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」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。

セルラーLPWA(LTE-M)とは?

セルラーLPWA(LTE-M,Cat.M1)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、利用可能なエリアが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 を特定地域向け IoT SIM 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。また、2020年2月より、特定地域向け IoT SIM  plan-D でも LTE-M 回線が利用可能となりました。


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。

0Gセンシング とは

0G通信(以下、0G)とは、低容量・低電力を特徴とした遠距離通信技術(LPWAまたはLPWAN)を指します。0Gの特徴である低電力を活かせば、AC電源の確保できない屋外環境などでも、バッテリー給電のみでデバイスを長期稼働させることが可能です。こうした0Gの特徴を活かした0Gセンシング・アプリケーションには、アセット・トラッキング、環境センシング、スマート・メータリングなどがあり、大規模な産業利用に最適です。

ただし、0Gの特徴である低電力の恩恵を最大限受けるには、アプリケーションに合わせたデバイスのスリープ時間や周辺部品などの最適化が必要です。さらに、アプリケーションを考慮してデバイス/通信/クラウドの機能配置を最適化することで、デバイスの消費電力のみならず、TCO(総保有コスト)を削減することができます。総合的な技術とノウハウが必要となるため難易度は低くありませんが、0Gデバイスのカスタマイズ・新規開発を必要とするニーズは高まっています。

SORACOM エンジニアリングサービスでは0Gセンシングの産業活用を支援しています。


SORACOMの提供するIoT向け通信サービス

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。

低容量・低電力の制約を受ける環境では、複雑なクラウドの認証処理などをデバイス・クラウド間で直接実行するのが難しい場合があります。SORACOMプラットフォームを利用すれば、こういった処理をデバイスからプラットフォームにオフロードすることが可能です。SORACOMプラットフォームへの処理のオフロードを前提としてデバイスを設計すれば、デバイスの仕様が簡素になり、消費電力やコストの削減につながります。

また、IoTにおいては、セルラー通信、SigfoxやLTE-Mなど異なる通信技術の特徴を把握し、それらを適材適所で採用することで、最適なシステムの構築が可能となります。これを可能にするのが、異なる通信技術の差異を吸収する、SORACOMプラットフォームです。

セルラー(一部) セルラー系LPWA 非セルラー系LPWA
サブスクリプション plan-D plan01s Lowdatavolume plan-KM1 Sigfox LoRaWAN
スループット 最大8Mbps 最大8Mbps 最大1Mbps 最大0.1Kbps 最大5.5Kbps
利用可能エリア 日本 日本含むグローバル 日本 日本 日本
カバレッジ NTTdocomo
ネットワーク
海外キャリア
ネットワーク
KDDI LTE-M
ネットワーク
Sigfoxネットワーク お客様設置の所有ゲートウェイのカバーエリア
消費電力 (eDRX/PSM利用時)
データサイズ 無制限 無制限 無制限 12byte/回 11-242byte/回
通信可能回数/日 無制限 無制限 無制限 上り140回/下り4回 無制限(ARIB規程範囲内)
コスト 初期費用 852円/回線 5USD/回線 1,500円/回線 Sigfox対応デバイス購入費 69,800円/台*
対応デバイス購入費
基本料金 10 円/日(データ通信のみ)
15 円/日(SMS機能付き)
0.40 USD/月 100円/月 1,440円/年
(初年分はデバイス価格に含む)
39,800円/台・月*
 データ通信料 0.2円~/MB 0.5USD/MB 0.5円/KB
ユースケース 車両の遠隔監視
子供高齢者の見守り
機器の遠隔監視・
異常検知・遠隔メンテナンス
監視カメラや機器の死活監視
センサーのon/off通知
インフラ管理(建物・道路・橋の異常検知)
市政管理(マンホール・ゴミ箱の遠隔監視)
スマートメーター
スマート畜産・農業

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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2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、利用可能なエリアが広域で設置場所の制約を受けにくいといったメリットがあり、さらに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-M)
  • LTE Cat.NB1 (NB-IoT)

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。

  • 運用周波数帯域の狭帯化 (20MHzから1.4MHzへ)
  • 最大スループットは0.8/1Mbps に
  • 繰り返し送信によりカバレッジを拡張(Cat.1よりも+15dB確保)
  • eDRX、PSMによる省電力機能をサポート

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。

ご利用にあたっては、LTE Cat.M1 (LTE-M)対応の通信モジュールをご用意いただき、特定地域向け IoT SIM plan-KM1 もしくは特定地域向け IoT SIM  plan-D をご利用いただきます。詳しいご利用方法に関してはお問い合わせください。

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。

  • 半二重モードのみ
  • 運用周波数が180kHzに
  • スループットが26/62kbps に
  • リンクバジェットが +20dB に
  • eDRX、PSMによる省電力機能をサポート

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。

  • インバウンドモード:従来のLTE帯域の中で利用
  • ガードバンドモード:ガードバンドと呼ばれるLTEのすきま周波数帯を利用
  • スタンドアロンモード:GSMで利用していた周波数帯等を利用

アンライセンス系 LPWA

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。

ご利用にあたっては、お客様自身で Sigfox 基地局を準備、運用する必要がありません。ご利用可能エリアに関してはサービス提供エリアをご確認ください。Sigfox対応のデバイスは低価格で1台から当社サイトからご購入いただけます。

Sigfoxご利用事例:日本瓦斯株式会社

ニチガスでは需要家宅のガスメーターにとりつけられたスペース蛍から24時間分のガス利用量データやそれに付随するデータをSigfoxで1日に1回取得し、クラウド基盤に集約しています。2021年3月までに約85万件の設置予定で、2020年6月10日現在で既に15万3千件に設置されました。現地に担当者が行くことなく遠隔かつ自動で行う機能も開発されており、自動検針のみならず、保安の高度化・遠隔でのメーター自動開閉・配送の効率化にも取り組んでいます。

SORACOM Air for Sigfox の概要はこちら »

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。

ご利用にあたっては、LoRaWANゲートウェイ及び対応デバイスの購入や設置が必要になります。ご利用方法はこちらからご覧ください。

SORACOM Air for LoRaWAN の概要はこちら »


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
  • データ通信量
  • 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

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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