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LPWA とは? Low Power Wide Area

LPWA とは?

LPWA(Low Power Wide Area) とはなるべく消費電力を抑えて遠距離通信を実現する通信方式です。
GSMA では 2022 年までに 50 億台のデバイスが LPWA によってネットワーク接続されるだろうといわれています。(※1)

LPWA は、大きく分けて「アンライセンス系」と「ライセンス系」とに分かれており、アンライセンス系は通信を行う時に免許は不要ですが、ライセンス系は無線局免許が必要となります。無線局免許が不要なアンライセンス系 LPWA は、例えば個人や企業レベルで運用を行うことが可能ですが、ライセンス系 LPWA は従来の携帯キャリアのように総務省から包括免許を取得して事業を運用する必要があります。

ここでは、アンライセンス系 LPWA の代表格であるLoRaWAN、SIGFOX、およびライセンス系 LPWA の代表格である LTE Cat0, M1, NB-IoT、また、選定のポイントについて紹介します。

※1 GSMAとはMNOや関連企業からなる業界団体です。http://www.gsma.com/
参考3GPP Low Power Wide Area Technologies

SORACOM Air for LoRaWAN の概要はこちら »SORACOMの導入事例はこちら »


アンライセンス系 LPWA

LoRaWAN

概要

LoRaWAN は、Semtech/IBM社が中心となって仕様化した LPWA の無線規格の1つで、非常に低速ながら低消費電力で、長距離伝送できることが特徴です。その特徴により、既存のセルラー通信と並んで、IoT 用途において注目されています。日本ではアンラインスで運用できるサブギガ帯域と呼ばれる920MHz帯を利用します。
LoRaWAN の技術仕様は、 400社超の会社が参加するLoRa Allianceにより仕様策定され、パブリックに公開されており、グローバルかつオープンな通信方式です。

特徴

LoRaWAN の特徴をまとめると次のようになります。

送信距離は規格上は 10〜20km 程度で、現状日本において使用できる最大無線出力(20mW)では、実測では 1.5〜6km 程度となります。送信時の電力は 20mA 程度で、待機時はさらにその 1/100 のため、同様に低消費電力の BLE に比べて通信距離は 100 倍以上、広域通信できるセルラーに比べて 1/10 程度の低消費電力を実現しています。

システム構成

システム構成は下図のとおりです。

LoRaWAN システム構成

主に、モジュール(LoRaデバイス)、ゲートウェイ、ネットワークサーバーという3つで構成されています。ネットワークサーバーがパケットのルーティングやデータの暗復号等を処理しており、ここをネットワーク提供事業者が提供しています。LoRaモジュールの Dev Addr や暗号鍵を格納しておくのがネットワークサーバーの役割です。

LoRaWAN の 3 つの Class

LoRaWAN には 3 つの Class が存在しています。
Class A は実装が必須なクラスです。現在世界各国で使われているユースケースのほとんどは Class A です。デバイスから Uplink の通信を開始し、その後 RX1, RX2 という2つの受信スロットを使って Downlink のパケットを受信します。デバイスはこの時間軸以外はアイドル状態になるため、その分消費電力を抑えることができます。Downink スロットでは ACK を返したり、ピギーバック(※1)的にアプリケーションからのレスポンス通信を行うことも可能です。

LoRaWAN ClassA

Class C は、Class A では限定されていた受信スロットを常時開放することで消費電力は増大しますがその分常にDownlinkパケットを受けられるようになります。

LoRaWAN ClassC

やや特殊なのが Class B でこの方式を使うとデバイスからの Uplink 通信を待たずに Beacon と呼ばれる Downlink のパケットを一定周期で送ることが可能です。

LoRaWAN ClassB

※1 ピギーバック:リクエストに対するレスポンスの通信に相乗りして、アプリケーションデータを付与して送る方式のこと

セキュリティ

LoRaWANではセルラー等のように大容量・低レイテンシーの通信はできませんので、TLS のような重い認証・暗号化処理はできません。そのため、デバイス、ネットワークサーバーでは、あらかじめ PSK(Pre Shared Key:事前共有鍵)を双方で事前共有しておき、通信を行う際はこららの鍵で暗号化と正当性の確認を行います。なお、製品出荷時に鍵を格納しておく方式(ABP)と、出荷後に無線経由で書き込む方式(OTAA)があります。

ユースケース

一度に送信できるデータは十数byte程度と小さいですが、各種センシング(温度、湿度、加速度)であれば数バイト程度で事足りるケースも多く、例えば、以下のようなユースケースが想定されています。

実装例

LoRaWANモジュール自体はいわゆる通信モジュールですので、デバイスを制御するためには何かしらのマイコンが必要です。ソラコムのLoRaデバイスなどでは Arduino が使われており、一般的にも Arduino を使ったソリューションが多いのが現状です。もちろんより処理量の多いデバイス、例えば Raspberry Pi などでも利用することはできますが、LoRaWAN の通信量やプロトコルを考えると低スペックのマイコンで十分であるため、費用面や消費電力の観点からも、あまり使われていないのが現状です。

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Sigfox

概要

SigFox はフランス Sigfox社 によって仕様策定されたLPWA規格の1つです。LoRaWAN 同様に非常に低速(~100bps)ながら低消費電力、長距離伝送:UNB(Ultra Narrow Band)と呼ばれる狭帯域通信により高い受信感度を確保し、規格上は3~50km程度の距離の通信が可能といわれています。フランスをはじめ、スペイン、オランダ等ヨーロッパでは既にかなりの面展開が進んでいます。日本ではLoRaWANと同じく、アンライセンスで運用できるサブギガ帯域(920MHz帯)を利用します。


ライセンス系 LPWA

ライセンス系の LPWA である以下の3点についてご紹介します。いずれも普段スマートフォンなどで利用されている LTE をベースとした方式ですが、IoT向けの利用を考慮された仕様となっています。

LTE Cat.0

LTE カテゴリー0は、LTEカテゴリの一つで、特にM2Mと呼ばれる機器間通信や IoT 機器のための規格です。3GPP Release.12で策定されました。主な用途として、インフラ系(ガス、水道等)や自動販売機の監視などで、3GPPでは"MTC"(Machine-Type Communications)と呼ばれています。

これまでの LTE と異なる点

これまではスマートフォンを筆頭にしたモバイルデータ通信量の飛躍的増加に対応するため、セルラーシステムは通信の高速化・高度化を推し進めて来ました。ところが、LTE Cat.0 は モノ向け用途ですので、スループットは何100Mbpsも求めない代わりに、省電力を実現したいという従来とは真逆の方向に重きを置いて仕様策定されています。そのため、以下のような変更が入っています。

LTE cat.M1

LTE Cat.M1は、LTEカテゴリの1つで、GPP Release.13で策定されました。M1のMはMachine Type Communicationの略称です。

これまでの LTE と異なる点

プロトコル、ネットワークアーキテクチャはCat.0と変わりませんが、前節で述べたCat.0の特徴に加え、さらに以下の点が変更になっています。

一番の変更点は運用周波数が従来の20MHzから1.4MHzと大幅に狭帯域になったことです。元々LTEでは最小で利用可能な周波数幅として1.4MHzが規定されておりましたが、一般的に無線通信はなるべく広い帯域を取った方が高速化ができますので、各キャリアは10MHzや20MHz等、国から割り当てられた周波数を最大限に使って来ましたが、Cat.M1では一番狭い周波数帯域で通信を行います。また、繰り返し送信により、建物内部や鉄板の内側などこれまで圏外だったエリア(セルのエッジ部分)への通信を実現します。Cat.0の利点を踏まえさらに省電力・広域通信を実現したのがCat.M1です。

NB-IoT

NB-IoTはLTE規格の中でIoTに特化して策定された規格です。Cat.M1同様、3GPPが昨年のRelease.13で仕様策定しました。NBはNarrowed Bandの略称で、従来の周波数帯域よりもさらに狭い周波数(180kHz)を利用します。通信距離は最大20km程度、スループットは100bps以下になります。

これまでの LTE と異なる点

従来の LTE との変更点は以下のようになります。

180kHzという周波数帯域はもともとLTEで利用していたRB(Resource Block)という周波数の束1つ分です。インバウンドモードのように既存のLTE帯域の中の1部としてアサインしてもよいですし、ガードバンドと呼ばれるアサイン周波数の外側を利用することもできるようになっています。(その他GSM向け周波数跡地を再利用するスタンドアロンモードもありますが、日本では1,2の方式が採用される見込みです)

基本的にはLTEと同じアーキテクチャですが、NB-IoTではC-SGNというNodeが追加され、ユーザデータをC-planeと呼ぶ制御チャネルでも送れるようになっています。


各方式の選定と実装のポイント

実際に IoT へ適用するにあたり実際に適用すべきはどの方式でしょうか。実際のユースケースに対して、以下の要素を考慮し、最も近いものを選択すべきです。

  • 通信範囲
  • データ量
  • 通信頻度
  • 消費電流
  • モビリティの有無(定点か移動か)
  • IPの有無
  • 通信方向(双方向、片方向)
  • 通信料
  • GSMA では IoT アプリケーション毎の想定データ通信量、消費電力、通信頻度、通信範囲を下記のようにまとめています。

    LoRaWAN システム構成

    3GPP Low Power Wide Area Technologiesを参考に作成

    上記のとおり、例えば火災報知器では1回20byte、通信頻度は1日2回、自動販売機は1日1回通信ではあるものの、1回の通信量は1kbyteです。火災報知器であればLoRaWAN等の低速通信が、自動販売機であれば LTE Cat.0 や M1 のようにある程度スループットを確保できる方式がよいかもしれません。

    また、モジュールの価格、種類の豊富さ、連携のし易さ(API、Referenceの豊富さ等)、技適の取りやすさ、対応周波数、マイコン側からの制御方法(ATコマンド等)も重要な選定要素になります。この辺りはデバイス選定にも密接に絡んできます。通信規格として優れていても対応製品がなければ意味がありませんし、通信を制御する方法が難解であれば開発負荷としては高くなってしまいますので上記を参考に最適なものを選ぶことをお勧めします。1つの方式にこだわると無理なデバイス実装、システム構成になってしまいますので、複数の通信を組み合わせて使うのもよいでしょう。

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