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【IoT-Tech Meetup #9】屋外IoTにおける通信技術の選び方と実装ポイント

SORACOM
February 07, 2024

【IoT-Tech Meetup #9】屋外IoTにおける通信技術の選び方と実装ポイント

2024年2月7日開催『IoT-Tech Meetup 第9回【屋外でのIoT実装】』で、ソラコム横田(shun)が発表した資料です。

SORACOM

February 07, 2024
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Transcript

  1. 屋外IoTにおける通信技術の選び方と
    実装ポイント
    株式会社ソラコム
    ソリューションアーキテクト
    横田峻
    #9-3

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  2. 自己紹介
    横田峻 (shun)
    ソリューションアーキテクト
    株式会社リコーにて電子回路設計、組
    み込み・B2B向けWebソリューション
    のバックエンド開発などに従事したの
    ち、ソラコムに入社(2019/9)
    得意領域はデバイス、クラウド

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  3. 屋外でのIoTデバイス利用

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  4. IoT で利用できる通信技術
    Wi-Fi
    PAN
    BLE, ZigBee, Wi-SUN
    LPWA
    LoRaWAN, Sigfox
    LTE-M, NB-IoT
    通信距離
    10m 30m 1km 10km
    消費電流
    100mA
    20mA
    通信速度
    100bps
    1kbps
    1Mbps
    10Mbps
    450Mbps
    NFC
    RFID
    5G
    セルラー
    3G, LTE(4G)
    近距離
    《 中継パターン 》
    長距離
    《 直接パターン 》

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  5. GSM
    CDMAon
    e
    GPRS
    EDGE
    CDMA
    2000
    W-CDMA HSPA
    EVDO
    LTE
    (Cat 1~5)
    LTE
    Advanced
    (Cat6-15)
    第2世代 (2G) 第3世代 (3G) 第4世代 (4G) 第5世代 (5G)
    大容量・高速化
    CatM1
    NB1
    小容量/省電力化
    Cat1
    セルラーシステムは大容量と少量・省電力の二極化へ
    スマホ等コンシューマ製品向け
    IoT製品向け
    CatM2
    NB2

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  6. セルラーLPWA(LTE-M, NB-IoT)の特徴
    • 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

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  7. Sigfoxの特徴
    • 920MHz帯域を利用した長距離通信
    • 安価な通信モジュール
    • 低速度 / 低消費電力
    • IPスタックなしのシンプル設計
    • 上り12Byte、下り8Byte、送受信回数の制限
    消費電流を抑止しつつも小データの長距離通信が可能
    #各社HPのデータシート参照、及び引用
    Sigfox セルラー 参考
    消費電流 27 mA 570 mA 20 mA

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  8. Agnosticアーキテクチャ
    {…}
    {…}
    {…}
    無線通信
    デバイス特性に応じた通信方式の選択
    ・データフォーマット変換
    ・プロトコル変換
    ・データ暗号化
    ・Sigfox無線通信
    ・LTE-M無線通信
    ・LTE/3G無線通信
    通信方式差異の吸収 データ差異の吸収
    {…}
    フィールド側/システム側相互に変更影響なく、拡張可能でサステイナブルな通信インフラを実現。
    システム間の抽象化に加え、クラウド側にロジックを集約させていることで、デバイス毎の特性や要件に応
    じた無線通信方式を選択可能。
    既存の通信に依存することなく新たな通信方式やテクノロジーにも対応。

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  9. 日本瓦斯株式会社
    利用したSORACOMサービス:SORACOM Air for
    Sigfox、セルラー(LTE-M)、Funnel
    協力パートナー:フューチャー株式会社
    導入事例 ご利用シーンがわかる写真
    エネルギー
    ガスメーターをネットワークで繋ぐ NCU
    を 自 社 開 発 し 、 検 針 や 異 常 検 知 を
    オンライン化。
    デ ー タ 活 用 で ガ ス 充 填 か ら 配 送 ま で を
    最適化し、それを同業他社にも提供する
    “世界初”「LPガス託送サービス」を開始。

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  10. 日本瓦斯株式会社
    エネルギー 導入事例
    SigfoxとLTE-Mでデータ通信の広いカバレッジを確保。
    SORACOM Funnelで認証情報を付与し、自社クラウドにリアルタイム連携。
    MDDM
    データ
    プラットフォーム
    製造計画
    充填制御
    配送計画
    基幹システム
    リアルタイム
    連携
    遠隔開閉栓
    遠隔制御
    SORACOM
    Funnel
    スペース蛍
    LPガス ハブ充填基地
    夢の絆・川崎
    請求・入金
    保安・検針

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  11. 屋外における無線通信のポイント

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  12. どうやって確実にデータを届けるか
    • 無線である以上、どうしても信頼性は下がる
    • 加えて外的環境の変化が起こりやすく、これも信頼
    性低下につながる
    • 再送を適切に実装する
    • 届かないことを想定したシステム設計をする

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  13. 再送の設計と諦めるという選択肢
    • 輻輳の防止
    • 送信エラー時に諦めずに再送を続けると、通信が一
    気に増加し、輻輳が発生。通信がより困難に。

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  14. Exponential Backoff
    • クライアントが通信に失敗した際に要求間の遅延を
    増やしながら定期的に再試行するアプローチ
    • 1回目・・・1秒待つ
    • 2回目・・・2秒待つ
    • 3回目・・・4秒待つ
    • 4回目・・・8秒待つ
    • n回目・・・2^(n-1)秒待つ

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  15. SORACOM Harvest Data Intelligence
    SORACOM Harvest Data蓄積の
    時系列データをChatGPT で解析
    異常値、トレンド、欠損データなど
    のデータに関する洞察を
    ワンクリックで得られる
    (Azure OpenAI Service

    gpt-35-turboを使用)
    SORACOM
    Harvest Dataに
    蓄積されたIoTデータ
    ChatGPT
    データに関する
    洞察
    IoT x ChatGPT

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  16. 消費電力に関する考え方

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  17. 消費電力の考え方
    基本的な考え方
    • 送信時電力 ✕ 送信回数 + 待機電力
    • 送信時電力>>待機電力となるため、重要なのは
    • 送信時電力を抑える
    • 送信回数を減らす

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  18. 無線方式とプロトコルの選定
    • 送信電力と送信回数は無線方式とプロトコルに大きく左
    右される
    • 無線方式
    • LTE
    • LTE-M
    • NB-IoT etc…
    • プロトコル
    • UDP
    • TCP
    • MQTT etc…

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  19. eDRX (extended Discontinuous Reception)
    eDRX (従来 LTE)
    1.28s周期
    eDRX (LTE-M/NB)
    Sleep
    5.12s~2621.44s (43m) 周期ま
    で延長可
    LPWAN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
    る消費電力減を実現
    (トレードオフとしてsleep中の着信
    /SMS/データ受信は不可となる)

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  20. PSM (Power Saving Mode)






    PSM
    Sleep






    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
    *キャリアにより最大値は異なる

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  21. 軽量プロトコルとセキュリティの
    両立

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  22. SORACOM Beam/Funnel/Funk
    デバイス開発のメリット
    セキュア&クラウドネイティブな
    プロトコル
    • クラウド
    • パートナー
    ソリューション
    SORACOM Beam
    SORACOM Funnel
    シンプルな
    プロトコル
    • SIM を鍵としてクラウドの認証情報との紐づけ
    • SORACOM がクラウド向けプロトコルへと変換
    HTTP, MQTT,
    TCP, UDP
    HTTPS(+JSON), MQTTS,
    TCPS
    SORACOM Funk
    • SDK をデバイスから取り払ってシンプルにし、開発工数を削減
    • アクセス先やビジネスロジック変更時にデバイス側の変更不要
    • 認証情報をデバイスに持たせる必要がない

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  23. デバイス サーバー
    SORACOM
    デバイス
    uni.soracom.io
    UDP
    -
    クラウド
    SORACOM に送るだけで、デバイスがクラウドに繋がる
    ポイント > 解決策
    暗号化が不要だから
    消費電力を節約
    セルラーの閉域網は
    平文プロトコルも OK
    機密情報を集約して
    紛失リスクに対策
    認証情報を付加し
    通信も暗号化
    転送先の変更時も
    デバイス改修は不要
    my-iot-app.com
    UDP > HTTPS
    mySecretKey
    ← 転送先はいつでも変更可能
    ← 認証情報を SORACOM で管理
    ← 閉域網では平文で通信 ← SORACOM が通信を暗号化
    ← 機器は機密情報を持たない
    ← 宛先を SORACOM に固定

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  24. まとめ
    • 屋外は屋内と違い通信にとって厳しい環境
    • 適切な再送と届かないことを前提としたシステム設
    計が重要
    • 消費電力をいかに抑えるかは通信規格とプロトコル
    選択が肝

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  25. IoT の「つなぐ」を簡単に
    You Create. We Connect.

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