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

Transcript

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2. 本日のハッシュタグ
   #soracom
   @SORACOM_PR
   https://www.facebook.com/soracom.jp/
   

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10. ແઢϨΠϠͷ࿩
    

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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
    

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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
    

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13. IoT向け通信方式
    それぞれの方式の特徴
    

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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
    

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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
    

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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
    

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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
    

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19. Sigfox カバレッジ
    Coverage | Sigfox
    https://www.sigfox.com/en/coverage
    国内人口カバー率95%
    

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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
    

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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
    

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22. PSM (Power Saving Mode)
    位
    置
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    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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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)
    

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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
    

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25. 結局どれを
    選ぶべき？
    

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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
    

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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
    

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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
    ？
    

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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
    

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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
    

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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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42. লిྗੑೳΛॏཁࢹͨ͠৔߹ͷ
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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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44. ݟकΓ୺຤ʹϓϥΫςΟεΛ͋ͯ͸ΊͯΈΔ
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    ఆظϨϙʔτ ίϚϯυͷϙʔϦϯά
    
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45. 403"$0.ͳΒɾɾɾ
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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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47. ੈքதͷώτͱϞϊΛͭͳ͛
    ڞ໐͢Δࣾձ΁
    

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