電波を介したデータ転送は、少なくとも802.11規格が登場した1997年以降は一般的なものとなっています。特定のアプリケーションでは、それよりもさらに長い間存在しています。802.11規格は2Mbit/sでデビューして以来進化を続け、現在では802.11axによって10 Gbit/sに近い速度に達しています (驚異的な5000倍の増加)。
速度の向上は驚くべきものですが、このデータが移動できる距離に関しては同様の進歩は見られません。距離は比較的一定で、屋内では約150フィート、障害物がなければ300フィート程度です。たとえば、中規模の家全体でワイヤレス ルーターに接続できますが、家の四方の壁を越えて接続することはできません。
長距離データ転送の場合は、常にセルラー ネットワークを使用するオプションがあります。しかし、Wi-Fi範囲外でIoTを監視するためにセンサー ノードの配列が必要な場合はどうすればよいでしょうか?たとえば、大規模な農場に広がる多数の センサー にセルモデムとデータサービスを提供することは、すぐにコストがかかりすぎることになります。1時間あたり、あるいは1日に数回、少量のデータを転送するだけの場合、Wi-Fiや携帯電話のデータ速度は過剰です。この分野では、少量のデータを数キロメートル以上転送できるLong Range Wide Area Network (LoRaWAN) システムが最適かもしれません。
LoRaWANの仕組み
LoRaWANは、ライセンスフリーの産業、科学、医療用無線帯域 (北米では915 MHzを中心) で動作します。つまり、使用するのに毎月のデータ料金はかからず、どこにでも設置できますが、必要な無線帯域は場所によって異なる場合があります。最も単純な実装では、 ArduinoのMKR WAN 1300 に実装されているような2つ以上のLoRaWANトランシーバーが相互に直接通信できます。
この概念をさらに進めると、LoRaWANインターネット ゲートウェイを使用することもできます。ゲートウェイは、有線接続（またはWi-Fiやセルラー接続経由）を使用して、一連のセンサーから収集されたデータをクラウドに転送します。そこから、さまざまなシナリオでデータを表示して使用できます。
このデータは、農作業から都市監視まで、さまざまな用途に使用できます。たとえば、
- 庭の花壇や芝生に水やりが必要かどうかを示します
- 自動ゲートの状態を確認したり、起動したりする
- 牛や他の動物の動きを監視する
- タクシーを追跡するために配備
- 駐車スペースの状況を監視する
- ユーティリティメーターの読み取り
LoRaWANはWi-Fiのようなデータ集約型のタスクには適していませんが、LoRaWANシステムの範囲は低帯域幅、長距離のシナリオでは非常に役立ちます。
LoRaWAN範囲の詳細
LoRaWANの範囲は「キロメートル」で表記されることが多いですが、範囲が正確に 何キロメートル あるかを把握するのは少し難しい場合があります。5キロメートル、10キロメートル、あるいはそれ以上になるかもしれません。送信範囲は、測定を行う場所と信号がどのように最適化されているかによって大きく異なります。
LoRaWANは125、250、または500kHzの帯域幅で動作し、米国ではこれらの帯域は915MHzを中心とし、902～928MHzの範囲になります。この周波数範囲は、500kHzアップリンク チャネルと500kHzダウンリンク チャネルとともに、64個の125kHzチャネルに分割されます。Wi-Fiも2.4 GHzまたは5 GHzの複数の異なるチャネルで動作しますが、LoRaWanが使用する低周波数により、伝送範囲が大幅に広がります。
LoRaWAN通信は、一連の「チャープ」として行われます。チャネルの帯域幅内で放出される特定の周波数範囲は、数値シンボル、つまり「アップチャープ」と「ダウンチャープ」と呼ばれるバイナリ シーケンスを指定します。
- アップチャープ。これらは、米国のLoRaWANチャネルが914.9 MHz仕様および125kHz帯域幅で動作するときに作成されます。このチャネルは、最小914,837.5kHzから914,962.5kHzまでの範囲のチャープを生成します。
- ダウンチャープ。これらはアップチャープの反対であり、信号を送信するために高周波から低周波へ送信します。
各チャープは7 ～ 12の拡散係数 (SF) で定義できます。拡散係数は、チャープ内のビット数と各チャープにかかる時間の両方を定義します。レベルが変化するごとに、チャープにかかる時間の長さが2倍になることがわかっています。ここに3つの例を挙げます。
1.1時間周期 (TP) の基本拡散係数を7と定義すると、2^0または1 TPで7ビットのデータを送信することになります。
2.拡散係数8は、2^1または2 TPで8ビットを送信します。
3.拡散係数が12の場合、時間は2^5、つまり32 TPとなり、12ビットが送信されるため、0.375ビット/TPになります。逆に、拡散係数が7の場合、7ビット/TPまたは拡散係数が12の場合の18.67倍の帯域幅が得られます。
帯域幅もこれに線形的に影響し、ビットレート（ビット/秒）はSF倍の (1/[2SF/BW]) ビット/秒に等しくなりますが、これらの式と計算ではエラー訂正機能は無視されます。適応型データ レート (ADR) を使用してこれを最適化できます。ADRは、範囲、データ レート、電力使用量の適切な設定を最適化します。
数キロメートルの範囲は印象的ですが、スイスのエレクトロニクスYouTuberであるAndreas Spiessが2017年2月に、驚異的な212 km (131マイル以上) 離れた基地局間で通信を行い、 LoRaWAN接続の世界記録 を樹立したことも考慮してください。しかし、その年の後半、オランダで打ち上げられた気球は、702km以上離れた場所から通信することができました。
長距離Wi-Fiは可能ですが、LoRaWANとは異なり、これを実現するには指向性アンテナを適切に集中させる必要があります。数百キロメートルにわたって数百Mb/sのデータ レートを達成できる可能性がありますが、いくつかの複雑な要因に遭遇することになります。
1.移植性は事実上存在しません。
2.セットアップは はるかに 複雑です。
3.リモート電源で動作する必要がある可能性のあるLoRaWANモジュールと比較すると、電力効率は二次的な懸念事項です。
では、LoRaWANはWi-Fiと比べてどうでしょうか?ここで検討したように、状況ははるかに良くなっており、またはるかに悪くなっています。簡単に言えば、LoRaWANは長距離が必要な場合には非常に優れた能力を発揮しますが、データ速度に関してはWi-Fiには及びません。最終的に潜在的な競合相手となるのは、優れた範囲と優れたデータ速度の両方を誇るセルラーデータになるかもしれません。