[gacco講座]「無線通信・IoT通信・センサネットワーク」を受講

「gacco」というオンライン学習サービスがあります。

ここで提供されている講座の中に、スマートエスイー提供講座「無線通信・IoT通信・センサネットワーク」というものがありましたので、今回これを受講しました。
全般的にとても興味深い内容で、中にはこれまであまりきちんと理解できていなかった事項もありましたので、ここでは本講座のサマリをまとめておきます。

目次

  1. IoTエリアネットワーク無線
    1. IoTエリアネットワーク構成
    2. 主な通信方式
    3. デジタル化のメリット
    4. 電波の特性
    5. 干渉対策
    6. エリア構築技術
    7. プロトコル
  2. 無線センサネットワーク
    1. センサネットワークとは
    2. システム導入までの流れ
    3. 導入時検討事項
  3. 広域通信網（WAN）
    1. はじめに（IoTビジネスの課題）
    2. WAN通信選定のポイント
    3. WAN通信モジュールの概要
    4. 携帯通信会社における回線契約とSIM
    5. 通信シーケンス、通信量
  4. IoT機器設計
    1. IoT機器の設計ポイント
    2. 現場で起こっているIoTの技術的課題
  5. LPWAネットワークの種類と技術規格
    1. LPWAとは
    2. LPWAの種類

IoTエリアネットワーク無線

IoTエリアネットワーク構成

IoTシステムの物理構成としては、主に以下の2とおりがあります。

  • IoTデバイス〜WAN（3G, LTE, WiMAX, 固定系ネットワーク等）〜IoTサーバ・クラウド
  • IoTデバイス〜IoTエリアネットワーク（Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth等）〜IoTゲートウェイ〜WAN〜IoTサーバ・クラウド

このうち「IoTエリアネットワーク」の構築手段としては、LANやPLC等の「有線」とWi-FiやZigBee等の「無線」が考えられます。

主な通信方式

「IoTエリアネットワーク」で使われる通信方式には以下のようなものがあります。

無線 汎用型 Wi-Fi
Bluetooth WPAN（パーソナルエリアネットワーク）
ZigBee, Wi-SUN Wi-SUNはZigBeeの拡張。電力系スマートメーター
920MHz特定省電力無線
RFIC/NFC 無線というより電磁誘導。Suica, PASMO, 物流など
IrDA 赤外線通信。スマートホーム
特化型 Z-Wave 特化型は特定の企業がリードして世界的に広く使われるようになったもの。
enOcean
DUST
ANT/ANT+
有線 汎用型 LAN
PLC パワーラインコミュニケーション（電力線通信）。スマートメーター

デジタル化のメリット

電気通信では信号を変調して伝送しますが、アナログ変調では「振幅変調（AM：Amplitude Modulation）」「周波数変調（FM：Frequency Modulation）」「位相変調（PM：Phase Modukation）」という変調方式が用いられているのに対し、デジタル変調では「振幅変調（ASK：Amplitude Shift Keying）」「周波数変調（FSK：Frequency Shift Keying）」「位相変調（PSK：Phase Shift Keying）」などが用いられます。

通信をデジタル化することにより、以下のようなメリットがあります。

  • 通信品質の向上：O, 1の区別ができれば誤りなく送信情報を復元可能。雑音の影響が小さい。
  • 各種通信サービスの統合：情報をすべて同一のデジタル信号として扱うため、各種サービスの統合が可能。
  • 通信処理などの容易性：直接コンピュータに入力でき、情報の蓄積・変換等の処理の容易化が可能。
  • 通信ネットワークの経済化：各機能がLSI化に適した論理回路やメモリで構成されるため、機器の経済化が可能。
  • IP化：汎用機器・ソフトウェアの利用が可能。
    • 第4層：Application層：通信を用いて具体的な機能を実現する。HTTP, FTP, SMTPなど。
    • 第3層：Transport層：通信相手とエンドエンドで通信管理を行う。TCP, UDPなど。
    • 第2層：Internet層：通信経路を選択するして離れた機器にデータを届ける。IP。
    • 第1層：Link層：物理的につながった隣の機器にデータを届ける。LAN, Wi-Fiなど。

電波の特性

放送や通信で主に用いられるのはVHF帯〜UHF帯（周波数で10MHz〜10GHz）です。
電波には以下のような特性があります。

  • 自由空間伝搬損失（理想的な空間のモデル）：距離の2乗で減衰する。また周波数が高いほど減衰が大きい。
  • 2波モデル、平面大地モデル（より現実に近い伝搬特性のモデル）：近距離（ブレーク点まで）では距離の2乗で減衰するが、ブレーク点より先では距離の4乗で減衰する。アンテナが高いほどブレーク点が遠くなる。
  • 遮蔽損失：遮蔽物の材質や対象となる周波数によって損失の特性が変わる。ただ一貫した特徴はつかみにくく経験値や実験結果に基づくしかない（数式化はできない）。人体も遮蔽物になるので、混雑している場所では減衰が大きくなる。
  • 高周波の方が直進性が強く回り込みにくい（MHz帯では遮蔽物があっても回り込むが、GHz帯では回り込みにくい）。
  • 反射波によって受信が困難になる。対策としては複数アンテナの使用（ダイバシティ）やMIMOが効果的。
    • MIMO（Multiple Input Multiple Output）：送信側、受信側ともに複数のアンテナを利用する。反射波対策だけでなく伝送容量増の効果もあり、Wi-Fiや5Gで活用されている。
  • 比帯域（電波の周波数と伝送帯域（帯域幅）の比）：周波数が高いほど高速に伝送ができる。ただし比帯域が大きいとハードウェアの実現が難しくなる。
  • アンテナサイズは波長に比例するので、周波数が高いほどアンテナを小型化できる。

干渉対策

複数端末で共通の電波を利用する技術として多元接続技術（Multiple Access）があります。
送信権割当なし、競合回避ありの方式としてCSMA（Wi-Fi, LAN）、送信権割当あり、チャネル割当型の方式としてFDMA（周波数分割、アナログ携帯）、TDMA（時分割、第二世代携帯）、CDMA（符号分割、第三世代携帯）などがあります。

エリア構築技術

「IoTエリアネットワーク」の構築は以下の手順で実施します。

  • エリア決定：将来的なエリア拡張も考慮して決定する。
  • 無線システム決定：目的、データ量、取得頻度、電源条件、コストを考慮して決定する。
  • IoT端末配置決定：センサ取り付け場所、電源条件、設置可否、ケーブル長、移動範囲（端末が移動する場合）を考慮して決定する。
  • AP（Access Point）配置決定：無線システムの仕様、経験値などから仮決定し、端末数、電源条件、設置可否を考慮して見直す。
  • 回線設計：無線品質を確認する（受信レベルを計算し、マージンが十分取れればOK）。実際にはWi-Fiなどではあまり考えずに設置することも多い。
  • 実測：無線回線は様々な要因により受信レベルが変動するので、実測結果に応じて回線設計を見直す（深刻なものでなければAPを増やすことなどで対応）。

プロトコル

IoTサービスの利用形態に応じて、プロトコルの使い分けが必要になります。
プロトコルには以下のようなものがあります。

  • HTTP：HTMLで書かれた情報をサーバ-クライアント間で授受するプロトコル（ポート80番）。ヘッダ情報の割合が多い。
  • REST：URLなどで指定されるリソースに対してHTTPのGET, POSTメソッドなどでリクエストを送信し、XML, JSONなどでレスポンスを受信する形式。厳密な定義はない。
  • CoAP：HTTPと互換性がある。HTTPのヘッダ（140B）をバイナリ（4B）に圧縮。通信シーケンスも簡易化しHTTPに対して通信量を60%削減可能。制約環境下での利用に適している。
  • MQTT：Pub/Subモデルを採用。メッセージ発行者（Publisher）と購読者（Subscriber）の1対多通信。間に仲介者（Broker）が入る。小さなデータを大量に送る場合や不安定なネットワークなどに適している。
  • WebSocket：HTTPでサーバ-クライアント間の双方向リアルタイム通信を行う。

無線センサネットワーク

センサネットワークとは

「センサネットワーク」とは「ネットワーク化された複数のセンサより得たデータを統合・分析（データマイニング）して新たな価値を得るもの」です。
センサネットワークの要素技術には「センサ（同一もしくは異なる種別のセンサを面的に展開）」「ネットワーク（ツリー型、メッシュ型などのトポロジーで他の通信インフラに依存せず広域をカバー）」「データの統合・分析（統計処理や機械学習を利用してデータを情報に変えて価値を創出）」があります。

センサネットワークには「端末が基地局やAPと通信するもの（インフラストラクチャモード）」と「端末同士が通信するもの（メッシュネットワーク）」があります。
「メッシュネットワーク」とは、端末自身がルーティング機能を持ち、基地局やAPを経由せず端末同士が直接通信を行うものです。複数の端末を経由（マルチホップ通信）して目的の端末にデータを渡すことができます（アドホックネットワーク）。
メッシュネットワークには「ルーティング型（経路を決めてデータを受け渡す）」と「フラッド型（周囲の全デバイスにデータを渡す）」という方式があります。

システム導入までの流れ

センサネットワークのシステムを導入するまでの流れは以下のようになります。

  • 目的設定：センサネットワークの目的、得たい新たな創造価値を明確化する。漠然と集めたデータはほとんど役に立たない。
  • 取得データの決定：取得項目（直接的な物理量の計測でOKか？ 処理が必要か？）、精度要求、時間的要求（計測間隔など）、空間的要求（センサ密度など）を考慮して目的達成に必要となるデータを明確化する。
  • 収集手段の決定：エリアと配置、データ量、利用端末、その他（遅延時間など）を考慮してデータ収集手段を明確化する。
  • 分析手段の明確化：統計処理（平均、分散、近似曲線）、機械学習（既知のデータでの学習が必要。時系列変化や故障発生などに適用可能）、AI（既知のデータでの学習が必要。画像認識や音声認識）など、収集データをどのように分析するかを明確化する。
  • 判定：得たい新たな価値（目的で設定したもの）を満たしているか？ 得られる効果は当初の仮定を上回るか？ 費用回収の問題はないか？ 副産物はないか？を判定し、達成しない場合は見直す。

導入時検討事項

センサネットワークのシステムを導入する際に検討すべき事項は以下のとおりです。

  • エリアと配置による考え方
    • 屋内か屋外か：屋外では5GHz帯のWi-Fiを利用できない。
    • エリアの広さ：Wi-Fiは狭くLPWAは広い。複数のAPが必要か？ マルチホップ（デバイス間通信）が必要か？ 通信距離は「WAN（セルラー）」＞「LPWA（920MHz無線）」＞「Wi-Fi」＞「Bluetooth」の順。
    • 端末の配置密度：Wi-Fiの場合は端末が密だと速度が出ない。
  • データ量による考え方
    • 総データ発生量≒量子化ビット数×取得頻度×端末数
    • 複数端末がGPS時刻情報に同期してデータ取得する場合や、イベントトリガでデータ取得する場合はデータ衝突（輻輳）が発生する。
  • 電源条件による考え方
    • 商用電源は使えるか？（場合によってはUPSなど停電対応も必要）、電池駆動が必要か？、エナジーハーベストが使えるか？
    • スリープ時間が肝心になる。
  • 利用端末による考え方
    • スマホもIoT端末として利用できる（センサ：温度, 方位, 加速度, GPSなど、通信：Bluetooth, Wi-Fi, NFC, 3G/LTE）。
    • PCはBluetooth, Wi-Fiが利用できる。
    • その他の端末は個別に検討が必要。
  • 無線システム固有の制約
    • 端末数の制約：Bluetooth：8台、Wi-Fi：256台、ZigBee：65536台
    • ch数：Wi-Fiは4チャネル。同時に端末4台しかデータ送信できないので混んでいると干渉し合って遅くなる。
    • 周波数（5GHzのWi-Fiは屋外NG）、送信電力（免許が必要）、アンテナ（低周波数だとアンテナサイズが大）などの制約もある。
  • システム構成による検討
    • 端末が分散して固定配置され、それらのデータを収集するケースや、データ収集点が固定配置され、端末が移動して収集点を通過したときにデータを収集するケース（駅の改札、車がゲートを通過する時など）などがある。
    • 端末が移動するケースではRFIDが適している。RFIDにはパッシブ（収集点からビーコンを飛ばす）とアクティブ（カードをかざす、ボタンを押す）の選択肢がある。
  • マルチホップの制約
    • データ量はホップ毎に加算される（下位の端末のデータが次々渡され、上位の端末のデータがそれに追加される）。
    • 最上位の端末の制約を超えるデータ量は伝送できない。
  • その他の考慮事項
    • 費用については規模（端末数）に比例する部分と規模に依存しない部分がある。
    • 免許が必要な場合がある。
    • 端末にセカンドソースがあること。
    • 運用期間の長さ（インフラは数十年）と技術サイクルの関係（通信システムなどは数年で規格が変わる）。LSIの長期供給。
    • メンテナンスが必要。セキュリティが脆弱になりやすい。
    • データ通信の信頼度。電波雑音の問題。
    • 端末で制御も行う場合は上りだけでなく下りのデータ量、双方向性などの考慮が必要。
    • 秘匿性が重要な場合は暗号化が必要。
    • ハードウェアの選定（通信負荷、環境負荷）、端末の使い捨て（RFIDなど）。
    • 代替手段の検討が必要（技術の進歩により異なる手段で解決できるようになる場合がある）。

広域通信網（WAN）

はじめに（IoTビジネスの課題）

IoTビジネスには「技術的な課題（開発コストや手法）」「ビジネス的な課題（コストと収益）」「業務的な課題（業務内容が幅広い）」があり、IoTビジネス特有の難しさがあります。

IoTは「製造業」と「ITサービス業」の融合です。もともと両方を生業としている企業はほとんどなく、自社でやっていない方の分野や両者のつなぎ部分に課題が生じます。
「製造側」では通信の要素が増えるため従来の機器よりも開発コストが増えてしまいます。また「ITサービス側」ではシステム開発コストや通信コスト、顧客対応などの間接コストが増えます。つまり「製造側」「ITサービス側」の両方で従来のビジネスよりコストが増えてしまいます。
また、顧客数が少ないうちはエクセルなど人手で管理できますが、顧客数が1000件ぐらいに増えてくるとISP（インターネットサービスプロバイダ）的な業務も増え、そのためのシステム開発が必要になります。つまりビジネスを開始してから数年間は利益が出ない状況になります。
また、端末のトレーサビリティも重要になります。

先行してIoTビジネスを開始した企業であれば、顧客基盤がしっかりしてくると6年目以降ぐらいから利益が出てくるようです。

WAN通信選定のポイント

WANの回線種別は以下のとおりです。

固定網 携帯電話網
インターネット 閉域回線 インターネット IoT向け回線
接続機器 ブロードバンドルータ ルータ スマホ 無線ルータ, USBドングルなど
料金負担 ユーザ サービス事業者 ユーザ サービス事業者
用途 HEMS, ホームセキュリティ ATM, POS カーナビ 車載全般, 自販機, 各種メータ

WAN通信にインターネットを使えば通信コストをユーザ負担にできますが、ITリテラシーが低いユーザの場合は設定がうまくいかない場合があります。またユーザ毎に通信環境がまちまちなため、専門家による対応も難しい場合があります。機器の置き換えや引越しで環境が変わった場合に接続できなくなる懸念もあります。
通信手段をサービス事業者が提供する場合、事業者のコストは増えますが接続の確実性は増します。ただし長期的に見ると、通信方式が変わってしまうことで機器を交換しなければならなくなる可能性があります。

WAN通信モジュールの概要

WAN向け通信デバイスには「USBドングル」「通信モジュール」「無線ルータ・モデム（通信モジュール内蔵のルータ）」などがあります。
劣悪な環境、長期供給の必要性がある場合は「通信モジュール」を、PCと同等の使用条件で良い場合は「USBドングル」を選択します。

通信モジュールの物理インターフェースには「PCIExpressMini」「ボードtoボードコネクタ（独自規格）」「LGA（Lnad Grid Array）」があります。
通信モジュールの論理インターフェースには「UART」「USB」があります。「USB」は「UART」より高速ですがドライバが必要になります。
通信モジュールのコマンド体系は「ATコマンド」です。

携帯通信会社における回線契約とSIM

通信モジュールには「メーカーブランドモジュール（メーカーが開発し通信会社のテストをパスしたもの）」と「キャリアブランドモジュール（キャリアが販売しているもの。SIMロックがかかっている）」があります。
スマホ購入時などとは違い、通信モジュールの購入と携帯回線の利用契約は独立しています。通信モジュールを搭載した端末の製造時期とその利用開始時期が大きくズレる場合があるので、課金のタイミング検討が重要になります。

通信会社には「MNO（基地局を自分で整備）」と「MVNO（MNOから設備を借りる）」があります。またIoTでは大口割引・長期割引があります。よって「BtoBtoB」や「BtoBtoC」の取引形態があります。
IoTでは低額、定額のニーズが多いため、IoTに力を入れている通信会社には「基本料（無料パケット分が内包）＋従量課金」というプランがあります。IoTシステム開発時には、通信量を基本料の範囲内に納めるように設計することが肝心になります。

通信シーケンス、通信量

「LPWA」には低速で広域通信が可能という特徴があります。低速であることで通信の複雑さが軽減されるため、従来のWANより廉価、低電力になります。また広域通信が可能なため従来の短距離通信（Wi-Fi, Bluetooth）に比べ無線インフラの展開が容易です。

LPWAには「ライセンスバンド（LTE）」と「アンライセンスバンド（920MHz帯など）」を利用する技術があります。アンライセンスドLPWAには「LoRaWAN」「Sigfox」などがあります。
アンライセンスドLPWAでは、ゲートウェイよりLAN側では920MHz帯の無線通信を行い、WAN側でLTEや3Gを利用するのが一般的です。
なお、現状はLoRaWANやSigFoxにはリピーター機能がありません。ゲートウェイはWANにつながる場所に設置する必要があるため、これが原因となりエリアを広げられないケースが多いようです。リピーター機能が追加されれば利用可能な局面が増えるかもしれません。

前述のとおり、通信プロトコルは以下のようになっています。

  • 第4層：Application層：FTP, HTTP, DNS, MQTT, CoAP, WebSocketなど。IoT向けではデータ量を小さくするための工夫がなされている。
  • 第2, 3層：Internet層, Transport層：TCP/IP（再送、分割をサポートした標準的なプロトコル）。UDP/IP（再送、分割をサポートしない簡易的なプロトコル）。
  • 第1層：Link層：データ通信、接続、切断、認証など。

通信プロトコルを比較すると以下のようになります。

【パケット量重視】UDP/IP（独自ソケット）〜TCP/IP（独自ソケット）〜TCP/IP（MQTT, CoAP, WebSocket）〜TCP/IP（HTTP）【開発環境重視】

アプリケーション層を比較すると以下のようになります。

MQTT WebSocket HTTP
手順 Publisher/Subscriber Publisher/Subscriber Request/Response
仕様 シンプル やや複雑 複雑
サイズ 小 小 大
配信 1対1, 1対N 1対1 1対1

通信料の把握のためには正確なパケット量算出と検証が重要となります。なおパケットにはプロトコルのオーバーヘッド分が含まれます。HTTPはオーバーヘッドが大きいので注意が必要です。
またサーバ側の回線帯域は、IoT機器からの通信が同時にならないように工夫することで必要帯域（≒回線費用）を最小限に抑えることができます。

IoT機器設計

IoT機器の設計ポイント

IoT機器の設計ポイントとして以下のような点が挙げられます。

  • プロトタイプは早く安くつくることが重要だが、商用では品質面が重要になる。市場投入してから不具合が発覚すると最悪なことになる。
  • IoTにはいろいろな使われ方がある（電力メーターのように固定 or 車のように動く、屋外 or 屋内）ので、それによって設計方針を変えなければいけない。
  • エッジノードの全コンポーネンツについて低消費電力化が必要。スリープ時の対応も重要。ソフトウェアについても消費電力を適切にコントロールするよう考慮する必要がある。
  • 電源ソースに応じた電源デザインが必要。各センサやRFコンポーネンツのレスポンスタイムがバラバラなので、電源モードの状態遷移が複雑になる。
  • 端末サイズについて、アンテナの内部実装にはノウハウが必要となる（高利得やノイズ対策）。
  • 使用電源について、充電池や充電回路にノウハウを持つ業者を選定する必要がある。電源アダプタはPSE認証がとれたものを使用する。
  • センサは計測ターゲットにあったものを選択する。センサ技術の選択肢は多く性能と価格はトレードオフの関係にある。センサ性能を決めるパラメータは複雑で、なおかつデータ化されてしまうとセンサ性能への関心がなくなってしまうので、結果的にセンサ性能に問題があった場合のやり直しコストが大きくなってしまう。
    • 例えば振動センサの場合、モーターでは異常の予兆は高周波から生じて次第に低周波の方にも移動してきて、実際に壊れる時には音になって発覚する。それに対して、インフラや橋などの揺れを測る場合は低周波（1Hzなど）を測定する必要があり、同じ振動センサでもモーターとは測定レンジが全く異なる。デジタル系の安いセンサでは常に低周波のノイズが出るので、それをインフラ系の測定に使ってしまうと誤検知の要因になる。
  • 利用するローカル無線の帯域について、ギガヘルツ帯は回り込みしにくい。加えて2.4GHz帯は混んでいるので混線しやすい。対してメガヘルツ帯（920MHz）は回り込みしやすい。
  • 通信コストの改善と安定したデータ収集のため、複数の通信方式を組み合わせることも有効。
    • 例えばトンネル内に920MHz帯アドホックネットワークを構築、端末（スマホ）からBluetoothでアドホックネットワークにデータを送信し、その先はアドホックでLTEの届く場所までデータを伝搬、最後はLTEで送信するというような事例がある。
  • 通信モジュールとアンテナはセットで技適を取得しているのでモジュールのみ交換するのはNG。

現場で起こっているIoTの技術的課題

最近のIoT市場動向は以下のようになっています。

未導入 IoT化低い 普及中 IoT化高い
データ活用段階 自動車（高級車） 建機
商用段階 自動車（普通車） 家電、エンターテイメント、
交通、複写機、工作機械、
自販機、高齢者見守り、
太陽光BEMS、検針（ガス）		 流通、ホームセキュリティ、
商用車、検針（電力）		 エレベーター
実験段階 検針（水道）、カメラ、
介護、工場、農林水産業、
HEMS、デジタルサイネージ		 防災、医療、ヘルスケア

この表より分かることは、現状でIoTの導入が進んでいるのは「IoT事業者（製造業、ITサービス業）自身に近いジャンル」であるということです。
今後はより遠いジャンルにIoTが浸透していく必要がありますが、そこで技術的な難易度が向上します。

例えば「工場のIoT化」では、以下のような状況になっています。

  • みんなIoTに興味はあり、まずは「設備稼働の見える化」からスタートする（点での管理）。次に「生産ラインを見える化」して効率の悪いところを発見しようとする（線での管理）が、ここで問題が生じる。
  • 材料が機械（≒工程）に入る時間と出る時間を記録し、横軸：機械（工程）、縦軸：時間でグラフ化すると、これだけで工程管理ができる。傾きが急なところがボトルネックを示しており、非常に簡単に可視化できる。ただし、このうちIoTで実現できるのはIoT端末をつけた機械での測定とグラフ化（可視化）の部分だけ。他のデータ取得は全て人手で行う必要があり、IoT導入以前に、そもそもそこができていない。
  • データ整備の問題（手書きデータを電子化する）、工場設備の問題（PLCからデータを取り出せない、PLCやCNCの独自言語を扱えるエンジニアがいない）、人の問題（工場全体を見る人がいない、センサやカメラでデータ分析できる技術者がいない）があり、さらに工場毎にオーダーメイドでシステム開発することになるので、投資が大きくなりすぎIoT導入が進まない。
  • 「生産ラインの見える化（線での管理）」の先は「工場全体の管理（面での管理）」「AIによる自動化」となるが、そのステップまで進めない。

また「農業のIoT化」では、以下のような課題があります。

  • 土壌の評価指標には「物理性」「化学性」「生物性」があり、評価には農業の専門家の知見が必要。
  • 「物理性」や「化学性」については過去から研究されてきたが、「生物性」に関しては現状では測定技術がない。相関分析（AI）による間接測定の実現が重要となり、AIの専門家の知見が必要。
  • さらに、そのデータをどうやって測定するかを検討するためにはセンサの専門家の知見も必要になる。このようにさまざまな分野の専門家が共同で研究を進める必要がある。

このように、IoTが非機械をターゲットにするようになると、「測りたいもの」「それをセンシングする方法」「それを価値化する方法」を結びつけるのが難しくなります。
さらに「AI」についても、これまでは既に多数のデータが集まっており、それを分析してビジネス化すればよい領域でしたが、今後はデータを集めて分析しないと、そもそもビジネスが始まらないような領域が増えてきます。

LPWAネットワークの種類と技術規格

LPWAとは

絶対に取得しなければいけないデータについては、既にM2Mの時代から取り尽くされています。近年、コストはかけられないがデータをとる手間を軽くしたいという用途でIoTが注目されています。
よって、IoTの課題は「低コスト」と「低電力」です。「低コスト」は端末価格と通信費用、低電力は端末（ゲートウェイより下位）の電力が対象となります。
この課題の解決策として「LPWA（Low Power Wide Area）」が選択肢となります。LPWAとは「一般的な電池で数年にわたり運用可能で、数km以上の通信が可能な通信方式」を指します。

LPWAの一般的な低コスト化手法は以下のとおりです。

  • 半二重：上りと下りは同時に通信できない。発信機を送受信で共通化できる。
  • 単一アンテナ：高速通信が不要、かつ送信のみに主眼をおくのでアンテナがシンプルになる。
  • 挟帯域・低速度：フィルターなどの回路がシンプルになる。
  • アンライセンスバンド：ISMバンドを使うので免許がいらない（Cat-M1とNB-IoTはLTEを使うので免許要）。ほとんどのLPWAは「特定省電力無線局」のカテゴリーに属する。なお、免許はいらないが技適は必要。

ネットワークトポロジーには「Point to Point型」「スター型」「ツリー型」「メッシュ型」がありますが、LPWAでは低電力化のため「スター型」が多くなっています。

なお、近年はセルラーのビット単価が下がったため、セルラー圏内ではセルラー利用が優先されるようになり、LPWAのニーズは減少しつつあります。また、3Gでは常時接続する端末が多くなると輻輳を起こしていたため、その対策としてLPWAのニーズがありましたが、現在（5G）はその要件もなくなりつつあります。
ただし、山間部で通信できないというのは将来にわたるセルラーの宿命であり、この領域では今後もLPWAのニーズが残ります。また、セルラーは技術更新が早いため、長期間にわたって運用したい用途には自営のLPWAネットワークを活用するという選択肢もあります。

LPWAは各規格のターゲットが狭いので、適切なものを採用する必要があります。

LPWAの種類

LPWAには以下のようなものがあります。

  • LoRa/LoRaWAN
    • 最も広く使われている。
    • LoRaはSemtech社が商標登録および特許を保持していて、変調チップを独占供給している。LoRaWANはLoRa Allianceが標準化。
    • 技術仕様が公開されており、サーバ側は任意に構築できる（サーバレスも可能）ため、LPWAの中で最も使われている。
  • SigFox
    • SIGFOX社が展開、日本ではKCCS社が運営。通信事業者がKCCS社のみでユーザが自由に構築できないため、セルラーと同様に電波が届くかどうかの懸念がつきまとう。KCCS社が撤退するリスクも考慮しなければならない。
    • 50kmまで通信できると言われているが、実感としては日本では3km程度。
    • 同じ内容を時間と周波数を若干変えた3つのパケットで送信し、ひとつでもゲートウェイに届いたら通信できたとみなす仕組み。
  • Wi-SUN
    • 日本発の規格であり、日本以外ではあまり使われていない。
    • ZigBeeと仕組みはよく似ているが、利用周波数帯が異なる（ZigBee：2.4GHz, Wi-SUN；920MHz）ため互換性はない。
    • IPアドレスを振ることができる。
    • FANという規格でマルチホップができる。またFOTA（Firmware Over The Air）ができる。FANはマルチホップで電力を消費するので、電源線につながっていることが前提になっている。
    • スマートメーターから宅内への通信（ECHONET）でWi-SUNが採用されている。
  • EnOcean Long Range
    • EnOcean自体は100mしか飛ばないのでLPWAではない。Long Rangeは数km飛ぶので人によってはLPWAと呼ぶ。
    • EnOceanはエナジーハーベスティングが特徴（ボタンを押す電力で送信する）。Long Rangeはソーラー発電を併用して電力を上げている。
  • Cat-M1/NB-IoT
    • ライセンスバンドなので通信事業者しか提供できず、通信事業者が推進している。
    • LTEベースのものがCat-M1（LTEの発展版）で、GSM（第2世代）ベースのものがNB-IoT（GSMの置き換えを念頭に考案された規格）。ヨーロッパではGSMが広く普及しているので、その活用策としてNB-IoTが注目されているが、日本ではGSMは使われておらず、日本に限定するとNB-IoTを使うメリットはない。
    • LTEにはカテゴリーがあり1, 2, 3, 4と数字が大きくなるほどスピードが上がるが、逆にゼロ、M1とスピードを下げたカテゴリーもある。これがCat-M1。
    • 帯域を1.4MHz（LTEで一番小さい運用帯域）まで落とすことで低電力化している。
    • Cat-M1は移動速度が遅ければハンドオーバー（通信をしながら基地局が変わっていくこと）ができる。他のほとんどのLPWAはハンドオーバーができない。

各LPWAのユースケースは以下のとおりです。

  • LoRa：自由な運用ができる（既存事業者のサービス利用、自前でのネットワーク構築、サーバレスのいずれも可能）ため最も使われている。市町村レベルの限られたエリアをカバーするサービスに向いている。
  • SigFox：電波がよく飛び、なおかつ低額でバランスが良い。ひとつの契約で世界中で利用できる点もメリット。
  • Wi-SUN：日本にフィットした規格で、障害物が多い都市部での利用に適している。消費電力は大きい。サーバーレスの運用も可能。
By msr | 2024年2月22日 | IoT |