無線センサーネットワーク技術LPWA(Low Power Wide Area)の用途は、川の氾濫やダム決壊の予知・監視から、児童や高齢者の見守りにいたるまで広範にわたる。このようなIoT用途のための無線データ通信として、従来は特定小電力無線、無線LAN(Wi-Fi)、Bluetooth、3G/4G携帯電話網などが利用されてきた。ただ、いずれも枯れた技術である一方で「帯に短し、たすきに長し」といった仕様面の課題を抱えており、あらゆる用途に一つの技術で対応するのは難しかった。

(バックナンバー)
新しい無線技術LPWAがなぜ注目されるのか?
http://jbpress.ismedia.jp/articles/-/51831

 特定小電力無線、無線LAN、Bluetoothは通信距離が短く、広い範囲に分散した機器の通信に用いるのにはあまり向いていない。逆に、3G/4G携帯電話網はある程度長い距離の通信が可能だが、大容量データの送受信が常時求められない場合は、オーバースペックになりがちだ。機器への機能搭載や回線利用に要するコストが高いことに加え、消費電力が大きいなどの課題があるため用途は限られる。

 LPWAは、従来の技術が抱えるこうした弱点を補うかたちで登場した。海外に続き、国内でも2018年から段階的に実証実験を経て実用化が進展する見通しで、IoT向けにこれまで利用されてきた無線ネットワークを徐々に置き換えようとしている。

 LPWAは独自仕様を用いるものと、携帯電話網を利用するもの(セルラーLPWA)の2種類に大別できる。今回はそのうち独自仕様のLPWAを少し掘り下げて見ていく。仕様やシステム構成などいくらか技術的な話になるが、「低消費電力で広範囲をカバーする無線ネットワーク」という抽象的な概念だけでなく、具体的な技術の基本を把握しておきたい。そうすることが、LPWAの利点を理解したり、LPWAの応用を構想したりするのに役立つはずだ。

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独自仕様LPWAのなかで先行するLoRaとSigfox

 独自仕様のLPWAとして代表的な規格がLoRa(ローラ)とSigfox(シグフォックス)で、すでに多くのサービスで使われ始めている。これらは2015年以前にサービスが始まった「先行組」の技術だ。

 先行組には「RPMA」や「FlexNet」という規格もあるが、利用はあまり進んでいない。そのため2017年時点では、LoRaとSigfoxが独自仕様LPWAの代名詞になっている。

 このほかにも「後発組」と呼べる規格がある。2018年以降にサービス開始が予定される「EnOcean Long Range」やソニーが開発したLPWAである。本稿では詳述しないが、今後の動向は注視しておく必要はあろう。先行組とは違った魅力的な特徴を持っているからである。

 EnOcean Long Rangeは、環境発電と呼ばれる「エネルギー・ハーベスティング」を採用。振動や熱から電力を得ることで、電池不要の無線ネットワークの構築が期待できる。ソニー製LPWAは100kmの通信距離と、時速100km以上の高速移動での利用を可能にする。ほかに、セルラーLPWA並みの信頼性やセキュリティ面での高機能性を打ち出した「Weightless-P」も、後発組として誕生した。適用領域の広さや実績によっては、将来的に先行組のLoRaとSigfoxの対抗馬になる可能性がある。

LoRa:多数の企業が参加するオープン性が特徴

 2014年にサービスが始まったLoRaの名称は、「Long Range」に由来する。何より特筆すべきは「オープン性」だ。LoRaのデバイス開発を担ってきた米セムテックなどは、2015年に非営利団体「LoRaアライアンス」を設立。2017年末までに、米IBMや米シスコシステムズといった大手IT企業をはじめ、550社以上が同アライアンスに参加している。LPWAの一大勢力を形成しているLoRaアライアンスは、世界中でLoRaによるサービスが次々と生まれて拡大する原動力となってきた。

 LoRaは免許を必要としないサブギガヘルツ帯(900MHz周辺。国内では920MHz)の電波を使い、通信距離は見通しがいいところで約10km、都市部でも約2kmを確保できる。通信パケット(データのひとまとまり)のサイズは最大256バイトで、200〜10kbpsの速度で通信する。

 LoRaはレーダーやソナーで使われてきた技術などを応用することで、無線データ通信に影響をおよぼすノイズへの耐性を上げている。ノイズに強いことは、無線ネットワークに接続した機器の電波受信感度を高め、長い距離のデータ送受信を可能にする。

 LoRaを用いたシステムの構成を図1に示した。中心に位置するLoRa対応ゲートウェイを「基地局」にして、複数のLoRa対応センサーがつながる。ちょうどルーターに複数のパソコンやスマートフォンがつながる無線LANのようなイメージである。

図1 LoRaのシステム構成


 ゲートウェイとセンサー群からなるこの無線ネットワークを、LoRaの基本構成である「島」ととらえてほしい。LoRaでは、たくさんの島々を展開してネットワークサーバー(クラウド)に接続することにより、広範囲の無線ネットワークを形成する。

(* 配信先のサイトでこの記事をお読みの方はこちらで本記事の図表をご覧いただけます。http://jbpress.ismedia.jp/articles/-/52104)

 ここで言う広範囲とは、「東京ドーム何個分」といった“小さな規模”の話ではない。LoRaのカバーエリアは、オランダや韓国ではすでに国全体に広がっている。インドにおいても2017年10月の段階で人口4億人を数える地域をLoRaでカバーしている。

Sigfox:唯一の事業者が提供するサービスを利用

 Sigfoxは仏シグフォックスが2009年に開発し、2012年にサービスを始めた独自仕様のLPWAで、LoRaと同じく国内では免許不要帯域の920MHzの電波を使用する。

 通信距離は見通しのいいところで30〜50km、都市部で3〜5kmと、LoRaより長い一方で、通信速度は10〜1kbpsと低速の規格になっている。低速ではあるが、センサーからは1日最大140回、毎回最大12バイトのデータを送信できる。LoRaに比べ、Sigfoxは少量のデータを繰り返し送信する用途に向いていると言ってよいだろう。

 また、LoRaと比較してSigfoxの消費電力は低い。LoRaより通信距離が長いので少ない数のゲートウェイで無線ネットワークを構成すれば、たくさんの「島」を点在させて広範囲をカバーするLoRaより、全体として消費電力とコストを低く抑えやすい。

図2 Sigfoxのシステム構成


 SigfoxがLoRaと決定的に異なる点は、Sigfoxによる無線データ通信のサービス事業者が原則として「一国・一社」になっていることである。シグフォックスと提携して各国でサービスを提供する事業者「SNO(Sigfox Network Operator)」が、基地局となるゲートウェイからネットワークサーバー(クラウド)までを一手に整え、ユーザー企業に提供する。

 ユーザー企業が必要に応じて「島」を次々と増やし独自にLPWAの無線ネットワークを拡張できるLoRaのような自由度はない。その代わり、ゲートウェイの設置やクラウドを含むシステムの運用を事業者任せにできる。ユーザーはセンサーを用意するだけで、無線ネットワークの利用を始められる。もちろんSNOがサービスを提供するエリアであれば、どこでも同じ規格のセンサーと同一のクラウドを使える。

 日本では、京セラコミュニケーションシステム(KCCS)が唯一のSNOとして、2017年2月に東京都23区内でSigfoxのサービスを開始した。同年3月には大阪市、横浜市、川崎市にサービスエリアを拡大。2018年3月までに政令指定都市を含む36の主要都市に広げる。そして2019年3月までに人口カバー率で85%、2020年3月末までに全国展開(人口カバー率99%)を目指している。

 

筆者:阪田 史郎