M2Mアプリケーションに最適なIoT接続を選ぶには？

近年、IoTの導入を加速させる多くの接続オプションが市場に登場しています。選択肢が豊富な中で、自身のニーズに最も適した接続方法を調査・選定するのは容易ではありません。ここでは、参考として接続オプションの概要をご紹介します。

なぜ適切なIoT接続の選定が重要なのか？

市場には多くのソリューションが存在します。しかし、顧客はそれらの選択肢や利点を十分に理解していないことが多く、これが選定の障壁となっています。

IoT導入戦略において、最適な接続技術を選定することは極めて重要な意思決定のひとつです。接続は、エンドツーエンドのIoTソリューションにおける重要な構成要素だからです。最も重要な問いは、「接続された製品と生成されたデータがどのように活用され、企業や顧客にどのような価値をもたらすか」という点です。

戦略的および財務的（予算）な目標とリスクを明確に定義できれば、顧客は技術要件の特定と最適な技術の選定に進むことができます。すべてのユースケースには固有のニーズがあり、それが技術要件に反映され、最適な接続技術の選定を左右します。顧客が要件を確認・分析すべき主要なポイントは以下の3つです：

技術面

• カバレッジ（通信範囲）
• エネルギー効率
• データレートとデータ送信頻度
• IoTプロトコル（MQTT／HTTP
• セキュリティ／双方向通信
• モニタリングとレポート機能

商業／ビジネス面

• コスト
• スケーラビリティ（拡張性）

エコシステム面

• ソリューション
• 相互運用性（インターオペラビリティ）

現在および今後の代表的なIoT接続ソリューション

一般的に、IoTの分野、特にマシン・ツー・マシン（M2M）通信は、短距離のローカルエリアネットワーク向けにはZigBee、Bluetooth、Wi-Fiなどの無線技術が、広域ネットワーク向けにはGSM（2G）、UMTS（3G）、LTE（4G）などの従来型セルラー技術が主流となってきました。近い将来には、5Gもこのリストに加わることになるでしょう。

最近では、接続が困難だった高コストまたはカバレッジの制限がある対象に対応するため、新たな無線技術が登場しています。これらの新技術は、低消費電力かつ広範囲の通信を特徴としており、「LPWA（Low Power Wide Area）」技術として知られています。LPWAには主に2つのカテゴリがあります。

1つ目は、LoRa、Sigfox、Weightlessなどの独自仕様のLPWAで、免許不要の周波数帯で動作します。これらは通常、通信事業者以外のプレイヤーによって展開されますが、通信事業者によっても導入可能です。

2つ目は、NB-IoTやLTE-Mなどの3GPP標準化されたLPWA（簡略化して「セルラーLPWA」と呼ばれることもあります）で、通信事業者が管理するネットワークであり、免許制の周波数帯で運用されます。これらの技術は、IoTのニーズに対応するために特別に開発されたセルラー接続の選択肢です。

以下に示すように、従来のセルラー技術は、大量の映像・音声・データサービスに最適化された複雑な設計により、データレートと通信範囲を重視しています。一方、Bluetooth Low Energy（BLE）やZigBeeなどの短距離技術は、通信範囲を犠牲にしてデータレートとバッテリー寿命を重視しています。LPWA技術（NB-IoTを含む）は、データレートを抑えることで、消費電力の削減、バッテリー寿命の向上、通信範囲の拡大を実現しています。

セルラー通信（3G／4G）

3Gや4Gといった従来のセルラー通信技術は、広域通信に適した代表的なソリューションであり、優れた通信カバレッジを提供します。多くのIoTアプリケーションにおいて基盤となっており、サービスプロバイダーにとって最も一般的な選択肢のひとつです。しかし、大量のデータを送信するには高コストがかかります。セルラー通信はコストが高いだけでなく、いくつかの用途では高い電力消費も必要となります。

Wi-Fi

2.4GHzまたは5GHzの周波数帯で通信するWi-Fiは、より多くのデータを伝送することが可能です。広く普及しているWi-Fi規格802.11では、1秒間に数百メガビットのデータ転送が可能です。しかし、通信範囲が限られており、電力消費も大きいという欠点があります。そのため、Wi-Fi接続を利用するIoTアプリケーションは、基本的に短距離での利用に限定されます。

LPWAのさらなる可能性

LoRa、NB-IoT、LTE-M

LPWA（Low Power Wide Area）技術は、広範囲にわたる通信を低消費電力で実現する、独自のIoT接続技術です。LTE-M、NB-IoT、LoRaなど、さまざまなLPWA接続ソリューションが存在し、IoT市場の拡大に大きく貢献しています。最大20kmの広い通信範囲を提供し、センサーやエッジデバイスのバッテリー寿命を延ばすことができます。スマートシティ、スマート農業、スマートセンシングなど、多くの用途に適しています。

LoRaとLoRaWAN

LoRaWANは、広域ネットワーク向けのIoTプロトコルのひとつです。LoRaWAN IoTネットワークプロトコルは、数百万の低消費電力デバイスによる大規模ネットワークを支援するために設計されています。スマート農業では、このプロトコルが活用されています。また、LoRaWANは多くの産業分野で、安全な双方向通信が可能なことで知られています。データ転送速度は0.3〜50kbpsで、都市部では通信範囲が2〜5km、郊外では15〜20km程度です。

NB-IoT

NB-IoTは、セルラーM2M通信インフラ向けに特化して設計された技術で、通信にはSIMカードが必要です。運用中のネットワーク内でデバイスを容易に展開できるソリューションです。他のLTE技術と比較して、NB-IoTはネットワーク接続デバイスの電力効率を向上させ、数年間のバッテリー寿命をサポートできます。標準LTEの10〜20MHz帯域幅を使用する代わりに、NB-IoTは180kHzのリソースブロック（12〜15kHzのLTEサブキャリア）を使用します。データ転送速度は100kbps〜1Mbpsの範囲で、より簡素化された規格により、接続デバイスの消費電力を大幅に抑えることができます。

LTE-M

LTE Cat M1は、低消費電力広域（LPWA）無線インターフェースであり、中程度のデータ転送速度（アップロード・ダウンロードともに375kbps、ハーフデュプレックスモード）を必要とするIoTおよびM2Mデバイスの接続を可能にします。NB-IoTと比較して、LTE Cat M1はモバイル用途にも適しており、高速LTEと同様に基地局間のハンドオーバーを処理できます。たとえば、車両が地点Aから地点Bへ移動し、複数のネットワークセルを横断する場合、Cat M1デバイスは携帯電話と同様に接続を維持し続けます。一方、NB-IoTデバイスは新しいネットワークセルに到達した後、接続を再確立する必要があります。そのため、LTE-M技術は資産追跡向けのIoTデバイス開発に最適なソリューションです。

プロジェクト導入前に

戦略的目標、予算目標、そしてリスクを定義した後、顧客は技術要件の特定と最適な技術の選定に進むことができます。以下に示すように、IoTの導入には、ハードウェア（デバイスや部品）、接続技術、プラットフォーム、アプリケーション（ソフトウェアやSaaS）を含む、エンドツーエンドの技術ソリューションの確保が必要です。これらは通常、システムインテグレーターや技術コンサルタントの支援によって統合されます。

初期検討 1

• アプリケーション（ソフトウェア）
  • 予測分析（SaaS）
• プラットフォーム
  • 制御管理
• 接続性
  • 従来のセルラー通信（3G/4G-LTE）、LPWA
• デバイス（エッジノード）
  • スマートメーター、スマートセンシング、車両トラッカー
• コンポーネント
  • センサー、メーター、バッテリー、レガシーデバイス

初期検討 2

• 監視と報告
  • ライブダッシュボード（可視化） - SCADAまたはクラウド
  • ステータスレポート
  • アラートと通知
  • データ分析と接続性の解析
  • リモート制御
• ネットワーク選定
  • 範囲
  • 帯域幅
  • 消費電力
  • 予算
  • 従来のセルラー通信（3G/4G）
  • LPWA（LoRa/NB-IoT/LTE-M）
• 現場のM2M要件
  • デバイス（レガシーデバイスを含む）の一覧と数量
  • デバイスインターフェース（アナログ/シリアルModbusなど）
  • データレート？どのくらいの頻度でデータを送信するか？
  • カバレッジ？

市場にはすべての要件を満たす完璧な技術的ソリューションは存在しません。したがって、アプリケーションやプロジェクトの特性と要件に基づいて、最適なIoT接続方式を選択することに集中してください。 上記の説明が、最適なIoT接続方式の選択に役立ち、よりスマートな導入につながることを願っています。