LPWANとは? 低電力広域ネットワーク技術の概要

今日, IoT テクノロジー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になりました. LPWAN は IoT の世界でホットなトピックとして浮上しています, これまで実現できなかったソリューションを提供する. 短距離用, 私たちは次のようなことをしました Wi-Fi, ブルートゥース, Zigbee その他. そして長距離の場合, 2Gもありました, 3G, 4G 携帯電話ネットワークなど.

しかし、これらのワイヤレス テクノロジーを電力需要と通信範囲に基づいて検討すると、, 低電力のためのギャップがあることに気づくでしょう, 長距離オプション. これはニッチな LPWAN テクノロジーに完全に適合します. 短いバッテリー寿命を埋める, これまでの無線通信オプションのラインナップになかった、長距離通信のボイド.

LPWANとは

LPWAN, または低電力広域ネットワーク (LPWA とも呼ばれる) 比較的新しい用語であり、標準でも単一のテクノロジーでもありません. 代わりに, これは、さまざまな独自プロトコルやオープンソース プロトコルを含む一般的な用語です。. 超音波センサーは、超音波信号の位置を追跡するために採用されています, LPWAN は、低電力向けに設計されたワイヤレス ネットワーク ファミリを指します。, デバイス間の長距離通信.

LPWAN テクノロジーの通信距離は、都市部で数キロメートルから数キロメートルまでの範囲に及びます。 10 田舎ではさらに何キロメートルも. これは本質的に、より効率的でコスト効率の高いコミュニケーションを意味します。 – つまり. より少ない電力消費で航続距離を最大化することができます. 近い将来に想定されるのは、, LPWAN は、より革新的な方法でより広範なアプリケーションを採用します.

LPWAN テクノロジーのトポロジとアーキテクチャ

位相構造から, LPWAN は 2 つの主要なカテゴリに分類できます: 星とメッシュ. この点について, 携帯電話技術は通常、この点で普遍的であり、モビリティをサポートします. LPWAN では、費用対効果が高いため、メッシュ ネットワークよりもスターまたはスター間トポロジが推奨されます。.

LPWAN の中心, LPWAN の単純なアーキテクチャの他のコンポーネントにはワイヤレス接続が含まれます, インターネット, とクラウド. 基地局/ゲートウェイは、リモートに分散され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、このデータを受信して​​復調し、イーサネットなどの標準 TCP/IP バックホール リンク経由で送信する境界デバイスです。, 携帯電話ネットワーク, 等, バックエンドサーバーへ.

パブリック LPWAN サービスの場合, データは、エンドユーザー アプリケーションに送信される前に、ネットワーク オペレーターのサーバー経由で転送されます。. プライベート管理の LPWAN の場合, 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できます。. これにより、LPWAN デバイスのデータがプライベートで安全であることが保証されます。.

LPWAN規格: セルラー LPWA と非セルラー LPWA

LPWAN テクノロジーについて詳しく知る前に, それらが分類される主なカテゴリを理解することが重要です. LPWAN は大きく 2 つのグループに分類できます: ライセンスのない周波数帯域内で動作するもの (LoRaやSigFoxのような), 認可された周波数帯域内で機能し、3GPP 標準に準拠するセルラー技術 (LTE-MやNB-IoTなど). 未満, 積極的に導入されている LPWAN テクノロジーのオプションをいくつか検討します.

セルラーLPWAN (認可されたスペクトル)

セルラー LPWAN には政府または規制機関からの認可が必要であり、通常は既存のネットワーク オペレーターを利用します。’ インフラストラクチャー. しかしながら, 信頼性の高いデバイスと基地局間の接続が必要です, そのため、都市中心部などの人口密集地域に適しています, 住宅ゾーン, および工業団地. セルラー LPWAN 標準には EC-GSM-IoT が含まれます, LTE猫. M1 (LTE-M) NB-IoTと, LTEスペクトル内で動作する (700MHz～3.5GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT または拡張カバレッジ GSM IoT は、リリース時に 3GPP によって最初に導入されました。 13. eGPRS に基づくセルラー LPWAN テクノロジーです。, 既存のモバイルネットワークとインフラストラクチャの活用を目指す (ほとんどが 2G/GSM) リモートIoT通信を確立する. 認可されたスペクトルを使用して、信頼性が高く安全な通信を提供します. 他の携帯電話技術との比較, GSM はより広いカバレッジを提供します. その改良版, eGPRS/エッジ, より高いデータレートをサポートしながら、この利点を維持します.

狭帯域IoT (NB-IoT)

NB-IoT (狭帯域モノのインターネット) IoT デバイスを接続するために 3GPP によって開発された LPWAN 無線技術標準です. 3GPP CIoT テクノロジーとして, NB-IoT は、EC-GSM-IoT および LTE-M と比較して、IoT 通信用のワイヤレス インターフェイスをさらに定義します。. 認可されたスペクトル帯域内での動作, 約180kHzの狭い帯域幅を利用します。. NB-IoT は、3GPP と Nokia などの大手通信機器ベンダーとの協力を通じて標準化されました。, ファーウェイ, そしてエリクソン.

LTE-M

LTE-M (LTE マシンツーマシン), eMTCとしても知られています (強化されたマシンタイプ通信), LTE から派生した別の 3GPP LPWAN IoT テクノロジーです. より高いデータレートとモビリティをサポートします (まで 350 km/h) NB-IoTとの比較. LTE-Mは認可された周波数帯で動作します, 2Gとの共存, 3G, 4G, および5Gセルラーネットワーク.

LTE-M は、3GPP リリースでは当初、低コスト MTC と呼ばれていました。 12 その後、リリースでは eMTC に名前が変更されました 13. 3GPP リリース全体の機能強化により、LTE-M の機能が拡張されました. リリース 14 そして 15 モビリティによる強化されたカバレッジ レベルのサポートを有効にしました. リリース 14 VoLTEを追加しました (LTE でのボイスオーバー) 能力. リリース 15 これらに基づいて、よりモビリティの高い IoT デバイスの新しいユースケースを構築. リリース 16 5G New Radioとの共存に向けた改良で進化を続ける (NR).

非セルラーLPWAN (ライセンスのないスペクトル)

非セルラー LPWAN はライセンスのない ISM 周波数帯域内で動作し、ネットワーク オペレーターのインフラストラクチャに依存しません。. デバイスはデータを直接、またはゲートウェイ経由でアプリケーション/ネットワーク サーバーに送信します。. LoRa以外にも, 他の非セルラー LPWAN には Sigfox が含まれます, 無重力, RPMA, シンフォニーリンク, そしてワイズ, ダッシュ7, 等. サブ GHz 周波数帯域を利用し、通信速度は約 100bps ～ 250kbps、距離は 2km ～ 100km です。. 非セルラー LPWAN は通常、セルラー通信範囲が限られた遠隔地に導入されます。, 山岳地帯, 島々, 専用のエンタープライズネットワーク実装向け.

LoRa/LoRaWAN

LoRa プロトコルスタックのPHY仕様です, 特に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。. の LoRaWAN 標準は、LoRa PHY 層の上で動作する MAC 層プロトコルとシステム アーキテクチャを定義します。, LoRaアライアンスによって維持されます, これは急速に成長しており、 500 世界中の会員企業.

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います。, 異なるチャネルとデータレートにわたるコード化されたメッセージを使用して衝突を減らし、ゲートウェイの容量を増加します。. 都市部と田舎/僻地の両方で、少量のデータ ペイロードと頻度の少ない通信を必要とするアプリケーションに最適です。. 単一の LoRaWAN ゲートウェイで多数のノードおよびエンド デバイスからの接続を処理できます。.

シグフォックス

Sigfox は、広く採用されている非 3GPP LPWAN テクノロジーの 1 つです. 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 テクノロジーです。. 超狭帯域無線を利用して超長距離を実現します。, 低電力ワイヤレスIoT接続.

しかしながら, Sigfox の狭い帯域幅により、デバイスにデータを送信するダウンリンク機能が大幅に制限されます. 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 は依然として著名な LPWAN 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

無重力特別利益団体 ( 無重力SIG) に設立されました 2008, LPWAN技術の標準化を目指す. プロモーターグループのメンバーにはアクセンチュアが含まれます, M2COMM, 腕, 彼の電話, およびソニーヨーロッパ.

Weightless は、さまざまなアプリケーション シナリオに合わせて調整された 3 つのバリエーションで構成されます: 無重力-W, 無重力-N, そして無重力P. Weightless-Wはテレビのホワイトスペースで動作します (TVWS) バンドであり、より複雑な展開がある. Weightless-N は Sigfox に似ています, サブ GHz の無認可帯域で動作する狭帯域プロトコルである, NWaveで利用される. 全体, Weightless-N と Weightless-P は、Weightless-W と比較してより多くの注目と導入を受けています。.

シンフォニーリンク

Symphony Link は Link Labs によって開発された LPWAN プロトコルです, LoRaアライアンスメンバー企業. Link Labs は Semtech の LoRa 物理層チップセットを使用しています, 彼らは、Symphony Link と呼ばれる独自のカスタム MAC 層ソフトウェア スタックを実装しました。, オープンな LoRaWAN 仕様を使用する代わりに.

LoRaWAN規格との比較, 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たことです。.

LPWAN テクノロジーの応用

通信範囲と消費電力に関しては LPWAN が勝者です. LPWANを活用することで、センサーからのデータを遠隔収集し、長距離の追跡が可能になります. このセクションで, 実際の使用例をいくつか見ていきます.

スマートガスと水道メーター

自動検針システムは、LPWAN を利用して、電気を含む公共料金消費データをリモートで無線収集します。, ガス, そして水. オペレーターがデータを手動でチェックして記録する時代は終わりました. ユーザーは、毎日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。.

スマートビルディング

建物内, LPWAN は住宅全体で利用されています, コマーシャル, 産業施設をよりスマートにする. 家庭内設定, スマートロックなどのスマートホームデバイス, HVAC システム, 照明は LPWAN を通じて統合および集中管理できます。. オフィスや商業ビル内, LPWAN により、スペースの占有状況とドアセンサーなどのセキュリティシステムの集中監視が可能になります.

スマートな廃棄物管理

スマート廃棄物管理はスマートシティへの取り組みに広く利用されつつある. ゴミ箱内に設置されたセンサーでゴミの量を監視できる, LPWAN 経由で中央システムにデータを送信する. 所定の充填レベルに達したとき, タイムリーな収集と廃棄のためにアラートが生成される. しかも, LPWANトラッカーを搭載することで廃棄物収集車の位置情報を取得可能.

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のリアルタイム監視と管理が可能になります. 駐車スロットにセンサーを設置し、在室状況を正確に検知. ユーザーはモバイルアプリを介して利用可能な駐車場を確認し、駐車料金をリモートで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に拡大中. 農家はさまざまなセンサーを設置できる (土壌水分, 温度, 湿度, 光, 等) 畑で. その後、LoRaWAN または NB-IoT などの他の LPWAN を利用して、これらのセンサーからデータをリモートで収集できます。.

ライセンス付き LPWAN とライセンスなし LPWAN の一般的な比較

多数の LPWAN テクノロジーが利用可能であることを考えると、, 賢明な選択が重要です. IoT アナリティクスによると’ 市場調査の見積もり, 沿って 2024, 以上 97% の LPWAN システムが LTE-M を使用して導入される予定, NB-IoT, シグフォックス, または LoRa テクノロジー. したがって, 上位を比較してみます 4 LPWAN テクノロジー: NB-IoT, LTE-M, シグフォックス, そしてロラ.

NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN、Sigfox の比較表

正しい LPWAN の選択

NB-IoT は、既存の LTE/GSM ネットワークを活用して IoT デバイスに低帯域幅の接続を提供する 3GPP LPWAN テクノロジーです。. デバイスの消費電力を向上させます, システム容量, スペクトル効率と深いカバレッジ性能, 工業用に適した, ビルディングオートメーション, スマートシティ, 健康監視と災害対応のIoTユースケース.

LTE-M は NB-IoT と同様のアプリケーションをターゲットとしていますが、より高い帯域幅を備えているため、より高速なデータ レートとより強力なセキュリティが可能になります。, ただし、消費電力レベルは高くなります. 電力制約がそれほど厳しくないビデオ監視など、より高いスループットを必要とするアプリケーションに適しています。.

Sigfox と LoRaWAN は、ライセンス不要のスペクトルで動作する非 3GPP テクノロジーです. 帯域幅が狭いため、数年のバッテリ寿命を必要とするエンドポイントからの低頻度の小さなペイロード送信に対して超低電力動作が可能になります。, ただし、データレートの制約が低い. Sigfox は低電力とシンプルな導入を優先していますが、ファームウェア更新のためのダウンリンクがありません. LoRaWAN は低コストで双方向のデバイス管理をサポートします. どちらもスマート農業に貢献できる, 資産追跡および関連する低スループット IoT 監視シナリオ.

LPWAN は未来です

急速に進化する新技術として, LPWAN 環境は開発段階にあり、まだ成熟していません. 多くの市場参加者とともに, 勝者は明確に決まっていない, 特に市場拡大のペースが不確実であることを考えると、. 各 LPWAN バリアントの長期的なパフォーマンスも不確実なままです, 多くはまだ初期導入段階にあり、包括的な機能が不足しています。, 大規模な現実世界のテスト.

実際には, ABI Research の調査では、IoT デバイスの採用が急増すると予想されています, 推定値付き 5.3 十億 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 2030. LPWAN が市場内で最も急速に成長している接続ドメインであるとの予想. この成長を促進しているのは、リモート監視などのユースケースの需要です。, 頻度の低いデータ送信とバッテリー駆動の動作が必要な場合, LPWAN テクノロジーが特に対処するのに適した特性.

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