SORACOM Technology Camp 2020 - Day2 Deep Dive: 無線テクノロジーと 通信プロトコルと省電力性能/technology-camp2020-day2-s06

持ち運び型のGPSトラッカーやガス用のスマートメーターなど、AC給電のない環境で動作するIoTデバイスは、限られたバッテリーでいかに長期間稼働させるかという技術的チャレンジを持っています。

本セッションでは電力消費の大きな要素である通信について、無線テクノロジーと通信プロトコルの選択と現実的な組み合わせパターンについてご紹介します。

株式会社ソラコム
事業開発マネージャー 大槻 健
マネージャー、ソリューションアーキテクト 今井 雄太

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11. 大槻 健 株式会社ソラコム 事業開発マネージャー [経歴] 国内通信キャリアにて携帯電話/SIMカードエンジニアとして 十年超に渡り3G/LTEのベアラプロトコル、SIMカードの開発・ 仕様策定に従事 2016年より株式会社ソラコムにてIoT SIMの開発、 コアネットワークの設計、通信キャリア間交渉、 LPWAを中心とした新規通信サービスのビジネス・ 技術開発を推進中 自己紹介
12. アジェンダ • *P5向け各種通信規格のご紹介 • 省電力を実現する技術とは • デバイス制御方法 • 省電力実現に向けたアプローチ
13. IoT向け通信方式 それぞれの方式の特徴
14. IoT向け各種通信方式 消費電流 通信距離 セルラー 3G, 4G, 5G WiFi PAN BLE, Zigbee Z-wave, Wi-SUN 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
15. GSM CDMAon e PDC GPRS EDGE CDMA 2000 W-CDMA HSPA EVDO LTE (Cat 1~5) LTE Advance d (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 CatM 2 NB2
17. 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
18. Sigfox, LoRaWAN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 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モジュール WF941 セルラーモデム UC20 参考: 発光ダイオード (LED) 消費電流 27 mA *送信時 (13dBm) 570 mA *通信時 (Tx max power) 20 mA
19. Sigfox カバレッジ Coverage | Sigfox https://www.sigfox.com/en/coverage 国内人口カバー率95%
20. • 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
21. 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
22. 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
23. 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)
24. 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
25. 結局どれを 選ぶべき？
26. 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 ユースケース
27. 省電力化に向けた デバイス制御 最適なアプローチとは
28. •Cat.M1, NB-IoTで全て解決する！ •モジュールが安くなる •よく飛ぶ •消費電力下がる LPWAでよくある誤解 必ずしもそうではないので注意が必要 ？
29. •LTE-M/NB-IoTでも”通信時”の消費電力は依然大きい。 つまり省電力を効果的に実現するにはeDRXやPSM等を 最大限活用して、通信間隔やSleep時間を出来るだけ最 適化(長く)する必要あり •逆に数秒毎など非常に高頻度で通信するユースケース においてCat.M1/NB-IoTの省電力特性は全く生かせな いので注意が必要 送信頻度の重要性
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 =下り通信が常時 or 低遅延の必要がなければ必須ではない • PSMはいわゆるオフラインモード状態と同義 =Modem機能をOffにすることで類似の状態は実現可能 省電力実現においてeDRX/PSMは必須か？ (例) SORACOM LTE-M Buttonでは、”ボタン”という製品の性質上 • 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。送信後は即Modemの電源を落とし、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
31. まとめ：省電力実現するためにデバイス側で考慮するポイント • 無線通信の送信間隔 • 下り通信の要否、要の場合は受信間隔 (リアルタイム性) • eDRX/PSMの活用要否 • アプリケーションプロトコルの選定 (UDP/TCP/HTTP/MQTT) • 実装するOSの選定
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43. 暗号化により保護 専用線 SORACOMのアプリケーションサービス 交換局 モノ 基地局 セルラー SORACOM Funnel クラウドアダプター SORACOM Beam データ転送支援 • ͍ͣΕ΋)551ɺ5$1ɺ6%1Ͱ௨৴Մೳ • 暗号化とデバイスの認証もオフロード可 LoRaWAN Sigfox セルラー LPWA SORACOM Funk クラウドファンクション AWS Lambda Google Cloud Functions Azure Functions クラウド Amazon Kinesis AWS IoT Core Microsoft Azure EventHubs Google Cloud Pub/Sub
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46. SORACOMの願い クラウド ⇒ 多くのビジネス、Webサービス SORACOM ⇒ 多くのIoTビジネス、システム たくさんの IoTプレイヤーが生まれますように
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