3．セルラーLPWA

3.1 4GのLPWA（LTE版LPWA）

携帯電話網の標準化を行う3GPP（ThirdGenerationPartnershipProject）は、4Gの仕様検討を2008～2014年に行い、一旦標準化を終了した。その仕様は、3Gの通信を高速化したMBB（MobileBroadBand）と呼ぶサービスのみであった。
一方で、SigfoxやLoRaが2015年からヨーロッパ中心に携帯電話網のデータ通信市場を奪い始めたため、3GPPは2015年末に4Gに関する標準化の議論を急遽再開した。スウェーデンのエリクソンとフィンランドのノキアが中心となって4G向けのLTE版LPWAを2016年3月に規格化した。携帯電話網史上で初めて、高速化以外を目的とした仕様が規格化されたことになる。

LTE版LPWAの仕様には、より高性能のLTE-MまたはeMTC（LTE-MのMはMachine、eMTCは3GPPでの呼称でenhancedMachineTypeCommunications）と、低性能のNB-IoTの2種類がある。前者はCat.M1、後者はCat.M2またはCat.NB1（Cat.はCategory、NBはNarrowBand）と記されることもある。表3.1にLTE版LPWAの仕様の概要を示す^1),2)。

省電力化について、2つの仕様ではともにeDRX（extendedDiscontinuousReception）とPSM（PowerSavingMode）の2つの方式によりセンサの消費電力を抑える。eDRXは、センサのデータ着信間隔を延長する方式で、ネットワークからセンサにアクセス可能である。PSMは、センサ主導で着信確認の間隔を延ばす方式で、ネットワークからセンサにアクセスできない。
世界各国の通信事業者は、LTE版LPWA規格化直後の2016年半ばに一斉に開発に着手し、2018年初頭には、中国や北欧等においてLTE版LPWAの一部の仕様を採用したサービスを開始している。特に、4Gの普及率が低くこれまで携帯電話に関して後進国と言われてきた中国は、携帯電話網においてはより革新的な（LoRa、Sigfoxの性能、機能により近い）NB-IoTを強力に推進している。
国内では、KDDIが2018年にLTE-M（eMTC）、ソフトバンクが同年にLTE-M（eMTC）とNB-IoT、NTTドコモが2018年にLTE-M（eMTC）、2019年にNB-IoTのサービスを開始している。

(1)LTE-M（eMTC）
従来の4Gの高速通信サービス（MBB）では50RB（ResourceBlock。1RBは180kHz）を制御単位とするのに対し、LTE-M（eMTC）では6RBを制御単位として1.08MHzに狭帯域化し、繰返し送信を導入している。約1Mbpsを確保できるため、音声通信やウェアラブルデバイスなどセンサが低速度で移動するIoTサービスでの利用を想定している。既存の基地局を用いて、LTE-M（eMTC）によるIoT向けサービスとMBBを同時に提供する。通信方式の概要を図3.1に示す。

(2)NB-IoT
LTE-M（eMTC）の1/6の1RBを制御単位として180kHzに狭帯域化し、繰返し送信を導入している。スマートメータや農場、プラント、駐車場、マンホール、エレベータ・エスカレータ、自動販売機、ゴミ収集場などの決まった場所に設置されるモビリティが不要なセンサを主対象としている。通信方式の概要を図3.2に示す、ガードバンドを除く送信周波数帯域で運用するインバンドモード、送信周波数帯域のガードバンドで運用するガードバンドモード、専用帯域で運用するスタンドアロンモードの3種類の通信モードを規定している。

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【著者略歴】

1972年早大理工電子通信卒。1974年同大学大学院理工学研究科修士卒。同年NEC(日本電気)入社。
以来、同社研究所にてインターネット、マルチメディア通信、モバイル通信の研究に従事。工学博士。
1996-2004年同社研究所所長。1997-1999年（兼）奈良先端科学技術大学院大学客員教授。
2004-2014年より千葉大学大学院教授。同大学では、ユビキタスネットワーク、IoT/LPWA、5Gネットワークの研究に従事。2014-2019年同大学グランドフェロー。
2019年より同大学名誉教授。IEEE Fellow, 電子情報通信学会フェロ―、情報処理学会フェロ―。
情報処理学会では、理事、監事歴任に加え、山下記念研究賞受賞、マルチメディア通信およびモバイル通信に関する先駆的研究に対し功績賞受賞。
電子情報通信学会では、理事、評議員（2期）歴任に加え、ユビキタスネットワークに関する先駆的研究に対し顕彰功労賞受賞。
総務省より、災害支援のための無線マルチホップネットワークに関する研究業績に対し総務省関東総合通信局長賞受賞、他受賞。
情報通信ネットワークに関する単著書4、共著書40。
http://sakatashiro.com/で詳しく紹介。

6．ビジネスモデルと国内ユースケース

Sigfoxサービスは、オペレータとパートナー企業のエコシステムで成り立っている。国内におけるパートナー企業は2019年4月時点で440社を超え、さまざまなプロダクトが誕生している。

6．1アセットトラッキング

GroupePSA社は、SigfoxとIBMのIoTソリューション「Track&Trace」によってコンテナの位置を追跡できるようにした。これにより、サプライヤと工場間のコンテナローテーションの最適化を実現し、生産ラインのインシデント低減など、さまざまな効果を生み出している。また、ルイ・ヴィトン社の旅行鞄追跡用のデバイス「Echo（エコー）」は、小型のトラッキング端末により、世界各国の主要空港で旅行鞄が無事に到着したかを確認することができる。これにより、ロストバゲージのリスクを最小限に抑えることができる。

国内においても、スポーツ自転車の盗難防止・追跡が可能になる株式会社ネクストスケープの「AlterLock」、ランドセルに入れることで児童の行動をスマートフォンで見守ることができる株式会社ハムステッドの「KinseiGPS」、車両や資材などモノの位置を見える化する株式会社ワイズ・ラブの「Xeye（クロスアイ）」など、位置測位に強いSigfoxの特長を活かしたサービスが次々に誕生している。

水位の計測には超音波センサを用いることとした。これは、水圧式センサに比べセンサ自体の価格が安いためである。電源は内蔵一次電池のみでソーラーパネル等の外部電源は不要としコストを削減した。長期運用を実現するため通信方式はLoRaWANを採用し、通信時の消費電力を抑えると共に総合的な低消費電力となるようチューニングを施した。また、センサ・通信部・アンテナ・電源を一体とした軽量・コンパクトな筐体のため、設置コストも大幅に削減することが可能である。

本プロジェクトでは、監視する河川の上流・中流・下流の3箇所に水位計を設置し増水の傾向を把握することとし、注視すべき中小河川等を5河川選定、大学構内の砂防ダムを含む市内合計15箇所に水位計を設置した。 またLoRaゲートウェイは、弊社社屋や市役所、河川近くの学校等の建屋屋上に合計11箇所設置した。LoRaWANの電波到達範囲を考えると1河川にLoRaゲートウェイ1つで足りるが、LoRaゲートウェイに障害が起きた場合でも水位データを取り続けられるよう、冗長化するために監視河川数より多く設置することとした。尚、河川や橋梁等に水位計を設置するには、そこを管理している担当所管への届出と許可が必要なことを付け加えておく。

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【著者略歴】

1996年 3月 日本電子専門学校電子音響工学科卒業
1996年 4月 株式会社東洋リンクス入社 マイコン関連開発業務に従事
2009年 1月 株式会社エイビット（技術部）入社
2017年 5月 総務省実証事業「八王子防災プロジェクト」に従事

2．独自仕様のLPWA

独自仕様のLPWAは、サービス開始時期により、2015年以前にサービスを開始し先行したLoRa、Sigfox、FlexNetと、後発として新規参入し2018年以降にサービスが開始されているEnOcean Long Range、ソニー製LPWA、Weightless-P、ZETA等に大きく分けられる。これらの中で、LoRa、Sigfoxは他を大きく引き離し、実証実験が多く実施され、実サービスも始まっている。

2.1 LoRa

名称の由来はLong Rangeで、ネットワークは仏Cycleo社、デバイスは米Semtech（仏Cycleoを買収）が開発、2014年にサービスを開始、2015年に LoRaアライアンスを2015年に設立した。LoRaアライアンスには2019年4月末現在550社以上が参加している。
‘オープン性’が特徴で、免許不要のサブギガヘルツ帯（国内では920MHz）を使用し、通信距離は見通しで約10km、都市部では約2kmでリンクバジェット154dBの通信が可能、通信速度は200～10kbps、利用帯域幅は500～125kHz、最大パケットサイズは256byteである。
LoRa変調は、従来レーダーやソナーなどで使われてきたチャープ信号を用いたチャープ拡散方式である。チャープ信号は、一定時間内で周波数が単調増加または単調減少する信号で、チャープ拡散方式では、チャープ信号をベースチャープ信号として、時間軸方向にサイクリックシフトして信号多重し、周波数拡散を行う。PSK（Phase Shift Keying）が正弦波の位相変調であるのに対し、LoRa変調はチャープ信号の位相変調といえる。FSK（Frequency Shift Keying）と比べて、同程度の通信速度では約8dB優れた感度で、妨害波干渉にも耐性をもつため、FSKよりも長距離の通信が可能である^6),7)。
LoRaはセンサとゲートウェイ間のみの通信機能を提供するため、携帯電話網と共存可能である。海外では、既にオランダ、韓国で国全体、インドでは2017年末には人口4億人の地域をカバーしている。国内では、ソラコムが2017年初頭に商用化開始後、NTTドコモとソフトバンクも同年に相次いでサービスを開始している。