徹底攻略セルラーLPWA！技術的なおさらいと使いどころ【SORACOM Discovery 2023】

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徹底攻略セルラーLPWA！技術的なおさらいと使いどころ〜iSIMを添えて〜株式会社ソラコムソリューションアーキテクト今井雄太

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ソリューションアーキテクト好きな技術領域 • クラウド • ビッグデータ今井雄太(ニックネーム: factory) 通信キャリア SNS クラウドビッグデータソラコム

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本日のハッシュタグ #SORACOM @SORACOM_PR fb.com/soracom.jp instagram.com/soracom.official 使用例他には… • #SORACOM IoTやDXの話を聞きにきた • キーノートは2日目！ #SORACOM #SORACOM の検索で、最新情報が！ youtube.com/@SORACOM_Japan

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はじめにこのセッションでは、LPWAの技術的なおさらいと使いどころやメリット/デメリットの整理をしていきます。また、後半では本日の基調講演で発表のあったiSIMについても解説をしていきます。

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ミクシィ子ども向け見守り端末を開発ポケトーク小型通訳機「POCKETALK」日本瓦斯検針や異常検知をオンライン化三菱重工業プラント巡回点検防爆ロボット＜活用事例＞バッテリーで動くIoTデバイスたち Luup 電動キックボードシェアリングサービス GROOVE X 家族型ロボット「LOVOT」

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LPWAと省電力

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LPWA=Low Power Wide Area (Network) LPWAN アンライセンス系 Sigfox LoRaWAN その他 920Mz帯通信ライセンス系 (セルラー) LTE-M NB-IoT Cat.1もLPWAに含むケースもあり 

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LPWA=Low Power Wide Area (Network) LPWAN アンライセンス系 Sigfox LoRaWAN その他 920Mz帯通信ライセンス系 (セルラー) LTE-M NB-IoT Cat.1もLPWAに含むケースもあり  このセッションのカバー範囲

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WiFi PAN BLE, Zigbee Z-wave, Wi-SUN 消費電流通信距離セルラー 3G, 4G, 5G LPWA Sigfox , LoRaWAN, LTE-M, NB-IoT 100mA 10m 30m 1km 10km 20mA 通信速度 100bps 1kbps 1Mbps 10Mbps 450Mbps NFC RFID 1Gbps 500mA 参考: IoT向け無線通信方式

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お客様事例：日本瓦斯様 LTE-MとSigfoxを相互補完的に利用した大規模デプロイメント NCUを自社開発し “世界初” 「LPG託送サービス」を運用自社開発NCU：スペース蛍協力パートナー： Unabiz

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今日のProblem Statement: 通信はバッテリーを(比較的大量に）消費する。長期間、無充電で動くデバイスを設計するにはどうしたらいい？

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電波の送受信: △ ● 関係はあるが、支配的な要素ではない電波を送受信できる状態にあること: ◎ ● 無線の送受信ができる状態を保つことの電力が支配的つまり・・・実際、何が電力を食っている？

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以下のようなIoTデバイスは無線部の消費電力が高い ● 短い間隔でクラウドにデータを送信し続ける（データの大小は関係ない） ● MQTT等を利用していつでもクラウドからのデータを受信できる実際、何が電力を食っている？

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•LTEでは無線(RRC)の接続状態によって消費電力が大きく異なる無線レイヤの制御 RRC Connected RRC IDLE RRC Connected: デバイスが基地局に接続してデータ通信出来る状態 RRC IDLE: 基地局はデバイスの現在位置(在圏セル)は把握しているが、物理的な無線接続は解放している状態。デバイスは複雑なチャネル制御を止めて、Paging信号のみをウォッチしている状態消費電力は RRC Connected >> RRC IDLE となる一定時間*無通信で遷移(無線解放)  通信開始で遷移 *解放までの時間はキャリア毎に異なる   通常LTEで10s程度、LPWAで50-120s程度

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モデムの無線部をできるだけ寝かせることにより消費バッテリーを抑えるセルラーLPWA

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• 既存LTEの派生規格で省電力にフォーカス • コアネットワーク構成は既存LTEと同様 • 従来のLTEと比べ機能を落とし、構成をシンプルにすることでモデム構造を簡素化、省電力化 • 3GPP R13で規定されたeDRX/PSMを利用することで従来よりもより深いsleepを実現可能にセルラーLPWA(LTE-M, NB-IoT)の特徴

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省電力実現のためのeDRX, PSMとは？位置登録処理位置登録処理消費電流時間 Idle eDRX (LTE-M, NB-IoT) デバイスは周期的に位置登録 eDRXで間欠受信間隔を伸ばす Sleep PSM (Power Saving Mode) Sleep中は間欠受信を一切しない（デバイストリガで送信は可） eDRX(従来 LTE)

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セルラーシステムは基地局からの着信有無(下り通信, 電話/SMS/Data)を取りこぼさぬよう無線装置を頻繁に開放し、基地局からのPagingと呼ばれる信号を一定周期で監視(間欠受信)している eDRX (extended Discontinuous Reception) eDRX (従来 LTE) 1.28s周期 eDRX (CatM/NB) Sleep 5.12s~2621.44s (43m) 周期まで延長可 LPWAではこのPaging監視間隔を最大43 分まで延長することで無線利用による消費電力削減を実現 (トレードオフとしてsleep中のSMS/データ受信は不可となる) 省電力通信を行いつつ、下り通信も定期的に行いたい場合に有効

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PSM (Power Saving Mode) 位置登録処理 PSM Sleep 位置登録処理 eDRXが間欠受信の間隔を伸ばしたのに対し、PSMでは間欠受信及びネットワークサーチを一切停止することでさらなる消費電力抑制を実現 (スマホでいうOffline modeに近い状態) 0~310時間(約13日) のDeep Sleepが可能下り通信は一切不要で、上り通信しか利用せず、極限まで消費電力を抑えたい場合に有効

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eDRX/PSMの消費電力相関位置登録処理位置登録処理消費電流時間 Idle eDRX 通信時>待機時(IDLE時)>eDRX>PSMとなる Sleep PSM (Power Saving Mode)

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参考値 (Quectel社BG96 vs EC21の場合)   BG96 (LTE-M)  EC21 (Cat.1)  LTE通信時  (B1 max power時)  220mA  789mA  LTE通信時  (通常 power時)  100 ~ 130mA  150 ~ 300mA  Idle時 15mA  23.5mA  eDRX Sleep時 1.2mA  N/A  PSM時 10μA  N/A  Quectel社Datasheetより抜粋

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セルラーLPWA、ざっくりまとめると

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● eDRXやPSMによってモデムが起きている時間を減らして消費電力を減らす技術 ● モデムが寝ている間は通信はできない ● ”通信時”の消費電力は依然大きい。セルラーLPWAの特徴

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LPWAの使い所は？

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アプリケーションの要件に大きく依存する ● クラウドへのデータ送信頻度 ● クラウドからデバイスへのデータ送信に求められるリアルタイム性 LPWAの使い所は？

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アプリケーションの要件に大きく依存する ● クラウドへのデータ送信頻度 ● クラウドからデバイスへのデータ送信に求められるリアルタイム性 LPWAの使い所は？このへんのトレードオフが取れないとLTE-MやNB-IoT対応のモジュールを使っても消費電力は落ちない！

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消費電力データレート移動監視カメラ（静止画）建機ロボット自動販売機ウェアラブル動態管理 POSレジ LTE-M Sigfox, NB-IoT Cat.1 or LTE-M Cat.4~ サイネージ監視カメラ（動画）自転車スマートメーター工場機器監視環境センシング参考: ユースケースごとの適用例

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低消費電力はLPWAを使えばOK?

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低消費電力はLPWAを使えばOK? ↓ もちろんNO

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Why? eDRXはあくまで”(サーバーからの下り)着信”を受けられる状態を維持したまま省電力化を実現する技術 =低遅延なダウンリンクの要件がなければ使う必要がない省電力実現においてeDRX/PSMは必須か？結論：必ずしも必須ではない

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Why? eDRXはあくまで”(サーバーからの下り)着信”を受けられる状態を維持したまま省電力化を実現する技術 =低遅延なダウンリンクの要件がなければ使う必要がない省電力実現においてeDRX/PSMは必須か？ SORACOM LTE-M Buttonでは、ボタンが物理的に押されたタイミングでModemを起動し数バイトのデータを送信して即Modemの電源を落としている。次回ボタン送信までは完全オフラインにすることで乾電池2 本による年単位での利用を可能に結論：必ずしも必須ではない

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今日のProblem Statement: 通信はバッテリーを(比較的大量に）消費する。長期間、無充電で動くデバイスを設計するにはどうしたらいい？ソフトウェア開発者ハードウェア開発者ハードウェア開発者とソフトウェア開発者が手を取り合って最適なアプリケーションの仕様や通信方式の設計をしていく

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SORACOMにおけるLTE-Mの選択肢 IoT 向けデータ通信 SORACOM Air セルラー / セルラーLPWA (2G / 3G / 5G / LTE / LTE-M) 特定地域向けIoT SIM plan-D/D-300 plan-DU plan-K/K2 SORACOM IoT SIM (※日本、グローバルに対応) カード型 SIM eSIM LoRaWAN Sigfox 日本カバレッジグローバルカバレッジ所有ゲートウェイカード型 SIM eSIM NTTドコモ回線 plan01s plan01s-LDV planP1,planX1, X2, X3 plan-KM1 KDDI回線アンライセンスド LPWA X3専用SIM K2専用SIM マルチキャリア 33 LTE-Mが利用できるのは・・・ ● plan01s ● plan01s - Low Data Volume ● planX3 X3-5MB ● plan-D ● plan-D D-300MB ● plan-KM1

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One more thing 今日のキーノートで発表されたiSIMとは？

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日本をセルラーでクラウドに繋ぐ 2015年世界をセルラーでクラウドに繋ぐ 2016年 2017年デバイスに埋め込み可能に 2018年デバイスを認証・プロビジョニングする鍵に SORACOMのAir SIMテクノロジーの歩み 2019年 2020年2月 eSIM書込みiOSアプリコンシューマーブランド eSIMプロファイルダウンロード対応 eSIM eSIM 2020年6月サブスクリプションを OTAで追加可能に KDDIフルMVNO対応 5G(NSA)商用ローンチ 2021年3月

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iSIM(integrated SIM)とはセルラーSoC eSIM セルラーSoC SIM セルラーSoC iSIM 従来のSIM/eSIM同等のセキュリティを担保したままセルラーSoCの中にSIMの機能をワンチップで実現

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物理SIMがなくなると何がうれしいの？

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量産デバイスにおけるSIM/eSIMの課題消費電力  輸出入コスト  (送料、関税)  商流の煩雑化実装コスト基板スペースの圧迫処理能力セルラーSoCへのワンチップ化によりこれらの課題の解決が期待されている

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2021年6月ソニー, Kigen, ソラコムの3社でiSIM実証実験に成功評価ボードへの iSIM OSの焼き込みキャリアプロファイル開発疎通試験、性能評価プロファイル検証 Sony Semiconductor Israel(ソニー)様が提供するセルラーIoT向けAltairチップセット(ALT1250) 評価ボードのセキュアなiSIM領域に、ソラコムのキャリアプロファイルがパーソナライズされたKigen 様iSIM OSの焼き込みを実施。従来のSIMと同等の機能を全て実現できることを実証

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2023年度末をターゲットとしてSORACOMのiSIMが入った通信モジュールをウェブサイトで販売開始予定 Quectel BG773 村田製作所 Type 1SC 今日の発表のポイント iSIM対応モジュールの取り扱いを開始（予定)

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基板スペースの圧迫消費電力  実装コスト輸出入コスト  (送料、関税)  商流の煩雑化 iSIMが解決する課題たちソフトウェア開発者ハードウェア開発者調達担当者処理能力 

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基板スペースの圧迫消費電力  (前述のLPWAや SORACOM Beamなど)   実装コスト輸出入コスト  (送料、関税)  商流の煩雑化 SORACOMの各種サービスやプロダクトを使えば工程全体を最適化できる！ソフトウェア開発者ハードウェア開発者調達担当者処理能力  通信暗号化  (SORACOM Beamや SORACOM Funkなど)   デバイス認証  (SORACOM Beamや SORACOM Funkなど)   キッティング  (metadataやSORACOM Beamなど)  費用の管理  (イベントハンドラやウェブコンソールなど)  

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SORACOMはIoTのつなぐをかんたんに！ソフトウェア開発者ハードウェア開発者調達担当者

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