RENESAS EDGE TECHNOLOGY

スマートフォンやタブレット端末などの携帯機器が急速に普及してきた。これらの携帯端末は、無線LANやBluetooth（ブルートゥース）などの無線通信機能を標準で装備している。携帯電話の通話機能やデータ通信機能などを備えている機種もある。
無線通信端末の普及は、私たちの生活を大きく変えた。インターネット経由でニュースや天気予報などの情報を得られるのはもちろん、位置情報を利用した地図の探索、オーディオやビデオのダウンロード再生といった様々な形で携帯端末が利用されるようになった。

スマートフォンやタブレット端末などが備える無線通信機能は、インターネットや携帯電話システムとのやり取りだけに使われるのではない。ユーザが装着したアクセサリや、ユーザの周辺に配置された超小型無線端末などとワイヤレスでデータをやり取りするのにも使われる。
その代表的な例は、音声通話用のハンズフリー・キットだろう。ハンズフリー・キット（マイクやイヤホンなど）は、Bluetoothで携帯機器と音声データを送受信する。

最近では、体温や脈拍などの生体信号を超小型センサノードから無線で携帯機器に送信し、健康管理や疾病管理などに役立てようとする動きが活発だ。こういった通信距離が1メートル以内の近距離無線通信を利用した市場が、今後は急速に拡大していくと期待されている。

ただし、普及には課題がある。「電池」の存在だ。センサノードと携帯機器（スマートフォンやタブレット端末、ノートPCなど）の無線通信を想定した場合、センサノードは当然ながら、センサと送受信回路を動かすための電源を必要とする。人体に装着するような超小型のセンサノードでは、電源にボタン電池や小型乾電池などを採用することが多い。

電池の大きさと重さは、センサノード全体の小型化と軽量化に影響を及ぼす。また無線LANやBluetoothなどの無線通信プロトコルはそれなりの電力を消費するので、電池の定期的な交換を必要とする。電池の交換が前提になってしまうと、必然的にセンサノードの設置個所に制限が加わる。

図1：無線LANやBluetoothなどの通信ではセンサノードに電池を必要とする

そこでルネサスでは、電池が不要な（電池レスの）近距離無線通信技術を考案し、半導体チップの試作に成功した。

開発した技術は、主に二つの要素技術で構成される。
（1）数μWと消費電力がきわめて低いデータ通信技術
（2）周辺環境に存在する電波（環境電波）から電力を取り出す技術

（1）のデータ通信技術から解説しよう。通常のデータ通信技術とは考え方が大きく異なる。 あらかじめ携帯機器に専用のアプリをインストールしておき、その専用アプリが携帯機器の通信状態をモニターする。 例えば携帯機器が無線LAN（電波）でアクセスポイントと通信中だと仮定しよう。このとき、周辺の電磁環境によって通信の品質は常に変動している。ここでセンサノードに電波を反射したり、吸収したりする機能を与え、反射と吸収を一定の速度で切り換えることによりデータ通信を行う。 下の図2を見てみよう。

（A）センサノードが電波を反射する：携帯端末とアクセスポイントの通信に反射電波が混じり、通信の品質が低下する。通信品質に通常見られる時間変動(例:ユーザが動くような外乱)に比べると小さいので、通信への悪影響はない。この通常見られる時間変動を除いて所望のデータを抜き出すことが重要となる。
（B）センサノードが電波を吸収する：アクセスポイントの通信品質は、センサノードが電波を反射する状態に比べ、向上する。
携帯機器の専用アプリは通信品質の変化をモニターして、通信状態が悪いとき（（A）のセンサノードが電波を反射している状態）を「１」とし、通信状態が良いとき（（B）のセンサノードが電波を吸収する状態）を「0」としてデータに変換する。この方式では、センサノードの通信回路は反射と吸収を切り換えるだけなので、超低消費電力が実現する。

図2：通信状態の良し悪しを利用したデータ通信を実現

ルネサスでは、実際に評価ボードを試作して、この通信方式の実験を行った。
無線LAN（WiFi）の送信機と受信機の間に、電波の反射と吸収を起こす評価ボードを配置した。通信距離は30cmで、送信速度は約2kビット/秒～5kビット/秒と低速であった。注目すべきなのは消費電力で、わずか数μWしか消費しなかった。無線LANやBluetoothなどの送信電力に比べると、2桁～3桁も少ない驚愕の値だ。

図3：センサノードからのデータを受信した結果（実測値）

（2）の電力を取り出す技術は、空間に漂っている電波（環境電波）を集めて電力として蓄える技術だ。原理はシンプルで、コイル状のアンテナで電波を拾って電流に変換するというもの。
重要なのは、先進国の都市空間には電波がふんだんに存在しているということ。携帯電話システムや無線LANのアクセスポイントが普及しているからだ。携帯電話端末の送信電力や無線LANの送信電力などは、電力の一部しか実際の通信に使われない。そのほとんどは空間に放射されたまま、最終的には熱となって廃棄される。

ルネサスが実際に都市空間の電波強度とその時間的変化を測定したところ、二つのことが分かった。広い周波数範囲に散在している環境電波の中でも、1.9GHzと2.4GHzのように特徴的な強い分布は局所的・離散的であること。これは、ユーザの多い端末が通信で用いている周波数であることが背景にある。もう一つは、電波強度は時間的に絶えず不規則に変動していることだ。
そこで、電波強度の高い周波数を自動的に追随するように、アンテナの周波数特性を自動調整する仕組みを導入した。自動調整する周波数範囲は、電波エネルギの効率的な回収が期待できる、1.9GHz～2.4GHzの帯域に周波数範囲を設定した。これは携帯電話の一部と無線LAN、Bluetoothをカバーする周波数範囲である。

この条件で、アンテナ感度を自動追尾する機能を備えた電波エネルギ吸収回路を試作し、エネルギの回収を実験した。自動追尾機能を動作させなかったとき（アンテナ感度が最大になる周波数を2.4GHzに固定したとき）に比べると、自動追尾によって周波数が1.9GHzの電波から回収できる電力は3桁も増えた。出力250mWの送信機から30cmの距離で電波エネルギを回収したところ、数μW～数十μWの電力を得ることができた。センサノードの送信回路を動作させるためには、十分な電力だろう。

図4：環境電波の周波数分布と時間変動の測定結果

図5：電波強度の高い周波数を自動的に追尾して電力を集める

この技術の応用に向けた取り組みは、通信距離の延長であるという。現在の実験では通信距離が30cmと短いため、用途が限定されてしまう。おおよそ1mの通信距離があると、応用範囲がかなり広がるだろう。通信速度は現在の能力で十分だ。ほとんどの用途では、センサノードから携帯機器に送信するデータの量は多くはない。

ルネサスが開発した電池レス近距離無線通信技術は、ワイヤレス・センサネットワークへの応用が期待できる。数多くのセンサノードとホストマシンをワイヤレス（無線）で結んだネットワークだ。
従来の無線通信技術によるワイヤレス・センサネットワークの開発では、まず、通信インフラの構築に一定規模の投資を必要としていた。ところが、開発した技術では、既存のインフラを活用できる。例えばBluetooth機能はすでに、携帯電話やスマートフォン、タブレット端末などで標準的な機能となりつつある。
そしてセンサノードは電池レスで動く。センサが取得した情報をBluetoothという既存のワイヤレス・インフラでユーザの携帯機器に送信できる。もちろんセンサノードやソフトウェア開発などへの投資は必要だが、通信インフラには投資する必要がない。ここが既存の近距離無線を利用したセンサネットワークとの大きな違いである。

例えば、住宅内で乳児の生体情報（体温や脈拍など）をセンサノードでモニターし、異常を検知したらスマートフォンに送信する。あるいは街角でポスターにセンサノードを埋め込み、携帯機器を持ったユーザが近くを通過したらポスターの情報を携帯機器に送信する。これらはあくまで一例だが、従来とは違い、ヒトの意識や行動を先回りしてサポートするシステムを簡便に構築できるようになる。非常に大きな将来性が見込める技術だと言えよう。