LPWANとIoT

概要

低消費電力広域ネットワーク（LPWAN）は、データレートと引き換えに通信距離と電池寿命を得ます。土壌センサや水道メーターは1時間に数回、数バイトを送信し、1個の電池で何年も動作しなければなりません。こうした機器に使われる無線は二つの系統に分かれます。LoRaWANのような免許不要のシステムは、送信電力とデューティサイクルに関する規則のもとで共用されるサブGHz帯で動作します。セルラー系のNB-IoTとLTE-Mは、事業者が免許を受けたLTEの周波数で動作します。このハブは、両者のどちらを選ぶか検討する、カバレッジを設計する、あるいは電池寿命を見積もるエンジニアを対象としています。

重要な考え方

LoRaとLoRaWAN

LoRaはSemtechのスペクトラム拡散変調で、Semtechによれば、チャープスペクトラム拡散から派生したものです。LoRaWANはその上位にあるMAC層とシステムアーキテクチャで、LoRa Allianceが管理しています。LoRa Allianceによれば、ネットワークはエンドデバイス、ゲートウェイ、ネットワークサーバ、アプリケーションサーバで構成され、スター・オブ・スターズ型のトポロジをとります。エンドデバイスはシングルホップの無線リンクでゲートウェイに接続します。ゲートウェイは無線パケットとIPパケットを相互に変換し、中央のネットワークサーバへ中継します。同Allianceは、LoRaWANがITUにより国際標準として承認されたとも述べています。

LoRa Allianceの説明に基づくLoRaWANのスター・オブ・スターズ型トポロジ。エンドデバイスはシングルホップのLoRa無線リンクでゲートウェイに接続し、ゲートウェイは通常のIP接続で中央のネットワークサーバへパケットを転送します。ネットワークサーバはアプリケーションデータをアプリケーションサーバへ渡します。

代表的なLoRa無線チップはSemtechのSX1262です。Semtechの製品ページには、150 MHzから960 MHzまでの連続した周波数範囲、最大+22 dBmの出力、最小−148 dBmの受信感度、LoRaと(G)FSKの変調方式が記載されています。受信感度はデータレートが下がるほど向上するため、最良の値は最も長いエアタイムと引き換えに得られます。データレートを1段階下げるごとにリンクバジェットが増える一方、エネルギーとチャネル占有時間を消費します。

NB-IoTとLTE-M

3GPPのセルラーIoTに関する記事によれば、3GPPはRelease 13で三つのセルラーIoT技術を追加しました。NB-IoTは大部分が新たに設計された無線方式で、最小200 kHzのシステム帯域幅で動作できます。単独、LTEキャリア内、LTEキャリアのガードバンド内のいずれの形でも展開できます。LTE-MはLTEをベースとし、Cat-M1やCat-M2などの低コスト端末カテゴリを備え、FDD、半二重FDD、TDDをサポートします。EC-GSM-IoTはGPRSのカバレッジを拡張します。セルラー方式は事業者のカバレッジ、免許周波数、モビリティをもたらす一方、契約料とより複雑なモデムが必要になります。これらはRelease 17以降の3GPPにおける非地上系ネットワーク（NTN）の検討にも登場し、衛星・NTNハブで扱っています。

本稿執筆時点のSigfox

Sigfoxは独自の超狭帯域ネットワークを運営していました。RCR Wirelessによれば、同社は2022年2月に管財人の管理下にありました。RCR Wirelessの報道によれば、2022年4月21日にトゥールーズ商事裁判所がUnaBizを新たな所有者として承認しました。Sigfoxのサイトは現在、Sigfox 0GをUnaBizが運営する技術として紹介しており、最新のニュースは2025年1月のものです。当サイトでは現在のカバレッジや事業者に関する数値を確認できなかったため、Sigfoxを前提に設計する前に、自国のネットワーク事業者に確認してください。

デューティサイクルと電池寿命

欧州では、863〜870 MHz帯の短距離無線機器に関する整合規格はETSI EN 300 220-2（V3.2.1）です。868.0〜868.6 MHzのサブバンドでは、デューティサイクル1%以下、またはポライト・スペクトラム・アクセスを条件に、25 mW e.r.p.が認められています。デューティサイクル1%は、1時間あたり36 sの送信に相当します。隣接するサブバンドの中には0.1%までしか認めないものもあります。ネットワーク事業者が独自の制限を加えることもあります。The Things Networkのデューティサイクルのページでは、公開サンドボックスのフェアユースポリシーとして、1デバイスあたり1日30 sのアップリンク・エアタイムと10回のダウンリンクを定めています。

電池寿命はデータシートの1行ではなく、収支計算です。送信1回ごと、受信ウィンドウ1回ごとの電荷、センサの読み取り、スリープ電流を合計し、電池の有効容量を1日の合計で割ります。スリープ電流と、各アップリンク後の受信ウィンドウが支配的になることがあります。LoRa Allianceの「10年以上」のような複数年にわたる数値は、有利な前提のもとでのベンダーの主張です。RazaらはLow Power Wide Area Networks: An Overview（2017年）で主要なLPWAN技術を比較しています。AdelantadoらはUnderstanding the Limits of LoRaWAN（2017年）で、デューティサイクルがネットワーク容量をどのように制限するかを示しています。

どこから始めるか

LPWANの設計はリンクバジェットの計算そのものなので、まずデシベルとリンクバジェットと雑音・SNR・通信路容量から始めてください。LoRaWANのリンクバジェットとカバレッジのプロジェクトでは、これを実際の展開上の問題に適用します。リンクバジェットと雑音のハブとデシベルとリンクバジェットのリファレンスに公式がまとめてあります。長距離リンクで情報を送るフィールドロボットについては、Robotics Field Guideの空中・フィールドロボットのハブで扱っています。

ツールとプラットフォーム

ツール	用途	ライセンスまたは利用条件
USP	Semtechが保守する無線・LoRaWANソフトウェアプラットフォーム。LoRaMac-node（2026年11月2日にアーカイブ）の後継	Clear BSD
The Things Stack	The Things Networkの公開サンドボックスを支えるLoRaWANネットワークサーバ	ベンダーの利用条件を参照
ChirpStack	オープンソースのLoRaWANネットワークサーバ	MIT
LoRa Allianceリソースハブ	LoRaWANと地域パラメータの仕様	LoRa Allianceの利用条件

プラットフォームのハブ：オープンソースツール、Nordic Semiconductor、Qualcomm。

よくある間違い

最高のデータレートを想定しながら、最良ケースの受信感度で設計する。
メッセージレートを決める際にデューティサイクルを考慮し忘れる。デューティサイクルは各デバイスを制限し、ゲートウェイのダウンリンクを通じてネットワーク全体も制限する。
免許不要のネットワークを保証されたサービスとして扱う。干渉源や他の利用者が同じ帯域を共用している。
根拠となる電流プロファイルとメッセージレートを示さずに電池寿命を述べる。
NB-IoTやLTE-Mのモジュールがどのネットワークでも動作すると思い込む。現地の事業者が対応するバンドと機能を確認する。
ある地域の周波数プランを別の地域で使う。LoRa Allianceの地域パラメータは国によって異なる。

さらに深く

Raza、Kulkarni、Sooriyabandara、Low Power Wide Area Networks: An Overview、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2017年。
Adelantadoほか、Understanding the Limits of LoRaWAN、IEEE Communications Magazine、2017年。
ETSI EN 300 220-2 V3.2.1、25 MHz〜1000 MHzの短距離無線機器。
3GPP、The Cellular Internet of Things。