LoRaテクノロジーとは何か、そしてどのように機能するのか – 詳細ガイド

テクノロジーのトレンドを追いかけている方、あるいはモノのインターネット（IoT）に関心をお持ちの方なら、「LoRa」や「LoRaWAN」という流行語を耳にしたことがあるかもしれません。スマートシティ、農業、産業監視、その他IoT関連分野への影響について、ブログ記事で広く議論されています。LoRaが無線通信や長距離ネットワークと関係があることは、既にご存知かもしれません。このブログでは、LoRaとは何か、どのように機能するのか、主なメリット、用途、そして使い始めるためのヒントについて、概要を説明します。

LoRaテクノロジーとは

LoRa（Long Rangeの略）は、デバイス間の長距離・低消費電力通信を可能にする無線周波数技術です。その名の通り、長距離とは、Wi-FiやBluetoothといった従来の技術よりもはるかに遠くまで届く無線接続を実現することを意味します。

「LoRa®は、長距離通信リンクを作成するために利用される物理層または無線変調です。LoRa®はチャープ拡散スペクトル変調に基づいています。LoRa®は、商用利用のための最初の低コスト実装です。」 LoRa®とLoRaWAN™の技術概要 LoRaアライアンスより

上記の定義に基づくと、LoRaは通信プロトコルではなく、デバイス間の効率的な通信を可能にするために無線電波にデータをエンコードする変調技術であることが明らかです。LoRaWANプロトコルスタックと組み合わせることで、IoTデバイス向けの本格的な長距離通信ネットワークを構築できます。

ほとんどのワイヤレス技術は次のトレードオフに従います。 航続距離が長いほどパワーが増すしかし、LoRaはこのパターンを打破します。従来のASKやFSK変調と比較して、LoRaはチャープ拡散スペクトル（CSS）変調を採用しており、通信範囲を大幅に拡大できるため、極めて低い消費電力で数キロメートルの伝送範囲を実現できます。

LoRaの物語

LoRa を正しい文脈で理解するには、LoRa 通信の歴史を簡単に振り返る必要があります。

今日のLoRaの基礎は、2009年にフランスのニコラ・ソルナン氏とオリヴィエ・セラー氏によって開発されました。二人は後にフランソワ・スフォルツァ氏と共にCycleo社を設立し、2010年にはガス、水道、電気のメーター業界をターゲットとしました。Cycleo社は2012年にSemtech社に買収されました。

LoRa 変調に基づいて構築された通信プロトコルである LoRaWAN (以前は LoRaMAC と呼ばれていました) を標準化および推進するために、非営利の同盟である LoRa Alliance® が結成されたのは 2015 年 XNUMX 月になってからでした。

2010 年代後半には、LoRa と LoRaWAN の導入が数多く行われ、特にヨーロッパでこの技術が広く普及し、初期の成功事例もいくつか注目されるようになりました。

2020 年代初頭までに、LPWAN (低電力広域ネットワーク) の分野は世界中で大きな関心を集め、NB-IoT や Sigfox など複数の競合技術が市場の覇権を争うまでに至りました。

による LoRaアライアンス2024年度末レポート世界中で350億6.9万以上のエンドノードと8.0万以上のゲートウェイがLoRa ICを搭載して導入されています。LoRa Allianceは現在、世界最大級のIoTアライアンスの一つです。LoRaおよびLoRaWANデバイスの普及も進み始めています。LoRaおよびLoRaWAN IoT市場は、2024年のXNUMX億ドルからXNUMX年にはXNUMX億ドルに成長すると予想されています。 32.7年までに2029億XNUMX万ドル.

LoRaはどのように機能するのか

LoRaWANネットワークアーキテクチャは、LoRaノード、LoRaゲートウェイ、ネットワークサーバー、アプリケーションサーバーで構成されます。LoRaWANアーキテクチャでは、ノードは通常スター型トポロジで接続され、ゲートウェイは透過的なブリッジを形成します。エンドノードへの通信は一般的に双方向であるため、ゲートウェイはエンドノードからデータを収集できるだけでなく、エンドノードにコマンドを送信することもできます。

LoRa ノード: エンドノードは、LoRaネットワークにおいて制御やセンシングを行う要素です。通常はバッテリー駆動で遠隔地に設置されます。エンドノードは、周辺にあるすべてのゲートウェイにデータを送信し、24時間7日ではなく定期的にデータを送信します。

LoRaゲートウェイ: ゲートウェイはLoRaエンドノードからデータを受信し、ネットワークサーバーに送信します。LoRaゲートウェイは通常、LoRa無線モジュール、マイクロプロセッサ、およびインターネット接続媒体で構成されます。

ゲートウェイは、LoRaノードから受信したデータをバックホールネットワーク（イーサネット、3G、4G、WiFiなど）を介してTCP/IP形式に変換し、ネットワークサーバーに送信します。LoRaゲートウェイは、マルチチャネル、マルチ変調トランシーバー、さらには同一チャネル上の信号の同時復調をサポートします。これらのトランシーバーはデータを保存せず、ネットワークサーバーへのパケット転送のみを行います。ゲートウェイは多数の端末デバイスを接続できます。1301チャネルを備えたSX8は、1.5日あたり約62,500万パケットを処理でき、XNUMX時間あたりXNUMXパケットを送信する約XNUMX台のデバイスをサポートします。

ネットワーク サーバー: ネットワークサーバーはネットワークを管理します。複数のゲートウェイが同じデータを受信することで発生する重複パケットをフィルタリングし、セキュリティチェックを実行し、ゲートウェイのトラフィックとルーティングを管理し、適応レートを制御し、メッセージをアプリケーションサーバーに転送します。

アプリケーション・サーバー： アプリケーション サーバーは、ネットワーク サーバーからのデータを処理し、センサー データを分析し、ステータス表示やリアルタイム アラートなどの機能をサポートし、オプションでエンド ノードに応答を返すことができます。

LoRaテクノロジーの利点と欠点

LoRaの特性を理解することは、その用途を見極める鍵となります。LoRaの長所と短所を詳しく見ていくことで、LoRaが最適な用途を検討するのに役立ちます。

LoRa の利点:

• 長距離の： 農村部では最大15～20km、都市部では最大2～5kmの範囲でデバイスを接続できます。都市規模のカバレッジを実現し、建物への良好な浸透性も実現します。
• 低消費電力と長寿命： 低消費電力設計で、最長10年のバッテリー寿命を実現。例えば、MOKOSmart LW009 LoRaWANパーキングセンサー 最長5年間稼働できます。
• 大容量： 単一の LoRa ゲートウェイは、数千のエンドノードからの数百万のメッセージを処理できます。
• 低価格： 初期インフラ投資が低く、ISM 周波数帯域が無料で、エンドノード センサーが安価です。
• オープンスタンダード: LoRaWANはLoRa Allianceによって維持管理されています。迅速な導入とデバイスの相互運用性を促進します。

LoRaの欠点:

• 伝送速度が低い: LoRa は帯域幅が比較的狭く、長距離の伝送にはデータレートの低下を伴います。そのため、高データ量のアプリケーションではなくセンサー ネットワークに適しています。
• 限定ペイロード: LoRaは小さなデータパケットのみをサポートしており、242回の送信あたりの最大データ容量は約XNUMXバイトです。そのため、大容量データ転送を必要とするユースケースには適していません。

LoRa技術の応用

LoRa無線技術は、様々なアプリケーションで広く利用されています。長距離通信と低消費電力という特長により、エンドノードを建物内や遠隔地など、様々な場所に設置し、重要な情報を含むパケットをゲートウェイに送信することができます。LoRaの一般的なアプリケーション例を以下に示します。

スマート都市 – スマートメーター、環境モニタリング、スマートパーキング、街路照明、廃棄物管理など。

サプライチェーンとロジスティクス – 資産追跡と監視、コールドチェーン監視、車両管理。

農業 – 土壌監視、灌漑制御、家畜追跡。

産業用IoT – 機器の監視、予知保全、自動化。

インフラ監視 – 鉄道の線路、橋、トンネルの物理的な変化を監視します。

ユーティリティ – スマートグリッド、ガス/水道メーター、漏水検知、分散型発電。

スマートホームとスマートビル – HVAC および照明制御、エネルギー管理、室内占有監視。

LoRa と LoRaWAN: 違いは何ですか?

LoRaは下位の物理層を記述しており、上位のネットワーク層は存在しませんでした。LoRaWANは、ネットワークの上位層を記述するために開発された数多くのプロトコルの1.0つです。LoRaWANはクラウドベースのメディアアクセス制御（MAC）層プロトコルですが、主にエンドノードデバイスとLPWANゲートウェイ間の通信を管理するネットワーク層プロトコルとして機能し、ステアリングプロトコルとしてLoRa Allianceによって維持されています。LoRaWAN仕様バージョン2015はXNUMX年XNUMX月にリリースされました。

ロラワン ネットワークのシステム アーキテクチャと通信プロトコルを定義し、LoRa 物理層は長距離通信リンクを可能にします。

要約すると：

LoRa = 物理層変調

LoRaWAN = 通信プロトコルとアーキテクチャ

これらを組み合わせることで、長距離接続と柔軟なネットワーク通信アーキテクチャの両方を含む完全なソリューションが提供されます。

LoRaと他の無線技術の比較

LoRaと、NB-IoT、Sigfox、LTE-Mといった他のIoT技術との間にはいくつかの違いがあります。重要な違いをいくつかご紹介します。

LoRa は、携帯電話ネットワークのようなライセンスが必要なスペクトルを使用する代わりに、ライセンスが不要な ISM バンドで動作します。

LoRa は、他のプロトコルが使用する変調方式と比較して、独自の CSS (チャープ拡散スペクトル) 変調技術を使用します。

LoRa のセキュリティ プロトコルは、NB-IoT などの他のプロトコルに比べて堅牢性が低くなっています。

LoRa は、WiFi や Bluetooth などの他の技術よりも強力な長距離通信機能を備えています。

LoRa は主に、環境監視やスマート農業などの長距離、低電力のアプリケーションに使用されますが、LTE-M などの他のプロトコルは、車両テレマティクスやモバイル IoT アプリケーションなどのアプリケーションに適しています。

LoRaテクノロジー – 知っておくべき概念

LoRaの世界に初めて足を踏み入れる際は、この技術を理解するのに少し戸惑うかもしれません。そこで、まず知っておくべき重要な概念をいくつかご紹介します。

• • LoRa（長距離）: これは長距離通信リンクの構築に利用される物理層、つまり無線変調層です。チャープ拡散スペクトラム変調に基づいています。
  • LoRaWAN (LoRa広域ネットワーク): LoRa 上に構築されたオープン プロトコルで、LoRa を使用するデバイスのシステム アーキテクチャと通信プロトコルを定義します。
  • LoRaWAN クラスA、B、C: LoRaWAN におけるさまざまなデバイス操作クラス:
    • クラスA： 最もエネルギー効率の高いクラスで、デバイスはアップリンク送信後にダウンリンク メッセージを短時間のみリッスンします。
    • クラスB： 時間同期ビーコンを介してスケジュールされたダウンリンク スロットを可能にし、電力効率と遅延のバランスを実現します。
    • クラスC： 送信時以外はダウンリンク メッセージを継続的にリッスンし、レイテンシは最も低くなりますが、消費電力は最も高くなります。
  • LPWAN (低電力ワイドエリアネットワーク): バッテリーで動作するセンサーなどの間で、低ビットレートで長距離通信を可能にするために設計された無線通信ネットワークの一種。
  • ADR（アダプティブデータレート）： ネットワーク内のデータ レート、通信時間、エネルギー消費を最適化する LoRaWAN の機能。
  • ISM（産業、科学、医療）： これらは、産業、科学、医療の目的で無線周波数エネルギーを使用するために国際的に予約されている無線帯域です。
  • TTN（ザ・シングス・ネットワーク）： LoRaWAN を使用するグローバルでオープンなクラウドソーシング IoT データ ネットワーク。
  • ABP（パーソナライゼーションによるアクティベーション）： セキュリティ キーがデバイスに直接ハードコードされる LoRaWAN デバイスのアクティベーション方法。
  • SF（拡散係数）: LoRa のパラメーターで、チャープ レートを決定し、データ レートと通信範囲に影響します。

  LoRaアライアンスとは何ですか?

  他の多くのシステムと同様に、LoRa無線システムを業界全体で開発し、普及させるために業界団体が設立されました。 LoRaアライアンス2015年XNUMX月に発足しました。アライアンスが述べているように、このアライアンスは、安全なキャリアグレードのIoT LPWAN接続のためのオープンなグローバルスタンダードを提供するために設立されました。

  LoRa は基本的に Semtech によって開発されましたが、標準を公開することで、幅広い企業に採用されるようになり、エコシステムが拡大し、関与が大幅に高まり、製品の種類が増え、全体的な使用と受け入れが増加しました。

  LoRa Alliance の創立メンバーには、Actility、Cisco、Eolane、IBM、Kerlink、IMST、MultiTech、Sagemcom、Semtech、Microchip Technology のほか、主要通信事業者である Bouygues Telecom、KPN、SingTel、Proximus、Swisscom、FastNet (Telkom South Africa の一部) が含まれます。

  LoRaテクノロジー入門

  基本的に、誰でも独自のLoRa通信システムを構築できます。LoRaは免許不要の周波数帯域で動作するため、周波数の免許費用は不要です。LoRaWANで限られたエリアをカバーしたいだけなら、独自のゲートウェイとサーバーを運用するのが理にかなっています。独自のシステムを構築したいですか？ LoRaWAN ソリューション? 想像以上に簡単です！多様なMOKOSmart LoRaWANデバイスとソリューションをすぐにご利用いただけます。

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