SIM? LTE-M? SORACOM?セルラーLPWA通信 まるわかり！

2024年7月6日開催『SORACOM with M5Stack ハンズオン in マルツ金沢』で、ソラコム松下(max)が発表した資料です。

Transcript

1. SIM? LTE-M? SORACOM? セルラーLPWA通信 まるわかり！ Jul. 6, 2024 SORACOM with M5Stack ハンズオン in マルツ金沢 株式会社ソラコム テクノロジー・エバンジェリスト 松下 享平 (Max / @ma2shita)
2. 株式会社ソラコム テクノロジー・エバンジェリスト 松下 享平 (まつした こうへい) "Max" • 静岡県民 新幹線通勤族 • 講演や執筆を中心に活動、登壇数600以上/累計 • 経歴: 東証二部ハードウェアメーカーで情シス、 EC 事業、IoT 事業開発を経て2017年より現職 • 好きな言葉「論よりコード」 • X(旧Twitter): @ma2shita • 最近、ラジオ体操(第二まで)やってます WiJG?, Public domain, via Wikimedia Commons NEW!! NEW!!
3. 運営も参加者も みんな、ありがとう！！ みんなで作るのが「コミュニティ」感謝のポストをぜひ!! #SORACOM
4. クラウド センサー/デバイス “モノ” ネットワーク 現場をデジタル化 現場とクラウドをつなげる デジタルデータの活用 モノやコトをデジタル化 人手に頼らずデータを集める、現場を動かす IoT とは？
5. クラウド センサー/デバイス “モノ” ネットワーク デジタル化の課題「ネットワーク」 ネットワークの 設定？ セキュリティ 対策や更新? クラウドとの 連携？ “モノ” の開発や 管理
6. SORACOM は IoT の「つなぐ」を簡単に IoT デバイス クラウドサービス IoT 通信 IoT SIM (カード型 / eSIM / iSIM) LPWA / Satellite パートナーデバイス 《200種類以上》 パートナー・クラウド サービス 《AWS / Microsoft / Google》 Wi-Fi / Wired(VPN) 3G / LTE / 5G LTE-M パートナーテクノロジー / パートナーインテグレーション 通信モジュール クラウド型カメラ センサー SORACOM デバイス SORACOM IoT コネクティビティ データ蓄積・可視化 SORACOM IoT プラットフォーム アラート通知 リモート制御 メンテナンス ワンストップで揃う・組み合わせて使える、IoT サービス “創り” を支援
7. IoT の手間を解決できる SORACOM ― IoT 向けデータ通信サービス 特定地域向け 日本国内の利用に特化 plan-D plan-DU plan-K2 SORACOM IoT SIM NTTドコモ 3G / LTE / LTE-M plan-KM1 KDDI LTE / 5G KDDI LTE-M グローバル 日本の3キャリアを含む 世界180を超える国と地域 plan01s planX3 planP1 ・・・ オンラインで1回線から調達、届いてから即時に開通
8. セルラー網(LTE, 5G 等) につなげるための鍵(と機能) が 入っている IC チップ 形状にはカード型・eSIM(チップ型)・iSIM がある SIM (Subscriber Identity Module) とは Integrated SIM; SIM の機能を SoC に統合 セルラー通信自体が 暗号化されている セルラーモデム ISO 7816 SIM MCU UART 無線区間 基地局 インターネット
9. SORACOM のパラダイムシフト モノ インターネット クラウド モノ インターネット クラウド
10. 600万を超える IoT 契約回線と実績 600万を超える IoT が 活躍している社会へ 出所: “IoTプラットフォームSORACOMの契約回線数が600万を突破”. ソラコム プレスリリース. 2023-10-25. https://soracom.com/ja-jp/news/20231025-6million-iot-devices-connected/, (参照 2023-10-25). ※海外法人からの提供を含む SORACOM Air の総回線数。SORACOM Air for セルラー、Sigfox、LoRaWANを含む。
11. IoT の手間を解決できる SORACOM ― プラットフォームサービスやツール 遠隔操作 IoT アプリ構築 ダッシュボード作成・共有 SORACOM Lagoon データ転送支援 SORACOM Beam 閉域ネットワーク拡張 オンデマンドリモートアクセス SORACOM Napter 専有ゲートウェイ Virtual Private Gateway SORACOM アイコンセット 情報セキュリティ チェックシート パブリッククラウド連携 Web コンソールと API サポートプラン ？→！
12. セルラー網(LTE, 5G 等) につなげるための鍵(と機能) が 入っている IC チップ 形状にはカード型・eSIM(チップ型)・iSIM がある SIM (Subscriber Identity Module) とは Integrated SIM; SIM の機能を SoC に統合 セルラー通信自体が 暗号化されている セルラーモデム ISO 7816 SIM MCU UART 無線区間 基地局 インターネット
13. 3G/LTE のSIM認証 VPC 加入者情報DB 2.認証情報レスポンス Auth Token(AUTN), Random(RAND) 4.ネットワーク の認証&鍵生成 5.認証レスポンス RES 6.SIMの認証 Secret Key Sequence Number N Secret Key Sequence Number N 7.鍵の派生 7.鍵の派生 SIM SIM 端末 接続要求 1.認証情報リクエスト 基地局・制御局 3. 認証リクエスト ATUN, RAND, XRES, Security Key (CK + IK) CK + IK RES, (RES==XRES) RES, Security Key (CK + IK)
14. 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, NB-IoT, Sigfox Cat.1, 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 用途ごとの適用例
15. 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
16. • 携帯キャリアの運営するセルラーネットワークを用いた LPWA 規格の1つ • 既存の LTE 基地局を利用しており、広域かつ省電力な通信を実現 LTE Cat.1 LTE Cat.M1 (eMTC, LTE-M) LTE Cat.NB1 (NB-IoT) 策定時期 Release 8 (2009年3月) Release 13 (2016年3月) 最大スループット(上り|下り) 5Mbps | 10Mbps 1Mbps | 1Mbps 26Kbps | 21Kbps 通信モード 全二重 全二重 / 半二重 半二重 データ伝送方式 IP IP IP, NIDD モビリティ性能 移動体通信 移動体通信 定点通信 レイテンシ 5 ms 以下 10 ~ 15 ms 1,400 ~ 10,000 ms 省電力技術 DRX PSM, eDRX PSM, eDRX カバレッジ拡張（通信品質向上） 従来の LTE 準拠 Repetition Repetition セルラー系 LPWA 出典: Tuomas Tirronen. “Cellular IoT alphabet soup”. ERICSSON BLOG. 2016-02-29. https://www.ericsson.com/en/blog/2016/2/cellular-iot-alphabet-soup, (参照 2023-08-29). 以上を基に筆者再構成 + データ伝送方式は筆者による加筆 NIDD = Non-IP Data Delivery; 非IPによるデータ伝送方式
17. NB-IoT NTN (Non-Terrestrial Network) 3GPP Release 17 において、既存のセルラーテクノロジー “NB-IoT/eMTC(LTE-M)” で 利用できる IoT 向け衛星通信を定義 《 NB-IoT NTNの名称 》 NTN-based NB-IoT、Satellite NB-IoT、NB-NTN、3GPP Rel.17 NB-IoT がある。Summary of Rel-17 Work Items では『NB-IoT/eMTC support for Non-Terrestrial Networks』と表現されている 出典: 3GPP. “Release 17 Description; Summary of Rel-17 Work Items”. 3GPP Portal. 2022-12-20. https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3937, (参照 2023-08-28). 《 広域カバレッジ 》 GEO や LEO の人工衛星を NB-IoT 基地局として使える 《 複数の通信経路 》 対応モジュールで 地上基地局との切り替え利用 《 コード資産と透過性 》 地上でも NTN でも “NB-IoT” として実装 NB-IoT
18. LTE-M の消費電力 ― Quectel社 BG96 と EC21 Quectel社Datasheet より抜粋 BG96 (LTE-M) EC21 (Cat.1) 最大通信速度 (ダウンリンク) 375Kbps 10Mbps LTE通信時 (B1 max power時) 220mA 789mA LTE通信時 (通常 power時) 100 ~ 130mA 150 ~ 300mA Idle時 15.0mA 23.5mA eDRX Sleep時 1.2mA (N/A) PSM時 10μA (N/A) アンテナ数 1 2
19. 広がり始めている LPWA 活用 出所: “照明の点灯から生活リズムの異常を遠隔から把握し家族に通知、 高齢者を自然に見守る”. SORACOM IoT Usecase. 2021-04-28. https://iot-usecase.com/hellolight/, (参照 2023-08-21). ※赤枠は筆者加筆 出所: “みてね みまもりGPS 製品仕様”. みてね みまもりGPS. https://mitene.us/gps/spec, (参照 2023-08-21). ※赤枠は筆者加筆
20. 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 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 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
21. 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)
22. SORACOM Beam / データ転送支援 IoT A B - TCP / UDP - HTTP - MQTT MNO - HTTPS - TCP over TLS - MQTTS メタデータ追加 - SIM ID (IMSI) - 通信モジュールID (IMEI) - タイムスタンプ
23. https://blog.soracom.com/ja-jp/2022/06/15/soracom-ug-12-report/ SORACOM の利用で • 通信量削減 • 省電力化 • コードの簡素化 これらを同時に実現
24. 株式会社MIXI 導入事例 SORACOM BeamとeSIMを組み合わせによるデバイスの認証と通信の暗号化を行 うことにより、セキュリティの強靭化と同時に機器の開発やキッティングの手間 をオフロード。 位置情報 SORACOM Beam UDP HTTPS みてねみまもりGPS AWS Cloud eSIM 回線(SIM)情報により デバイスを認証 SORACOM Beamのプロトコル変換機能により、 デバイスがやり取りする軽量なUDP通信を 安全なHTTPSに変換してクラウドとやり取り。 サービス
25. SORACOM プラットフォームの機能 eDRX、PSM タイマー設定機能 AT+CPSMS=… ATコマンド等 MNO デバイス上で設定 タイマー変更は デバイス上で設定 eDRX、PSMタイマー 設定機能 eDRXやPSMの 有効化のみ行う MNO タイマー変更は SORACOM プラットフォーム (Web / API) で設定 タイマー情報 タイマー情報 Limited Preview https://users.soracom.io/ja-jp/docs/air/subscriptions/#edrxpsm-タイマー設定機能-limited-preview
26. 省電力化は総力戦 通信モジュールの電力削減を行っても、 周辺機器や MCU 負荷が高ければ 省電力通信のメリットが薄まる デバイス全体での省電力化が 不可欠 通信モジュール • eDRX、PSM • 通信自体の削減 etc… MCU • ディープスリープ • RTC利用 etc… センサー等周辺機器 • 電力制御 etc…
27. 生成 AI (LLM; 大規模言語モデル) 入力情報から「次の情報を予測」 これまでの機械学習(ML)や 深層学習(DL)と異なる点 IoT とは、遠くのモノや現場で起こっているコトを デジタル化する技術です。その用途は、 …その用途は、製造業における 初期入力 出力 = 生成 この文章に続く単語は “これ” では？ …その用途は、製造業における機械の監視や、 …その用途は、製造業における機械の監視や、地域防災を さらに入力 《これまで》 ⚫ 学習フェーズと推論フェーズ ⚫ 専門知識が必須 《生成 AI》 ✓ 学習フェーズが不要 ― 結果がすぐ得られる ✓ 専門知識が不要 ― 誰でも使える
28. 生成 AI との付き合い方 Copilot ー よき友 Whisper 等 ChatGPT 以外のプロダクト利用、 GPTs(GPT Builder)、RAG 等 Function Calling、Assistant API Azure OpenAI Service、Amazon Bedrock 等 私たちの生産性を上げる Embed ー 部品 製品に革新を組み込む
29. 生成 AI と IoT の関係 生成 AI 人力 プロンプト 《 チャットボット 》 IoT デバイス データ + プロンプト 出力・生成 指示・フィードバック 人の代わりに 入力
30. IoT における生成 AI 活用の方向性 時系列データへの適用 ✓ トレンドの言語化 ✓ 欠落データ発見や補完 ✓ 未来予測 マルチモーダル情報の認識 ✓ 人以外からのデータ入力 ✓ 物体認識、 OCR、文字起こし マルチモーダル AI 時系列 基盤モデル SLM (小規模言語モデル) ✓ プロンプト最適化 ― クラウド・LLM への前処理 ✓ 独立動作 ― オフラインファーストデバイス オフライン・LLM 協調 UX 物理世界へのフィードバック ✓ 操作アシスト ✓ 機械の動作 デジタルツイン ✓ データ同士、組織内 DB との結合 ✓ 整形、意味づけ(マッピング) データ処理の自動化 RAG (検索強化生成)
31. 『技術評論社』知識地図シリーズ IoTの知識地図 ―― 設計・実装・運用のための必須知識をこれ一冊で 1. IoTの基礎とトレンド 2. IoTのデバイス 3. IoTにおけるセンサーの活用 4. IoTのネットワーク 5. IoTのデータ活用とクラウド利用 6. IoTによる双方向通信・遠隔制御 7. IoTのセキュリティ 8. IoTプロジェクトの取り組み方 https://gihyo.jp/book/2024/978-4-297-14069-4 本 2,860円(税込) ※電子書籍あり 好評発売中！
32. 日本最大級の IoT カンファレンス SORACOM Discovery 2024 ― 変える、今ここから 7/17(水) 東京ミッドタウン [東京/六本木] 複数トラックによる特別講演や IoT/DX 事例、 IoT 関連テックのセッション 会場だからこそ「見られる、触れられる」 展示会場やワークショップ SORACOM Discovery 2023 基調講演より
33. IoT の「つなぐ」を簡単に You Create. We Connect.