事例から見るLPWAと実装の現場〜SORACOMプラットフォームの活用方法〜

LPWA勉強会 #4

Nov. 16, 2017@パシフィコ横浜

株式会社ソラコム

テクノロジー・エバンジェリスト

松下 享平

目次

SORACOMご紹介

• IoT無線通信を支える仕組み

LPWA概説

• 無線通信における位置づけ

• 適用範囲

LoRaWAN解説

• LoRaとLoRaWAN

• システム構成と通信の種類

LoRaWAN商用サービス～SORACOM Air for LoRaWAN～

• ソリューション

• 事例紹介

LoRa Alliance Open House #9

• LoRaWAN v1.1

IoTに最適な無線通信とは？

• セルラー / LPWA

自己紹介

松下 享平 (まつした こうへい) “max”

• 静岡県民

• 前職: 東証二部ハードウェア・メーカーでIoT事業のコーディネート

• 2017年3月より「テクノロジー・エバンジェリスト」

• 好きなソラコムサービス

• SORACOM Air メタデータサービス

• SORACOM Funnel

• SORACOM Air for LoRaWAN

• Facebook, Twitter: ma2shita

株式会社ソラコム 概要

商号 株式会社ソラコム / SORACOM, INC.

代表取締役社長 玉川 憲

本社 東京都世田谷区玉川四丁目5番6号尾嶋ビル3階

社員数 約45名

事業概要 IoT/M2M向けの通信プラットフォームの提供

アプリケーションネットワークセンサー/デバイス

“モノ”

IoTの基本要素とネットワークの課題

有線LAN、無線LAN場所・配線の制約、事前設定、人が介在する前提3G/LTEの通信は便利人向けプラン、割高の通信費、長期固定契約

暗号化、認証デバイス単価の高騰通信の管理運用などのビジネスプランに影響

接続方法 セキュリティ通信の管理

2015年9月30日発表1日10円〜、モノ向け通信サービス

SORACOM Air for セルラー

SIMスロットにSORACOM Air SIM※スマートフォン、タブレットなど

専用線

インターネット

SORACOM Air ― 無線通信サービス

キャリアの交換局

お客様

① SIMを購入してモノに挿す

Webコンソール②Webからコントロール

③APIでコントロール

API

8000以上のお客様がSORACOMを利用

8000以上のお客様がSORACOMを利用

インターネットモノ 基地局 データセンター

ISPパケット交換帯域制御顧客管理課金・・・

セルラー基地局 ＋ AWSクラウド

仮想的な通信設備を実現

SORACOMが実現したこと

IoT通信プラットフォーム SORACOM

SORACOMのグローバルなインフラ

120以上の国・地域で利用可能

IoT向けデータ通信

SORACOM AirCellular (2G, 3G, LTE) / LPWA (LoRaWAN, Sigfox)

データ通信

ネットワーク

アプリケーション

インターフェースライブラリ & SDKs

CLI, Ruby, Swift

Web インターフェース

User Console

データ転送支援SORACOM

Beam

クラウドアダプタSORACOM

Funnel

データ収集・蓄積

SORACOMHarvest

プライベート接続SORACOM

Canal

デバイスLANSORACOM

Gate

専用線接続SORACOM

Direct

仮想専用線SORACOM

Door

API

Web API, Sandbox

認証サービスSORACOM

Endorse

デバイス管理SORACOM Inventory

透過型トラフィック処理

SORACOMJunction

SORACOMはあらゆる無線とクラウドをセキュアにつなぐ

セルラー

Sigfox インターネット

プライベートクラウドDC

AWS, Azure, GCPパートナークラウド

LoRaWAN

IoTの基本要素

アプリケーションネットワークセンサー/デバイス

“モノ”

通信技術マップ

センサー素子 マイコン ゲートウェイ

クラウドアプリケーションモノ ネットワーク

I2C

SPI

UART

1-wire

接点

近距離無線通信～1km

中・長距離無線通信

LPWA

LPWA = Low Power Wide Area network• 低消費電力

• kmレンジの長距離通信

• 安価な通信モジュール

• 低速度

LoRaトランシーバーSX1276

セルラーモデムUC20

参考: 発光ダイオード(LED)

消費電流 20~30 mA※送信時

500 mA※通信時

20 mA

LoRaWANとは？

センサー素子 マイコン ゲートウェイ

クラウドアプリケーションモノ

I2C

SPI

UART

1-wire

接点

近距離無線通信～1km

中・長距離無線通信

ネットワーク

LoRa と LoRaWAN の違い

•LoRaは変調方式 (データ⇔電波への変換方式)

•LoRaWANはMACレイヤー(L2)まで含めた仕様

LoRaWANでは Ethernetでは Wi-Fi(無線LAN)では

レイヤー7アプリケーション層

<ユーザ実装>

HTTP等

レイヤー3/4/5/6ネットワーク・トランスポート層

TCP/IP, TLS

レイヤー2データリンク層

LoRaWAN[下位層のLoRaを含む]

Ethernet 802.11 (無線LAN)

レイヤー1物理層

LoRa(変調方式)[国や地域によって

利用可能な周波数が違う]10Base-T ODFM

LoRaWANの通信

https://blog.surf.nl/en/lora-the-internet-of-things/

通信距離

通信時間/消費電力通信速度

長/多

短/少

290bps530970

SF121110987

10864 km

日本国内(ARIB規定内)SF = 7 ~ 10 で運用速

遅

データ送信は3種類

Class Usage 特徴

A全デバイスサポートの基本Class• 1 Uplinkに対して、特定時間軸でDownlinkを受信• バッテリ駆動を想定

Latencyは大きいが、消費電力低

Bビーコン送信Class• Class Aに加えて、Network主導のDownlink送信が可能

唯一のDownlinkトリガオプション

C• デバイスは受信スロットを常に解放• 常時給電デバイス駆動を想定

Latencyは小さいが、消費電力大

ClassA・ClassB・ClassCの順番にLoRaデバイスが開放する受信用の無線Slot間隔は広がっていく（開放時間が短いほど省電力）

LoRaWAN Class A (主に利用するClass)

デバイスから上りのデータを受信した後のみNetworkは下りのデータを送信デバイスはデータ送信後、一定時間だけ受信装置(Rx1 or RX2)をOpenすることで消費電流を抑制

Rx1 Rx2

RxDelay1RxDelay2

GW以降

Device

Tx

SORACOM Air for LoRaWAN

2017年2月 / LoRaWAN商用サービス開始

全国十数か所にて実証実験を実施

LoRaWANにおける標準的なシステム構成

LoRaWANデバイス

LoRaWANゲートウェイ

LoRaWANネットワークサーバ

ユーザ自身のアプリケーション

ユーザが全て準備・構築する必要がある

SORACOM Air for LoRaWAN利用時のシステム構成

SORACOMが提供

SORACOM Harvest(データ蓄積・可視化サービス）

ユーザ自身のアプリケーション

LoRaWANゲートウェイLoRaWAN

デバイス

ユーザが準備ユーザが準備

AWS, Azure, GCPなどのメガ・クラウドサービス

SORACOM Beam(データ転送・プロトコル変換サービス）

HTTP REST等

SORACOM Funnel(クラウドアダプタサービス）

接続先クラウドに合わせたAPIへの変換

SORACOMコンソールで注文可能

MultiTechMultiConnect® mDot™

株式会社BraveridgeBVMLRS923N52S

株式会社GISupplyLT-100

LoRaWANデバイス

SORACOMコンソールで注文可能

Arduino UNO R3向けLoRaWANシールド AL-050

SORACOMコンソールで注文可能

STマイクロエレクトロニクスSTM32L0 Discovery kit LoRa (B-L072Z-LRWAN1)

LoRaWANゲートウェイ

LoRaインドアゲートウェイAL-020

• AS923対応• 8ch対応• 3G USBドングル(AK-050)• 技術適合取得済

• AS923対応• 16CH対応• 3G&LTE Module搭載• Geolocation対応• PoE給電対応• IP66対応• 技術適合取得済

LoRaアウトドアゲートウェイ仏Kerlink社Wirnet iBTS Compact 923

SORACOMのLoRaWANソリューション

LoRaWANデバイス

LoRaWANゲートウェイ LoRaWAN

ネットワークサーバ

アプリケーションデータ転送支援SORACOM Beam

クラウドアダプタSORACOM Funnel

データ蓄積・可視化SORACOM Harvest

バイナリパーサー機能

SORACOM Beam ― データ転送支援SORACOM Funnel ― クラウドアダプタ

本来デバイスに実装するべき接続先設定や暗号化等をSORACOMへオフロード(負荷を移動)

オンプレシステムA

クラウドシステムB

インターネット

LoRaWAN & セルラーによるセキュア通信区間

LPWAデバイスから「送信」

SORACOM BeamやFunnel上に• 接続設定 (認証情報や接続先)• 暗号化 / プロトコル変換を保管

SORACOM Beam

SORACOM Funnel

SORACOM Harvest ― データ収集・蓄積

サーバをセットアップすることなくデータ収集・蓄積・可視化を行えるサービス

SORACOM HarvestSORACOM Harvest上にデータが蓄積

LPWAデバイスから「送信」

• SORACOM Web コンソールで可視化• APIで蓄積済みデータの取得

LPWAペイロードサイズ

LoRaWAN Sigfox

ペイロードサイズ(1送信)

11 ~ 242 byte 12 byte

どのように利用するのか？

ペイロード設計の手法と課題

項目 取りうる値

センサーID 0 ~ 3

物体までの距離 (cm) 0 ~ 30

[2,19]

6 byte

JSON(テキスト)

0x920213MessagePack

3 byte

独自フォーマット

1 byte

• クラウド側で扱いやすい• デバイスでの生成コストが高い

• クラウド・デバイス双方でそこそこ扱いやすい

• 徹底した削減までとはいかない

• デバイスでの生成コストが低い• クラウドでの扱いが極めて困難

7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit 0bit

0 ~ 30(幅的には31まで)

0~3(幅的には7まで)

0

1

2

3

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:%E7%A7%8B%E8%91%89%E5%8E%9F%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%93%E3%83%AB%E9%A7%90%E8%BB%8A%E5%A0%B4.jpg

複数の超音波測距センサーで自動車の有り無しを検出

要件

バイナリパーサー機能

バイナリデータ送信

1. データをパース2. データ処理（デコード、四則演算）

SORACOM Platform

SORACOM Beam/Funnel/Harvest

カスタムフォーマットを追加して送信

LPWAデバイス

オリジナルデータ(JSON)

カスタムデータ(JSON)

010010100…

バイナリパーサー機能

クラウド側

データ展開の手間軽減

{"distance": 19,"sensor_id": 2

}

7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit 0bit

0byte0 ~ 31

(e.g. 物体までの距離)0~7

(e.g. センサーID)

BIN 1 0 0 1 1 0 1 0

DEC 19 2

HEX 9 A

distance:0:uint:5:7 sensor_id:0:uint:3:2

デバイス側

ペイロード節約、CPU負荷低減

SORACOMのLoRaWANソリューション

LoRaWANデバイス

LoRaWANゲートウェイ LoRaWAN

ネットワークサーバ

アプリケーションデータ転送支援SORACOM Beam

クラウドアダプタSORACOM Funnel

データ蓄積・可視化SORACOM Harvest

★

SORACOM Air for LoRaWAN

実証実験: ファームノート様

牧場(約2km)をカバー！

牛の動線管理にLoRaWAN

搾乳舎

放牧地

LoRaWANゲートウェイ

搾乳舎

放牧地

LoRaWANゲートウェイ個体毎の移動距離

日陰を好む個体↕

牧草地の中心にいる個体

実証実験: 九州通信ネットワーク様 (QTNet)

橋梁監視センサーにLoRaWAN

分散型多目的市民ダム

あまみずタンクに取り付けたeTape

3つのeTapeからの水位を10分ごとにLoRa Shiled経由で送信

Harvesting から取り出したデータ

福岡工業大学 森山聡之熊本高専 森下功啓崇城大学 和泉信生

あまみず社会研究会；上水道下水道対応のスマートウオータだけでなく都市の水循環や洪水抑止を目指す

あめにわ憩いセンター＠樋井川.福岡市

共有GW利用例：福岡工業大学様

トライアスロン地点環境計測KYOSO様 × STNet様

お客様事例: インベスターズクラウド様

騒音・温湿度・照度などの物件周辺環境データをLoRaWANを利用して取得データ活用による家賃相場や土地価格との関連性を検証・分析

SORACOM Air for LoRaWAN とSORACOM Beamを利用してAWS上の分析基盤へデータを転送

(協力パートナー：ウフル様)

LoRa Alliance Open House #9in 中国/蘇州

#LoRa Alliance

#9 Summary

•LoRa Alliance加入が500社超に

•100ヵ国超で実証実験が進行中、52の事業者がPublicに運用開始

•中国ではCLAA(China LoRa Application Alliance)が設立され、800社超が参加する巨大なLoRa市場が拡大中

•LoRaWAN Spec v1.1、 バックエンド仕様リリースされ、Class B及びNS間Roamingが本格運用可能に

Technical Committee

LoRaWAN v1.1

Regional Parameters v1.1revA

Backend interface v1.0• セキュリティ強化

• root keyの新規規定、セッション鍵やIntegrity鍵の多様化

• JOIN関連仕様の大幅見直し• JOINEUIの新規規定、

JOIN Server(JS)の正式規定

• 7つのMAC commandを追加• Class B仕様がFIX• 異NS間のローミング仕様

https://www.lora-alliance.org/lorawan-for-developers

中国市場向けLoRaWANデバイス

通信技術マップ

センサー素子 マイコン ゲートウェイ

クラウドアプリケーションモノ ネットワーク

I2C

SPI

UART

1-wire

接点

近距離無線通信～1km

中・長距離無線通信

IoTに最適な無線通信とは？

通信距離通信方向

(1 or 2way)通信頻度 モビリティ

データ量クラウド

連携消費電力 IPの有無

どの要素を重要視するか実際の(想定)ユースケースから

最もマッチする方式を選択するべき

LPWA & 遠距離無線通信

http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1709/19/news004.html

登録先のアカウントで利用開始＆管理が可能に！

SORACOMコンソール“発注”

Amazon.co.jp等

2. 登録

SORACOMコンソールアカウントhttps://console.soracom.io

アカウント作成 (最初の1回のみ)

SORACOMを始めるまで

1. 入手

モダンブラウザ メールアドレス クレジットカード

※請求書払いもOK

※PC推奨ですがタブレット等もOK※古いブラウザは未サポート

新サービスやニュースを追う

https://twitter.com/SORACOM_PR https://www.facebook.com/soracom.jp

DeveloperコミュニティSORACOM User Group Japan

東京、関西、九州、仙台、山形、東海、信州、四国

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

世界中のヒトとモノをつなげ共鳴する社会へ