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線通信技術「LPWA(LPWAN)」とは?無線規格の種類やIoT活用事例をご紹介

無線通信技術「LPWA(LPWAN)」とは?無線規格の種類やIoT活用事例をご紹介

線通信技術「LPWA(LPWAN)」とは?無線規格の種類やIoT活用事例をご紹介

無線通信技術「LPWA(LPWAN)」とは

LPWAとは、「Low Power Wide Area」の頭文字を取った略語です。少ない電力で、長距離かつ広範囲の通信を可能とする技術を指します。

低電力の通信技術としてはBluetoothなども普及していますが、通信距離は10m程度です。LPWAを用いれば50km程度の通信も可能であるため、IoTの発展を支える技術のひとつとして注目されています。電力を確保しにくい場所でも活躍するでしょう。

既存公衆網利用にあたってのIoTの課題

現在IoTソリューションは爆発的に広まっており、Industrial4.0、スマート農業、HEMS・BEMS、ユーピーアールも目標として掲げるLogistics4.0等、無線通信ネットワークの利用を前提としたソリューションが業務効率化や情報リソースの活用に必須になってきています。

IoTシステムの広範囲での普及にはリアルタイムのデータ活用とコスト・環境等の制約が無いフィールドでのデータ収集が必須になります。現在の無線通信ネットワークは高速・長距離伝送が可能ですが、人がいるところを中心にインフラが構築されており、電源の消費が激しいという限られた環境・範囲でのデータ収集を実現するネットワークであり、かつ高い通信コストを支払う必要があります。

そのため、無線通信ネットワークがサービス利用のネックとなりIoTにおける市場の広がりが妨げられる要因になっているとも考えられます。

IoTソリューションに必要なデータ通信はごく小さいサイズのデータのやりとりであり、現在の無線通信ネットワークでフォローできていない山間部等のデータはリアルタイムデータに近い程の頻度で、頻繁に通信する必要もないケースが多いです。

そのため、低消費電力で低速・長距離伝送が可能なLPWA(Low Power Wide Area)の活用が注目を浴びております。

本稿ではLPWA(Low Power Wide Area)の代表的な活用例を紹介します。

無線通信技術「LPWA(LPWAN)」の3つの魅力

LPWAは伝搬特性が高く電力消費が少ないため、IoTデバイスをインターネットに接続する際に相応しい通信規格であり、従来の通信規格よりも低コストで運用できます。LPWAの主な導入効果は以下の3つです。

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  • 1. 優れた低消費電流性能によって少ない給電でも長時間稼働する

LPWAはLTEやWi-Fiといった既存の通信規格(無線通信システム)と比べて電力消費量が少ないため、一度の給電で長時間稼働させられます。
小型フォームファクタ蓄電池を利用して動力源に充てた場合でも、数年程度の動作継続性能があり、IoTを取り入れたデジタルデバイス向けの通信規格として国内外の多様な企業で実証・運用されています。

スマートフォンで利用されているバッテリーには5,000mAhの大容量な製品があり、連続待受時間を1ヶ月以上継続できるデバイスも存在します。
一方で電圧3.0Vのコイン形リチウムバッテリーは容量が250mAhほどであり、LPWAは小容量な小型フォームファクター蓄電池を利用しても年単位の動作継続が可能であるため、長期間利用に多くの給電を必要としません。

従来のIoT/M2MデバイスはLTEやWi-Fiといった通信規格を利用するケースがほとんどでしたが、既存の通信規格は本来IoT/M2Mデバイスで利用されることを想定した仕様ではありません。
そのため、デバイス間のデータ(パケット)通信は高速である一方、消費電力過多の課題がありました。
対してLPWAはIoT/M2Mデバイスで利用されることを想定した仕様であり、デバイス間のデータ通信速度を抑える代わりに高水準な低消費電流性能を実現した通信規格です。

  • 2. ナローバンド(狭帯域)の利用で10kmを上回る長距離通信が可能

LTEを筆頭とする従来の通信規格は一般的に10〜20MHzクラスのブロードバンド(広帯域)を利用しており、デバイス間の高速なデータ通信が可能です。
しかし、有効通信距離が狭いため、郊外や僻地でデバイスをネットワークに接続することが困難でIoT導入のハードルが高いという課題がありました。

LPWAは低速なナローバンド(狭帯域)を利用するため、10kmを上回る長距離のデータ通信が可能です。

例えば、ブロードバンドを利用するWi-FiやBluetoothは近距離でデバイスをインターネットに接続して大容量なデータ通信を試みる際に有効ですが、有効な通信距離はそれぞれ10〜300m程度です。
LPWAの通信距離はWi-FiやBluetoothといった従来の通信規格と比べ数十倍広く、IoTデバイスがオフラインになる心配はありません。

IoTデバイスのインターネット接続方式にLPWAを利用することで、都市部と比べてインフラが整備されていない郊外や僻地でもネットワークに接続できる環境を簡易に入手できます。
洋上におけるデバイスのインターネット接続も可能なので、ロケーションによるIoT導入の障壁を解決します。また、ライセンスが不要な規格を利用すれば企業に限らず個人規模でも導入できます。

  • 3. 多くのエンドデバイスをインターネットに同時接続して利用できる

LPWAはビットレートが低くLTEやWi-Fiなどに比べるとデータの通信速度が遅いですが、多くのエンドデバイスをインターネットに同時接続させられます。
LPWAを利用した上でデバイスのインターネット接続を試み、配送業における在庫管理やビニールハウスごとの温度測定など多数のデバイスを利用する際にコストを低減。
LPWAの利用で同時に100台のエンドデバイスを接続・運用が可能という大手通信キャリアの検証結果も示されています。

例としてLTEのビットレートは300Mbpsを上回る規格がほとんどであり、Wi-Fiの場合は1Gbps程度の高速な規格も存在します。
LPWAは大手通信キャリアで実証実験が行われた方式の規格でも250kbps程度であるため、従来の通信規格と比べると低速です。
しかし、IoTデバイスでは緯度経度情報や桁数が少ない数値などの小容量なデータを送信・受信するケースがほとんどであるため、LPWAのビットレートでも問題なく運用が実現。
ビットレートの向上を試みると同時接続数が減少するため、多数のIoTデバイスを運用する分野ではLPWAの仕様が相応しく、対にLTEやWi-Fiといった通信規格は不向きです。

無線通信技術「LPWA(LPWAN)」の4つの種類

LPWAは大別すると

  • 運用するに際してライセンスを必要とする規格
  • ライセンスが不要な規格

の2種類が存在します。主要なLPWAは以下の4種類です。

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  • 1. 【LoRaWAN】ビットレートは上下ともに0.3〜50kbps

大手通信キャリアの実証実験でも利用されたLPWAが「LoRaWAN」という規格であり、ビットレートは上りと下りともに0.3〜50kbpsほどです。
LoRaWANは主にアメリカの半導体メーカーおよびIBMが実用化した規格で、データ通信にはSub-GHz無線(1GHz以下の周波数帯)を使用します。通信距離は約10〜20kmとされており、また運用するに際してライセンスを必要としません。

Sub-GHz無線は低速ながら他の周波数帯域による干渉を受けづらく、伝搬特性が高いので安定したデータ通信を行えます。

Wi-Fiを筆頭とする従来の通信規格では複数の周波数帯が混在していると、それぞれのデータ通信を妨害してしまうケースがありました。しかし、Sub-GHz無線を使うLoRaWANでは、無数の周波数が飛び交う環境でもデバイスの動作に不具合が生じません。
さらにLoRaWANは待機時における低消費電流性能が優れており、実用時の1/100に抑制できるため、IoTデバイスの長期運用に相応しい規格として注目されています。

  • 2. 【Sigfox】ビットレートは上り100bps下り600bps

Sigfoxは2009年ごろからフランスで実用化されたLPWAであり、ヨーロッパに限らず日本を含むアジア諸国の物流やインフラで普及しつつある規格です。
Sigfoxのビットレートは上りが100bpsで下りが600bps程度であり、LoRaWANと同様に運用のライセンスが不要なSub-GHz無線にてデータ通信を行います。

Sigfoxは低速なので運用する台数が多いほど単一デバイスあたりに発生するコストが安価であり、UNB(超狭帯域)であるため最長50kmの長距離通信が可能です。
低消費電流性能も高いためIoT分野での活用に相応しい規格ですが、メッセージ容量および通信サイクルに1日あたりの上限が設けられています。

  • 3. 【LTE Cat.M1】ビットレートは上り1Mbps下り0.8Mbps

LTE Cat.M1はスマホのデータ通信などに利用されているLTEに準拠するLPWAの一種であり、ビットレートは上り1Mbps下り0.8Mbps程度です。
一般的なLTEの規格は高速通信を実現するために高周波数帯を使っていましたが、LTE Cat.M1は従来よりも狭い帯域を使い、低消費電流性能および伝搬特性を向上させてIoTデバイスのインターネット接続を想定した仕様に変更されています。

LTE Cat.M1は3つの組織から構成される3GPPによって標準化された通信規格であり、運用にあたってライセンスを必要とします。
また、通話が可能な仕様であるため、通話機能を備えたエレベーターや配送事業におけるトラッキングなどの分野における活用が有力とされている規格です。

  • 4. 【NB-IoT】ビットレートは上り63kbps下り27kbps

NB-IoTはLTE Cat.M1と同様にLTE準拠のLPWAですが、さらに狭小な180kHzの周波数帯を使うことでIoTデバイスのインターネット接続にフォーカスした仕様の規格です。
運用するに際はライセンスが必要であり、ビットレートは上り63kbps下り27kbpsで、通信距離は最大20km程度とされています。

NB-IoTは既存のLTEで使われている周波数帯を利用するため、すでにLTEのネットワークがある環境であれば新規構築する手間がかかりません。
低速通信なので電力やガスの使用量を測定するスマートメーターや、アプリによって駐車スペースの出庫管理を行うスマートパーキングなどに相応しい規格です。

そのほかの無線通信規格

4種類のLPWANのほかにも、IoTに使われる無線通信規格は存在します。代表的なものが、BLE(Bluetooth Low Energy)、SmartHop、RPMAの3種類です。

  • BLE(Bluetooth Low Energy)

BLE(Bluetooth Low Energy)とは、無線通信に使われるBluetoothの規格の一部で、小型・低価格・低消費電力という特徴を持っています。
そのため、LPWA(LPWAN)とならび、IoT機器やIoTソリューションに採用されています。Bluetoothが搭載されたデバイスの出荷数は、2017年の時点で40億個以上にのぼっています。

Bluetoothはスマートフォン、PCといった身近なデバイスをはじめとして、マウス・イヤホン・マイクといったパソコン周辺機器や、スマートウォッチやスマートスピーカーのようなIoTデバイスのほか、カーナビゲーションに搭載されています。
無線通信規格としては非常に普及しているものの1つであり、BLEの仕様が追加されてから、さらに接続用途が広がりました。

Bluetoothの規格にBLE(Bluetooth Low Energy)が追加されたのは、2009年12月のアップデート「Bluetooth4.0」以降です。もともとBluetoothは多くの製品に搭載されており、小型化・低価格化が進んでいたため、IoTに向いた特徴を持っていました。
しかし、有効な通信距離が10m以内と短く、高ビットレートのかわりに消費電力量が多いなど、制約も多い無線通信規格でした。

Bluetooth4.0のアップデートにより、まず消費電力量が大きく低下し、従来よりも少ない消費電力で長時間稼働させられるようになりました。BLEを搭載すれば、一般的なボタン型電池1つで、数年間もデバイスを連続稼働させられます。
そのため、スポーツやフィットネス分野でのウェアラブルデバイスや、医療現場で使われる医療機器やヘルスケア機器、省電力でコンパクトなビーコン(無線標識)など、半径数十メートル以内での接続用途を中心として採用が進みつつあります。

もともと、Bluetoothは通信速度が早い無線通信規格でしたが、2013年12月のアップデート「Bluetooth 5.0」以降、125kbps、500kbps、1Mbps、2Mbpsの4つのビットレートから、接続用途に合わせて規格値を選べるようになりました。
ビットレートが125kbpsの場合、最大通信距離は約400mです。400mの通信距離があれば、大規模な工場や生産施設でも、エッジデバイスとゲートウェイを接続し、センサーから収集したデータをインターネット上に転送することが可能です。
しかし、Bluetoothにつきものの有効接続距離の短さは完全に解消されたわけではありません。BLEの場合、通信速度が早くなり、通信距離が伸びれば伸びるほど、消費電力が犠牲になるという特徴があります。

つまり、両者はトレードオフの関係です。IoTシステムの要件である低消費電力を前提とすると、低速度・短距離での接続用途に限られる点は以前のBluetoothと同様です。近年はBluetoothルーターの開発が進んでおり、消費電力量を増やさず、長距離通信を可能として、Bluetoothの弱点を解消しようとする試みも存在しています。

  • SmartHop

IoTに使われる無線通信規格には、ベンダーが独自に開発したものもすくなくありません。そのうちの1つが、日本発のSmartHopです。
SmartHopは高い省電力性能を持ちながら、到達性・回折性が高く、広範囲におよぶマルチホップが可能な通信規格です。障害物があるような場所でも、大規模なIoTシステムが構築できるため、国内の大手メーカーを中心に技術開発が進んでいます。

SmartHopの最大の特徴といえるのが、920MHz帯の電波を利用する無線通信規格である点です。これまで、920MHz帯の利用には無線局への免許申請が必要でした。しかし、2012年7月の電波法の改正により、許不要となったため、産業用途での利用が進んでいます。
Wi-FiやBluetoothといった従来の無線通信規格では、2.4GHz帯の帯域が使用されていますが、920MHz帯は2.4GHz帯よりも通信可能な距離が長いという特徴を持ちます。また、到達性・回折性が高く、障害物がある場所でも電波が迂回するため、通信の安定性の点でも優れています。
2.4GHz帯とちがい、920MHz帯は大容量・高ビットレートでの通信には向いていませんが、小容量のセンサーデータのやりとりが中心のIoTシステムに搭載する場合、それほど大きなデメリットにはなりません。
むしろ、低ビットレートであるかわりに消費電力が低いため、IoTシステムを構築する場合は好都合です。
たとえば、10分間隔でSmartHopでの通信を行う場合、10年を超える電池駆動が可能なほどの省電力性能を持っています。自律電源駆動も可能であり、外部から電源が得られない僻地や山間部でも、IoTシステムの構築が可能です。

SmartHopのもう1つの特徴が、1対n通信が可能であり、1台のゲートウェイと数多くのエッジデバイスを接続できる点です。
SmartHopはマルチホップ通信に対応しているため、複数の中継機を経由(ホップ)することで、バケツリレーのように広範囲での通信が可能です。
920MHz帯の通信距離の長さや、到達性・回折性の高さも考慮すると、大規模な工場や生産施設のIoTシステムの構築に適しています。
SmartHopを採用すれば、障害物のない場所では1km以上、障害物のある場所でも数百メートルの範囲で、安定したネットワークを構築できます。
国内発の独自規格でありながら、40社以上のベンダーがSmartHopに対応したデバイスを開発しているため、デバイスの選択肢が多いのもメリットです。

  • RPMA

IoTシステムに使われる独自通信規格として、もう1つ注目を集めているのが、アメリカやオーストラリアを中心に採用が進むRPMA(Random Phase Multiple Access)です。
RPMAのターゲットはエネルギー産業です。RPMAが2012年に開発されてから、エネルギー会社、石油や天然ガスの油田、パイプラインなどで、急速に採用例が増えています。
RPMAは非常に広範囲の通信距離を持ち、数万台規模での1対n通信が可能なため、インフラ設備との相性がよいからです。

RPMAの最大の特徴が通信距離です。米国やオーストラリアの事例では、1つの基地局につき、約768平方kmのエリアをカバーしています。1対n通信にも対応しており、同時に数万台のエッジデバイスと接続可能です。
SmartHopと違い、2.4GHz帯の帯域を利用しますが、障害物の回り込み性能が高いという特徴もあります。たとえば、RPMAのモジュールが地下に設置されている場合でも、コンクリートをはじめとした障害物を透過し、安定したデータ通信が可能です。

また、RPMAはデータ伝送の帯域幅(スループット)が広く、単位時間あたりに送ることのできる情報量が多いのも長所です。
RPMAは1つのアクセスポイントにつき、最大で1万9000bps/MHzものスループットを持っており、これは従来のLPWA規格とくらべて約54倍にあたる数字です。
一方で、ビットレートはそれほど早くなく、アップロード時に31kbps、ダウンロード時は15.6kbpsですが、小容量のセンサーデータをやりとりするIoTデバイスであれば問題ありません。
低ビットレートのかわりに省電力性能に優れており、単3電池1本につき、デバイスが10年以上も連続で稼働します。
国内の導入事例はほとんどありませんが、2016年にスイスのベンダーからRPMAに対応した通信モジュールが販売されており、エネルギー産業を中心に今後導入が進んでいくと見られています。

LPWA(LPWAN)活用例【モバイルGPSデバイスとして】

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  • 低消費電流だからモノにつけやすい!

携帯電話や、スマートフォンにGPSが搭載され位置情報の管理や追跡、位置情報を利用したサービス等は既に一般的になっておりますが、位置追跡のニーズは「モノ」につける分野で非常に多く残されています。

但し、モバイルGPS端末は基本的には人が持つデバイスとして設計されることが多く、地図によるナビや高齢の方や子供の見守り等の定期的に電源を管理することが前提になっております。

そのため「モノのインターネット」であるIoTの分野ではモバイルGPSデバイスを既存の無線通信ネットワークで利用するのには向かないところがあります。

例えば

  • パレットやカーゴ台車等のマテハン機器の紛失対策⇒モノが大量にあるため充電の運用負荷が高い
  • メーカーからエンドユーザまでの商品の流通追跡⇒途中で人が介在することができないため充電できない
  • 店舗倉庫の商品盗難防止⇒いつ動くかわからないためできるだけ長時間稼働が望ましい

等のニーズでは、それ専用につくられていない専用サービス以外ではフォローできない分野とされてました。

LPWAを利用したデバイスであれば、低消費電流であるため一度の給電でモノによっては5年~10年は無給電で稼働させることが出来ます。

LPWA(LPWAN)活用例【僻地でのIoT導入の自営網として】

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  • 免許不要で長距離伝送できるから簡易基地局として利用できる!

「モノのインターネット」であるIoTの分野では人が頻繁に介在することができる、都市部よりも郊外・僻地にこそIoTを導入してモノを監視したい、制御したいという希望が多いです。

免許不要の簡易無線局は数百mほどしか伝送することが出来ず、公衆無線ネットワークは人が多いところを重点的にインフラ構築しているため、僻地でのIoT導入は有線でネットワークを引き込む必要がありました。

そのため、下記のようなIoTソリューションのニーズにはこたえることができておりませんでした

  • 山奥の建設現場や、採掘現場等でモニタリングを行う⇒圏外でかつ、回線引き込みが現実的な費用ではできない
  • 洋上の水温監視や、池や河川の推移監視など⇒水上に簡易的に無線ネットワークを設置する方法が限られる
  • 農場や牧場などの遠隔監視・遠隔制御⇒地面・上空ともにケーブルを敷設するべきではない

LPWAを利用したデバイスであれば、免許申請なく設置することができ、かつ郊外であれば10kmほど伝送することができます。

そのため、郊外・僻地や河川・海・森林等のネットワーク接続エリアとして導入のハードルが高いロケーションでもIoTを導入することができるようになります。

LPWA(Low Power Wide Area)活用例【多量のIoTデバイス監視のコストダウン】

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  • 低速通信だから安価に導入可能!

「モノのインターネット」であるIoTの分野では「モノ」にインターネットを付加する特性上、時には数百台、数千台のデバイスをモニタリングする必要があります。

家庭用のガスメーターの監視、電力メーター監視を通常の無線通信の契約で実施すると通信料だけ1ヵ月あたり100万円を超える費用を支払う必要があります。

そのため、下記のようなIoTソリューションのニーズにはこたえることができておりませんでした

  • メーター監視
  • 自社商品のメンテナンス用IoTデバイス
  • テレマティクス 等

上記の様なニーズは、一度に大量のデータ通信を行う必要がないため、低速の通信契約でできる限りコストを低減するのがIoT導入のハードルを下げることになります。

LPWAを利用したデバイスであれば、1年間100円等の料金プランがあるため導入後のランニングコストと運用によって得られるメリットの対比がよりIoT導入に有利になります。

LPWA(LPWAN)の主要3規格の仕様比較表

LPWA(LPWAN)の主要3規格の比較を以下の表にまとめております。

システム SIGFOX LoRa NB-IoT eMTC(参考)
推進団体 SIGFOX(仏) LoRa Alliance(米) 3GPP 3GPP
使用周波数 920MHz帯(免許不要の周波数帯) 920MHz帯(免許不要の周波数帯) 携帯電話の帯域 携帯電話の帯域
通信速度 上り:100bps下り:600bps 上り/下り250bps~50kbps程度 上り:62kbps下り:21kbps 上り/下り300kps~1Mbps程度
カバレッジ拡張 数Km~数十Km 数Km~数十Km 数Km~数十Km 数Km~数十Km
ビジネスモデル SIGFOX又はパートナー事業者がネットワークを展開し、世界51か国でIoTサービスを展開(2018年1月時点) LoRa Allianceの認定機器を用いることで、だれでもネットワークを構築可能。67の通信事業社がLoRaを展開しており、世界100ヶ国以上、300ヶ所以上で実証・運用(2018年1月時点) 3GPPリリース13(2016年6月)で使用か。各国・地域の携帯電話事業社が商用サービス開始に向けた実証等を実施。 3GPPリリース13(2016年6月)で使用か。各国・地域の携帯電話事業社が商用サービス開始に向けた実証等を実施。
備考 新たな無線通信システム 新たな無線通信システム 携帯電話システムベース 携帯電話システムベース

※平成30年3月7日総務省移動通信課資料(http://www.soumu.go.jp/main_content/000543715.pdf)

 

LPWA(LPWAN)の消費電力について

LPWA(LPWAN)は「LowPowerWideArea」という名称の通り、既存の通信技術に比べて低消費の仕組みになっております。

無線LANや、3G・4Gといった既存の通信技術では消費電流が大きく利用できなかったような「人があまり立ち入らない場所」等の無線モジュールとして役立てやすくなりました。

また、低消費の通信技術はBluetoothLowEnergyやZigBeeなどがありましたが、こちらは通信距離が10m以内という近距離無線であったのに対して、LPWA(LPWAN)は数百mから数㎞という広域の通信が可能になっております。

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