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】

IoTのチャレンジに「デバイスの省電力化」があります。みまもり用GPSトラッカーを例に考えると、外出中でのバッテリー切れや頻繁な充電は、使い勝手に直接影響があります。LTE-MやNB-IoTに代表されるLPWA(Low Power Wide Area)ネットワークはこういった課題へのソリューションの一つです。このセッションでは、LPWAの技術的なおさらいと最新事情、利用可能な通信モジュールと選び方、SORACOMの通信プランの選択肢と選び方、そして全体を通したベストプラクティスを紹介します。

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

Transcript

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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。
5. 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」
6. LPWAと省電力
7. 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

8. 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
9. 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
10. 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
11. 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？
12. 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？
13. 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？
14. •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
15. 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
16. • 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
17. 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)
18. 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
19. 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
20. 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)
21. 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
22. セルラーLPWA、ざっくりまとめると
23. • 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
24. LPWAの使い所は？
25. 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？
26. 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！
27. 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
28. 低消費電力はLPWAを使えばOK?
29. 低消費電力はLPWAを使えばOK? ↓ もちろんNO
30. 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
31. 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
32. 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
33. 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
34. One more thing 今日のキーノートで発表されたiSIMとは？
35. 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
36. 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
37. 物理SIMがなくなると何がうれしいの？
38. 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
39. 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
40. 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)
41. 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

42. 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) 

43. 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