「1対多」の双方向通信を実現 Bluetooth® LE PAwR : PAwRの特徴とMeshとの比較

Bluetooth® LE アドバタイズの進化

はじめにアドバタイズの歴史を振り返ります。
Bluetooh® LEのアドバタイズの進化は、通信容量の拡大とスケジューリングの効率化にあります。
Bluetooth® 4.0(v4.0)のレガシーのアドバタイズは、3チャネルのみを使用し、容量も限定的でした。
Bluetooth® 5.0(V5.0)のExtended Advではデータ容量が拡大し、さらにPeriodic Advで固定間隔の送信が可能になり、受信側の省電力が向上しました。
そしてBluetooth® 5.4(V5.4)のPAwRで、双方向通信と応答スロットの概念が追加されました。
これは以前の定期アドバタイズは一方向の通信でしたが、PAwRによってデバイス側からの応答(Response)が可能になることで「1対多」の通信としてアプリケーションの幅が広がりました。

PAwRの特徴

PAwRは、Periodic Advertising with Responsesのことで、1対多のトポロジーにおいて、エネルギー効率の高い双方向通信を可能にする新しい論理トランスポートです。以下のような特徴があります。

PAwRのユースケース例

代表的なのがESLで、価格表示の更新と完了通知のやりとりに最適です。
その他、工場でのセンサーモニタリング、スマートホームでの機器制御、ヘルスケア分野でのバイタルデータ収集など、多数のデバイスを省電力で管理する必要がある分野での使用が期待されています。

PAwRとよく比較される機能にMeshがあります。
どちらも「大量のデバイスを制御する」ことを目的としていますが、アプローチ(ネットワークの形や通信の仕組み)が異なります。
PAwRとMeshには主に3つの違いがあります。

1. データの伝わり方
   Mesh : デバイス同士が網目状につながります。あるデバイス(ノード)が発信したデータは、周囲のデバイスがリレーすることで親機から直接届かない場所まで伝わります。
   PAwR : 基本的に1台のAdvertiser(親機)が周囲にいる大量のScanner(子機)に直接指示を出します。中継という概念はなく、親機の電波が届く範囲(数千台規模)を効率よく管理することに特化しています。
   
   
2. 通信の待ち合わせ方法
   Mesh : 基本的に「いつデータがきてもいいように」、受信機を常にONにするか、LPN(Low Power Node)という仕組みでたまに確認しに行く方法です。
   PAwR : 親機と子機の間で「次に通信する時間(ミリ秒単位)」が厳密に同期されています。子機はその一瞬だけ起きればよいため、消費電力はコイン電池で数年というMeshよりもさらにシビアな省電力運用が可能です。
   
   
3. 応答の確実性
   Mesh : 誰かが受け取ってくれればいいというフラッディング(洪水)方式が基本なため、特定のデバイスから一斉に正確なレスポンスをもらうのはネットワークが混雑するため苦手。
   PAwR : 「このslotではn番のタグが返事をする」といったスケジュールが組まれているため、大量のデバイスから確実にレスポンスを回収するのが得意。

Meshはリレー機能により広範囲をカバーできますが、非同期通信で常にスキャンが必要なため消費電力が高くなりがちです。
一方PAwRは特定のタイミング(サブイベント)で同期し、必要な時だけ通信を行うためMeshと比較して低消費電力です。
PAｗRとMeshの特徴の違いをまとめると以下のようになります。

どちらを選ぶべきか

• Meshが向いているケース
  ビルの照明制御のように壁を隔てて広範囲に通信を広げたい。
  デバイス同士が自律的に連携して動作してほしい。
• PAwRが向いているケース
  小売店などで商品価格や情報表示させるESLのように、数百、数千のデバイスに一斉に価格情報を送り、かつ「受信した」という返答も確実に欲しい。
  バッテリー寿命を最優先したい。

PAwRとMeshは似て非なるものというのがわかっていただけたと思います。
Meshでは実現できなかった応答性が必要なネットワークが実現できるので、確実性や省電力向けのアプリケーション向けにPAwRの選択肢が考えられます。
どちらのシステムを使うか、通信範囲の広さやデバイスの総数、消費電力等を考えて、より最適なシステムを選ぶ必要があります。

次回はInfineonの評価ボードを使用したPAwRのデモについてご紹介します。