屋内のスマート ビルディング アプリケーションとは別に、スマート ビルディング/都市の屋外IoTアプリケーションには、異なる一連の要件が必要です。これらのアプリケーションでは、より長い範囲とより低い消費電力を備えた伝送技術が必要であり、多くの場合、数年のバッテリー寿命を必要とするバッテリー電源で動作します。このような場合、これらの一般的なアプリケーションでは、低電力広域 (LPWA) ネットワーク テクノロジーが推奨される選択肢になります。本稿では、LPWAネットワークの応用と開発、および村田製作所が提供する関連ソリューションについて紹介します。
電力効率と長距離データに重点を置いたLPWA技術
LPWAネットワークは、大規模なスマート ビルディングやスマート シティのアプリケーションに適しており、電力効率と長距離データ伝送に重点を置いてデバイスを相互接続するために特別に設計された無線通信テクノロジです。LPWAは、IoT (モノのインターネット)、マシンツーマシン (M2M) 通信、および低コストと低消費電力での動作を必要とする他の多くのアプリケーションに適しています。LPWAテクノロジーは急速に普及しつつあります。
LPWAネットワークは、セルラー ネットワークやLoRaネットワーク テクノロジーなど、さまざまなネットワーク テクノロジーをデータ転送に利用できます。たとえば、セルラー ネットワークを使用するLTE-Mテクノロジーは、LTE Cat-M1またはLTE-Mと呼ばれるLTE (Long-Term Evolution) テクノロジーの一種であり、ゲートウェイを必要とせず、通常はバッテリーで動作し、AT&TやVerizonなどのモバイル ネットワーク オペレーター (MNO) を介してIoTデバイスが直接4Gネットワークに接続できるように特別に設計されています。
LTE-Mには、eMTC (拡張マシン タイプ通信) 規格が含まれています。これは、特にM2MおよびIoTアプリケーション向けの幅広いセルラー デバイスとサービスを可能にするために3GPPによって開発されたLPWAネットワーク無線テクノロジ規格です。LTE-Mはより高いデータ レートを提供し、ネットワーク経由のモビリティと音声をサポートしますが、Narrowband IoT (NB-IoT) と比較してより大きな帯域幅が必要であり、NB-IoTのようなガード バンドに適合できません。
一方、NB-IoTは、さまざまな種類のIoTデバイスとサービスをサポートすることを目的とした標準化されたLPWAテクノロジーです。NB-IoTは、特にカバレッジの深いエリアにおいて、ユーザー デバイスの電力消費、システム容量、スペクトル効率を大幅に向上させます。NB-IoTはLTE標準のサブセットを使用しますが、帯域幅は200 kHzの単一の狭帯域に制限されます。
低電力、低ビットレート、IoTアプリケーション向けに設計されたLoRaテクノロジー
LoRa (「Long Range」の略) は、チャープ拡散スペクトル (CSS) 技術から派生した拡散スペクトル変調に基づく独自の無線通信技術です。当初はフランス企業Cycleoによって開発され、後にSemtechに買収されました。LoRaWAN™ (ワイドエリアネットワーク)は、通信プロトコルとシステムアーキテクチャを定義し、国際電気通信連合(ITU)の公式標準です。LoRaとLoRaWAN™ は、バッテリー駆動のデバイスをインターネット上の地域、国内、またはグローバル ネットワークにワイヤレスで接続するように設計されたLPWAネットワーク プロトコルを定義し、双方向通信、エンドツーエンドのセキュリティ、モビリティ、ローカリゼーション サービスなどの主要なIoT要件に対応します。LoRaWAN™ のデータレートは、チャネルあたり0.3 kbit/s ～ 50 kbit/sの範囲で、低電力、低ビットレート、IoTアプリケーションのニーズを満たします。
LoRaは、433 MHz、868 MHz (ヨーロッパ)、915 MHz (オーストラリアと北米)、923 MHz (アジア) などの無免許のサブGHz無線周波数帯域で動作します。低消費電力で長距離通信が可能になり、地方でも10キロメートル以上の伝送距離が可能になります。LoRaとLoRaWAN™ は、さまざまな業界のIoTデバイスの長距離接続を可能にします。
LoRaは通信スタックの下位層を定義し、上位層のネットワーク プロトコルは指定しません。LoRaの上位層ネットワークプロトコルを定義できるプロトコルは複数存在し、LoRaWAN™ はその1つです。ロラワン™ はクラウドベースのメディア アクセス制御 (MAC) 層プロトコルですが、ネットワーク層と同様に機能し、ルーティング プロトコルに似て、LPWAネットワーク ゲートウェイとエンド デバイス間の通信を管理します。LoRa Allianceによって管理されています。
世界最小のLTE Cat.M1/NB-IoTモジュール
LTE Cat.M1/NB-IoTは、無線周波数を使用するためにライセンスを必要とするライセンス規格であり、低速でもコストと電力消費を最小限に抑える必要があるIoTアプリケーションに特に適しています。LTE Cat.M1/NB-IoTは、ライセンスされた周波数帯域で動作し、無線干渉が減少し、速度が速くなるため、モバイル通信に特に適しています。IoTやウェアラブルデバイスなど、さまざまな用途にご利用いただけます。
村田製作所は、世界最小のLTE Cat.M1/NB-IoTモジュールを設計しました。このモジュールは世界的に認証されており、GPS/GNSS、OpenMCU、iSIM（オプション）をサポートしています。LTE Cat.M1 (LTE-M) は、高い信頼性、低遅延、低消費電力を実現しており、バッテリー交換型IoTデバイスに適しています。NB-IoTは、スマートメーターや遠隔医療モニタリング、災害時の異常検知など、電池交換が困難であったり商用電源が利用できない環境下における低電力IoTソリューションとしての利用が期待されています。
村田製作所が発売したType 1SE（LBAD0ZZ1SE）モジュールは、日本の認証規格に準拠し、TruphoneのeSIMテクノロジーをサポートするCat.M1/NB-IoTモジュールです。タイプ1SEモジュールは、MCU、eSIM、LTE-M/NB1モデムを統合し、アンテナ接続を備えた認定端末デバイスが付属しているため、さまざまなアプリケーションに簡単に統合できます。
タイプ1SEモジュールは、LTE Cat.M1/NB-IoT Release 13をサポートし、低周波数帯域5、8、12、13、14 (Cat.M1のみ)、17、18、19、20、26、28、および中周波数帯域1、2、3、4、25をサポートします。Altair ALT1250およびST STM32L462チップセットを搭載し、わずか15.4 x 18.0 x 2.5mmのコンパクトなサイズとLGAメタル パッケージを備えています。このモジュールは、UARTホスト インターフェイスと、ADC、GPIO、I2C、JTAG、PWM、SPIなどの周辺インターフェイスをサポートします。アンテナ構成用のU.FLコネクタを備え、電圧3.3V、電源電圧3.3～5.0Vで動作し、温度範囲は-40℃～85℃です。°°電力レベルは、LTE出力電力の3つのクラスに合わせて最適化されています。このモジュールはRoHS規制に準拠しており、X-CUBE-CELLULARソフトウェア機能を提供します。スリープ モードでは消費電流が非常に少なく、休止電流はわずか3µA、8ハイパーフレーム モードではeDRX電流が50µA未満で、最大10年の長いバッテリ寿命を実現します。PSM (省電力モード) の現在の休止ウィンドウの構成をサポートし、最大送信電力は +23dBmです。このモジュールは、FCC/IC/RED/TELECの認証を受けており、GCF/PTCRBの認証、およびTruphoneのグローバル オペレータ認証も取得しています。
ライセンス不要のLPWA通信システムと比較すると、大手モバイルネットワーク事業者のネットワーク（ライセンス周波数帯域）は、より広く安定した通信範囲を提供します。Type 1SEモジュールの底面積は一般的なLPWAモジュールに比べて約50%小さく、高密度の回路設計が可能です。
タイプ1SEモジュールは、1.4 kHzの帯域幅でLTEと同じ周波数帯域で動作し、オペレータのライセンスされた周波数帯域をサポートします。最大伝送速度は上り・下りともに1Mbps、通信範囲は10kmを超えます。
小型、長距離、長寿命、安全なLoRaモジュール
一方、非セルラーLPWAは、サブGHz周波数帯域で動作する通信技術です。この技術には、ライセンスフリーでリモートワイヤレスプロトコルと互換性のあるLoRaWAN™ が含まれます。LoRaWAN™ は、LoRa Allianceによって開発された標準です™。村田製作所は、LoRaWAN™ に対応したモジュールを展開し、わずか10.0mm×8.0mm×1.6mmという世界最小のLoRaモジュールシリーズを開発しました。これらのモジュールは、小型、長距離、長いバッテリー寿命、セキュリティ、競争力のある価格が求められるさまざまな量産アプリケーションに適しています。このシリーズは、第2世代のSemtech SX1262 RFICをベースとしており、STMicroelectronicsのオープンSTM32L0マイクロコントローラ (MCU)、RFスイッチ、192 kBフラッシュ メモリ、20 kB RAMを搭載したタイプ1SJ (LBAA0QB1SJ) LoRaモジュールが含まれています。豊富なメモリ供給により、アプリケーション層に十分なリソースが確保されます。このコンパクトなモジュールには、温度制御水晶発振器 (TXCO) と、UART/I2C/SPI/ADC/USBやさまざまなGPIOなどの複数の通信インターフェースも含まれています。
このモジュールは、世界規模の展開向けに設計されており、ヨーロッパ、米国、インド、アジア太平洋地域で使用されているものを含む、868 MHz ～ 916 MHzのISM周波数帯域をサポートします。このデバイスには世界中で使用できる単一の部品番号があり、顧客のサプライ チェーンを簡素化します。
タイプ1SJモジュールは、単一の電源レール (最大3.9V DC) で動作し、さまざまな低電力モードが組み込まれています。リアルタイム クロック (RTC) は、わずか1.3 µAの標準電流消費で動作できるため、村田製作所のモジュールをベースにしたデバイスは、1つのバッテリーで何年も動作することができます。モジュールは樹脂モールドにパッケージ化されており、物理的な堅牢性を備え、-40°C ～ +85°Cの温度範囲内で動作することができます。
タイプ1SJモジュールは、業界最小のLoRaWAN™ モジュールの1つです。従来製品に比べ、消費電力が低く、出力が高くなります。主要地域で電波法認証を取得しており、オープンなMCU設計サポートを提供します。タイプ1SJモジュールは、860 ～ 930 MHzのLoRaWAN™ チャネル周波数帯域をサポートし、Semtech SX1262およびSTM STM32Lチップセットを使用し、FSKおよびLoRa™ 変調をサポートし、外部アンテナが付属しています。インターフェース電圧（VIOの場合はVdc）は3.3 Vdcで、VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXOの最小電源電圧は2.2 V、最大電源電圧は3.6 Vです。送信モード電流は22 dBm設定で118 mAで、送信電力は最大 +21.5 dBmに達します。受信モード電流は125 kHz BWで15.5 mAであり、受信機感度は1% PER、125 kHz BW、SF=12で -135.5 dBmです。このモジュールはRoHSに準拠しており、FCC/IC「リファレンス」認証に合格しており、LBAA0QB1SJ-295、LBAA0QB1SJ-296、LBAA0QB1SJ-686の3つのモデルが用意されています。
タイプ1SJ LoRaモジュールは、特に資産追跡、公共事業、農業、スマート シティ、スマート ビルディング、産業用アプリケーション、その他のIoTアプリケーションなどの分野で、最も厳しい要件を満たすソリューションを開発する設計者を支援します。
結論
スマートビルディング/シティの屋外アプリケーションでは、IoTデバイス間の長距離、低電力、バッテリー駆動の接続とデータ伝送を実現するために、LPWAテクノロジーが必要です。この技術は、ダム、橋、石油・ガスプラットフォーム、スマートグリッドなどのさまざまなインテリジェント構造物の遠隔または屋外監視に使用されます。このようなシナリオでは、LTE Cat.M1 / NB-IoTやLoRa / LoRaWANなどのセルラーネットワークが役立ちます。™ ネットワーク技術が最も適切なソリューションです。村田製作所は、これらのLPWAに対応した高集積モジュール製品シリーズを開発しました。