低電力ワイドエリアネットワーク（LPWA）
低電力、広域ネットワークテクノロジー（LPWA、 LPWAN とも呼ばれます ）接続されたデバイスが広い地理的領域を介して低ビットレートで通信できるようにします。これは、従来のWiFiや携帯電話を使用せずにセンサーやコントローラーをインターネットに接続するために使用されるさまざまなテクノロジーの広義の用語です。
LPWAは、 Sigfox というフランスの会社から正式にスタートしました。 。 （この開発の前兆はありましたが、ここで読むことができます。）Sigfoxは、低電力、低データレートのモノのインターネット（IoT）デバイスのニーズがセルラーによって十分に満たされていなかったことを認識した後、代替の通信システムを開発しました。ネットワーク。スマートフォンなどに使用される従来のセルラー技術は、広範囲をカバーし、過剰な量のエネルギーを消費します。 IoTデバイスは、より小さな送信パケットに対してより少ない電力を必要とします。 M2MおよびIoTデバイスの要件により適切に対応するために、Sigfoxは次の特性を備えた新しいタイプのネットワークテクノロジーを作成しました。
- 安価なチップセットとネットワーク。
- 長いバッテリー寿命。
- 限られたデータ通信。
Sigfoxテクノロジーは、標準の無線伝送方式（位相偏移変調、DBPSK、上昇および周波数偏移変調、GFSK、下降）を使用して、非常に少量のデータ（12バイト）を非常にゆっくり（300ボー）送信します。非常に長く非常に遅いメッセージの結果として、長距離が達成されます。 Sigfoxは独自のIoTソリューションを商品化し、現在、そのテクノロジーを使用するネットワークを（主にヨーロッパで）所有および運用しています。
現在、LPWAテクノロジーを作成している組織はSigfoxだけではありません。 LoRaAllianceは LoRa を開発しました 、ライセンスのない無線スペクトルを使用してデバイス間の低電力、広域通信を可能にする別の無線周波数技術。 LoRaは、Semtechによって製造されたチップによってのみサポートされています。 Sigfoxが狭帯域（または超狭帯域）テクノロジーを使用するチャープスペクトラム拡散を使用するという点で、Sigfoxとは異なります。 LoRa自体はLPWAソリューションではありませんが、LoRaテクノロジー（LoRaテクノロジーの上に構築されたプロトコル仕様）はLPWAソリューションです。
Link Labsを含む多くの企業は、LoRaチップ上に大規模なテクノロジーを構築し、IoTデバイスを接続する別の方法を見つけることで、LPWA市場の急速な成長を利用しています。すべてがLPWAスペース内で独自のニッチを見つけています。 LoRaWANとSymphonyLinkは、活発な開発と展開が行われている2つの主要なテクノロジーです。
- LoRaWAN は、LoRaの変調方式を使用して構築されたオープンプロトコルであり、ライセンスのないスペクトルを使用してネットワーク内のIOTデバイスと通信したいワイヤレスキャリアが使用するために開発されました。単一のオペレーターによる大規模なパブリックネットワーク向けに設計されています。
- シンフォニーリンク また、LoRaのチャープスペクトラム拡散物理層テクノロジーに基づいて構築されています。これは、LinkLabsによって開発されたLoRaWANの代替仕様です。 Link Labsは、企業または産業環境でサードパーティの接続デバイスを販売しようとしている顧客にサービスを提供します。
以下では、Link LabsワイヤレステクノロジーとLoRaWANの技術的な違いについて説明し、SymphonyLinkの高度な機能について説明します。
ウェビナーを視聴して、どのタイプのLPWANテクノロジーがユースケースに適しているかを確認してください。
SymphonyLinkとLoRaWAN
シンフォニーリンク ®は、LinkLabsによって開発されたワイヤレスシステムです。これは主に、さまざまなLoRaを愛しているが、LPWAシステムに高い信頼性と高度な機能を必要とする産業および企業の顧客によって使用されます。
LoRaWAN は、主にヨーロッパのモバイルネットワーク向けに設計されたメディアアクセス制御（MAC）層プロトコルです。
LoRaシンボルエンコーディング
Symphony LinkとLoRaWANはどちらも、SemtechのLoRa変調方式を使用しています。基本的に、LoRaは波形です。シンボルごとに複数のビットをエンコードし、パケット化とエラー修正を統合し、SX1301と呼ばれる優れた統合ベースバンドデジタルシグナルプロセッサと連携するチャープスペクトラム拡散技術を使用しています。 LoRa®はSemtechの商標です。 LoRaWAN®とSymphonyLink®の両方でLoRaが果たす役割は、レイヤー1、つまり物理レイヤーにあります。これは、周波数偏移変調または別のシステムの別のPHYテクノロジーに類似しています。
OSIデータモデル
LoRaWANテクノロジーは、ベンダーのエコシステムが大きく成長している場合に役立ちますが、プライベートネットワークソリューションには適さないいくつかの制限があります。
- LoRaWANは非同期のALOHAベースのプロトコルであり、確認応答が非常に限られているため、50％を超えるパケットエラー率が一般的です。 LoRaWAN、Sigfoxなどは、ほとんどの産業ユースケースには適さないメッセージ配信の「スプレーアンドプレイ」方式を利用しています。収集したデータをビジネス分析に使用するほとんどの組織にとって、100％のメッセージ確認応答は重要です。
- 干渉なしにエリア内で動作できるネットワークは1つだけです。 LoRaWANでは、ゲートウェイの所有者や運用者に関係なく、すべてのゲートウェイが同じ周波数チャネルを使用します。つまり、LoRaWANネットワークはすべてのトラフィックを認識し、その逆も同様です。私のサーバーはメッセージを復号化できませんが、容量をすべて同じように消費します。このタイプのレイヤー2干渉は、LoRaWANネットワークの規模が拡大するにつれて非常に問題になる可能性があります。
- デバイスを更新することはほぼ不可能です LoRaWANを使用した無線のファームウェア。 LoRaWANはファームウェアのアップグレードを実行できると主張していますが、時間（数日または数週間になる可能性があります）、複雑さ（アプリケーション層でファームウェアのアップグレードを完全に管理する必要があるため）を合計すると、もっともらしいとは思えません。 、およびネットワークパフォーマンスへの影響（LoRaWANネットワークで大量のダウンリンクを送信すると、ゲートウェイが頻繁に送信しているため、パケットエラー率が急上昇しますが、ノードはメッセージを送信しようとしているときにそれを認識しません）。大規模なOEMのお客様はすべて、アップグレードするために物理的に触れなければならないファームウェアを市場に出すことができないか、不満を抱くでしょう。
- 実際のマルチキャストソリューションはありません。 LoRaWANは、アップとダウンの両方のすべてのトラフィックを1対1で暗号化するため、たとえば照明システムなどの制御システムにマルチキャストを実装することは非常に困難です。
- LoRaWANは、ヨーロッパのETSI要件に基づく1％のデューティサイクル制限を中心に設計されているため、一度に大量のデータを送信する機能を必要とするシステムでLoRaWANを使用することはできません。 この制限はLoRaWANベースステーションにも適用されるため、ネットワークの制御、コマンドの送信、または確認応答の送信の機能は非常に制限されています。
- LoRaWANアーキテクチャのデューティサイクル制限により、リピーターはそのシステムで動作できません。 ただし、リピーターは、ネットワークインフラストラクチャの要件を軽減し、無線周波数のパフォーマンスと拡張を拡張するための費用効果の高い方法であるため、一部の企業にとって必要です。
- LoRaは、リアルタイムの電力およびデータレート制御ができません。 そのチャネル内ダイナミックレンジは約20dBに制限されています。ダイナミックレンジの問題により、基地局に近い送信機は、ノードが遠くに聞こえないようにします。また、LoRaWANには確認応答がほとんどないため、これらのメッセージは失われます。 （将来、範囲内に多数の基地局がある大規模なLoRaWANパブリックネットワークが構築された場合、この影響は多少緩和されます。）LoRaWANにはAdaptive Data Rate（ADR）もありますが、サーバーによって駆動されるため、ノードの場合リンクが突然フェードし、サーバーはそれを補償するために拡散係数を変更するように指示する方法がありません。
- LoRaWANのセキュリティ上の欠陥は、ほとんどのユーザーに重大なリスクをもたらすことはありませんが、事前共有キーとIDを使用すると脆弱性が発生します。
- パブリックLoRaWANネットワークを運用している人は、LoRaAllianceからNetIDを付与される必要があります。 これらはコントリビューターメンバー以上のみが利用できるため、LoRaWANを使用するには年間20,000ドルの予算を立ててください。
LoRa Allianceはテクノロジーの強化に懸命に取り組んでいますが、現時点では、LoRaWANパブリックネットワークに接続するためのソリューションを開発したいお客様に最適です。プライベートネットワークの場合は、SymphonyLinkを使用することを強くお勧めします。
お客様がLoRaWAN®ではなくSymphonyLink®を選択する理由
メッセージの受信を保証します。
未確認のメッセージの一部は、一部の検針アプリケーションでは問題ありませんが、産業用またはエンタープライズのセンサーネットワークまたは制御システムでは、0％PERが要件です。 Fortune100企業から新興企業まで多くのSymphonyLinkの顧客がいて、LoRaWANで構築しようとして失敗しました。 Symphony Link MACは、アップとダウンの両方のすべてのメッセージを確認します。
ファームウェアの無線。
Symphony Linkを使用すると、フィールド化された後、デバイスのホストファームウェアを更新できます。これは、顧客がより迅速に、より少ないリスクで市場に参入できるようにするため、IOTの進化の初期段階で大きな利点です。多くのお客様にとって、これがSymphonyLinkを採用する最大の理由です。
デューティサイクルの制限はありません。
ヨーロッパでは、Symphony Linkは、Frequency Hopping Listen-Before-Talkに加えて、適応周波数アジリティ帯域を使用します。これにより、デューティサイクルの制限がなくなります。 900 MHz帯域では、デューティサイクルの制限はありません。また、全周波数ホッピング方式を使用することにより、エンドデバイスは900MHz帯域で最大1Wを送信できます。これは、電気メーターやライトなどのAC電源デバイスに最適です。
リピーター。
Symphony Linkは同期プロトコルであるため、リピーターを使用すると、ユーザーは遅延に影響を与えることなくネットワークの範囲を劇的に拡大できます。リピーターのコストは屋外アクセスポイントの何倍も安いため、Symphony Linkの顧客は、インフラストラクチャにさらに数千ドルを費やすことなく、より広いエリアをカバーできます。また、電力効率が非常に高いため、リピーターはソーラーまたはバッテリーで駆動できます。
サービス品質。
Symphony Linkを使用すると、ゲートウェイが作成するネットワークを制御し、サービス品質の階層化システムを実装して、重要なトラフィックのあるノードが、優先度の低いトラフィックのデバイスよりも優先されるようにします。アラームが水道メーターとチャネルアクセスを競合する必要はありません。
デバイスごとの構成はありません。
LoRaWANを使用する場合の最大の問題は、デバイスの製造時とサーバー側の両方で、デバイスごとに複数の暗号化キーを複雑に管理することです。 Symphony Linkを使用すると、ホストデバイスの構成は同じタイプのすべてのデバイスで同じになり、キー交換はワールドクラスのPKIベースのDiffie HellmanAESアーキテクチャを介して処理されます。
リアルタイムの電力およびデータレート制御。
Symphony Linkでは、すべての送信の前に、エンドデバイスがゲートウェイへの逆方向リンクを計算し、それに合わせて送信電力と拡散係数または変調レートを調整します。このように、ネットワーク全体のノードはバランスの取れたリンクバジェットを持ちます。近いノードは静かにそして速く送信し、遠いノードは大きくそしてゆっくりと送信しています。また、Symphony LinkのADRは、パフォーマンスと信頼性を最適化することを目的としています。 Symphony Link ADRは、LoRaWANよりもさらに優れた容量を即座に最適化します。
セキュリティ上の欠陥はありません。
Symphony Linkと公開鍵インフラストラクチャ（PKI）の使用により、無線無線チャネルはNSA標準によって破壊されないと見なされます。 PKIはまた、なりすましを防ぎ、インフラストラクチャのIDを保証します。
複数のゲートウェイの共存と干渉の軽減。
Symphony Linkは、ゲートウェイによって制御される動的チャネルマスクを使用して、衝突を可能な限り少なくします。米国では、Symphony LinkはLoRaWANの28倍のスペクトルを使用し、ヨーロッパでは7倍のスペクトルを使用します。
より高い容量。
スロットリングやアップリンク/ダウンリンク調整などの非同期機能を使用することにより、SymphonyLinkネットワークはLoRaWANの4倍以上の容量を備えています。そして、それをサービス品質と組み合わせると、SymphonyLinkはそれを必要とするユーザーにとってはるかに堅牢な選択肢になります。
マルチキャスト。
Symphony Linkは、デバイスのグループをアドレス指定できるようにするマルチキャストセッションキーを実装します。ノードを論理的にグループ化することにより、アプリケーションにとって意味のある方法でノードを制御できます。たとえば、照明制御の場合、10個のノードをグループ化して、その方法でメッセージを送受信できます。これは、SymphonyLinkがファームウェアを無線で転送できるようにするものでもあります。
ネットワークIDに関連する費用はかかりません。
Symphony Linkネットワークの運用には、LoRaAllianceのネットワークIDは必要ありません。 Symphony LinkはLoRaWANに干渉せず、その逆も同様です。
エンドデバイスがゲートウェイのリアルタイムクロックに同期できるようにするタイム同期ブロードキャストや、エッジでのデータのタイムスタンプなど、ユーザーのサブセットにとって重要なSymphonyLinkに固有のその他の機能もあります。これらの詳細については、以下のSymphonyLinkのユースケースのセクションを参照してください。
シンフォニーリンクプロトコルの説明
SymphonyLinkゲートウェイをオンにしたとしましょう。最初に行うことは、帯域をスキャンして干渉プロファイルを作成することです。 （これは、システムが900 MHzで動作する方法であることに注意してください。868の場合、ビーコンチャネルは固定されているため、動作は少し異なりますが、TDMAスキームを使用します。）
干渉スキャンが完了すると、ゲートウェイはダウンリンク用に500 kHzチャネル（ヨーロッパでは125 kHz）を選択し、そのチャネルをリッスンして、そこに弱いLoRaトラフィックがないことを確認します。これは、別のSymphonyLinkゲートウェイが遠くにあることを示します。同じチャネルを選択しました。また、これは自動チャネル選択モードであることに注意してください。ユーザーは、ネットワーク管理ソフトウェアのネットワーク管理インターフェースを介して手動でチャネルを設定することもできます。
したがって、このチャネルが選択され、システムは2秒ごとに送信を開始します。このメッセージは、ビーコンまたはフレームヘッダーと呼ばれることがあります。このフレームヘッダーには、いくつかの重要な情報が含まれています。
まず、このメッセージはネットワークIDで暗号化されます。これにより、顧客は自分のネットワークを「プライベート」にして、他のSymphonyLinkユーザーが使用できないようにすることができます。これは、エンドデバイスで構成された2つのパラメーターの1つであり、もう1つは、デバイスのデータフローを識別するアプリケーショントークンです。
2番目の情報は、アップリンク/ダウンリンクの時間境界です。これは、ゲートウェイが送信を完了するときに、このフレーム中に起動しているノードに通知します。 LoRaは半二重技術であるため、LoRaWANで非常に一般的な上下の衝突を防ぐことが重要です。 （LoRaWANゲートウェイは、一定の時間枠内にノードの確認応答またはダウンリンクの要求に応答する必要があります。この時間内に送信されたLoRaWANメッセージは、ゲートウェイによって受信されません。LoRaWANでさらに確認応答を要求すると、問題が指数関数的に悪化します。）
>3番目の情報は、次のアップリンクフレームのアップリンクチャネル周波数です。 Symphony Linkは、受信機のバンクがすべてのフレームでホッピングする「ブロックホッピング」アップリンク方式を利用しているため、ノードにこれらのチャネルがどこにあるかを通知する必要があります。これは、Symphony Linkが、干渉することなく、特定の時間に非常に多くのネットワークを放送できる方法でもあります。また、ゲートウェイはノードに使用可能なチャネルを通知しているため、Symphony Linkは1チャネル、8チャネル、または64チャネルのゲートウェイを持つことができます。エンドノードは関係ありません。リピータまたは安価なシングルチャネルゲートウェイは、アップリンク容量だけが異なる点で、より大きなゲートウェイと同じ機能をネットワークにもたらすことができます。さらに、エンドノードが868と915の両方でネットワークの存在を受動的に検出できるという追加の利点があります。LoRaWANエンドノードは、ネットワークが存在するかどうかを知るためにネットワークが応答するかどうかを確認するために、ブラインドで送信する必要があります。か否か;これは多くの電力を消費する可能性があります。
ゲートウェイはそのフレームのサービス品質レベルも送信するため、ネットワークが混雑している場合、重要度の低いノードは送信前に待機できます。
最後に、ゲートウェイは圧縮された確認応答パケットを送信します。このパケットには、前のフレームのすべてのメッセージの確認応答が含まれています。 LoRaWANでは、発生する確認応答は常に1対1であり、これらのメッセージにLoRaプリアンブルを追加すると、帯域幅を大量に消費します。 ACKを1つのメッセージに圧縮することで、LoRaWANを介した放送時間を大幅に節約できます。
ノードがネットワークとやり取りするために必要な追加情報があります。これは情報ブロックメッセージに含まれ、ゲートウェイによって8フレームごとに送信されます。ゲートウェイの規制電力制限と送信電力に関する情報は、ノードが各送信の電力と拡散係数を計算するため、ノードにとって重要です。ネットワークが信頼性と容量を交換する必要がある場合、情報ブロックはノードに、適応電力とデータレートの計算に追加の信号マージンを適用するように指示することもできます。エンドノードとゲートウェイ間の機能の不一致を防ぐために、ゲートウェイのソフトウェアバージョンも送信されます。情報ブロックメッセージは、ノードのリッスンビフォアトークモードをオンまたはオフにすることもできます。これは、ヨーロッパと日本での操作にのみ必要です。また、情報ブロックは、ノードがネットワーク管理クラウドに接続されているかどうか、つまりPKIサーバーを公開鍵ソースに使用できるかどうか、ノードがネットワークに参加する前に登録する必要があるかどうかをノードに通知します。これにより、一部のネットワークはインターネットから完全に切断された状態で動作できます。
ノードがアップリンクペイロードをゲートウェイに送信したいとします。これは低電力ネットワークであるため、しばらくの間完全にスリープ状態でアイドル状態になっています。ウェイクアップし、最後にゲートウェイを聞いた周波数に受信機を調整します。ワーストケースのクリスタルオフセットを想定しているため、ゲートウェイフレームヘッダープリアンブルの開始の数ミリ秒前にリッスンを開始します。
次に、フレームヘッダーメッセージを検出して処理する必要があります。アップリンクウィンドウがいつ開始し、どの周波数が利用可能かを学習します。
次に、「ダウンリンクが常にオン」のノードでない限り、ダウンリンク期間の残りの期間スリープします。これについては後で説明します。
フレームのダウンリンク部分が終了すると、ゲートウェイがアドバタイズしたセットからランダムな周波数に調整されます。残りのフレーム内には一連のタイムスロットがあり、それぞれが10バイトのメッセージペイロード長と、リッスンビフォアトーク期間を構成します。
この時点で、ノードは、ゲートウェイへのリンクを閉じるために必要な電力と拡散係数を計算します。信号が比較的強いため、拡散係数7と0dBmの送信電力を選択するとします。
このノードには送信する37バイトのメッセージがあるため、4つのサブフレームスロットが必要になります。
現在、ノードのサービス品質はこの時点で重要な役割を果たしています。ゲートウェイがそのQOSでノードを抑制していないと仮定すると、QOSは、ノードが使用できるタイムスロットの割合を決定するものです。高品質のサービスでは、毎回4つのサブフレームスロットが選択されます。
最も低いQOSでは、ノードは各フレームに1つのサブフレームスロットしか使用できないため、37バイトをドアから取り出すには4フレームかかります。
ただし、QOSが0〜15のQOS範囲で、8のように中央にあると仮定します。したがって、4つのスロットを選択します。
次に、スリープ状態に戻り、次の後にフレームをウェイクアップして確認応答を受信します。 4つのサブパケットの1つと衝突した場合、3つだけがACKされ、ノードはそのフレームで欠落しているサブパケットを再送信します。
Symphony Link MTUまたは最大送信ペイロード長は256バイトであるため、大きなメッセージをアップリンクするには最大26スロットかかる可能性があります。良い点は、見逃されたスロットがモジュールによって自動的に再送されることです。 LoRaWANでは、約12バイトを超えて送信する場合は、アプリケーション層で再試行とパケット化を処理する必要があります。数ノード以上に実装するのがどれほど難しいかを考えてみてください。
Symphony Linkのリピーターは、ビーコン、ダウンリンク、アップリンク、および転送メッセージをすべて通常のSymphonyフレームのアップリンク部分に収めることによって機能します。これは、変調率、つまりリピーターの拡散率がゲートウェイより2倍速いためです。これにより、リンクの3 dBが失われますが、これはリピーターにとってはあまり目立たないため、ネットワークに大きなカバレッジを追加する可能性があります。リピーターの容量はゲートウェイよりはるかに少ないですが、1つのゲートウェイで数十のリピーターをホストできます。これは、広い領域を費用効果の高い方法でカバーするための優れたアーキテクチャです。
これらは、SymphonyLinkの動作の基本にすぎません。ファームウェア転送、マルチキャスト、キー交換など、他にも多くの機能がありますが、上記は基本的なシステムアーキテクチャの良いアイデアを提供するはずです。
SymphonyLinkのユースケース
Link Labsのお客様は、さまざまな企業および産業環境でSymphonyLinkを使用しています。現在のユースケースの例は次のとおりです。
- ゴルフコースでのゴルフカートのGPS資産追跡。 セルラーソリューションはこれらの場合にうまく機能しますが、毎月の定期的な料金が高くなります。このユースケースでは、ゴルフカートが運転しているときにチャネルが劇的に変化するため、リアルタイムの適応データレートが重要です。トラッキングデバイスを適切に機能させるには、チャネルがフェードインおよびフェードアウトするときに、電力レベルと拡散率変調率をリアルタイムで更新する機能が必要です。
- 公営住宅でのデマンドレスポンス。 給湯器には、SymphonyLinkシステムから制御されるDRコントローラーを後付けすることができます。給湯器は、使用状況情報をリアルタイムでゲートウェイに送信します。デマンドレスポンス信号がインターネットからゲートウェイに到達すると、2秒以内にそれらの給湯器の一部またはサブセットをオフにすることができます。
- 商業ビルのエネルギー監視。 Link Labsモジュールは、大きな建物全体の回路パネルに組み込まれるパルスカウントセンサーに接続されています。建物内に1つのアクセスポイントがあると、建物全体で数十から数百のサブサービスパネルを接続して、電力消費量を監視できます。
さらに、Symphony Linkは、次のようなユースケースで機能する唯一のLPWANテクノロジーです。
- ロック制御
- デマンドレスポンス
- 産業用制御システム
- 照明制御
- 警報システム
- 物理的セキュリティ
Symphony Linkが接続の課題をどのように解決できるかを知りたいですか？
Link Labsでは、単純な温度プローブから複雑な資産追跡システム用のマルチセンサーGPS加速度計まで、あらゆるソリューションのエンジニアリングを支援してきました。 Symphony Linkがユースケースでどのように機能するかを確認したい場合は、テクノロジーの無料デモを今すぐスケジュールしてください。 LPWAでどのように機能するかを説明します。 SymphonyConductorでゲートウェイと開発キットを設定する方法。統合手順、電力バジェット、および範囲を確認します。または、テクノロジーについて質問がある場合は、ご連絡ください。
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