【IoT-Tech Meetup #9】屋外IoTにおける通信技術の選び方と実装ポイント

2024年2月7日開催『IoT-Tech Meetup 第9回【屋外でのIoT実装】』で、ソラコム横田(shun)が発表した資料です。

Transcript

1. 屋外IoTにおける通信技術の選び方と 実装ポイント 株式会社ソラコム ソリューションアーキテクト 横田峻 #9-3
2. 自己紹介 横田峻 (shun) ソリューションアーキテクト 株式会社リコーにて電子回路設計、組 み込み・B2B向けWebソリューション のバックエンド開発などに従事したの ち、ソラコムに入社(2019/9) 得意領域はデバイス、クラウド
3. 屋外でのIoTデバイス利用
4. IoT で利用できる通信技術 Wi-Fi PAN BLE, ZigBee, Wi-SUN LPWA LoRaWAN, Sigfox LTE-M, NB-IoT 通信距離 10m 30m 1km 10km 消費電流 100mA 20mA 通信速度 100bps 1kbps 1Mbps 10Mbps 450Mbps NFC RFID 5G セルラー 3G, LTE(4G) 近距離 《 中継パターン 》 長距離 《 直接パターン 》
5. GSM CDMAon e GPRS EDGE CDMA 2000 W-CDMA HSPA EVDO LTE (Cat 1~5) LTE Advanced (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 CatM2 NB2
6. セルラーLPWA(LTE-M, NB-IoT)の特徴 • 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
7. Sigfox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 • 上り12Byte、下り8Byte、送受信回数の制限 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 セルラー 参考 消費電流 27 mA 570 mA 20 mA
8. Agnosticアーキテクチャ ｛…｝ ｛…｝ ｛…｝ 無線通信 デバイス特性に応じた通信方式の選択 ・データフォーマット変換 ・プロトコル変換 ・データ暗号化 ・Sigfox無線通信 ・LTE-M無線通信 ・LTE/3G無線通信 通信方式差異の吸収 データ差異の吸収 ｛…｝ フィールド側/システム側相互に変更影響なく、拡張可能でサステイナブルな通信インフラを実現。 システム間の抽象化に加え、クラウド側にロジックを集約させていることで、デバイス毎の特性や要件に応 じた無線通信方式を選択可能。 既存の通信に依存することなく新たな通信方式やテクノロジーにも対応。
9. 日本瓦斯株式会社 利用したSORACOMサービス：SORACOM Air for Sigfox、セルラー（LTE-M)、Funnel 協力パートナー：フューチャー株式会社 導入事例 ご利用シーンがわかる写真 エネルギー ガスメーターをネットワークで繋ぐ NCU を 自 社 開 発 し 、 検 針 や 異 常 検 知 を オンライン化。 デ ー タ 活 用 で ガ ス 充 填 か ら 配 送 ま で を 最適化し、それを同業他社にも提供する “世界初”「LPガス託送サービス」を開始。
10. 日本瓦斯株式会社 エネルギー 導入事例 SigfoxとLTE-Mでデータ通信の広いカバレッジを確保。 SORACOM Funnelで認証情報を付与し、自社クラウドにリアルタイム連携。 ＭＤＤＭ データ プラットフォーム 製造計画 充填制御 配送計画 基幹システム リアルタイム 連携 遠隔開閉栓 遠隔制御 SORACOM Funnel スペース蛍 LPガス ハブ充填基地 夢の絆・川崎 請求・入金 保安・検針
11. 屋外における無線通信のポイント
12. どうやって確実にデータを届けるか • 無線である以上、どうしても信頼性は下がる • 加えて外的環境の変化が起こりやすく、これも信頼 性低下につながる • 再送を適切に実装する • 届かないことを想定したシステム設計をする
13. 再送の設計と諦めるという選択肢 • 輻輳の防止 • 送信エラー時に諦めずに再送を続けると、通信が一 気に増加し、輻輳が発生。通信がより困難に。
14. Exponential Backoff • クライアントが通信に失敗した際に要求間の遅延を 増やしながら定期的に再試行するアプローチ • 1回目・・・1秒待つ • 2回目・・・2秒待つ • 3回目・・・4秒待つ • 4回目・・・8秒待つ • n回目・・・2^(n-1)秒待つ
15. SORACOM Harvest Data Intelligence SORACOM Harvest Data蓄積の 時系列データをChatGPT で解析 異常値、トレンド、欠損データなど のデータに関する洞察を ワンクリックで得られる (Azure OpenAI Service の gpt-35-turboを使用) SORACOM Harvest Dataに 蓄積されたIoTデータ ChatGPT データに関する 洞察 IoT x ChatGPT
16. 消費電力に関する考え方
17. 消費電力の考え方 基本的な考え方 • 送信時電力 ✕ 送信回数 + 待機電力 • 送信時電力＞＞待機電力となるため、重要なのは • 送信時電力を抑える • 送信回数を減らす
18. 無線方式とプロトコルの選定 • 送信電力と送信回数は無線方式とプロトコルに大きく左 右される • 無線方式 • LTE • LTE-M • NB-IoT etc… • プロトコル • UDP • TCP • MQTT etc…
19. eDRX (extended Discontinuous Reception) eDRX (従来 LTE) 1.28s周期 eDRX (LTE-M/NB) Sleep 5.12s~2621.44s (43m) 周期ま で延長可 LPWAN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 る消費電力減を実現 (トレードオフとしてsleep中の着信 /SMS/データ受信は不可となる)
20. 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 *キャリアにより最大値は異なる
21. 軽量プロトコルとセキュリティの 両立
22. SORACOM Beam/Funnel/Funk デバイス開発のメリット セキュア&クラウドネイティブな プロトコル • クラウド • パートナー ソリューション SORACOM Beam SORACOM Funnel シンプルな プロトコル • SIM を鍵としてクラウドの認証情報との紐づけ • SORACOM がクラウド向けプロトコルへと変換 HTTP, MQTT, TCP, UDP HTTPS(+JSON), MQTTS, TCPS SORACOM Funk • SDK をデバイスから取り払ってシンプルにし、開発工数を削減 • アクセス先やビジネスロジック変更時にデバイス側の変更不要 • 認証情報をデバイスに持たせる必要がない
23. デバイス サーバー SORACOM デバイス uni.soracom.io UDP - クラウド SORACOM に送るだけで、デバイスがクラウドに繋がる ポイント > 解決策 暗号化が不要だから 消費電力を節約 セルラーの閉域網は 平文プロトコルも OK 機密情報を集約して 紛失リスクに対策 認証情報を付加し 通信も暗号化 転送先の変更時も デバイス改修は不要 my-iot-app.com UDP > HTTPS mySecretKey ← 転送先はいつでも変更可能 ← 認証情報を SORACOM で管理 ← 閉域網では平文で通信 ← SORACOM が通信を暗号化 ← 機器は機密情報を持たない ← 宛先を SORACOM に固定
24. まとめ • 屋外は屋内と違い通信にとって厳しい環境 • 適切な再送と届かないことを前提としたシステム設 計が重要 • 消費電力をいかに抑えるかは通信規格とプロトコル 選択が肝
25. IoT の「つなぐ」を簡単に You Create. We Connect.