LPWA (LPWAN) とは? Low Power Wide Area

LPWA (LPWAN) とは?

LPWA(Low Power Wide Area) またはLPWAN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、IoTの構成要素の1つとして注目されています。
GSMA(※1) 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述べています。

※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

LPWA (LPWAN) の体系

LPWA は、大きく「アンライセンス系」「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。


セルラーLPWA(LTE-M)とは?

セルラーLPWA(LTE-M)とは携帯キャリアの運営するセルラーネットワークを用いた LPWA 規格の1つで、既存の LTE 基地局をベースに全国エリアをカバーしているため、広域で省電力なセルラー通信を実現可能な通信です。

ソラコムでは、この LTE-M をplan-KM1 というサブスクリプション名(プラン名)で SORACOM Air のラインナップに加えることで、省電力・小容量通信である LPWA の拡充を行っています。


IoT における省電力の必要性

なぜ IoT デバイスでは省電力が必要なのでしょうか?IoT の目的は「遠くに離れたモノや、現場で起こっているコトをデジタル化する」ことにあります。これを実現するためには、あらゆる場所にデバイスを配置しセンシングする必要がありますが、課題の1つが電力です。

電力が確保しづらい環境もあります。バッテリーで稼働させるということが要件となるケースが出てきますが、高効率・大容量なバッテリーの採用はコストがかかり、「あらゆる場所」での利用が難しくなります。一方、デバイスを省電力化することで、例えば 乾電池のような安価なバッテリーで稼働ができるようになれば、あらゆる場所での利用が可能になります。


SORACOMの提供するコネクティビティ

SORACOM は、IoT 向けのコネクティビティを提供するサービス SORACOM Air で、LPWA を含む以下の 3 つの Type を提供しています。

お客様は、異なる無線規格で、SORACOM アプリケーションサービスを同じように使用することができ、容易にクラウド連携を実現することができます。

SORACOM Air

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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。日本ではアンライセ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。

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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。

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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.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従来のLTEと大きく変わりませんが、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。さらにeDRX (extended Discontinuous Reception) / PSM (Power Saving Mode)という2つの新機能を利用し、 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。


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.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。

    お客様の実現したい内容により、選ぶべきポイントが変わってきます。お気軽にお問い合わせください。

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