if-up 2017 | A1：IoT通信の選択肢とLoRaWANに見るデバイス開発のポイント

IoT通信の選択肢と
LoRaWANに見るデバイス開発のポイント
if-up 2017 A1セッション
2017/4/20 13:00-13:45
株式会社ソラコム事業開発マネージャー大槻健

#ifup2017
トラックA： #ifup2017a
トラックB： #ifup2017b
本日のハッシュタグ

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大槻健
株式会社ソラコム事業開発マネージャー
[経歴]
国内通信キャリアにて携帯電話/SIMカードエンジニアとして
10年超勤務しベアラプロトコル、SIMの開発・仕様策定に従事
現在は株式会社ソラコムにてSIMの開発及び
新規通信規格(LoRaWAN等)の事業/技術開発を推進中
自己紹介

• IoT時代の通信システム
• Bluetooth, Zigbee, Wi-SUN
• WiFi, WiFi-Halow
• Cellular (3G/LTE)
• LPWA
• Cellular: Cat0, CatM1, NB-IoT
• Non-Cellular: Sigfox, LoRaWAN
• LoRaWANにおけるデバイス開発のポイント
Agenda

IoT時代の通信システムとは
各方式の特徴解説

センサー
デバイス/
ゲートウェイ
通信
サーバー・
クラウド
アプリケーション
一般的なIoTシステムの構成
IoTを構成するコンポーネントは多岐に渡る
その中でもコアとなる通信方式として
IoTに適しているものは何か？

IoTで利用される主な通信方式
カテゴリ名称通信距離通信速度商用利用
PAN BLE 10m ~1Mbps Ready
Zigbee 100m ~250Kbps Ready
Wi-SUN 500m ~200Kbps Ready
LAN Wi-Fi 30m ~866Mbps Ready
Wi-Fi Halow 1km ~4Mbps 2018?
WAN Cellular (3G/LTE) 2km ~600Mbps Ready
Cat0, CatM 10km ~1Mbps Ready
NB-IoT 20km ~62kbps 2017 2H?
Sigfox 20km ~100bps Ready
LoRaWAN 10km ~250Kbps Ready

各方式の位置付け
消費電流
通信距離
セルラー
3G, LTE
WiFi
PAN
BLE, Zigbee, Wi-SUN
LPWA
LoRaWAN, SigFox
Cat.0, M1, NB-IoT
100mA
10m 30m 1km 10km
20mA
通信速度
100bps
1kbps
1Mbps
10Mbps
450Mbps
NFC
RFID

BLE (Bluetooth Low Energy)
• IEEE 802.15.1 + Bluetoogh SIG
• 2.4GHz
• 従来のBluetooth (Classic)と比べて、低コスト、
シンプルなプロトコル、省電力
• 通信距離：最大10m
• データレート：最大1Mbps
• 普及度の高さから対応製品も多く、スマホ・ウェ
アラブルデバイスなどコンシューマ製品との親和
性も非常に高い
• Non-IP Stack*のため一般的にはゲートウェイ経由
での通信
PAN系通信方式 (1/2)
Zigbee
• IEEE 802.15.4+Zigbee Alliance
• 2.4GHz
• センサーネットワークでの利用を想定
• データレート：最大250kbps
• Router Nodeによりマルチホップに対応し、メッ
シュネットワークを構成可能。また、Sleepから
の即復帰、低消費電力
• Zigbee IPからは6LowPANによるIP stack対応も既
存Zigbeeとは互換性なし

Wi-SUN
• IEEE 802.15.4g + Wi-SUN Alliance
• 920MHz
• HEMS(Home Energy Management System)、ス
マートメータでの利用が想定。日本では後者が電
力系を中心に採用されつつある (B route)
• Zigbee同様、マルチホップ通信によるメッシュ
ネットワーク化、特定アプリケーション向けの専
用プロファイル規定があるのが特徴
PAN系通信方式 (2/2)
Bルート
HAN
HEMS
コントローラ

WiFi
• IEEE 802.11n
• 2.4GHz
• MIMO対応（1~4本）
• データレート：最大150Mbps / 1 stream
LAN系通信方式
WiFi Halow (ヘイロー)
• IEEE 802.11ah
• 920MHz
• 通信距離：最大1km
• データレート：最大4Mbps
• 既存のWiFIと比べ同時接続数の向上、低消
費電力化を実現
• センサーネットワークや前述の802.15.4g
ネットワーク(Wi-SUN)のバックホール用途
• 昨年末(2016)に仕様策定が完了。対応製品
は2018年以降を想定
WiFi
• IEEE 802.11ac
• 5GHz
• MIMO対応（1~8本）
• データレート：最大866Mbps / 1 stream

WAN系通信方式
Cellular (3G/LTE)
• 3GPP
• 日本以外の第2世代の主流方式であったGSM Network architectureをベースに発展
• 通信距離：セル設計次第（数百～3km程度）
• データレート：384kbps~600Mbps
• SIMカードをベースにした強固なセキュリティとハンドオーバー、電力制御によるモビリティの実現
3G (WCDMA)
LTE

Cat-0
• 3GPP R12
• MTC: Machine Type
Communication
• データレート：
1Mbps（DL/UL）
• アンテナ：2本→1本
（MIMOは利用しない）
• 全二重から全二重/半二重
の通信モード採用+ eDRX、
PSMによる省電力機能を
追加
LPWA：Cellular-licensed系方式
Cat-M1
• 3GPP R13
• 運用周波数帯域の狭帯化
(20MHzから1.4MHzへ）
0.8/1Mbps(DL/UL)
• eDRXを最大43分に
• 繰り返し送信(Repetition)
によりリンクバジェットが
既存LTE+15dB
NB-IoT
• 3GPP R13
• 半二重モードのみ
• 運用周波数が180kHzに
（3つの周波数運用方式）
26/62kbps (DL/UL)
• リンクバジェットが従来
LTE+ 20dB
• eDRXを最大2.91時間に
• モビリティなし
（Hand Overなし）

省電力実現のためのeDRX, PSMとは？

Cat-0
• 3GPP R12
• 別称MTC=Machine Type
Communication
• データレート：1Mbps
（UL/DL）
• アンテナ：2本→1本
（MIMOは利用しない）
• 全二重から全二重/半二
重の通信モード採用+
eDRX、PSMによる省電
力機能を追加
LPWA：Cellular-licensed系方式
Cat-M1
• 3GPP R13
• 運用周波数帯域の狭帯化
(20MHzから1.4MHzへ）
0.8/1Mbps(DL/UL)
• eDRXを最大43分に
• 繰り返し送信(Repetition)
によりリンクバジェットが
既存LTE+15dB
NB-IoT
• 3GPP R13
• 半二重モードのみ
• 運用周波数が180kHzに（3
つの周波数運用方式）
• データレート：26/62kbps
(DL/UL)
• リンクバジェットが従来
LTE+ 20dB
• eDRXを最大2.91時間に
• モビリティなし（Hand
Overなし）
消費電流は Cat.0 > Cat.M1 > NB-IoT
受信感度は Cat.0 < Cat.M1 < NB-IoT
Hand overあり (移動OK) Hand overなし (原則定点)

LPWA：non-Cellular / unlicensed系方式
#http://www.kccs.co.jp/sigfox/
Sigfox
• フランスSigfox社
• 920MHz
（UNBによる狭帯域通信：100Hz）
• 広域通信（~20km）
• 低消費電力
• 1日Max140回の上り通信
（日本では下り通信は現状非提供）
• データレート：最大100bps
• マルチホップ機能なし
LoRaWAN
• LoRa Alliance
• 920MHz
• 広域通信（~10km）
• 低消費電力
• Device主導の通信 (Uplinkから通信開
始）、双方向
• マルチホップ機能なし
• IPではなくDev Address (32bit)で管理
#LoRa Alliance

IoTに最適な通信方式とは？
通信距離
データ量
通信頻度
消費電力
モビリティ
IPの有無
通信方向
(1/2 way)
クラウド
連携
どの要素を重要視するか、実際のユースケースから
最もマッチする方式を選択するべき

上記のような条件であればLoRaWANを推奨
通信距離
(Km order)
データ量
(数Byte:雨
量)
消費電力
通信方向
(2 way)
クラウド
連携
UART LoRaWA
N
HTTPSCellular
通信頻度モビリティ
IPの有無

上記のような条件であればCellular (3G/LTE or Cat.0/ Cat.M1)を推奨
通信距離
(数百~km)
データ量
(数
100kbyte)
IPの有無
通信方向
(2 way)
クラウド
連携
通信頻度
消費電力
モビリティ
Cat.0
HTTPSCellular

とはいえ、1つの方式に拘ると失敗するので..
今後は複数方式を掛け合わせて
相互補完できるフレキシブルな構成も
増えてくると想定
Zigbee
WiFiZigbee
Cat M1LoRaWANBLE
BLE
BLE

LoRaWANにおけるデバイス開発のポイント
仕様解説と開発時のTips

LoRaWANは、LPWA(Low Power Wide Area Network)と呼ばれ
る無線通信規格の1つで低消費電力・長距離伝送が特徴
その特徴により、セルラー通信と並んで、IoT用途において注目
されている
LoRaWANの技術仕様は、 LoRa Allianceにより公開され、他の
類似規格に比べ、グローバルかつオープンな通信方式
ソラコムはLoRa Allianceメンバーとして2017年2月より日本に
おけるLoRaWAN商用サービスを展開中
LoRaWANとは？Why did SORACOM select LoRaWAN?

2016年5月にLoRaWAN事業への参入発表
◯数Km
LoRa Module LoRa Gateway
◯免許不要
(920MHz利用)
◯乾電池で数年稼働
◯安価なModule
☓通信速度は遅い
Low PowerなのにWide Areaという相反する特徴

全国十数か所にて実証実験を実施

SORACOM AirのLoRaWAN対応
インターネット
3G/LTE
基地局
LoRa
ゲートウェイ
セルラー
デバイス
LoRa
デバイス
LoRaWAN(長距離)
SORACOM Air
for セルラー
SORACOM Air
for LoRaWAN
New!
注) SORACOM AirにAir Typeという概念が追加

デバイス管理、及び取得データのサーバー連携、収集に対応
インターネット
LoRa
ゲートウェイ
LoRa
デバイス
LoRaWAN(長距離)
LoRaデバイスを
Webコンソールで管理
SORACOM
Funnel
SORACOM
Beam
アプリサービス連携
サーバー/ク
ラウド
AWS/
Azure
SORACOM
Harvest
データの収集
＆
可視化

LoRaWAN Specification (Physical)
#LoRaWAN specification
AS
923

LoRaWANの物理層（変調方式 1）
• LoRa変調=スペクトル拡散通信の一種である，チャープ拡散方式を利用
• DSと同様，拡散率を変更することで，Process gain得る
#LoRa Alliance

LoRaWANの物理層（変調方式 2）
• SF（Spreading Factor): 7-10を使用
数字が大きい方がProcess Gainが高い ⇒ データレートは遅くなる
伝搬距離(Process Gain)とデータレートはトレードオフ
• BW（帯域幅）:125kHz, 250kHz, 500kHzを規定
⇒日本では125kHzのみを使用
• 日本の場合920MHzのARIB規定も遵守が必要
DR=2(SF=10, 125kHz)で運用した場合、
一度に送れるアプリケーションデータは11Byte

LoRaWAN Specification (Class)

Classは3種類
ClassA・ClassB・ClassCの順番にLoRaデバイスが開放する受信用の無線Slot間
隔は広がっていく（開放時間が短いほど省電力）
Class Usage 特徴
A
• 全デバイスサポートの基本Class
• 1 Uplinkに対して、特定時間軸でDownlinkを受信
• バッテリ駆動を想定
Latencyは大きいが、
消費電力低
B
• ビーコン送信Class
• Class Aに加えて、Network主導のDownlink送信が可
能
唯一のDownlinkトリガ
オプション
C
• デバイスは受信スロットを常に解放
• 常時給電デバイス駆動を想定
Latencyは小さいが、
消費電力大

LoRaWAN Class A (主に利用するClass)
デバイスから上りのデータを受信した後のみNetworkは下りのデータを送信するこ
とが出来る。デバイスはデータ送信後、一定時間だけ受信装置(Rx1orRX2)を
Openすることで消費電流を抑制
Rx1 Rx2
RxDelay1
RxDelay2

Network Architecture
LoRaWAN
Network server
LoRaWAN
Gateway
LoRaWAN
Device
Application server
DeviceはGatewayと呼ばれる基地局と無線通信を行い、Gatewayは上位の
LoRaWAN MAC FrameをNetwork Serverまで中継
MAC LAYER [AES-ENCRYPTED] W/NTWSKEY
APPLICATION LAYER [AES-ENCRYPTED]
W/APPSKEY

LoRaWANデバイス開発時のTips

Developer向けのArduino開発シールド。ArduinoとGWがあれば検証にご利用可能
組み込み系お客様、エンドプロダクト開発のお客様にはモジュール単体もご提供
SORACOM LoRaWAN リファレンスデバイス
型番 AL-050
無線規格 LoRaWAN v.1.0.2 (AS923)
使用周波数帯 920.0 ~ 928MHz ISM Band
送信出力 20mW / 13dbm
無線準拠規格技術基準適合済（ARIB-T108）
電源電圧 DC 2.2 ~ 3.6V
動作温度 -40 ~ 85 ℃
サイズ 23.5(W) x23.2(L) x 3.1(H) mm
適合Arduino規格 Arduino UNO R3

• SORACOM管理の特別なLoRa Network Set
• 誰もがゲートウェイを
追加できて
• 誰もがデバイスを
繋げられる
皆様と共に作るみんなの
IoTのためのネットワーク！
SORACOM LoRa Space (共用可能なLoRa Gateway)

SF=10の場合、実際に送れるPayload=11Byte (Sensitivity=-137dB)
SF=7に下げればPayload=242Byteまで上げることが出来るが…
受信感度は-132db(5dB減)になる→通信距離は約半分に
⇒Wide Area確保にはSFを高めに維持する必要あり
LoRaWANにおけるデータ送信時の注意事項
SF=10, 11Byteでどのように運用すべきか？
1) SFの変更によるmax Payloadの拡張
2) 送信データの最適化
マイコン
センサ
LoRaWAN Module
TX RX
RX TX

1) JOIN ACCEPTにおける周波数アサイン（33Byte）の場合
LoRaWAN
Network server
/JOIN server
上りも下りも11Byteを超過している… (Header込みでUL:23/DL:33 Byte)
そのため、JOIN時に限りSF7で運用することで一時的に
送信可能なMax payloadを拡大して処理を行う
JOIN REQUEST
[AppEUI(8) | DevEUI(8) | DevNonce(2)]
JOIN ACCEPT
[AppNonce(3) | NetID(3) | DevAddr(4) | DLSettings(1) | RxDelay(1) |
CFList(16)]
AppKey
AppEUI,
DevEUI
AppKey
AppEUI,
DevEUI
LoRaWAN
Device

温度・湿度でも4+4=8Byte(<11Byte)なので、
センサから得られた値をそのまま
LoRa Moduleに転送が可能
2-1) 温湿度センサーの場合（～11Byte）
Serial
LoRaWA
N
HTTPSCellular
Arduino UNO
温湿度センサ
LoRaWAN Module
TX RX
RX TX

センサーからのraw dataを取ると
NMEA formatで膨大なデータ量に…
2-2) GPSセンサーの場合（11Byte～）
Serial
LoRaWA
N
HTTPSCellular
Arduino UNO
GPSセンサ
LoRaWAN Module
TX RX
RX TX
11Byteムリ…
→何が必要で何が不要か

1. Tiny GPS libraryを使う→ArduinoがNMEA formatをparse
2. Tiny GPSの関数で緯度経度高度を引く事で最低限のデータのみを抽出
3. 取得したデータをLoRa Module側に引き渡し（Float型なら計8byte)
正直欲しいのは座標（緯度/経度）だけ
GPSの精度はどこまでを求めるか？
緯度(latitude)をfloat型で取る場合2^32bit の情報量だが..
緯度=xx. yy xxxxxxxxx.. であり、小数点以下5桁までの情報で約1mのオーダー
の位置精度を把握することが可能 (xx.00000)
→その場合緯度の最大値は90*10^5 < 2^24 つまり24bitあれば1mオーダーの座
標情報を得ることができる（概算ですが..）
Lat=24 bit Longitude=25 bit
Lat=32 bit Lat=32 bit64bit
49bit
15bit程度のデータ削減が可能
→他のデータ要素を入れるスペースに

SORACOM LoRa GWの場合、time stamp/RSSI/SNRはGW側で自動的
に付与
デバイス以外に任せられるデータはGW・クラウドに任せる！
LoRaWAN
Gateway
LoRaWAN
Device
SORACOM
Funnel
SORACOM
Beam
サーバー・クラウド連携
サーバー/ク
ラウド
AWS/
Azure
SORACOM
Harvest
データの収集
＆
可視化
 センサ連携(コアデータ)
 データの最適化
 DataRateの指定
 再送制御
 メタデータ付与
(time stamp,
RSSI/SNR etc)
デバイス側で諦めたデータはどうするのか

新機能：BeamでdevEUI・署名情報の付与が可能に！
SORACOM
Funnel
SORACOM
Beam
サーバー・クラウド連携
サーバー/ク
ラウド
AWS/
Azure
SORACOM
Harvest
データの収集
＆
可視化
BeamからのHTTPカスタ
ムヘッダにLoRa deveuiと
署名も付与可能に
New!

• 通信方式は適材適所で
• LoRa開発用Arduinoシールドを提供中
• 共有のLoRa GWですぐにお試し可能
• データの送信サイズ制限によりアプリケーションによっては
マイコン側でのデータ最適化が求められる
• コアデータ以外のメタデータはGateway、クラウド側に任せる
ことでより効率のよいシステム構成に
本セッションのまとめ
LoRaWAN+クラウドによりIoTを始める敷居がさらに低下
まずはデバイス1台から始めてみませんか

ご清聴ありがとうございました

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