯のため 近隣住居や他の家電製品の電波 干渉を受けにくく、接続状況が 安定しやすく、通信速度の向上 を見込める壁や天井などの障害物に弱 く、
2.4GHz
帯より通信距離が 短い。屋外での使用も、H30
年6
月から条件付で認められるこ ととなった60GHz
帯 あまり使用されない周波数帯のため、近隣住居や他の家電製品 からの電波干渉を受けにくい
5GHz
帯よりもさらに障害物に 弱く、通信距離も10
メートル程 度と短いため、別室や屋外で利 用する通信端末には不向きWi-Fi
での使用周波数帯と長所・短所Wi-Fi 周波数と利用可能範 囲
屋外での
5GHz
帯の利用条件総務省 電波利用
HP
よりhttps://www.tele.soumu.go.jp/j/sys/others/wlan_outdoor/index.htm
平成
30
年2月に情報通信審議会からの一部答申を受け、平成30
年6 月から条件付で5.2GHz
帯の屋外利用が可能となったWi-Fi 規 格
暗号化方式には、安全度が高い順に
WPA2-PSK
(AES
)WPA-PSK
(AES
)WPA2-PSK
(TKIP
)WPA-PSK
(TKIP
)WEP
などがある
Wi-Fi
の “ g” と “ gw” の違いは暗号化方式の違いWi-Fi
アンテナがgw
となっている場合、「gw = WEP
」gw
は比較的古い通信方式で、脆弱性が指摘されているの で、できれば使わない方が良いWi-Fi
の” a”
と” g”
との違いは周波数の違いa
は5GHz
、g
は2.4GHz
の電波を使用ノート
PC
やスマホ等のモバイル機器にはWi-Fi
通信用デバイスとアンテナが内蔵USB
コネクタに挿して使うWi-Fi
通信デバイス(
アンテナ内蔵)
Bluetooth
デジタル機器用の近距離無線通信規格の
1
つであり、Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR)
とBluetooth Low Energy (LE)
から構成。Bluetooth BR/EDR
は2.4GHz
帯を79
の 周波数チャネルに分け(LE
は40
)、利用する周波数をランダム に変える周波数ホッピングを行いながら、10
~100m
の距離で、最大
3Mbps
(HS
は24Mbps
)の無線通信が可能。最近の
PC
やスマホなどに搭載され、Wireless
ヘッドフォン、
Wireless
スピーカー、無線マウス等との無線接続に使用USB
コネクタに挿して使うBluetooth
デバイス(
アンテナ内蔵)
Bluetooth 規格発展の歴 史
1994
年 エリクソン社内のプロジェクトとして開発開始1998
年5
月20
日 エリクソン、インテル、IBM
、ノキア、東芝の5
社でBluetooth SIG
を設立。同時に
Bluetooth
という名称を発表。1999
年7
月26
日Bluetooth
仕様書バージョン1.0
を発表2001
年2
月Ver.1.1
を発表2003
年頃 日本でBluetooth
が普及し始める2004
年11
月Ver.2.0
を発表。Enhanced Data Rate (EDR)
を追加2007
年3
月28
日Ver.2.1
を発表2009
年4
月21
日Ver.3.0
を発表。High Speed (HS)
を追加2009
年12
月17
日Ver.4.0
を発表。Bluetooth Low Energy (LE)
を追加2011
年6
月21
日 アップルとNordic Semiconductor
が理事会に加わる2013
年12
月4
日Ver.4.1
を発表2014
年12
月3
日Ver.4.2
を発表2016
年12
月8
日Ver.5.0
を発表2019
年1
月21
日Ver.5.1
を発表2020
年1
月6
日Ver.5.2
を発表Bluetooth 規 格
出典
: https://xtech.nikkei.com/it/article/Keyword/20140626/566948/
Bluetooth 規
年
Ver.
物理データレート アップデート内容格
1999 1.0
一般公開された最初のバージョン2001 1.1 1Mbps
広く使われ始めた普及バージョン2003 1.2 1Mbps
同じ周波数(2.4GHz)
帯を利用するWi-Fi
との電波干渉を削減
2004 2.0 1Mbps(BR)
3Mbps(EDR)
最大通信速度を3Mbps
に切り替えられるEDR
機能を追加2007 2.1
同上 ペアリングが高速で簡単に2009 3.0 24Mbps
最大通信速度が24Mbps
になるHS
(High
Speed
)機能をオプションで追加2009 4.0 1Mbps
省電力に優れたLE
機能を追加2013 4.1 1Mbps
LE
のデータ通信を効率化する機能やLTE
と の電波干渉を減らす機能、直接インターネッ ト接続ができる機能などを追加2014 4.2 1Mbps LE
のデータ通信速度を2.5
倍高速化2016 5.0
125k
~2Mbps
データ通信速度が4.0
の2
倍、通信範囲が4
倍、通信容量は8
倍に。メッシュネットワー クにも対応2019 5.1
同上 方向探知機能を追加BR: Basic Rate
EDR: Enhanced Data Rate
LE: Low Energy
LPWA
LPWA: Low Power Wide Area
の略であり、少ない電力で広範囲/
長距 離の低速データ通信を実現する無線通信技術の規格用途
:
一日もしくは数日に1
回程度の低頻度であるが、非常に小さな データを長距離に低コスト、低電力で送らなければならない用途、例え ば、家庭の電力メータ(
スマートメータ)
、自動販売機の在庫管理、エ レベータの監視などの用途セルラー系 非セルラー系
LTE-M NB-IoT Sigfox LoRa
概要
利用可能エリヤが 広く、
LPWA
の 中では比較的大き なデータも扱える利用可能エリ ヤが広く、長 期スリープ モードを実装 し、省電力
長距離通信が可 能であり、比較 的小さいデータ のやり取りに最 適
オープン性が高く
、
LoRa
ゲートウェ イを設置するだけ で容易に導入可能 周波数 セルラーに同じ セルラーに同じ
920MHz 920MHz
通信速度
上り
: 300k- 1Mbps
下り
: 300k- 1Mbps
上り
: 60kbps
下り: 20kbps
上り
: 100bps
下り: 600bps
上り
: 250−550kbps
下り: 250−550kbps
基地局カバー範囲 数
km−
十数km
数km−
十数km
数km−
数十km
数km−
十数km
LPWA
の各種方式各種 LPWA 端 末
1GHz LoRa RF
トランシー バモジュール868MHz
面 実装セルラー
4G LTE CAT-M1/NB- IoT(Verizon)
RF
トランシーバモジュールUNASHIELD-V2S RCZ3 Sigfox Shield for Arduino
Sigfox
マルチセンサー端末Sigfox
用USB
ドングルZigBee
センサーネットワークを主目的とする近距離無線通信規格の一つ。通信速 度は非常に低速であるが、消費電力が極めて少ないという特徴を持つ。従 って、電池駆動可能な超小型機器への実装に向いている。通信デバイスも 安価である。基礎部分の(電気的な)仕様は
IEEE 802.15.4
として規格化 されており、論理層以上の機器間の通信プロトコルについてはZigBee Alliance
が仕様を策定。ZigBee
モジュールの写真TWELITE
ZigBee
規格に準拠した無線マイコンモジュールのTWELITE(
トワイ ライト)
が安価に購入可能様々なタイプの
TWELITE
の写真約
1,500
円 約2,700
円 約4,000
円MONO Wireless https://mono-wireless.com/jp/products/index.html
TWELITE による遠隔制御および遠隔監 視
遠隔制御
-
リモートコントロール 遠隔監視-
リモートモニタリング 応用例ZigBee によるセンサーネット ワーク
ZigBee
の送信出力は10mW
程度と小さいが、見通し距離など条件さえ良ければ、
10km
以上の距離のPeer to Peer
通信も可能更に、中継器を立ててネットワークを構成すれば、大規模なセンサー
NW
も構築可能規格
ZigBee IEEE802.15.4
独自プロトコル周波数帯
2.4GHz/
その他2.4GHz/920MHz/
その他
2.4GHz/920MHz/
その他
通信速度
250kbps
数十kbps
~数百kbps
数kbps
~数百kbps
ネットワーク構成 メッシュ、ツリー スター、P2P
メッシュ、ツリー、スター、
P2P
などZigBee
の各種NW
構成ZigBee によるメッシュネット ワーク
ZigBee
デバイスは、動作開始時に下記3種類の何かの役割を指定してスタートさせる。
コーディネータ
: PAN
を開始し、セキュリティの認証やチャンネルマネージャな どネットワークの管理的役割を果たし、インターネットと接続するゲートウェイ としても使われる。エンドデバイス
:
センサーなどを接続し、スリープによる間欠動作をしながら様 々なデータを収集するが、他デバイスからの接続を受け入れる機能はなく、デー タの中継は行えず、データは接続先のルータまたはコーディネータにのみ送信さ れる。ルータ
:
メッシュネットワーク能力を持ったデバイスを指す(勿論ルータにセン サーを付けて運用しても良い)。いつデータの中継を依頼されるか分からないた め、ルータは原則としてスリープはできない。WiFi/Bluetooth/ZigBee 比較
IoT
センサーNW
移動通信ネットワークの高速化・大容量化の歴 史
ショルダーホン
超小型携帯 電話 (mova)
W-CDMA方式 FOMA
初代iPhone 2007年
LTE-Advanced対 応スマホ
5G スマホ
通信速度
電話としての 会話のみ
テキストメッセー ジが導入された
モバイルインターネットアク
セスとビデオ通話が可能に 更なる 高速通信
・高速・大容量
・低遅延・多接続
第五世代 (5G) 移動通信シス テム
5G
移動通信システムは、スマホや携帯電話等のモバイル端末の通信向 けの利用のみならず、IoT
やセンサーNW
用途にも活用可能5G
移動通信システムの特徴としては、・ 高速・大容量 最大
10Gbps
までのデータ伝送が可能・ 低遅延 1
ms
以下・ 多接続 エリヤあたり接続可能な端末数は、
4G
の100
倍通信サービス事業者に依らない、工場やオフィス内部等の限られた場 所でのみ利用可能なローカル
5G
としてシステム構築をしての利用も 可能に低遅延特性を利用した自動運転車や遠隔手術等への適用も視野に
キャリヤ
(
搬送波)
としてミリ波を使用する場合は、直接通信可能な無 線基地局との距離は精々数百m
でしかない。マイクロ波を利用する場 合は、4G
以前のシステムと同様に、より広域での通信が可能。しかし、現時点ではカバレッジが狭い
無線受信機 ( ラジオ ) の 構成
(a)
直接検波型(b)
ヘテロダイン検波型 前置増幅器 ベースバンド増幅器 等価器 検波器
(
高周波増幅) (
低周波増幅)
アンテナ スピーカー
f
S前置増幅器 混合器
(
高周波増幅)
アンテナ
f
S局部発振器
中間周波増幅器 ベースバンド
増幅器 等価器
(
低周波増幅)
スピーカー
f
LOf
IFf
IF= | f
S− f
LO|
検波器(c)
ホモダイン検波(
ダイレクトコンバージョン)
型 前置増幅器 混合器(
高周波増幅)
アンテナf
S局部発振器
ベースバンド
増幅器 等価器
(
低周波増幅)
スピーカー
f
LOf
S= f
LO 位相検出PLL
回路4 石スーパーラジオの回路 図
中間周波
(IF)
増幅 検波 低周波増幅 周波数混合ソフトウェア 無線
携帯電話、スマホ、
TV
チューナー、WiFi/Bluetooth/ZigBee
等、最近の無線通信 デバイスはソフトウェア(DSP)
によって実現 → ソフトウェア無線(Software Defined Radio: SDR)
ソフトウェア無線の構成
RF
アナログ回路ソフトウェア無線の 方式
スーパーヘテロダイン
(IF)
方式SDR
受信機BPF LNA
LO (f=RF-IF)
BPF ADC DSP
RF
IF MIX
LNA
LO (f=RF)
LPF ADC DSP
RF MIX
BB
ダイレクトコンバージョン
(DC)
方式SDR
受信機ダイレクトサンプリング
(DS)
方式SDR
受信機LNA BPF ADC DSP
RF
RF
ソフトウェア無線の 方式
ヘテロダイン方式
ダイレクトコンバージョン方式
各種 SDR デバイ ス
bladeRF ADALM-PLUTO
RTL-SDR によるオールバンド受信 機
RTL2832U
を用いてオールバンド・オールモード受信機を実現するフリーソフトの
SDR#
ダウンロード
https://airspy.com/
参考
)
本格的オールバンド受信機(
約70
万円)
市販の
Realtek
RTL2832U USB
ドングル(2
千円程度)
Realtek RTL2832U USB ドングルの回路構
成
RTL2832U チューナー部の構成とス
ペック
非接触小規模データ通信方 式
バーコード
RFID
タグ1
次元2
次元商品情報などの極小規模のデータの伝送
(
通信)
に、現在では非接触方式 でのバーコードやRFID
が主に用いられているバーコードリーダー
RFID
リーダーバーコードと RFID 方式の 比較
バーコード
RFID
原価 シール
1
枚<1
円RFID
タグ~
10
円 データの読み出しデータの書き込み 不可
新たにシールを印刷 読み出し可能
なデータ量
2
次元コードでも最大数十バイト程度 数
k
バイト以上も可能 特徴レーザースキャナーや カメラなどを用いた光 学的読み出し
汚れや遮蔽など への耐性
RFID
リーダーを用い た電磁的読み出しバーコードパターンが 見えなくなくなると不 可
RFID
ライターを用い て電磁的に可能金属以外のケースなら
、中にあっても可能
シールやタグの製造 プリンターで印刷 半導体製造工程
複数タグとの通信 通信可能エリヤ内にあ
る複数タグとの通信も 可能
不可基本的に
1
枚ずつ読み 取りバーコードと RFID 方式の 比較
・見えない
RFID
タグとも通信可能・タグの汚れにも強い
・箱の中など見えない
RFID
タグ や汚れたラベルは読めない出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID による複数タグの一括読み取 り
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID
RFID
(Radio Frequency Identifier
)とは、様々な情報を記憶させたRF
タグ(IC
チップ )に対して、電波や磁場などを用いて近距離(数cm
~数 m)の無線通信によって情報をやりとりする技術を指す。
RF
タグは近年では、小さなワンチップの
IC
で実現できるようになったのでこれをIC
タグと呼び、その中でも特に電源を必要としないパッシブタイプの
IC
タグのみを指して 用いられることが多くなった。パッシブタグ
:
電池を内蔵せず、RFID
リーダライタから発信される電波から 電力を得てIC
チップを動作させ、ID
を読む時だけ動作するものIC
チップ アンテナシール・ラベル
・
RFID
タグは電子部品と同様に、繰り返し長期間使用することが可能・リーダライタのアンテナ側からの電力伝送により、電池レス化も可能
・パッシブ及びセミパッシブ型
RF
タグは電波法の規制対象外(
アクティブ型RF
タグ及びパッシブ用リーダライタは、電波を発する無線 機として電波法の規制を受ける)
RFID システム構 成
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID のタイ プ
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
パッシブ方式とアクティブ方式との 違い
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID で用いられる周波 数
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID の通信原 理
電磁誘導結合による伝送
135
kHz未満及び13.56MH
z帯 電波による伝送920MHz
帯及び2.54GH
z帯出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
用いる周波数帯による通信原理の違い
RFID タグの構 造
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
パッシブ
RFID
タグは、リーダ・ライタから送信さるRF
信号を内蔵アンテ ナで受信し、その一部を整流回路で直流に変換することによってIC
チップ に電力を供給し、チップ内蔵された通信回路によってリーダ・ライタと通信 を行うRFID タグの構 造
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID タグと周波 数
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
RFID リーダ・ライタの 構成
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
振
リーダ・ライタのアンテナ 構成
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
リーダ・ライタのアンテナ 構成
出典
:
一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)
FeliCa
FeliCa
は、ソニーが開発した非接触型IC
カードで、13.56MHz
の周波数 を用いるRFID
方式の一種。交通系IC
カードのSuica
やPASMO
やICOCA
、プリペイド型電子マネーのnanaco
やWAON
や 楽天Edy
、 後払い方式の電子マネーのQUICPay
やiD
として用いられている主な仕様
搬送波
13.56 MHz
副搬送波 なし
変調方式
ASK 10%
符号化方式
Manchester
通信速度
212 kbps (Fc/64),
424 kbps (Fc/32)
衝突 出検/
回避 タイムスロットFeliCa
の仕組みその他の無線通信デバイ ス
レンタル ビデオ ショップの
TUTAYA
などにある万引き防止システム(
EAS: Electronics Article Surveillance system
)で、以下のような各 種方式がある音響磁気方式
(Acousto-magnetic systems)
58kHz
~60kHz
の電波に共振するように作られたアモルファス金属製の薄板が複数枚並行に並べられたタグに、発信アンテナから不規則な間隔で電 波パルスを照射し、タグは発信アンテナからの電波を受けて共振し、タグ自 ら微弱な電波を出す。この電波を受信アンテナが検出することにより、商品 が持ち出されたことを検知する。
分解して中身を出したところ 音響磁気式タグ
万引き防止システム
万引き防止システ ム
万引き防止システム 電波方式 送信アンテナから発せられる
4.6MHz
~10.5MHz
の電波を、LC
共振回路 によって構成されたタグが受けて共振し、再放射する際、位相の変化による 歪が発生する。これを検知し警報音を鳴動させる仕組み。8.2MHz
電波式タグ万引き防止システ ム
自鳴方式 商品に貼りつけられるタグには、特定の周波数の交 流磁場を検出して警報音を発する機能とタグがはずさ れると警報音を発する機能がある。精算レジなどでタ グをはずさずに出入口のアンテナを内蔵したゲートに 近づくと、ゲートが発信している特定の周波数の交流 磁場に反応し警告音を鳴らす。 また、タグが警報を発 すると同時に、タグが微小磁界を発生し、それをゲー ト側で検出することで、ゲートから警報を発する機種 もある。アンテナを形成する磁場には連続した交流磁 場及び間欠(バースト)の交流磁場がある。使用する 周波数帯は
22kHz
~37.5kHz
であったが、近年では58kHz
(音響磁気方式)や8.2MHz
(電波方式)へも 拡大している。磁気方式 保持力の非常に小さな磁性材料(軟磁性体)を検出対象とし、それに
200Hz
~14kHz
の交番磁界を掛けることによって発生する連続的な磁化極性の反転により生ずるパルス状の磁場の歪みを検出する方式。鉄系やコバ ルト系アモルファスを用いたリボン状の材料が主流であるが、一部ワイヤ 状や網膜フィルムを使用したものもある。図書館などで用いられ、貸し出 しの際は磁気を 消去し、返却時に磁気を帯磁させる
赤外線通信デバイス (IrDA)
赤外線通信は、
TV
やエアコン等の家電機器のリモコン通信として現在広く利用 赤外線リモコンの信号様式は、コードと呼ばれる一連の符号からなっているが、メーカーごとにその様式は異なり統一的な規格は 存在しない。
通信には波長約
950nm
の近赤外光を使用し、38
~40kHz
(約25μs
)の明滅パルスを搬送波とし、それをさらに数ミリ秒の周 期で点滅させ、この点滅する間隔や長さを変調することでバイナリ符号を送っている。 赤外線リモコン
ガラケーの
IrDA
通信デバイス
IrDA
によるア ドレス交換IrDA(Infrared Data Association
)は赤外線によ る光無線データ通信を規格化している団体で あり、またその規格そのものの名称でもある。 規格名 通信距離 通信速度