LPWANとは？低消費電力広域ネットワーク技術入門

今日、IoT技術の目覚ましい進歩により、かつては不可能だった個人とデバイス間の接続が現実のものとなりました。LPWANはIoTの世界で注目を集め、これまで実現不可能だったソリューションを提供しています。短距離では、次のようなものがありました。 WiFi、Bluetooth、Zigbee その他にも、長距離の場合は2G、3G、4Gなどの携帯電話ネットワークがありました。

しかし、これらの無線技術を電力要件と通信範囲の観点から見ると、低消費電力で長距離通信が可能な選択肢が不足していることに気づくでしょう。LPWAN技術はまさにこのニッチな分野にピッタリと当てはまります。LPWANは、これまでの無線通信オプションのラインナップにはなかった、バッテリー寿命が短く長距離通信が可能なという欠点を補うものです。

LPWANとは

LPWAN（Low Power Wide Area Network、低消費電力広域ネットワーク、LPWAとも呼ばれる）は比較的新しい用語であり、標準規格や単一の技術を指すものではありません。むしろ、様々な独自プロトコルやオープンソースプロトコルを含む総称です。本質的には、LPWANとは、デバイス間の低消費電力・長距離通信向けに設計された無線ネットワーク群を指します。

LPWAN技術の通信距離は、都市部では数キロメートル、地方では10キロメートル以上に及びます。これは本質的に、通信の効率化とコスト効率の向上を意味します。つまり、消費電力を抑えながら通信範囲を最大化できるということです。近い将来、LPWANはより革新的な方法で、より幅広い用途に普及すると予想されます。

LPWAN技術のトポロジーとアーキテクチャ

トポロジ構造の観点から、LPWANはスター型とメッシュ型の2つの主要なカテゴリに分けられます。この点において、セルラー技術は一般的に汎用性が高く、モビリティをサポートします。LPWANでは、コスト効率の高さから、メッシュネットワークよりもスター型またはスターツースター型のトポロジが好まれます。

LPWANの中核となるのは、無線接続、インターネット、クラウドといったシンプルなアーキテクチャです。基地局／ゲートウェイは、遠隔地に分散した多数のエンドノードからデータを収集し、LPWANからの入力に応答します。基地局／ゲートウェイは、これらのデータを受信・復調し、イーサネットやセルラーネットワークなどの標準的なTCP/IPバックホールリンクを介してバックエンドサーバーに送信する境界デバイスです。

パブリックLPWANサービスの場合、データはネットワーク事業者のサーバーを経由してエンドユーザーのアプリケーションに送信されます。プライベート管理型LPWANでは、データはエンドユーザーの事前定義されたバックエンドに直接ルーティングされます。これにより、LPWANデバイスのデータのプライバシーとセキュリティが確保されます。

LPWAN規格：セルラーLPWAと非セルラーLPWA

LPWANテクノロジーを詳しく検討する前に、それらがどのような主要なカテゴリーに分類されるかを理解することが重要です。LPWANは、大きく分けて3つのグループに分類できます。ライセンス不要の周波数帯域で動作するもの（LoRaやSigFoxなど）と、ライセンスが必要な周波数帯域で動作し、XNUMXGPP規格に準拠したセルラーテクノロジー（LTE-MやNB-IoTなど）です。以下では、現在広く導入されているLPWANテクノロジーの選択肢をいくつか見ていきましょう。

セルラーLPWAN（ライセンススペクトル）

セルラーLPWANは、政府機関または規制当局からの認可が必要であり、通常は既存のネットワーク事業者のインフラを活用します。しかし、デバイスと基地局間の信頼性の高い接続が必要となるため、都市中心部、住宅地、工業団地などの人口密集地域に適しています。セルラーLPWANの規格には、EC-GSM-IoT、LTE Cat. M1（LTE-M）、NB-IoTがあり、LTEスペクトル（700MHz～3.5GHz）で動作します。

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT（Extended Coverage GSM IoT）は、3GPPリリース13で初めて導入されました。これはeGPRSをベースとしたセルラーLPWAN技術であり、既存のモバイルネットワークとインフラ（主に2G/GSM）を活用してリモートIoT通信を確立することを目的としています。ライセンスされたスペクトルを使用することで、信頼性とセキュリティの高い通信を提供します。他のセルラー技術と比較して、GSMはより広いカバレッジを提供します。その改良版であるeGPRS/EDGEは、この利点を維持しながら、より高いデータレートをサポートしています。

狭帯域IoT（NB-IoT）

NB-IoT 狭帯域IoT（Narrowband Internet of Things）は、3GPPがIoTデバイス接続用に開発したLPWAN無線技術規格です。3GPP CIoT技術であるNB-IoTは、EC-GSM-IoTやLTE-Mと比較して、IoT通信のための無線インターフェースをさらに詳細に定義しています。認可された周波数帯域内で動作し、約180kHzの狭帯域を利用します。NB-IoTは、3GPPとNokia、Huawei、Ericssonなどの大手通信機器ベンダーの協力により標準化されました。

LTE-M

LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）は、eMTC（Enhanced Machine-Type Communication）とも呼ばれ、LTEから派生した3GPP LPWAN IoTテクノロジーです。NB-IoTと比較して、より高いデータレートとモビリティ（最大時速350km）をサポートします。LTE-Mはライセンススペクトルで動作し、2G、3G、4G、5Gのセルラーネットワークと共存します。

LTE-Mは、3GPPリリース12では当初Low-Cost MTCと呼ばれていましたが、リリース13ではeMTCに改名されました。3GPPリリース全体にわたる機能強化により、LTE-Mの機能は拡張されてきました。リリース14および15では、モビリティを考慮した拡張カバレッジレベルへの対応が可能になりました。リリース14ではVoLTE（Voice over LTE）機能が追加されました。リリース15では、これらの機能に加え、よりモビリティの高いIoTデバイス向けの新たなユースケースが構築されました。リリース16では、5G New Radio（NR）との共存性を向上させる改良が加えられ、進化が続きました。

非セルラーLPWAN（無免許スペクトル）

非セルラーLPWANは、免許不要のISM周波数帯域で動作し、ネットワーク事業者のインフラに依存しません。デバイスはデータを直接、またはゲートウェイを介してアプリケーション/ネットワークサーバーに送信します。LoRa以外にも、Sigfox、Weightless、RPMA、Symphony Link、Wize、DASH7など、サブGHz周波数帯域を利用する非セルラーLPWANがあり、通信速度は約100bpsから250kbps、通信距離は2kmから100kmです。非セルラーLPWANは、通常、セルラーカバレッジが限られている遠隔地、山岳地帯、島嶼部、そして専用のエンタープライズネットワーク実装に導入されます。

ラウラ

LORA プロトコルスタックのPHY仕様であり、具体的にはSemtechが開発した独自のチャープスペクトラム拡散変調を指します。 ロラワン この標準は、LoRa PHY 層上で動作する MAC 層プロトコルとシステム アーキテクチャを定義しており、世界中で約 500 社の会員企業を擁し急速に成長している LoRa Alliance によって管理されています。

LoRaは主に複数のエンドデバイスからゲートウェイへのアップリンク通信を目的としており、異なるチャネルとデータレートでコード化されたメッセージを使用することで衝突を低減し、ゲートウェイの容量を増大させます。都市部と農村部/遠隔地の両方において、小さなデータペイロードと低頻度の通信を必要とするアプリケーションに最適です。1つのLoRaWANゲートウェイで、多数のノードとエンドデバイスからの接続を処理できます。

SIGFOX

Sigfoxは、3GPP非準拠のLPWAN技術の一つであり、広く普及しています。これは、最初に導入したSigfox社にちなんで名付けられた独自のLPWAN技術です。超狭帯域無線を利用することで、超長距離かつ低消費電力のワイヤレスIoT接続を実現します。

しかし、Sigfoxの狭帯域は、デバイスへのデータ送信におけるダウンリンク能力を著しく制限します。また、超狭帯域は潜在的な干渉問題を引き起こす可能性があります。こうした制限にもかかわらず、Sigfoxは依然としてLPWANの有力なプレーヤーであり、ヨーロッパで成功を収めています。

無重力の

Weightless Special Interest Group（Weightless SIG）は、LPWAN技術の標準化を目的として2008年に設立されました。プロモーターグループのメンバーには、アクセンチュア、M2COMM、ARM、Telensa、ソニー・ヨーロッパなどが名を連ねています。

Weightlessは、異なるアプリケーションシナリオに合わせてカスタマイズされた3つのバリエーション、Weightless-W、Weightless-N、Weightless-Pで構成されています。Weightless-WはTVホワイトスペース（TVWS）帯域で動作し、より複雑な導入が必要です。Weightless-NはSigfoxに類似しており、NWaveが利用するサブGHz帯の無認可帯域で動作する狭帯域プロトコルです。全体として、Weightless-NとWeightless-PはWeightless-Wよりも多くの注目を集め、導入も進んでいます。

シンフォニーリンク

Symphony Linkは、LoRa Allianceメンバー企業であるLink Labsが開発したLPWANプロトコルです。Link LabsはSemtechのLoRa物理層チップセットを使用していますが、オープンなLoRaWAN仕様ではなく、Symphony Linkと呼ばれる独自のカスタムMAC層ソフトウェアスタックを実装しています。

LoRaWAN 標準と比較した Symphony Link の主な違いは、信頼性の高いメッセージ配信やゲートウェイの追加による動的なネットワーク拡張など、ネットワーク機能が強化されていることです。

LPWAN技術の応用

LPWANは、通信範囲と消費電力の点で優れています。LPWANを活用することで、遠隔地のセンサーからデータを収集し、長距離にわたる追跡が可能になります。このセクションでは、LPWANの実用的なユースケースをいくつか見ていきます。

スマートガス・水道メーター

自動メーター読み取りシステムは、LPWANを活用し、電気、ガス、水道などの公共料金の消費データを遠隔でワイヤレス収集します。オペレーターが手動でデータを確認し記録する時代は終わりました。ユーザーは、日々使用している消費データの量を可視化することもできます。

スマートビル

建物内では、住宅、商業施設、産業施設全体でLPWANが活用され、スマート化が進んでいます。家庭内では、スマートロック、HVACシステム、照明などのスマートホームデバイスをLPWAN経由で統合・一元管理できます。オフィスビルや商業ビルでは、LPWANによって、空間の占有状況やドアセンサーなどのセキュリティシステムの一元管理が可能になります。

スマート廃棄物管理

スマート廃棄物管理は、スマートシティの取り組みにおいてますます広く活用されつつあります。ゴミ箱に設置されたセンサーは、ゴミ箱の充填レベルを監視し、LPWAN経由で中央システムにデータを送信します。所定の充填レベルに達すると、アラートが発せられ、適切なタイミングで収集・処分が行われます。さらに、LPWANトラッカーを装備することで、廃棄物収集車の位置情報を取得することも可能です。

スマートパーキング

スマートパーキングシステムでは、LPWANテクノロジーにより、駐車スペースの占有状況をリアルタイムで監視・管理することが可能になります。駐車スペースに設置されたセンサーが、駐車スペースの占有状況を正確に検知します。ユーザーはモバイルアプリで空車状況を確認し、遠隔地から駐車料金を支払うことができます。

スマート農業

LPWANはスマート農業システムへの展開が進んでいます。農家は圃場に様々なセンサー（土壌水分、温度、湿度、光など）を設置し、LoRaWANやNB-IoTなどのLPWANを活用して、これらのセンサーから遠隔でデータを収集することができます。

ライセンスLPWANとライセンスなしLPWANの一般的な比較

利用可能なLPWAN技術は数多くあるため、賢明な選択が不可欠です。IoT Analyticsの市場調査によると、2024年までに 97% LPWANシステムの多くは、LTE-M、NB-IoT、Sigfox、またはLoRaテクノロジーを用いて導入されるでしょう。そこで、上位4つのLPWANテクノロジー、NB-IoT、LTE-M、Sigfox、LoRaを比較します。

NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfoxの比較表

LPWANの正しい選択

NB-IoTは、既存のLTE/GSMネットワークを活用し、IoTデバイスに低帯域幅接続を提供する3GPP LPWANテクノロジーです。デバイスの消費電力、システム容量、周波数効率、そしてディープカバレッジ性能を向上させ、産業、ビルオートメーション、スマートシティ、ヘルスモニタリング、災害対応といったIoTユースケースに最適です。

LTE-MはNB-IoTと同様のアプリケーションを対象としていますが、より広い帯域幅により、より高いデータレートとより強固なセキュリティを実現します。ただし、消費電力は高くなります。ビデオ監視など、電力制約がそれほど厳しくない、より高いスループットが求められるアプリケーションに適しています。

SigfoxとLoRaWANは、免許不要のスペクトルで動作する非3GPP技術です。狭帯域幅により、数年のバッテリー駆動時間を必要とするエンドポイントからの低頻度の小ペイロード伝送において、超低消費電力動作を実現します。データレートの制約は低いものの、Sigfoxは低消費電力とシンプルな導入を重視していますが、ファームウェアアップデート用のダウンリンクがありません。LoRaWANは低コストで双方向デバイス管理をサポートします。どちらも、スマート農業、資産追跡、および関連する低スループットIoTモニタリングのシナリオに活用できます。

LPWANは未来だ

急速に進化する新技術であるLPWANは、発展途上であり、未だ成熟していません。市場参加者が多数存在するため、特に市場拡大のペースが不透明であることを考えると、勝者が明確には定まっていません。また、多くのLPWANバリアントがまだ初期導入段階にあり、包括的かつ大規模な実環境テストが不足しているため、各LPWANバリアントの長期的なパフォーマンスも不透明です。

実際、ABIリサーチの調査によると、IoTデバイスの導入は急増すると予測されており、 5.3億 2030年までにIoTデバイスはLPWANテクノロジーを活用すると予測されています。LPWANは市場で最も急速に成長する接続分野であると予想されています。この成長を牽引しているのは、低頻度のデータ転送とバッテリー駆動を必要とするリモートモニタリングなどのユースケースへの需要であり、LPWANテクノロジーはこれらの特性への対応に特に適しています。

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