今さら聞けないLoRaWAN、他のLPWAとの違いも解説

IoTの分野で活躍する低消費電力・長距離の通信技術、LPWA(Low Power Wide Area)。LTE-MやNB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETAなどさまざまな通信規格が存在する。本稿では、IoTの黎明期から注目されてきたこれらの通信技術の特徴や違いについて、あらためて詳しくふりかえる。さらに後半では、実用性の面からLoRaWANに焦点をあて、その特徴やユースケースを解説する。

本記事は、LoRa Allianceの一員である株式会社インターネットイニシアティブ(IIJ)の協力のもと作成しています。

LPWAとは

LPWAの特徴

LPWAはLow Power Wide Areaの略で、低消費電力と長距離通信を特徴とする通信技術の総称だ。LPWAという通信規格そのものがあるわけではない。

LPWAの通信は基本的に低速であり、通信速度は100kbps(bit per second※)以下の規格が多い。センサーデータの送受信や簡単な機械制御の信号通信、超高圧縮画像(静止画)などの用途に使われる。同じ用途で100kbps~10Mbpsの通信速度が可能な通信規格には、LTE、3G、Wi-SUN、Bluetoothなどがある。

※1kbps: 1秒あたりに 1000bit の情報を転送できるという意味。

LPWAのメリット/デメリット

LPWAのメリットはその名の通り、「低消費電力」(Low Power)と「長距離通信」(Wide Area)だ。

低消費電力

端末からどれくらいの頻度でデータを送信するか(通信回数)にもよるが、基本的には、単三電池2本で1年間は動かし続けることが可能。また、ソーラーパネルなどの技術を使うことで、半永久的に動作することもできる。

LPWAが省電力である理由として、次の3つの技術があげられる。

LPWAが省電力である3つの理由
  • 通信方式の工夫:上り通信のみに特化するなど、通信回数を減らす仕組み
  • 電子回路の工夫:電力消費を抑えるための専用の回路設計、シンプルな構造
  • 制御構造の工夫:通信していないときは電源をカットするなど、不要な電力を消費しないための仕組み

一方で、省電力に特化したLPWA通信には、当然デメリットもある。それは、データの送信回数や通信量が制限されることだ。

たとえば、1分に1回データを送信するといったリアルタイム通信には向かない。あくまで、センサーの置かれている状態のデータを一定の間隔(30分に1回または1時間に1回などが多い)で送信する、あるいは必要なときにセンサーを呼び起こして、状態を確認するといった用途に向いている。

また、端末の制御(下り通信)において、実装できる機能には制限がある。もしくは、そもそも下り通信は行えない規格もある。

長距離通信

長距離通信がうたわれるLPWAだが、実際に通信できる距離については、基地局の設置場所や見通し(遮蔽物の有無)などに大きく依存する。

また、金属製の筐体の中または金属の近隣においては、電波が乱れたり遮断されたりすることで通信距離が短くなる。あるいは通信ができないということもある。

以上の点から、センサーや基地局の設置を検討する際には、その設置環境や基地局から端末の設置場所までの見通しを、あらかじめ詳細に確認しておくことが重要となる。

また、あとで説明するように、LPWAの中でも通信規格によってその通信距離は大きく異なる(条件や規格の違いに応じて、1km~100kmの距離の幅がある)。

LPWAが長距離通信である理由として、次の3つの技術があげられる。

LPWAが長距離通信である3つの理由
  • 無線通信の独自技術:各通信規格で独自に開発された技術がある
  • 長距離通信に強い周波数帯の利用:免許不要帯域のうち、920MHz帯などを採用
  • 速度を犠牲にした設計:速度を犠牲にすることで、通信の信頼性を向上

ただし、以上のメリットも、裏を返せばデメリットにもなりうる。たとえば、LPWAは広域での信頼性の高い通信を担保するため、通信速度は他の一般的な通信方式(Wi-Fi、LTEなど)よりは遅い設計となっている。また、十分な通信距離を確保するために、基地局の設置設計やアンテナ設計など、十分なチューニングが必要になるケースもある。

LPWAの種類

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LPWAの各通信技術の比較(すべての規格を網羅しているわけではない)。通信バンドの違いでは、「ライセンス型」にLTE-MとNB-IoT、「アンライセンス型」にSigfox、ELTRES、LoRa、ZETA、Wi-SUN、Wi-Fi HaLowなどが分類される。また、運用方式の違いでは、「サービス提供型」にLTE-M、NB-IoT、Sigfox、ELTRES、「基地局提供型」にLoRa、ZETA、Wi-SUNなどが分類される。

ライセンスバンド型/アンライセンスバンド型

LPWAの通信規格には、ライセンスバンド(免許が必要な帯域)を使う場合と、アンライセンスバンド(免許が不要な帯域)を使う場合の2種類がある。

ライセンスバンドは、携帯キャリア(ドコモ、KDDI、ソフトバンク、楽天)が総務省から割当を受けて利用することができる帯域で、2.1GHz、1.5GHz、800MHz、900MHzなどが該当する。

一方、アンライセンスバンドは認証を受けた機器であれば、誰でも自由に利用することができる。5GHz、2.4GHz、920MHz、430MHzなどが利用可能だ。

ライセンスバンドを使うLPWAの通信規格には、LTE-MとNB-IoTがある。また、アンライセンスバンドには、Sigfox、ELTRES、LoRa、ZETA、Wi-SUNなどがある。

サービス提供型/基地局提供型

また、LPWAはそれぞれの通信規格において、利用者はセンサーを購入するだけでよく、通信インフラそのものは事業者が用意してくれる「通信サービス型」と、基地局を利用者自身が設置できる「基地局提供型」の2つに分けられる。

「通信サービス型」は、事業者が自前で基地局を運用する必要がないため、簡単にLPWAの通信サービスを利用できるというメリットがある。ただし、その通信サービスがネットワークを整備していない地域(たとえば都心部から大きく離れた屋外での利用シーンなど)では利用できないという場合もあり、注意も必要だ。

一方、「基地局提供型」では、基地局を運用する「電気通信事業者」になることで、自前で使う分には通信費用がかからない。またサービス提供することで収益を得ることも可能。つまり、基地局をほぼ「大きなWi-Fi」と同じような感覚で自由に利用することができるのだ。

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「農業」における基地局提供型LPWAのモデル。基地局自体は「自治体」が保有しながら、その具体的・専門的な業務は外部の「電気通信事業者」に委託する。このモデルにより、「農家」は自身の農地に設置するセンサーの管理やデータの利活用だけに集中することができる。

ただし、「基地局提供型」は、設置・構築の自由度は高いものの、基地局の保守・運用は利用者自身で行う必要があり、これにはある程度の専門性が必要となる。そこで、基地局自体は自治体や企業が保有しながら、その具体的・専門的な業務は外部の電気通信事業者に委託するというモデルも広がってきている(上に「農業」のモデルを示した)。

さまざまな通信規格

ここでは、LPWAのさまざまな通信規格の特徴について紹介する。

LTE-M

LPWAの中でも最大の通信速度をもつ(最大1Mbps)。画像や容量の大きなファイル転送にも利用可能。ライセンスバンド型/サービス提供型のLPWAの規格であり、携帯通話エリアであればどこでも通信サービスを使うことができる。

NB-IoT

LTE-Mと同様、ライセンスバンド型/サービス提供型のLPWAの規格で、携帯通話エリアであればどこでも利用できる。通信速度は100kbpsで、LTE-Mよりは容量の小さなデータ送受信に使われる。

たとえば、河川の水位センサーなど、少ない頻度で端末とネットワークが接続されるような用途に適している。現時点(2021年11月)では携帯キャリアの中でソフトバンクだけが、NB-IoTを活用したサービスを提供している。

Sigfox

フランス SIGFOX 社が提供するLPWAサービス。日本ではアンライセンスバンドの周波数帯920MHzが用いられる。通信サービスのライセンス提供は1国につき1社までとされており、日本では京セラコミュニケーションシステムズが担当している。

事業者は自前で基地局を設置する必要がなく、簡単に通信サービスの利用を始めることができる。通信速度は100bpsと小さいが、その到達距離は10 km以上で、スマートシティなどの広範囲での利用が期待されている。

ELTRES

ソニーが独自開発したLPWAの通信サービス。Sigfox と同様、アンライセンスバンド型/サービス提供型。利用者は対応端末を購入し、月額利用料金を支払うことで利用できる。

最大の通信距離は100 kmで、LPWAの通信規格の中でも最も広域だ。「高速移動体」(新幹線など)での利用にも対応しているほか、GNSS(汎地球測位航法衛星システム)の同期通信を活用していることから、高精度な位置情報の取得にも優れている。

ただし、下り通信には対応しておらず、またGNSSの同期通信を利用していることから屋内利用には使えない。

ZETA

中国 ZifiSense 社が開発したLPWA無線通信規格。後発の技術であることもあり、見通しの悪い環境で接続しにくいという既存のLPWA技術の欠点をカバーしている。すなわち、マルチホップ(中継局)を利用した切れ目のない多段通信や双方向通信に対応している。到達距離は10 kmにもおよぶ。

LoRaと同様、アンライセンスバンド型/基地局提供型。ZETAアライアンスに参加するパートナー企業から製品・サービスがリリースされている。

Wi-SUN

Wireless Smart Utility Networkの略。ZETAと同様、アンライセンスバンド型/基地局提供型。日本では920MHz帯が使用されている。

他のLPWA規格と比べると、通信速度と通信距離はそれほど大きくはないが、マルチホップ通信にも対応しているため、障害物にも強くてつながりやすいといった特徴をもつ。電気やガスなどのスマートメーターや、家庭内HEMS向けのネットワークとして普及している。

Wi-Fi HaLow

「Wi-Fi HaLow(ヘイロー)」は、IEEE標準規格802.11ahとして定められた無線通信技術。日本国内では920MHz帯の周波数を利用。2021年11月より認証プログラムが開始された。アンライセンスバンド型/基地局提供型。

Wi-Fi HaLowは、Wi-FiとLPWAの両方の特徴をかねそなえた無線通信技術といえる。最大1kmの広域通信が可能であり、通信距離によっては画像・動画などの容量の大きなデータ通信にも対応。基地局提供型でありながら国際的なIPベースの規格であるため、専用のネットワークサーバが不要であり、またIPベースのさまざまな端末やアプリを活用し、手軽にネットワーク環境を構築することができる。

LoRaWANについて

ここからは、LPWA技術の一種であるLoRaWANの特徴やユースケースについて詳しく解説していく。

LoRaの特徴

LoRaは、米国の大手半導体メーカーであるセムテック社が開発した、LPWA無線通信のための周波数変調方式だ(LoRaそのものは無線通信規格ではなく、あくまで周波数変調方式を指す)。

ライセンスバンド型/基地局提供型。日本では920MHz帯(920~928MHz)を採用しており、事業者は自前で基地局を設置し、LoRaの無線ネットワークを導入することができる。

LoRaとLoRaWANの違い

LoRaWANは、LoRaの変調方式を採用し、デバイスからゲートウェイまでの通信方式・制御方式を定めた仕様(プロトコル)のことをいう。ただし、文脈によっては、LoRaをそのままLoRaWANと呼ぶ場合もある。

LoRaWANは、「LoRa Alliance」というオープン団体(第三者機関)で仕様が策定され、オープンソースとして公開されている。仕様に準拠した製品どうしであれば、異なるベンダーどうしでも相互通信が可能。LoRa Alliance による認証制度があり、LoRaWAN対応デバイスであれば相互接続性が担保される。

LoRa Allianceには世界中で400社以上の企業が加盟しており、それらのメーカーの機器とすみやかに接続できることも、LoRaWANのメリットの一つだ。

一般的なLoRaWANシステム

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LoRaWANを使ったシステムの概要図(例)。

LoRaWANを使うシステムは、主にセンサー、ゲートウェイ(基地局)、ネットワークサーバ、クラウドサービス(アプリケーション)から構成される。利用者はこれらの機能をすべて用意し、システムを構築する必要がある。

上の図に示したとおり、センサーで取得されたデータはLoRaWAN通信でゲートウェイに収集される。さらにそのデータはLTE/WAN/VPNなどの通信によってネットワークサーバに接続される。ネットワークサーバはゲートウェイを介してそれぞれのセンサーと接続し、ID管理やデータレート制御、チャネル割当てなど行うことができる。

そして、ネットワークサーバは外部のクラウドサービスとインターネットなどを介して連携することで、センサーから収集したデータのさまざまな利活用が可能となる。

なお、ゲートウェイから外部のクラウドサービスまでのセキュアな通信環境は、IoTプラットフォームを使って構築することが有効だ。これについては別途下記の記事を参照してほしい。

「IoTプラットフォーム」とは何か、その機能やメリットをくわしく解説

LoRaWANの課題

LoRaWANの最大の特徴は、事業者が自前で基地局を運用できることにある。すなわち、それはどんな企業や自治体でも基地局を保有すればIoTの通信サービスをつくれるということであり、ゆえにLoRaWANはIoTが普及するための起爆剤になるはずだとして、日本への導入当初は大いに期待された。

しかし実際には、電気通信事業者として登録し、数千台の基地局を運用するためには莫大な投資が必要となる。携帯電話ほどデバイスが普及していない現状では、運用はまだかなり厳しいというのが現状だ。

また、山の上などの見通しのよい場所に基地局を設置すれば、100 kmもの広域通信が可能であるということも期待された。しかし実際には、山に基地局を設置するといっても、そのための許可申請、工事費用、保守費用は高額になる。また、見通しが少しでも悪い場所は接続ができないため、そううまくはいかない。

LoRaWANに期待されること

つまり、LoRaWANの課題は、LoRaWANの技術や可能性そのものというより、「(無条件に)どんなことでもできる」というような過剰な期待がなされてしまい、その本来の強みが理解されていないということにある。

では、LoRaWANの強みとは何であろうか?

屋内・屋外問わず、数百~数千のセンサーを手軽に接続

LoRaWANはLTE-Mなどとは違い、大量のデータ送受信には向かない(動画像、音声等は難しい)。

また、Sigfoxのように10 km以上の広域通信が得意というわけでもない。高所に設置する場合、見通しがよければ10km以上飛ぶことはあるが、基地局の専門的な設計・設置ノウハウが必要である。

ただし、1 km程度の範囲であれば、屋内・屋外問わずに簡単に接続できてしまう。実はこの点が、LoRaWANの強みなのだ。

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LoRaWANが最も得意とするのは、ビルや大型店舗、物流倉庫、工場のように、大きな建屋の中にたくさんのセンサーを配置するような環境。

たとえば、ビルや大型店舗、物流倉庫、工場のように、大きな建屋の中にたくさんのセンサーを配置するような環境において、あまり綿密な電波シミュレーションや実測テストをせずとも、基地局(ゲートウェイ)やセンサーをとりあえず置いてみるだけで、全体のネットワークを簡単に網羅できてしまう。

また、基地局(ゲートウェイ)を自前で保有できるということは、基地局を好きな場所に自由に置けるということだ。たとえば、大型店舗にある数百台の冷蔵庫にセンサーを設置し、温度を管理したいというような場合。その接続性は基地局の場所に大きく依存する。

このとき、他社の通信サービスを利用する中で特定の場所の接続性が悪い場合には、事業者としてできることは限られてしまう。しかしLoRaWANの場合には、基地局の場所を自由に調整できるため、その接続性を担保することができるのだ。

オープンな技術仕様により、相互接続性が担保される

LoRaWANのベースとなる技術を開発したセムテックは、LoRa変調方式を組みこんだ通信チップのみを提供している。それ以外のセンサー、通信モジュール、基地局(ゲートウェイ)、クラウド、アプリなどはすべてオープン方式であり、各ベンダーが自由に開発できる。

そのため、デバイス間やレイヤー間(センサー⇔通信モジュール⇔ゲートウェイ⇔アプリ)の相互接続性が担保しやすく、いざというときに代替可能な手段を用意することができる。

たとえば、Aという事業者が、BというメーカーのLoRaWANゲートウェイを使用していたが、Bがあるときその提供をやめてしまったとする。しかしこの場合でも、LoRaWANに必要な技術の仕様は、すべてLoRa Allianceというエコシステムでオープンに公開されているために、事業者Aは他のメーカーの機器に容易に乗り換えることが可能になるのだ。

LoRaWANのユースケース【事例】

以下はすべて、実際に運用され、成果も見出されている実例をもとにしたユースケースである。

水田の水管理

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LoRaWANを活用した水田の水管理の事例。

上の図は、「水田の水管理」の事例の概要図だ。従来では、農業従事者が広大な水田に足を運び、水位や水温を測定していた。しかしセンサーを設置し、その状態を可視化することで、水田に行く労力を削減することができる。

また農地の場合、ゲートウェイ(基地局)に供給する電源の確保が難しいという問題があるが、省電力性に優れたLoRaWANを使うことで、ソーラーパネルによる太陽光のエネルギーによって半永久的に稼働させることができる。

また、LoRaWANはダウンリンク通信(下り通信)を念頭にして開発されていることもあり、各種農業機器(たとえば、上図の事例では自動給水弁)の制御にも適している。

こうしたスマート農業の分野では、多数のセンサーを接続するケースが多い。そのため、センサー1台毎の課金モデル(サービス提供型)では、契約や支払い、通信費用などの管理が煩雑になってしまう。

LoRaWANのように基地局提供型のLPWAを利用すれば、料金体系をシンプルにすることができる。さらに、最初は単一農家での利用からスタートしつつも、後にスケールアップして、自治体やJA(農業協同組合)などと連携した運用へと移行することもできる。

また、記事前半で説明したように、自治体自身が基地局運営を担うことも可能。この場合、それぞれの農家は、自身の農地に設置するセンサーの管理やデータの利活用だけに集中することができる。

冷凍/冷蔵庫の温度管理

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LoRaWANを活用した冷凍/冷蔵庫の温度管理の事例

2018年6月に可決した改正食品衛生法によって、食品事業者でHACCPに則った衛生管理手順をもうけることが義務化された。そこで、衛生管理工程の1つである食品保管時の温度管理についても効率的に実施・運用したいという声が増えている。

LoRaWANを使うことで、ショッピングモール内にある数百台の冷凍庫や冷蔵庫、冷ケースにとりつけたセンサーから温度の状態を遠隔監視し、また自動的に記録することができる。

たとえば、以前は1日に3回ほど、担当者が温度計を見てその数値を紙に記帳していたのに対し、LoRaWANセンサーを磁石で冷蔵庫にくっつけるだけで、1時間に1回といった高い頻度で安定的に温度データを自動収集し、管理することができるようになる。

ゲートウェイについては、たとえば建屋の中心に位置する冷蔵庫の上などに「ポンと置く」だけで、同フロアにある数百台のセンサーと接続が可能だ。

実際に、紙台帳への記載作業の人工削減、冷蔵庫巡回作業の撤廃、温度記録の記入漏れ・記入ミスの回避、記録用の紙台帳の撤廃といった効果が生まれている。

また、こうした屋内のIoT事例だと、有線ネットワークでデータを自動収集するという方法ももちろんある。ただし、その場合には配線工事などで数百万円規模の導入コストがかかる。それに対し、LoRaWANの無線通信は、センサーを対象の機器にとりつけるだけで、簡単にデータ収集ができてしまうため、導入のハードルはかなり下げられることになる。

ビルや店舗の管理

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LoRaWANを活用したビルや店舗の管理の事例

商業施設やホテルなど、ビル設備の稼働状況や空気環境を可視化するための通信技術としても、LoRaWANは利用されている。具体的には、室外機といった各設備の稼働状態や、テナントの温度、CO2環境を可視化することができる。

これにより、機器稼働状況から事前の設備メンテナンス計画の提案、実行が可能。また、CO2濃度のデータから換気を実施すべき最適なタイミングを把握したり、フロアの温度・湿度を把握し、買い物客、宿泊者といった顧客へ快適な環境を提供したりといったことが可能になる。

冷凍・冷蔵庫の温度管理と同様だが、LoRaWANは屋内での利用に向いており、基地局やセンサーを気軽に取り付けられるということが大きなメリットとなる。

LoRaWANを実際に利用するには?【実践】

以上の内容から、LoRaWANの特徴や実用性について、ある程度理解いただけたと思う。とはいえ、いざ使用してみるとなると、何をしてよいかわからないという人も多いだろう。実際には、次のようなプロセスが必要である 。

  1. 要件定義・機器選定
    • 要望に沿った機器選定、設置台数をどうするか検討を行う。
    • 平面図やMap情報があるのであれば、機器を設置したい場所を記入したプロット図を作成しておくと次以降のプロセスがスムーズに進む。
  2. 通信測定・現地確認・構成確定
    • 機器設置を検討している場所でLoRaWANの電波測定を行い、問題なく通信ができるか確認する。
    • 特にゲートウェイついては、高い場所や見通しの良い場所に設置する方がLoRaWANの電波到達範囲も広く確保でき、効率的な無線ネットワークが構築できるため、そのような場所に設置が可能か現地で確認しながら測定を実施する。
    • 電波測定、現地確認結果をもとに、機器の配置と設置台数が決まり、全体の構成が確定する。
  3. 導入準備
    • 機器の初期設定、回線やクラウドサーバーの環境準備を行う。
    • 各種設定が完了した段階で、通信、データ連携が問題なくできているか動作確認をする。
  4. 導入
    • 機器設置と現地での動作確認を行う。
    • 機器設置LoRaWANデバイスは大規模な工事をせずとも設置できる製品が多いのが特徴でもあるが、設置方法や場所によっては工事会社を手配するという選択肢もある。
    • 機器設置後、実環境で問題なく動作しているか確認を行う。
  5. 運用
    • 導入にあたり、利用者に「機器やアプリケーションの操作方法」や「障害時の一次切り分け方法」のレクチャーを行い、システムの運用ができるようにする。

LoRaWANは簡単な接続性が特徴であるとはいえ、こうしたプロセスをゼロから進めていくには、ある程度の専門性が必要となる。

株式会社インターネットイニシアティブ(IIJ)では、LoRaWANの利用に必要なすべてのプロセスを包括的にサポートしている。また、①電波測定デバイスの貸出や販売や②電波伝搬シミュレーションなど、部分的なサポートも行っている。

今さら聞けないLoRaWAN、他のLPWAとの違いもくわしく解説
①簡易的な電場測定デバイスを使用することで、PCやスマートフォン、インターネット環境がない現場でも測定可能。
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②電波伝搬シミュレーションの例。地図(国土地理院地図やGoogle Earth)や屋内平面図の情報からLoRaWANの無線電波到達範囲を3Dでシミュレーションすることが可能。建物や遮蔽物による電波到達の影響もシミュレーションできる。

LoRaWANの導入を検討している人は、下記のサイトなどを通して問い合わせてみてほしい。

IIJ LoRaWANソリューション
IIJ水管理プラットフォーム for 水田
IIJ LoRaWANソリューション for HACCP温度管理

また、センサーからアプリ(クラウド)までというIoTシステム全体から見れば、センサーからゲートウェイへのLoRaWAN通信というのは、一部分の機能にすぎない。IoTの活用においては、その目的とシステムの全体像を明確にしたうえで、個々の機能を詳細に検討していくことが望ましいとされている。

そこで、IIJではセンサーからゲートウェイ、IoTプラットフォーム、アプリケーションといったすべてのレイヤーを包括的にサポートしているほか、製造業や農業、スマートホームなどの分野に特化したパッケージ・ソリューションも提供している。詳細は以下のリンクを参照してほしい 。

【関連リンク】
IIJ IoTサービス
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