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1 ローカル 5G と LPWA 2019 年 9 月 24 日 千葉大学大学院 阪田史郎 sakata@p08.itscom.net

2 1. LPWA と IoT システム

3 IoT( ユビキタス ) の T の主役はセンサ IoT の中核はセンサネットワーク センサネットワークの主役は LPWA

4 IoT システムと LPWA デバイス中継ノードサーバ群 アプリケーション ( ユーザ企業 ) 無線センサネットワーク (LPWA) 既存ネットワーク ( 有線網 移動通信網 無線 LAN 等 ) 各種センサ スマートフォン 携帯電話機 家電 ロボット 電子タグ ウェアラブル機器 車 ドローン : : センサを搭載したデバイス群 基地局 / ゲートウェイ クラウド ビッグデータ データ収集データ蓄積 管理データ分析 処理 利用 AI

5 LPWA 出現の背景 - ユビキタス (1990 年代末 ~2012 年頃 ): 不発 - IoT(2012 年頃 ~): 2017 年頃まで低迷 2018 年以降 LPWA は IoT 市場を立上げるか 事の発端 : 独自仕様の LPWA(LoRa Sigfox) が 2015 年からヨーロッパ中心に 携帯電話網のデータ通信市場を奪い始めた 3GPP は 2015 年末に市場奪還のため急遽 LTE 版 LPWA を 2016 年 3 月に規格化 現在は LoRa Sigfox が先行 LTE 版 LPWA(LTE-M(eMTC) NB-IoT) が猛追 独自仕様 LPWA は乱立状態に

6 本講演における通信距離によるセンサネットワークの分類 最大通信距離 主なネットワーク 狭域 200m 以下 ZigBee(PRO) ZigBeeIP Z-Wave EnOcean Bluetooth BLE 準広域 ( 準 LPWA) 広域 (LPWA) 約 1km Wi-SUN IEEE ah(Wi-Fi HaLow) SmartHop( 沖電気 ) 独自仕様 : LoRa Sigfox RPMA FlexNet 先発 2km 以上 EnOcean Long Range ELTRES( ソニー ) ZETA Weightless-P IEEE k(LECIM) 他 後発 セルラー ( 現在は 4G の LTE 版 LPWA): LTE-M(eMTC) NB-IoT

7 価格 LPWA の位置づけ 準 LPWA MBB IEEE ah 独自仕様 LTE 版 LPWA (LTE-M, NB-IoT) Wi-SUN LPWA したものにさらに加筆 1km 2km LPWA MBB: Mobile BroadBand

8 センサネットワークの変遷 ユビキタス IoT 狭域 ZigBee(PRO), ZigBeeIP, Z-Wave, EnOcean, 準広域 ( 準 LPWA) Wi-SUN, IEEE ah(Wi-Fi HaLow) 広域 (LPWA) 独自仕様 先発 Sigfox, LoRa, 後発 EnOcean Long Range, ELTRES, セルラー LTE-M(eMTC), NB-IoT 黎明期成長期普及期

9 メータリング ( 検針 ) モニタリング ( 監視 ) トラッキング ( 追跡 ) LPWA の主な応用 電気 ガス 水道のスマートメータリング ( 遠隔自動検針 ) 農業 ( 水田 グリーンハウス ) の温度 湿度 肥料状態計測 マンホールの水位 自動販売機 AED 等のバッテリー残量 大気中や森林 土壌 海洋 河川 湖沼等の環境汚染モニタリング 川 崖 ダム 橋 トンネルなどの公共インフラの崩壊予知 監視 プラント 石油パイプラインなどの設備監視 エレベータ エスカレータの遠隔監視 自動車 自転車の駐車管理 シェアバイク / シェアサイクル 各種資産の盗難監視 検知 物流における物資の配送 貨物の追跡 トラック タクシー バスの配車 運行 追跡 児童や高齢者の見守り 徘徊検知 追跡 災害や遭難時の安否確認 避難誘導 各種資産の盗難時の追跡

10 準 LPWA 比較 使用周波数はいずれもサブギガヘルツ帯 ( 国内では 920MHz) Wi-SUN IEEE ah(Wi-Fi HaLow) SmartHop 標準化母体標準化 / 開発時期 IEEE IEEE ah タスクグループ IEEE 年標準化 2015 年頃開発 2012 年基本仕様 2017 年最終仕様標準化 2013 年開発 通信方式 物理層は IEEE g (FSK) MAC 層は IEEE e 物理層は IEEE n 4G 等で採用された OFDM 物理層は IEEE g (FSK) MAC 層は ZigBee と同じ IEEE ホップマルチホップへ拡張 1 ホップマルチホップ 備考 屋内用 HAN 屋外用 FAN 規格化 実用化は屋内用が主 Wi-SUN アライアンスのメンバは約 180 社 2018 年末に突如活動再開 チップセット供給開始 国内で推進協議会 (56 社 ) 発足 東南アジアにも展開 無線 LAN の利用実績が強み? ZigBee と Wi-SUN の複合型 2017 年に電池駆動モジュール販売開始 パートナー 40 社強 米国 東南アジアにも展開

11 独自仕様 LPWA vs. セルラー LPWA 独自仕様 LPWA LoRa, Sigfox, FlexNet, EnOcean Long Range, ELTRES, ZETA, 免許不要帯域 (920MHz( 国内 ) が大部分 サービス品質の保証は困難 ) 規制なし プロプライエタリベンダによるクローズドソース 製品認証 テスト不要 IP 利用不可 カバーする領域が限定 容易に低価格で導入可能 短パケット 低消費電力 低モビリティ セルラー LPWA 4G の LTE 版 LPWA(LTE-M(eMTC), NB-IoT) 免許帯域 (700MHz~2.1GHz サービス品質保証 ) 規制あり グローバル標準のオープン仕様 製品認定要 IP 利用可能 カバレジが広い キャリアグレードサービス - 安定性 - 信頼性 - セキュリティ - モビリティ ( ハンドオーバ, FOTA) 低性能で低機能だが低価格 高性能で高機能だが高価格

12 通信料金 主な LPWA のサービスイメージ LTE-M(eMTC) 上り :1Mbps 下り :1MBPS 料金例 : 未定 セルラー LPWA 独自仕様 LPWA LoRa と Sigfox の通信速度は代表例 通信速度

13 推進企業 団体 サービス形態 無線方式 LoRa LoRa アライアンス (2019 年 8 月現在 500 社強 ) 2015 年設立 サービス開始 2014 年 携帯電話網と競合しない 仏 Cycleo が開発した独自のチャープ方式による信号多重 周波数拡散 適応データレート (ADR) Sigfox 仏 Sigfox 2009 年設立 サービス開始 2012 年 携帯電話網と競合 仏 Sigfox が開発した BPSK による 100Hz 幅の超狭帯域伝送 UNB と周波数ホッピングによる信号多重 通信速度 200bps~50kbps 10bps~1kbps (100bpsが基本) 通信距離 1kbpsで8km( 見通しで約 10km) 30~50km( 都市部以外 ), 3~10km ( 都市部 ) 帯域幅 125/150kHz( 標準 ) (7.8~500kHz) UNB 仕様の100Hz 混信に強い 周波数帯 送信電力 920MHz 帯 20mW 以下 LoRa と Sigfox の比較 1 920MHz 帯 20mW 以下 通信方向双方向へ拡張双方向へ拡張

14 LoRa と Sigfox の比較 2 LoRa 消費電力半径 8km の通信で電池の寿命 10 年 Sigfox 50µW ボタン電池による寿命は 5 年以上 1 回の送信電力は約 170mAs モビリティ時速 40km でも通信可能 時速約 20km までは通信可能 サービス備考 センタ側からセンサを起動した通信も可能 各デバイスから 1 日最大 140 回 最大 12byte のメッセージを送信可能 商用展開 42 社以上が商用展開 (1 年で30 社以上増加 ) 50 社でトライアル中 国内では2017 年 3 月に商用展開開始 直後にソフトバンクと 約 60カ国で展開 10 億人をカバー 600 万回線接続 国内では京セラコミュニケーションシステム (KCCS) がSNOとして2017 年 2 月に商用展開 NTTドコモも2017 年より商用展開 開始 パートナー約 480 社

15 LoRa と Sigfox の比較まとめ 消費電力 (LP) カバーエリア (WA) - 広いと基地局数が少なくて済む 通信速度 送信可能な通信量 LoRa 〇 〇 Sigfox 〇 〇 通信方向〇 ( クラス B) 〇 (2019 年より ) オープン性価格を含む導入容易性携帯電話事業者の選択 ( 国内 ) 展開計画 〇 〇 〇 〇

16 開発企業 無線方式 特徴 FlexNet EnOcean Long Range Weightless-P 米 Sensus 社 スマートメータリングに特化 変調方式は FSK ポケットベル ( ページャ ) の通信方式を基に IPv6 にも対応 独 EnOcean 社 英 Weightless SIG 策定 台湾ユービック社が開発 狭域のEnOceanのLPWA 版 FDMA/TDMAによる狭帯エネジーハーベストにより域通信と周波数ホッピン電池不要 グ 同時接続多数 周波数 280MHz( 免許帯域 ) 920MHz 帯 920 帯 MHz 帯 通信諸元 都市部で5km 郊外で20km 送信出力 10/20mW 通信 1% 以下のパケットロス率 最大 10kbps 速度 1kbps 見通しで3~ 4km( 最大 6km) 実績 米国 英国でスマートメータを 2000 万台以上導入 神戸市水道局 山間部の工場用水のスマートメータリング実験 他の独自仕様 LPWA 1 NTT 東日本等との協業で 長距離気象センサシステム製品化 養鶏場等へも導入 下り最大 100kbps 都市部で 2km 郊外で 5km 電池寿命 5~10 年 2018 年に製品化 街灯 ガス栓制御 中古車管理等で実績

17 開発企業ソニー ELTRES 無線方式 高精度な波形合成により送受信の周波特徴数とタイミングを補正 遠距離通信 高速移動中の通信 GPS LSI 標準搭載 通信方式はETSI( 欧州電気通信標準化機構 ) でLPWAの標準の一つに採用 英国 ZifiSense 周波数 920MHz 帯 920/429MHz 帯 通信諸元見通しで 最大 100km 以上 時速 100km の移動中でも通信可能 コイン電池 1 個で 1 年間稼働 上り通信のみ 実績 他の独自仕様 LPWA 2 牛の起立困難 ( 狂牛病 ) 検知 林業従事者の安否確認など 2018 年 9 月にプレサービス開始 2020 年全国展開 ZETA 最大 4 のマルチホップ通信により トンネルや地下でも途切れず 障害時に迂回路設定可能 屋内使用で有力 超狭帯域 ( チャンネル帯域幅 0.6~2.0 khz) による多チャンネル通信 通信速度 50~100kbps 通信距離 22m~ 10km 双方向通信で電池寿命 5~10 年 中国でインフラやマンホール監視 街灯制御等 京都スマートシティ サメの養殖 果樹園 スマートビルディングなどで実験

18 LTE 版 LPWA の仕様 高機能版 LTE-M(eMTC) 低機能版 NB-IoT 端末カテゴリ Cat.M1 Cat.M2/Cat.NB1 下り最高速度 1Mまたは0.8Mbps 26kbps 以下 上り最高速度 1Mbps 62kbps 以下 音声通信 可 不可 カバレジ 従来 LTE(MBB) から最大 +15dBまで拡張 従来 LTE(MBB) から最大 +20dBまで拡張 アンテナ数 1 1 二重モード全 / 半二重半二重 端末の受信帯域 1.4MHz 200kHz 端末の送信電力 20/23dBm 23dBm ハンドオーバ ( モビリティ ) 可不可 復号可能な最大データ量上り : 1000bit 下り : 1000bit 上り : 1000bit 下り : 640bit

19 LTE-M(eMTC) 180kHz 50RB = 9MHz(MBB では 50RB で通信 ) NB-IoT 1RB = 180kHz = 12 サブキャリア

20 LTE 版 LPWA における省電力化技術 : edrx と PSM edrx (extended Discontinuous Reception) : 端末は 事前に定められた受信タイミングに基地局からの呼びかけ ( ページング ) により受信する リリース 8(2009 年 ) に規格化された DRX は 受信していない期間では RF(Radio Frequency) 機能部を停止させてスリープ状態 ( デバイスを一定時間疑似的に電源オフの状態 ) にすることで消費電力を抑える技術 edrx は ページングの期間を大幅に延長した方式でリリース 13(2016 年 ) で規格化 PSM (*) (Power Saving Mode) : 端末側で受信確認の間隔を長くすることで消費電力を抑える 基地局からのアクセスは受けつけない 端末は自分宛ての着信があるか否かを定期的に確認し センサのような IoT 端末では着信頻度が低いと想定 PSM は無線 LAN の IEEE n で採用されている LTE-M(eMTC) は 単 3 電池 2 本分の電源で 10 年以上の稼働が可能としている

21 海外の一部の携帯電話事業者は LoRa 国内の NTT ドコモ ソフトバンクも LoRa ZETA ELTRES などを展開 過疎地などの 4G の圏外 ( 不感地帯 ) で LoRa ELTRES ZETA などを用いて 4G を補完し さらにゲートウェイのバックエンドで 4G を利用させるサービスを模索

22 5G で提供される 3 種類のサービス 1 embb(enhanced Mobile BroadBand): 高速化モバイルブロードバンド 2 URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications): 超信頼性 / 遅延型コミュニケーション 3 mmtc(massive Machine Type Communications): 大量マシン型コミュニケーション ( 多数同時接続 ) IoT(LPWA では実現できない ) 2020 年 ( 一部の仕様で 2019 年 ) にサービスが開始されるのは embb 全体と URLLC の一部のみ 2020 年 3 月完了予定の 3GPP リリース 16( フル仕様 ) でも詳細化は embb 全体と URLLC の一部のみ URLLC と mmtc の本格的サービス開始は 2022 年以降 LTE 版 LPWA では端末接続密度最大 10 5 (/km 2 ) 5G の mmtc では同最大 10 6 (/km 2 ) を目指す

23 遅延 5G における代表的サービスの位置づけ : 5G 1ms 10ms 自動運転 URLLC 4G 4K 8K VR AR embb 100ms 1s 10s mmtc IoT 1M 10M 100M 1G 10G 通信速度 (bps)

24 5G における IoT (mmtc) 5Gでは 3.7, 4.5, 24.25~86GHzを使用するため 4GのLTE 版 LPWAよりハイエンド ( より高速 大量通信 高消費電力 高価格 ) になる方向 この周波数では LPにもWAにもならない 高速移動を含むカメラ ( 視覚センサ ) で撮影された画像の解析による監視 ( モニ タリング ) や追跡 ( トラッキング ) 交通制御などのアプリケーションを想定 これらは ローカル 5G においても有力な IoT アプリケーション LTE-M(eMTC) の 5G 版を femtc(f は further) NB-IoT の 5G 版を enb-iot(e は enhanced) と命名 仕様の詳細化は LTE 版 LPWA の利用状況を見ながら進める

25 5G mmtc への適用が検討されている主な技術 1 NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 周波数 時間の両ドメインに新たに電力ドメインを使って 基地局が複数ユーザへの信号を重畳することで スループットを向上させる下りリンク用に適用検討中の多元接続技術 受信側は電力差を利用して分離する 比較的低い周波数帯における容量改善技術 2 グラントフリーアクセス (*) 端末から基地局に通信する際に 基地局からの事前許可 ( グラント ) が不要な上りリンク 用のチャネルアクセス方式 センサを収容しやすくなる IoT に関係するのは 2 の上りリンクを対象としたグラントフリーアクセス

26 [ 参考 ] (*) 3GPP によるリリース 15(2018.6) で規格化された Short TTI mmtc よりも URLLC のための低遅延化の方法として規格化 リリース 15 でグラント高速化 SR: Scheduling Request TTI:Transmission Time Interval

27 モビリティ LPWA のすみ分けイメージ 高速移動 交通監視 制御 ( 将来 ) セルラー LPWA 低速移動 高齢者 児童見守り 独自仕様 LPWA 各種トラッキング 物流 配送管理 工場 プラント監視 (*) 移動なし 農業 家電遠隔制御 鳥獣被害防止 スマートビルディング スマートパーキリング シェアバイク ゴミ収集 街頭点消灯 スマートメータリング ( 電力 水道 ガス ) 環境モニタリング インフラ監視 防災監視 個人産業公共 (*) 高信頼性が要求される

28 2. ローカル 5G と LPWA

29 ローカル 5G で実用化が期待されるアプリケーション ( 総務省 )

30 ローカル 5G は 輻輳が発生する公衆網や 不安定で遅延が保証されない無線 LAN では実現が困難な 高品質 高精細映像や高信頼 低遅延の通信を駆使した主に embb URLLC によって実現されるアプリケーションが注目されている アプリケーション利用例 スマートファクトリ建設現場発電所 プラント 港湾 空港インフラ監視イベント会場 /eスタジアム観光支援 4K 8K 映像配信 ( 含. 地域 BWA CATV 連携 ) 医療機関 病院農業支援 生産設備のリアルタイム制御 産業用ロボットの自動運転重機の遠隔操縦遠隔作業支援河川の氾濫 崖の崩落 ダムの決壊 トンネル 橋梁の崩壊の監視観客向けのコンテンツ配信 警備 セキュリティ観光施設での高精細 VRによる体感観光 SL 列車への映像配信地域 BWAによるマンションへのCATV 映像配信個人情報保護の目的からプライベートネットワークを構築ドローンによって撮影された画像データの解析 農薬散布

31 ネットワークから見たローカル 5G と LPWA

32 周波数と通信距離から見たローカル 5G と LPWA 周波数 28GHz 4.5GHz 920MHz 800MHz ローカル 5G ( 主に embb URLLC) ローカル 5G (embb, URLLC, mmtc) この周波数では LP にも WA にもならない 独自仕様 LPWA LTE 版 LPWA 200m 通信距離 2km

33 ローカル 5G と LPWA との接点 ネットワークから見ると 狭域に閉じ 4.5GHz 以上を使うローカル 5G と 広域まで を対象としサブギガ帯を使う LPWA との接点は見えにくい IoT アプリケーションではエッジ ( センサ ) ドリブンで上りトラフィックが主と捉えると LPWA mmtc だけでなく embb URLLC によるカメラ ( 視覚センサ ) からの高品質映像を利用するアプリケーションも IoT アプリケーションと捉えられる IoT アプリケーション : エッジのセンサ群からの情報をコア側で収集 ビッグデータとして蓄積 AI 等で分析するアプリケーション ( トラフィックは上りが主 )

34 特定域内のローカル 5G 環境における IoT 向けのネットワーク F A N P A N B A N 独自仕様 LPWA 準 LPWA LTE 版 LPWA ローカル 5G のネットワーク 周波数 概要 920MHz LoRa Sigfox ELTRES ZETA Wi-SUN IEEE ah 等 mmtc LTE 版 LPWA よりも低性能 一般センサからのデータ 主に 800MHz embb, URLLC は 4.5GHz, 28GHz mmtc は主に 4.5GHz 4G の LTE-M(eMTC) NB-IoT NSA(Non-Standalone Architecture) での 4G の部分で利用 mmtc よりも低性能 一般センサからのデータ embb, URLLC では 映像主体 mmtc では Short TTI グラントフリーアクセス等によりセンサ収容 LPWA より高性能でセキュリティ確保 カメラからの映像もセンサからのデータも Bluetooth 5 2.4GHz 最大通信距離はメッシュ構成で約 40m ibeaconを搭載すれば位 置測定も可 通信速度は270kbpsでLTE-M(eMTC) とNB-IoTの間 BAN 400, 800, 900MHz ( 医療用 ), 2.4GHz 2012 年に規格化された IEEE 最大通信距離は約 3m で最大 10Mbps 現在比較的狭域のバイタルケア フィットネス 見守り 家電制御等では無線 LAN, 3G/LTE, BLE 等が利用されているが 今後上記に一部置換えられると考えられる

35 LPWA は これまで主に屋外を対象に通信の長距離化を追求してきたが ローカル 5G 環境では 屋内 室内 地下 トンネル等の隅々まで届きやすいマルチホップが可能な LPWA が有効になる可能性がある

36 IoT アプリケーションから見たローカル 5G と LPWA

37 特定域内のローカル 5G 環境においても LPWA で実現されるアプリケーション 屋外 ( 敷地内 ) 屋内 ( 建物内 ) 工事 建築現場における異常監視 作業管理 公共インフラ ( 河川氾濫 ダム決壊 崖 橋梁 トンネル等 ) の崩落予知 監視 自動車 自転車の駐車管理 ( スマートパーキング シェアバイク / 自転車 ) 石油 天然ガスのパイプライン監視 農業支援 ( 水田等の温度 湿度 肥料状態などの測定による自動灌漑 給水管理 作物の栽培 品質管理 牧場の家畜見守り 放牧管理 ) 鳥獣被害検知 防止 イベント会場 テーマパーク 観光スポット ショッピングモール等における災害対応 ( 位置情報を用いた安否確認 避難誘導等 ) マーケティング スマートファクトリ ( 工場における設備の故障 異常監視 ) スマートビルディング (BEMS 人流管理 ) 健康 フィットネス 福祉 介護等を支援するヘルスケア ウェルネス スマートオフィス ( 温度 湿度 在席状況などのセンシング )

38 ローカル 5G 環境においては embb, URLLC で期待される IoT アプリケーションと LPWA による IoT アプリケーションとは共通のものも多い すなわち ローカル 5G と LPWA が普及すると 双方の同時使用によりアプリケーションを高度化することが可能になる embb, URLLC によりカメラからの高品質映像をアップロード LPWA により一般センサからの計測 感知データをアップロード コア側では 双方を同時に利用することで より精度が高い効果的な分析や制御 処理が可能になる

39 ローカル 5G における IoT アプリケーション高度化の例 アプリケーション 建設現場 公共インフラ発電所 プラント 港湾 空港 農業支援 例 一定間隔での多数のセンサからの情報収集により異常監視し 工事に支障がないことが確認できた時点で 高品質 3 次元映像を見ながら重機を遠隔操作し工事を行う 一定間隔での多数のセンサからの情報収集により異常監視し 何らかの異常が検知された時点で カメラからの高品質映像を事務所等に送り AI による画像解析等により 異常に対処する 農場に設置した多数のセンサを設置して一定間隔で温度 湿度 土壌 作物の状態等を監視し 異常 条件等が検知された時点で ドローンが農場を撮影しクラウドに収集された映像を AI 等で解析することで 施肥や収穫の的確な時期等を把握する

40 参考文献等 [1] 阪田史郎 : 無線通信の話 電気書院 [2] 阪田史郎 : IoT/M2M 無線ネットワーク技術 電気計算 ( 電気書院 ) [3] S. Sakata: Emerging LPWA as a core of IoT - Overview and Perspective, Wireless Technology Park (WTP), [4] 阪田史郎 : LPWA の現在と未来 MDB 技術予測レポート ( 日本能率協会総合研究所 ) [5] 阪田史郎 : 広域センサネットワーク LPWA の最新動向 けいはんな情報通信オープンラボ研究推進協議会 IoT サービス創出に向けて 講演会 [6] 阪田史郎 : LPWA の最新動向と将来展望 総務省九州総合通信局電波利活用セミナー - IoT 時代における LPWA の魅力と可能性 [7] LPWA 全般動向 [8] LoRa の仕様概要 開発手順 ネットワーク評価キット等については 等 [9] Sigfox の仕様概要 メッセージコマンド等については 等 [10] 阪田史郎 : 競争激化で成長 普及期に突入した IoT 向け広域センサネットワーク LPWA の詳細 組込みシステム開発技術展 [11] 阪田史郎 : IoT を牽引する広域センサネットワーク LPWA の最新動向と将来展望 オプトロ二クス [12] 阪田史郎 : IoT の中核 LPWA と次世代移動通信システム 5G の最新動向と将来展望 ET/IoT カンファランス

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