無線接続 – 基本的なヒント
はじめに
この記事では、Marvelmindの高精度屋内「GPS」の無線接続を取り上げます。ただし、ヒントやアドバイスの多くは、ラジコンのおもちゃから産業用途の複雑な自律ロボティクスシステムまで、無線接続を使う幅広いシステムに当てはまります。
背景
- 免許不要のISM/SRDバンドの無線による、ネットワークの全要素間での高精度なクロック同期とデータ／テレメトリーの転送
- 超音波パルスの飛行時間を用いた高精度な距離測定に基づくマルチラテレーション
無線接続は、具体的に何と何の間で必要か？
まず、次をご確認ください：アーキテクチャ比較ドキュメント。なお、モデムは無線を介してスター型の構成でビーコンを制御します。ビーコン同士は互いの信号を受信でき、たとえばモバイルビーコンはこの方法でほかのモバイルビーコンの位置を知ることができます。しかし現在、すべてのビーコンが通信する相手は、システムのメインコントローラーであるモデムだけで、無線でほかのビーコンと通信することはありません。
したがって答えは、モデムと、そのモデムが制御するビーコンとの間で無線接続を確保する必要がある、ということです。
現在、Marvelmind屋内「GPS」システムでは通常モデムを1台だけ使用し、1台のモデムで一般に最大250台のビーコン（固定とモバイルの合計）に対応します。モデムが2台以上ある場合は、単にMarvelmindシステムが2つ導入されていることを意味します。
より大規模なネットワークでは、マルチモデムアーキテクチャを導入できます。マルチモデムアーキテクチャに関するプレゼンテーションの「Tunnel safety and performance」のスライドをご覧ください。マルチモデムアーキテクチャでは、各モデムが固定ビーコンからなるそれぞれのマップを制御します。モバイルビーコンは、ハンドオーバーによってマップ間を自由に移動します。モデム（通常はSuper-Modemのハードウェアで構成）は、担当するマップの位置データをSuper-Super-Modemに送り、Super-Super-Modemから制御されます。Super-Super-Modemとモデムの間は、3G/4G/5GまたはWiFi上の通常のIPで接続します。モデムとそれが制御するビーコンの間の接続とは異なり、この接続にはマイクロ秒レベルのレイテンシやジッターは求められないためです。
RSSIとは？
RSSI（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）とは、送信機から受信した無線信号のレベルです。実務で覚えておくべきこと：
- RSSIには、モデムからビーコン方向と、ビーコンからモデム方向の2つがあります。通常のように両方の機器が同等であれば、両方向のRSSIレベルは同じ、つまり±5dB程度の差に収まるはずです。それより大きい、たとえば±10〜15dBの差がある場合は、何か問題がある可能性を強く示しています。たとえば、静電気放電などによってビーコンの受信部が半ば壊れることがあります。この場合、ビーコンの送信部とモデムの受信部は正常なので、ビーコンからモデムへのRSSIは良好です。しかし、ビーコンの受信部が不調なため、ビーコンの受信機は完全ではないもののほとんど聞こえない状態になり、RSSIの値に大きな差が出ることがあります
- RSSIの単位はdBmです。dBmとは、ミリワット（mW）を基準としたdB（デシベル）です。+20dBの差は、電圧で10倍、電力で100倍強い信号を意味します。-30dBの差は、電圧で31倍、電力で1000倍弱い信号を意味します
- dBmは電力、つまりRSSIの測定値であり、dBは差の測定値です。電力、電圧、明るさなど、何の差でも表せます。dBmも差ではありますが、固定値、つまり1 mWに対する差です
- RSSIという用語は、単なる「指標」ではなく、信号強度そのものを指す言葉としてよく使われます。そのため、「RSSIを確認してください」という場合、実質的には「信号が強すぎたり弱すぎたりしないか確認してください」という意味です。推奨されるRSSIの上限は、受信機の飽和とそれによる信号のひずみで決まり、下限は受信機のノイズとそれによるS/N比（信号対雑音比）で決まります。S/N比が低すぎると、ビットの欠落、続いてパケットの欠落が起こり、最終的にはシステムがまったく機能しなくなります
強すぎる・弱すぎるの目安は？
- 強すぎる：RSSIが-20dBmを超える場合です。モデムとビーコンが近すぎる可能性が高いです。モデムはビーコンから1〜2メートル離すことをおすすめします。適切な距離は、相対的な位置関係やアンテナの種類によって異なります
- 弱すぎる：通常は-90dBm未満ですが、無線プロファイルによって異なります。38kbpsの無線プロファイルの受信感度は、500kbpsの無線プロファイルより数倍高くなります
ISMバンドとSRDバンド、433MHz帯と915MHz帯
ISMバンドとSRDバンドという用語は、ほぼ同じ意味で使われています。どちらも免許不要で使用できる周波数帯です。ただし、免許が不要なのはエンドユーザーにとってであり、メーカーにとってではありません：
- ISMは、industrial, scientific and medical（産業・科学・医療）の略です
- SRDは「short-range devices」（短距離デバイス）の略です
- 低出力（10〜100mWまたは10〜20dBm）：同じ地域で多数のシステムが共存できるよう、意図的に通信距離を短くしています
- 同じバンド/チャネル内でほかのシステムと共存します。そのため、干渉はまれな出来事ではなく、そもそも前提として存在します
- 周波数ホッピング
- LBT（Listen Before Talk）
433MHz帯と915MHz帯の比較
433MHz
メリット：
- 減衰が小さく、無線の到達距離が最も長い
- 外部の干渉源が比較的少ない（一般的に）
デメリット：
- アンテナが大きく、組み込みにくい
- 内蔵アンテナやセラミックアンテナはほぼ使えない
- 帯域が狭い：915MHz帯の26MHzに対し、433MHz帯はわずか1.7MHz
915MHz
メリット：
- 帯域が広い：チャネル数が多く、容量が大きい
- 内蔵アンテナを使用できる。完璧でも高効率でもないが、ないよりはよい
デメリット：
- 2.4GHz帯ほどではないが、かなり混雑している。433MHz帯より干渉が多くなる可能性がある
915MHz帯と868MHz帯の比較
915MHz
- 広く使用されている：米国、日本、韓国など多くの国
- ISMバンド
868MHz
- 主にEU、中国、ロシア、ほか数か国で使用
- SRDバンド
- 915MHz帯に比べて狭い
915MHz帯と868MHz帯に共通する点：
- 2つの帯域は互いに比較的近く、整合回路やアンテナも両方を一度にカバーできるほど広帯域なため、通常は同じハードウェア（無線部とアンテナ）で両方の帯域に対応します。1種類のハードウェアで両方の帯域に対応できるため、メーカーにとっても使いやすい帯域になっています
- 周波数が近いため、無線の到達距離はほぼ同じ
2.4GHz帯を使わない理由は？
2.4GHz帯は非常に普及しており、多くの利点があります：
- ほぼすべての国で使用できる。つまり、1種類のハードウェアでそれらすべての国に対応できる
- 帯域が広い：チャネル数が多いため容量が大きく、ボーレートが高いため位置更新レートも高くできる
- 小型の内蔵アンテナやセラミックアンテナでも非常によく機能する
しかし、こうした大きな利点のために2.4GHz帯はメーカーに普及しすぎ、それが最大の欠点につながりました：
- 帯域が過密状態：WiFi機器やBluetooth機器が多すぎ、テレメトリー、カメラ、リモコンも多すぎます。その結果、異なる無線システム間で常に衝突や干渉が起こり、パケットエラー率が高くなりすぎるケースが多くあります
- 過密状態でも、データや動画など、時間的制約のない伝送であれば問題ありません
- 本当の意味でのリアルタイム映像、たとえばFPV（First Person View）ドローンでは、より深刻な問題になります
- そしてMarvelmind屋内「GPS」のようなリアルタイム測位システムにとっては、致命的な問題です。いまパケットが失われた場合、通常はあとから届いても意味がありません。遅すぎて、もはやリアルタイムのデータではなく、すでに新しいパケットが届いているからです。常にではありませんが、多くのユースケースでそうなります。したがって、リアルタイム測位システムに役立つのは、本当の意味でリアルタイムに接続でき、パケットの欠落が最小限の無線接続だけです。つまり、2.4GHz帯も使用はできますが、制約と妥協を伴います
2.4GHz帯のもう1つの制約は、無線の損失が大きいことです
915MHz帯の周波数は、433MHz帯の約2倍です：
- そのため、同じ距離での伝搬損失は約4倍、つまり6dB大きくなります
2.4GHz帯の周波数は、915MHz帯の約2.5倍、433MHz帯の約5.5倍です。その結果：
- 2.4GHz帯の損失は、915MHz帯に比べてそれぞれ6.25倍、つまり8dB大きくなります
- 433MHz帯に比べると30倍、つまり15dB大きくなります
無線プロファイルの選び方
選択肢を簡単にするため、あらかじめ定義した無線プロファイルをいくつか用意しています。実際には無線設定の項目が非常に多く、専用のツールなしで適切に選ぶことはできません。ただし、何らかの理由で定義済みプロファイル以外の特別な設定が必要な場合は、info@marvelmind.com までご連絡ください。お客様専用の無線プロファイルを作成します。
400/500kbps
- 帯域幅とボーレートが最も高い
- 無線が制約となる場合、位置更新レートを最も高くできる。ただし、通常は超音波が制約となる
- 受信感度が最も低く、無線の到達距離が最も短い
- 外部からの干渉に対する耐性が最も低い
100/153/200kbps
- 更新レート、受信感度、外部からの干渉への耐性など、すべてがバランスの取れた中程度
- 一般的なデフォルト設定
38kbps
- 受信感度が最も高く、無線の到達距離が最も長い
- 外部からの干渉に対する耐性が最も高い
- 無線が制約となる場合、更新レートが最も低い
- 異なるハードウェアのバリエーション間や、異なる種類のビーコン間で最も高い互換性を確保するため、一部のソフトウェアバージョンではこれがデフォルト設定でした。無線チップごとに無線設定が異なり、そのすべてに適した共通の設定を見つけるのは簡単ではないためです
無線の主な要素と要因
アンテナ
標準アンテナは、たとえばSuper-Beaconに付属しています。長さ50mmと短く、サイズは性能に影響します。一般的な開けた環境では、Modem v5.1の同様の標準アンテナとの間で、半径最大約100mの無線カバレッジが得られます。標準アンテナは無指向性の短縮型1/4波長アンテナです。
フルサイズアンテナ は、周波数帯に応じて80〜160mmと大きめです。効率が高く、3〜6dBの利得があり、無線の到達距離は1.5〜2倍になります。ビーコン側とモデム側の両端で使用すると、開けた空間で一般に最大約400mの無線到達距離が得られます。フルサイズアンテナは無指向性の1/4波長アンテナです。
指向性アンテナは、さらに長い到達距離や強い無線信号が得られ、一般に6〜16dBの利得があります。つまり、到達距離を2〜6倍にできます。指向性があるため、適切なカバレッジを確保するには特別な配慮が必要です。たとえば、細長い倉庫であれば、倉庫の一方の端に指向性アンテナを設置し、その側から倉庫全体をカバーするのが有効です。別の方法として、倉庫の中央に高利得のフルサイズ無指向性アンテナを設置するか、2本の指向性アンテナを背中合わせにして外向きに設置する方法もあります。2本のアンテナを背中合わせに組み合わせるには、分配器と追加のケーブルが必要です。これらの機器はいずれも無線信号の損失を増やし、コストと複雑さも増します。そのため、適切な無線設計が難しくなります。
内蔵アンテナは、次で使用されます：Mini-RX および Mini-TX。通常のアンテナに比べて無線性能は劣りますが、非常に小型で、基板上に直接配置されています。サイズが唯一の利点です。約50〜100mの到達距離は、多くの用途やユースケースで十分です。内蔵アンテナでは無線の到達距離が足りない場合は、たとえばバッジ構成のように、Mini-RXに外部アンテナを接続します。
通常、無線カバレッジを確保する最も簡単で安価な方法は、アンテナを改善することです：
- まずモデム側。モデムの接続性はすべてのビーコンに影響するためです
- モデムのアンテナの改善だけでは不十分になったら、最も遠いビーコンのアンテナを改善します
アンテナの偏波
垂直偏波の使用をおすすめします。実際の現場では、そのほうが実現しやすく実用的だからです：
- すべてのビーコンのアンテナを垂直に設置する
- すべてのモデムのアンテナを垂直に設置する
- 指向性アンテナには偏波の表示があります。それに合わせてアンテナを回転させて設置してください
アンテナの放射パターン
標準アンテナとフルサイズアンテナは、形式上は無指向性です。しかし実際には、垂直に設置した場合に水平面内で無指向性になるということです。垂直面内では、理論上は利得がゼロまで落ち込む方向があります。実際には、アンテナの先端が向く方向の利得はゼロではありませんが、アンテナに垂直な方向に比べて大幅に小さくなることがあります。
内蔵アンテナの放射パターンについて論じるのは非常に困難です。無指向性とみなせますが、利得と効率は低めです。
指向性アンテナには、明確に利得の高い方向があります。
干渉
干渉の発生源はいくつも考えられます：
- MarvelmindのシステムはISM/SRD帯で動作します。ISMバンドやSRDバンドは特定のユーザー専用ではなく、異なるシステムが共存しなければならないため、ほかのシステムが同じ無線チャネルで動作することも容易にあり得ます。したがって、干渉はまったく珍しいことではありません
- ただし実際には、Marvelmindシステムのすぐ近くでお客様自身のほかの無線システム、たとえば同じ915MHz帯や隣接する868MHz帯を使うPixHawk用テレメトリーなどを使っていない限り、干渉はかなりまれです。必ずしも同じチャネルである必要はありません。アンテナ同士が十分に近く、信号が十分に強ければ、無線接続に深刻な影響が出たり、完全に妨げられたりすることがあります
- Marvelmindが1GHz未満の免許不要帯域を使用しているのは、2.4GHz帯や5.6GHz帯のような高い周波数帯が、WiFiやBluetoothなど多数の発生源によってひどく混雑しているためです
疑うべき主な要因：
- ほかのMarvelmindシステム。たとえば、同じチャネル上の別のMarvelmindモデム。1つの無線チャネルで稼働（電源オン）しているMarvelmindモデムは1台だけでなければなりません
- Marvelmindのビーコンやモデムの近くにあるほかの無線システム。たとえば、PixHawk用テレメトリー、無線制御ユニット、警報装置など
- トランシーバーなどの無線機。同じ帯域やチャネルであれば、小さな出力でも影響することがあります。まったく異なるチャネルや帯域であっても、出力が非常に大きいためにMarvelmindの無線を飽和させてしまうこともあります。Marvelmindのビーコンとモデムの出力は+10dBm（10mW）未満で、強力なハンディ無線機の1000分の1程度のこともあります
- 産業由来の干渉：強力な溶接や強い火花など。可能性は高くありませんが、あり得ます
- 電子レンジなど。通常は2.4GHz帯を使用していますが、出力が大きく距離が近い場合は、可能性は低いものの影響することがあります
起こりがちなミスや問題とその回避方法
アンテナの破損
アンテナは機械的な部品であり、ビーコンやモデムから突き出しているため、比較的簡単に壊れてしまいます。アンテナがぶつけられたり、曲げてはいけない箇所で曲げられたりしないようにしてください。
コネクタが適合しない
当社の機器の大半ではリバースSMAコネクタを使用しています。極性が逆になっているため、非標準のコネクタとみなされています。これは、たとえば米国のFCC無線認証に合格するためです。FCCでは、アンテナが簡単に交換できないこと、つまりアンテナも非標準の嵌合コネクタを持つことが求められます。
SMAメスとリバースSMAオスを誤って接続してしまうことはよくあります。コネクタ同士はしっかりねじ込めますが、電気的な接触はありません。外から見ると、すべてが無線接続の不良のように見えます。
アンテナが金属などの導電性材料に近すぎる
アンテナは、アンテナと平行な金属から1〜2波長離す必要があります。Marvelmindのシステムでは50〜100cmです。
一方で、アンテナが金属に対して垂直であれば、アンテナやビーコンを金属の上に置いても問題ありません。金属の中に鏡像の仮想アンテナができるためです。平行で距離が近いと無線信号は致命的に弱まりますが、垂直であれば影響は軽く、場合によっては改善することさえあります。
金属以外の材料、たとえばコンクリートや木材なども、近くにあると影響することがあります。影響の大きさは、材料の導電率、誘電率、透磁率によって決まります。
迷った場合の推奨はとてもシンプルです。金属、配線、壁から少なくとも50〜100cm離してください。それができない場合は、アンテナをそれらの配線、金属、壁に対して垂直にしてください。アンテナは垂直に保ち、Marvelmindネットワーク内のほかの無線機器のアンテナと平行にすることを忘れないでください。
非常に悪いアンテナ配置の例：アンテナが金属からわずか数cmしか離れていません。アンテナの無線性能は完全に損なわれ、無線の到達距離もほぼ確実に大きく低下します
改善されているが完全ではない配置：アンテナが曲げられ、垂直偏波から水平偏波になっています。しかし今度は金属に対して垂直なので、性能が致命的に損なわれることはありません。水平偏波は性能を下げる可能性がありますが、やむを得ない合理的な妥協であり、上の例よりはるかに良い結果になる可能性が高いです。ただし、灰色の電気分岐器に近すぎるため、アンテナの位置は完全ではありません。アンテナへの影響を減らすため、分岐器は50〜100cm離すか、アンテナの後ろ側に来るようにする必要があります
アンテナの配置は良好：垂直で、金属から比較的離れているか、金属に対して垂直です。改善すべき点は？左側の平行な金属部分からさらに離れるよう、もっと右に移動することです
無線は金属の壁を通り抜けられない
当然ながら、無線は金属の壁を通り抜けられません。そのため、巨大な石油タンクや水タンク、あるいはバンの中で何かを追跡する必要がある場合は、ビーコンとモデムもタンクの中に設置する必要があります。例をご覧ください：
場合によっては、モデムが外にあっても動作することがあります。ただしそれは、無線が壁を通り抜けるからではなく、穴や隙間から内部に漏れ込むためです。損失はありますが、信号（RSSI）が十分に強ければ、システムは問題なく動作することがあります。ですから、いつでも試して確認してみてください。
偏波と放射パターン
上で詳しく説明したとおりです。アンテナの偏波はそろえてください。最も簡単なのは、垂直かつ平行にすることです。そうしないと、無線の到達距離が大幅に低下するおそれがあります。
マルチパス伝搬
Marvelmind屋内「GPS」システムは通常屋内で使用されるため、無線は常にマルチパスで伝搬します。その結果、異なる方向からの無線信号がランダムに足し合わされて特定の地点で2〜3倍強くなることもあれば、打ち消し合って10〜100分の1に弱まることもあります。
さらに、マルチパス伝搬は静的な現象ではありません。フォークリフトやクレーンなど、金属製の巨大なものが数十メートル先で動いているだけでも、すぐそばにあるアンテナの位置でRSSIが影響を受けます。
RSSIがなかなか改善しない場合は、アンテナ、ビーコン、モデムを現在の位置から10〜30cmほど動かしてみる価値があります。RSSIが大きく変わることがあります。ただし、あらゆるものが性能に影響することを忘れないでください。ご自身の体や腕も性能に影響するため、一度調整すればそのまま安定するとは限りません。そのため、最良の無線性能（最も強いRSSIとパケットロスゼロ）が得られるまで、試行錯誤が必要になることがよくあります。