これまで4回にわたり、無線センサーネットワーク技術LPWA(Low Power Wide Area)の概要と、さまざまな仕様の特徴を説明してきた。

(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?

独自仕様LPWAの代表格LoRaとSigfoxを知る

独自の強みを持つ、要注目の「後発組」LPWA

IoT活用を想定し複数仕様で臨むセルラーLPWA

 2014年から2017年はLPWAの「黎明期」で、独自仕様LPWAの先行組であるLoRa(ローラ)とSigfox(シグフォックス)がサービスで先行し、技術開発や市場開拓が進んできた。

 2018年現在、LoRaとSigfoxの後を追う形で、ソニー製LPWAなど後発組の独自仕様LPWAや、第4世代(4G)携帯電話網を生かしたLTE版LPWAの開発とサービス化が急ピッチで進んでいる。これから2020年までの3年間はLPWAの「成長期」に位置付けられよう。

 そして2021年以降は、規格の淘汰が徐々に進み、一方でLPWAの応用が幅広い分野で拡大する「普及期」に入っていく。

 いくつもの規格が策定されているのは、用途によって必要な仕様が少しずつ違うからだ。最も大きな要素が通信速度と通信料金で、高い通信速度を求めると通信料金も高くなる傾向がある。すでに実サービスが始まっている独自仕様LPWAのLoRaとSigfox、そしてLTE版LPWAのLTE-M(eMTC)とNB-IoTについて、大まかな位置付けを示したのが図1だ。ただし、ここに示した通信速度や通信料金はどちらも一例である。

図1 代表的なLPWA規格の仕様


 図1に示した4つの規格は、現段階で有力と言えるものだが、今後の実証実験の結果などによっては、別の規格も有力な選択肢となり得る。ここでは、今後とくに国内での動きが活発になりそうな「FlexNet」、「RPMA」、「IEEE 802.15.4k(LECIM:Low Energy, Critical Infrastructure Monitoring Networks)」という3つの規格について簡単に特徴をおさえておく。

(1)RPMA
 仏Ingenu(2016年にOn-Ramp Wirelessから社名変更)が開発した。第3世代(3G)携帯電話網に用いられた「CDMA(Code Division Multiple Access)」を基にした通信方式を採用しており、CDMAと同じく電波干渉に強く通信のパケットロス率が低い、すなわち通信の信頼性が高いという特徴がある。

 米国では電力用のスマートメータリングに使われている。国内でもマンションにおける電力用のスマートメータリングで採用実績がある。ただし、RPMAで使用する2.4GHzは通信の長距離化や省電力が難しい。

(2)FlexNet
 米Sensusが開発した。第2世代(2G)携帯電話網以前のポケットベルの通信方式を基にIPv6への対応を図ったほか、双方向通信によるセンターからのメーター操作や、センサーを稼働させながらソフトウエアを更新する「FOTA(Firmware On/Over The Air)」を可能にしている。1つのデバイスのデータを複数の基地局で同時受信するマクロダイバーシティや、256ビットAES(Advanced Encryption Standard)による暗号化を採用するなど高い信頼性と安全性を実現した。

 米国と英国では水道と電力、ガスのスマートメータリングで多くの実績がある。国内では神戸市水道局が、2015年に水道のスマートメータリングの実証を開始したのに続き、2017年からは工業用水の検針から料金調定までの実運用を想定した実証実験を進めている。普及には、280MHzの電波を制約なく使えることが欠かせない。

(3)IEEE 802.15.4k(LECIM)
 米電気電子学会(IEEE)のワーキンググループ「IEEE 802.15.4 WG」が、スマートグリッドのニーズが高まった2010年頃に検討を始め、2013年に物理層として標準化した。通信速度は40k〜100kbps、通信距離は最大15劼鯡槁犬箸掘2.4GHzとサブギガ帯(国内では920MHz)の使用を想定している。CDMAで使われた「DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)」と呼ぶ電波の拡散方式により、干渉に強い無線センサーネットワークを実現する。

 国内ではラピスセミコンダクタが、2.4GHzの無線LSIをすでに製品化している。実用化の勢いを得るには、他の規格に対抗するために通信の長距離化や省電力化を可能にする920MHzの無線チップモジュールの早期開発と提供が求められる。

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性能や機能の面で規格のすみ分けが進む

 このように、今後3年間ぐらいのLPWAの成長期では、規格が乱立した状態が続くだろう。その後普及期に入る2021年以降、LPWAが産業や社会に浸透すると、仕事や生活のいろいろな場面で、当たり前のようにIoT関連のサービスがみられるようになる。その過程で、LPWAの規格は、アプリケーションに求められる性能、機能、価格などによって次第にすみ分けが進むと考えられる。その大まかなイメージを図2に示す。

図2 LPWA規格のすみ分けイメージ


 セルラーLPWAは、第4世代(4G)携帯電話網を利用するLTE版LPWA(LTE-M(eMTC)とNB-IoT)や、その次の第5世代(5G)を利用するLPWAの総称だ。セルラーLPWAは、交通監視・制御といったGPS(全地球測位システム)を駆使するサービスや、物流や配送の管理や各種追跡(トラッキング)などモビリティが不可欠なアプリケーションで利用が広がる公算が大きい。電力・ガスのスマートメータリングやインフラ監視のように広域のカバー領域が必要なアプリケーションのほか、無線ネットワークの通信の安定性/信頼性やセキュリティ、拡張性が求められる公共性が高いアプリケーションでも、セルラーLPWAの採用が進む可能性が高い。

 他方、低価格と低消費電力がより重視される個人の生活と密接なアプリケーションは、独自仕様LPWAのほうが適している。そのため高齢者や児童の見守り、家電の遠隔制御、シェアバイクなどにおいては、独自仕様LPWAの採用例が増えるとみられる。

 もちろん、このような線引きでLPWAのすみ分けが進むとは限らない。高齢者の見守りやシェアバイクなどに比べ、IoT関連サービスの中では圧倒的に大きな市場を形成すると思われるスマートメータリング、環境モニタリング、インフラ監視、防災監視の分野では、実用化が先行した規格とサービスが、最終的に国内で最も支持を得ることが十分に考えられる。これから数年の実用化の動向には目を凝らしておきたい。

解決すべき主な技術的課題

 2021年以降と思われる普及期に向けて、実証実験を通じて検証し解決すべき技術的な課題はまだいくつも残っている。例えば、LPWAで通信するセンサーの低価格化は避けて通れない課題のひとつ。ゼロエネルギーや環境発電などと称される「エネルギー・ハーベスティング」を駆使した低消費電力の無線センサーネットワークの実現も強く望まれる。さらに、複数の通信装置を連動させて広域のネットワークを構成するマルチホップ方式などで長距離通信を維持しながら、高速化あるいは高信頼・低遅延化を推進したり、センサーそのものの高知能化を図ったりすることが求められる。

 第5世代(5G)とそれ以降の携帯電話網を活用したLPWAに大きな期待が寄せられる高速化は、4K/8K/16Kなどの高品質な防犯カメラ(視覚センサー)で撮影した映像を解析するようなハイエンドのアプリケーションに欠かせない。消費電力が多少大きくなって通信距離が少し短くなったとしても、10Mbpsオーダーの高速通信がLPWAに求められるようになる。

 高信頼・低遅延化については、安全運転支援や自動運転の用途でLPWAを活用する際に必要になる。高知能化に関しては、センサーの限られたメモリー容量や処理能力の中で、ディープラーニング(深層学習)など人工知能(AI)技術を効果的に活用することが大切だ。センサーを高知能化すれば、エッジコンピューティングにより低遅延化が図れるだけでなく、センサーから集めた大量のデータを処理するクラウドの負荷を軽減する効果などが見込める。

 こうした課題の解決と歩調を合わせて、デジタルトランスフォーメーションの潮流は、今後ますます加速していくだろう。そしてLPWAは、IoT用途の無線センサーネットワークとして産業活動や人々の生活の隅々に行きわたり、スマートコミュニティ、スマートシティ、スマートソサエティを支えていく。

筆者:阪田 史郎