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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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
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
IoT向け通信方式それぞれの方式の特徴
IoT向け各種通信方式消費電流通信距離セルラー3G, 4G, 5GWiFiPANBLE, ZigbeeZ-wave, Wi-SUNLPWASigfox ,LoRaWAN,LTE-M, NB-IoT100mA10m 30m 1km 10km20mA通信速度100bps1kbps1Mbps10Mbps450MbpsNFCRFID1Gbps500mA
GSMCDMAonePDCGPRSEDGECDMA2000W-CDMA HSPAEVDOLTE(Cat 1~5)LTEAdvanced(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CatM1NB1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CatM2NB2
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-IoTCat.1もLPWAに含むケースもあり
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
Sigfox カバレッジCoverage | Sigfoxhttps://www.sigfox.com/en/coverage国内人口カバー率95%
• 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
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)Sleep5.12s~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
PSM (Power Saving Mode)位置登録処理PSMSleep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
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IdleeDRX通信時>待機時(IDLE時)>eDRX>PSMとなるSleepPSM(Power Saving Mode)
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 789mALTE通信時(通常 power時)100 ~ 130mA 150 ~ 300mAIdle時 15mA 23.5mAeDRX Sleep時 1.2mA N/APSM時 10μA N/AQuectel社Datasheetより抜粋
結局どれを選ぶべき?
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-MSigfox, NB-IoTCat.1 or LTE-MCat.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
省電力化に向けたデバイス制御最適なアプローチとは
•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?
•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
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
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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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LoRaWANSigfoxセルラーLPWASORACOM Funkクラウドファンクション AWSLambdaGoogle CloudFunctionsAzureFunctionsクラウドAmazon KinesisAWS IoT CoreMicrosoft AzureEventHubsGoogle CloudPub/Sub
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