LoRaWANとは何ですか？ 【技術的な内訳】

LoRaWANを使用してIoTソリューションを展開することを考えていますか？最近、このプロトコル（例：machineQ）の勢いが増しており、パブリックネットワークにデプロイされた単純なアプリケーションに適しています。ただし、産業用または企業用のプライベートネットワークソリューションを開発している場合は、このテクノロジーに注意する必要のある制限がいくつかあります（また、多くの場合、より適切に機能する代替プロトコル）。

開発者向けのLoRaWANゲートウェイの例を参照してください。

この記事では、以下について詳しく見ていきます。

• LoRaとLoRaWANの違い
• LoRaWANの仕組み
• LoRaWANクラスA、B、およびC
• チャープ率、処理ゲイン、および直交性
• LoRaWANを使用してプライベートネットワークを構築する際の障壁
• 代替ソリューション：Symphony Link
  
  

LoRaとLoRaWANの違い

LoRa という用語を考える人もいます および LoRaWAN 同じことを意味しますが、違います。

LoRa は、チャープされたマルチシンボル形式を使用して情報をエンコードする無線信号を送信する方法です。これは、チップメーカーのSemtechによって作成された独自のシステムです。そのLoRaIPは、他のチップメーカーにもライセンス供与されています。基本的に、これらのチップは、無線システムを実装するためのコードを記述する必要なしに、LoRa（またはFSKなどの他の変調タイプ）を使用して無線周波数をビットに変換できる標準のISM帯域無線チップです。 LoRaは、広域外のあらゆる種類のアプリケーションで使用できる低レベルの物理層テクノロジーです。

LoRaWAN は、SemtechのLoRa変調方式を使用するポイントツーマルチポイントネットワークプロトコルです。電波だけではありません。電波がLoRaWANゲートウェイと通信して、暗号化や識別などを行う方法についてです。また、複数のゲートウェイが接続するクラウドコンポーネントも含まれています。 LoRaWANは、制限があるため、産業用（プライベートネットワーク）アプリケーションに使用されることはめったにありません。

ユースケースにより適している可能性のあるLoRa用の別のオープンソースプロトコルがあります。 LoRaWANとの比較の明確な説明については、このホワイトペーパーをダウンロードしてください。

LoRaWANの仕組み

最も基本的なレベルでは、LoRaWANのような無線プロトコルはかなり単純です。スターネットワークが会話する方法は、講義の教授や学生に似ています。ゲートウェイ（教授）はエンドノード（クラス）と話し、その逆も同様です。これは、コミュニケーションの面で非対称的な関係です。クラスの全員が同時に教授とコミュニケーションをとろうとしている可能性がありますが、教授はそれらすべてを一度に聞いたり理解したりすることはできません。非常に単純化されていますが、スタートポロジの多くの要素はこのアナロジーに戻ります。

開発者向けのLoRaWANゲートウェイの例を参照してください。

実際には次のようになります。たとえば、4つのゲートウェイと1つのノードがあるとします。ノードは盲目的に無線スペクトルに送信し、送信を聞くのに十分な幸運なゲートウェイはそれを取得してクラウドに送信できます。 4つのゲートウェイすべてがそのメッセージを聞いて送信する可能性があります。 （これの1つの利点：非常に弱いリンクにもかかわらずメッセージを送信できます。ノードが5つのメッセージを送信し、1つだけが送信した場合、メッセージはまだ通過しています。）

メッセージが配信されると、受信の確認はありません。ただし、LoRaWANのノードは できます 確認を要求します。確認応答が要求され、4つのゲートウェイすべてが同じメッセージを受信した場合、クラウドは1つのゲートウェイを選択して、通常は数秒後の一定の時間に応答します。問題は次のとおりです。そのゲートウェイがノードに送信し直すと、他のすべてのリッスンを停止します。 そのため、アプリケーションで多くの確認応答が必要な場合、受信確認よりも確認応答の送信に多くの時間がかかる可能性が高く、最終的にはネットワークの崩壊につながります。

上の図は、LoRaWANの動作を示しています。上のバーは、ゲートウェイが送信しているかどうかを示します。 （オレンジ色の場合は送信しますが、青色の場合は送信しません。）下部のバーは受信機チャネルを示しています。 LoRaWANを含むほぼすべてのLPWANシステムには複数の受信チャネルがあり、ほとんどのLoRaWANシステムは任意の数の周波数チャネルで同時に8つのメッセージを受信できます。

LoRaWANクラスA、B、およびC

LoRaWANには、同時に動作する3つのクラスがあります。クラスAは純粋に非同期であり、これを純粋なALOHAシステムと呼びます。これは、エンドノードがゲートウェイと通信するために特定の時間を待たずに、必要なときに送信し、それまで休止状態になることを意味します。 8つのチャネルにわたって完全に調整されたシステムがある場合は、すべてのタイムスロットにメッセージを入力できます。 1つのノードが送信を完了するとすぐに、別のノードがすぐに開始します。通信にギャップがない場合、純粋なアロハネットワークの理論上の最大容量はこの最大容量の約18.4％です。これは主に衝突によるものです。1つのノードが送信中で、別のノードがウェイクアップして同じ無線設定で同じ周波数チャネルで送信することを決定した場合、それらは衝突します。

クラスBでは、メッセージをバッテリ駆動のノードに送信できます。 128秒ごとに、ゲートウェイはビーコンを送信します。 （図の上部にあるタイムスロットを参照してください。）すべてのLoRaWAN基地局は、1秒あたり1パルス（1PPS）のスレーブであるため、まったく同時にビーコンメッセージを送信します。これは、軌道上にあるすべてのGPS衛星が毎秒の初めにメッセージを送信し、世界中で時刻を同期できることを意味します。すべてのクラスBノードには、128秒サイクル内のタイムスロットが割り当てられ、いつリッスンするかが通知されます。たとえば、ノードに10番目のタイムスロットごとにリッスンするように指示できます。これが発生すると、ダウンリンクメッセージを送信できます（上の図を参照）。

クラスCを使用すると、ノードは常にリッスンでき、ダウンリンクメッセージをいつでも送信できます。これは主にAC電源のアプリケーションに使用されます。これは、ノードが常にレシーバーを実行している状態でアクティブに起動し続けるには多くのエネルギーが必要になるためです。

チャープ率、処理ゲイン、および直交性

注：LoRaWANでは、拡散係数（SF）はチャープレートを指します。このグラフは、時間の経過に伴うLoRaチャープ変調を示しています。異なるSFは、同じ周波数チャネルで同時にデコードできます。

LoRaは、RFトーンを時間の経過とともに非常に直線的に動かすことで機能します。このグラフは、逆の滝のチャープを示しています。最新のデータが一番上にあり、これは「アップチャープ」と呼ばれます。トーンのこの周波数が時間の経過とともにどのように増加しているかを確認できます。 LoRa送信は、シンボルをエンコードするために、時間と周波数の点でさまざまな場所でチップを破壊し、チャープすることによって機能します。 LoRa送信が特定の時間にある場所から別の場所にジャンプするという事実は、あるビット文字列と別のビット文字列を意味する場合があります。単なるバイナリではなく、伝えることができる多くの情報が含まれています（シンボルの深さが高い）。

しばらくの間、純粋な周波数偏移変調（FSK）について考えてみてください。トーンがしばらく静止していて、しばらくの間別の場所にジャンプすると、異なるラインまたはトーンが表示されます。これは2アリーFSKと呼ばれ、2つの周波数シンボルを示します。 M-ary FSKには、さらに多くのシンボルを表すことができる複数の周波数トーンがあります。 LoRaはこの概念を採用していますが、すべてをチャープで実行します。つまり、処理が向上します。 LoRaレシーバーは非常に明確なパターンを持っているため、より静かなチャープ、つまりノイズフロアの下を検出できます。同じチャネルで異なるチャープレートで別の送信が発生している場合、それは直交しています。つまり、同時に検出される可能性があります。とはいえ、受信側には多くの容量があります。

LoRaWANを使用してプライベートネットワークを構築する際の障壁

LoRaWANは一部のアプリケーションには適していますが、顧客が展開する（プライベートネットワークとも呼ばれる）ソリューションには最適ではありません。その主な理由は次のとおりです。

• 複数のゲートウェイが共存すると、干渉が発生します。 LoRaWANを使用すると、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に調整されます。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。衝突の問題を回避するために、1つのエリアで1つのネットワークのみを動作させることをお勧めします。

  ただし、LoRa Allianceを介して作業し、特定の用途のために特定のチャネルを確保することは可能です。また、ネットワークオペレーターは、サーバー側からのネットワークのダウンリンクの量を制限して、優先度の低いエンドポイントがダウンリンクトラフィックでネットワークを「詰まらせない」ようにすることもできます。

• メッセージの受信を保証するものではありません。 LoRaWANは、非同期のALOHAベースのプロトコルであり、50％を超えるパケットエラー率（PER）が一般的です。これは、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パーセントのPERが要件です。メッセージ配信の「スプレーアンドプレイ」方式は、ほとんどの産業ユースケースには適していないため、LoRaWANはアップリンクに焦点を合わせたネットワークに最適です。
• かなりの量の開発作業が必要です。 お客様が直面しているもう1つの課題は、LoRaWANが主にデータリンク（MAC）層（OSI層2）であり、ネットワーク層（OSI層3）の一部の要素のみを備えていることです。現在のところ、エンドツーエンドのLoRaWANソリューションを提供しているベンダーはありません。代わりに、複数のベンダーと協力して、ノード、ゲートウェイ、バックエンドサーバー、およびエコシステムの他のすべての部分を個別に取得する必要があります。これにより、アプリケーションに多くの柔軟性がもたらされますが、アプリケーション開発者は完全な製品オファリングを作成するためにかなりの作業を行う必要があります。これには、パケット化、ダウンリンク制御、マルチキャストなどが含まれます。
• デューティサイクルの制限があります。 パブリックネットワークの868MHz帯域に固有の制限がいくつかあります。ヨーロッパでは、主な制限は1パーセントのデューティサイクルです（ほとんどの場合）。これは、ゲートウェイが時間の経過とともに送信している平均時間を測定する場合、1パーセントを超えることはできないことを意味します。このため、ゲートウェイは送信できる量がかなり制限されています。米国では、ISMバンドのFCC規制にそのような制限はありません。

• 可変の最大伝送ユニット（MTU）ペイロードサイズがあります。 LoRaWANのもう1つの大きな制限は、ネットワークがノードに割り当てる拡散係数に基づいてMTUペイロードサイズが可変になることです。つまり、ゲートウェイから遠く離れている場合は送信できるバイト数は少なくなりますが、近くにある場合ははるかに多くなります。事前にそれを知ることはできません。したがって、ノードファームウェアまたはアプリケーションは、アプリケーション層でペイロード側の変更に対応できる必要があります。これは、ファームウェアを開発するときに非常に困難です。

  ほとんどの開発者は、ネットワークが割り当てることができる最大の拡散係数で利用可能な最小のMTUを選択することでこの問題を解決します。ほとんどの場合、これは非常に小さく、多くの場合12バイト未満です。したがって、300バイトなどの大量のデータを送信する必要があるLoRaWANノードは、小さなMTUが割り当てられる状況に直面する可能性があるため、30個の10バイトメッセージでデータを送信する必要があります。その結果、これらのノードは、これらの変化するMTU値を処理するために必要となる複雑なソフトウェア変更のために、必要以上に送信します。

LoRaWANは、通信事業者が所有および運営するパブリックネットワーク上に構築する場合に適しています。この分野で競合するハードウェアおよびネットワークサーバープロバイダーは多数あるため、選択肢はたくさんあります。また、ノードが多くなく、確認応答もあまり必要ない単純なアプリケーションの場合、LoRaWANは機能します。しかし、ニーズがより複雑な場合、必然的に深刻な障害にぶつかることになります。多くのLoRaWANユーザーは、ネットワークがまだかなり小さいという理由だけで、これらの障害をまだ経験していません。 LoRaWANを使用して、何千人ものユーザーがさまざまなことを行うパブリックネットワークを運用してみてください。そうすれば、問題は確実に急増します。

また、LoRaWANを中心としたシステムの開発と展開は、複雑なプロセスです。この記事を書いた理由の1つは、一部のWiFiやセルラーモデムのようにLoRaWANが「箱から出してすぐに機能する」という印象を受けている顧客が私たちにアプローチしているためです。最適なルートを決定する前に、すべてのアーキテクチャを理解し、システムがどのように機能するかを十分に理解しておく必要があります。

代替ソリューション：シンフォニーリンク

Symphony Linkは、LinkLabsによって開発された代替のLoRaプロトコルスタックです。 LoRaWANの制限に対処し、ほとんどの組織がIoTソリューションを正常に展開するために必要な高度な機能を提供するために、Semtechのチップ上に独自のソフトウェアを構築しました。その高度な機能のいくつかは次のとおりです。

• 双方向リンク 100％保証されたメッセージ受信。ノードとゲートウェイは、アップとダウンの両方で確実に通信できます。
• 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、複数のゲートウェイの共存を可能にします 衝突をできるだけ少なくします。パフォーマンスに影響を与えることなく、最大48のゲートウェイを共存できます。
• 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、SymphonyLinkは900MhZバンドを使用しているためです。
• SymphonyLinkの容量は LoRaWANよりも大きい 、256バイトの固定MTUを使用します。すべてのサブパケット化を処理し、配信を確実にするために必要に応じてメッセージ送信を再試行します。
• Symphony Linkは、完全なエンドツーエンドのIoTソリューションです。 それは箱から出してすぐに機能します。 LoRaWANを使用するよりも速くアプリケーションを起動して実行できます。

企業がSymphonyLinkを選択する理由は他にもたくさんあります。あなたは私たちのウェブサイトでそれについてもっと読むことができます。または、Symphony Linkが特定の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。