隣人問題：LoRaWANとセルラーネットワークの共存

薄い紙の壁で隔てられた、ロックコンサートのすぐ隣の部屋で、静かに会話しようとしているところを想像してみてください。別の部屋にいるにもかかわらず、隣のロックコンサートの音量があまりにも大きくて、ほとんど何も聞こえません。しかし、ここからが問題です。時々、通りの向かいにいる友達に大声で返事をしなければならないのですが、そうすると、隣のロックコンサートの熱狂的なファンを邪魔してしまうのです。彼らはそれが大嫌いなのです。

これはまさに、922～925MHz帯で動作するLoRaWANゲートウェイをパキスタンやアジア各地の携帯電話基地局の近くに設置した場合に起こる現象です。

この記事では、この「近隣問題」が発生する理由、それが生み出す技術的な課題、そしてネットワークを安全かつ確実に展開するためにできることについて探っていきます。

隣人を理解する

パキスタンおよびアジアのほとんどの地域では、携帯電話ネットワークは拡張GSM 900スペクトル（E-GSM 900）と呼ばれる周波数帯を使用しており、これは2つの異なる周波数帯で動作します。

• アップリンク（携帯電話が基地局タワーに送信する信号）には880～915MHzを使用する。
• ダウンリンク用周波数帯：925～960MHz（基地局タワーから携帯電話への送信）

LoRaWANゲートウェイは922～925MHzの周波数帯で動作します。これは、2つの大規模な携帯電話ネットワークのちょうど中間に位置する周波数帯です。例えるなら、壁が非常に薄い隣同士のアパートに住む隣人同士のようなもので、お互いに活動しているため、通信が干渉し合う可能性があるのです。

では、隣人のどちらかがうるさすぎる場合はどうなるのでしょうか？まず最初の課題を見ていきましょう。

問題点その1：「うるさい隣人」効果 – 携帯電話回線がLoRaWANに干渉する

携帯電話基地局が送信するとき

携帯電話基地局は非常に強力で、数キロメートル離れた携帯電話にも電波を届けるために20～80ワット（あるいはそれ以上）の出力で送信します。本来は指定されたダウンリンク周波数（925～960MHz）で送信するはずですが、その出力があまりにも強力なため、信号が近隣の周波数帯に漏れ出してしまうのです。これは、非常に大きな音量のオーディオシステムから壁を通して音が漏れ出すようなものです。

925～960MHzの携帯電話回線ダウンリンクは、922～925MHzで動作するLoRaWANゲートウェイからわずか0～3MHzしか離れていません。ほんのわずかな漏洩、例えば携帯電話基地局の出力のわずか0.001%程度でも、ゲートウェイが受信しようとしているはるかに弱いLoRaWAN信号を完全にかき消してしまう可能性があります。

「敏感な耳」チャレンジ

LoRaWANゲートウェイは、10～15キロメートル離れた場所にあるセンサーからの極めて微弱な信号を受信するように設計されており、小型バッテリーで動作し、わずか25ミリワットの電力で送信します。まるでサッカー場の向こう側からささやき声を聞き取ろうとするようなものです。

電力の差は驚くべきものです。携帯電話基地局は40,000ミリワット（40ワット）で送信するのに対し、ゲートウェイは0.000000001ミリワット（1ナノワット）という微弱な信号を検出しようとします。その差は1000億倍にもなります。

近くの携帯電話基地局からの干渉があると、まるで誰かがすぐ隣にメガホンを持って立っているのに、遠くのささやき声を聞き取ろうとするようなものです。ゲートウェイの受信機は、周囲の携帯電話信号によって過負荷になったり、感度が低下したり、あるいは完全に感度を失ってしまうのです。

適切なフィルタリングを行わないと、LoRaWANゲートウェイは次のような状態になります。

• 受信すべきセンサーメッセージの50～90％を見逃す
• LoRaWANデバイスが通信できない「デッドゾーン」を作成する
• 実験室では完璧に動作するが、携帯電話インフラの近くに展開すると完全に機能しなくなる。

携帯電話の信号がLoRaWANにどのような影響を与えるかを見てきたところで、今度は状況を逆転させて考えてみましょう。LoRaWANがノイズの多い隣人になった場合はどうなるでしょうか？

問題点その2：「迷惑な隣人」効果 – LoRaWANがセルラー通信に干渉する

ほとんどの人が見落としている重要な問題があります。LoRaWANゲートウェイが922～925MHzでセンサーにダウンリンクメッセージを送信すると、あなたは問題のある隣人になってしまいます。あなたは、携帯電話基地局が880～915MHzで携帯電話の通話を傍受しようとしている周波数からわずか7～10MHzしか離れていない周波数帯でRF電力を放射していることになるのです。

携帯電話基地局には、微弱な携帯電話信号を受信できる非常に高感度な受信機が搭載されています。同じ屋上やタワーに設置されている可能性のあるLoRaWANゲートウェイが、突然922～925MHzで送信を開始すると、たとえ独自の周波数帯域を使用していても、設計の不十分な機器は帯域外の電波を発信し、携帯電話のアップリンク帯域に漏れ込んでしまう可能性があります。

このシナリオが技術的にも法的にも、なぜさらに問題となる可能性があるのか​​、続きを読んで理解を深めましょう。

これが実は最悪の問題である理由

1. あなたは商業サービスを妨害している
   あなたは単なる電波干渉の被害者ではありません。何千、何百万もの有料顧客にサービスを提供する商用携帯電話ネットワークを、潜在的に混乱させているのです。
2. 法的および規制上の影響
   携帯電話事業者は、周波数帯域の使用権が保護された認可事業者です。電波干渉を引き起こしている場合、事業者はあなたの機器の停止を要求する法的権限を有しています。
3. 力関係はあなたに不利に働く
   携帯電話事業者は、LoRaWANの導入に比べて、はるかに多くのリソース、規制上の支援、そして法的地位を有しています。コンプライアンスを証明する責任は、あなたにあります。
4. 調整要件
   多くの地域では、携帯電話インフラの近くに無線周波数（RF）機器を設置するには、事前の調整、認証、および文書化が必要となる。

つまり、リスクは信号損失にとどまらず、プロジェクトの信頼性や合法性にも影響を及ぼす可能性があるということです。では、どのようにすれば法令遵守を維持できるのでしょうか？

「コロケーション要件」の本当の意味とは

この技術用語は、異なる無線機器を相互干渉なく近接して設置するには、特定の工学的および規制上の規則に従う必要があることを意味します。

E-GSM 900セルラーインフラストラクチャの近くで922～925MHzで動作する屋外LoRaWANゲートウェイの場合、共存要件は保護という2つの問題に対処します。 from 細胞干渉と保護 of 携帯電話ネットワーク。

次に、これらの問題を防止するために役立つ技術的な対策を見ていきましょう。

携帯電話の電波干渉からの保護（問題点その1）

1. 受信時の適切なフィルタリング
   • 携帯電話のダウンリンク信号（925～960MHz）を遮断する高品質のバンドパスフィルタ
   • 安価なゲートウェイはコスト削減のため、これらのフィルターを省略することが多い。
2. レシーバの仕様
   • 広いダイナミックレンジで強力な隣接チャネル信号を処理
   • 優れた選択性と適切なIP3（三次インターセプトポイント）
   • 相互変調とノイズを低減するためのデジタル信号処理
3. 物理的分離
   • LoRaWANアンテナとセルラーアンテナ間の適切なアンテナ間隔
   • 構造物の反対側にLoRaWANアンテナを取り付ける
   • 結合を低減するための垂直または水平方向の分離

LoRaWANの通信が携帯電話ネットワークにどのような影響を与える可能性があるのか​​、そしてそれを防ぐためにどのような対策が不可欠なのかについては、引き続きお読みください。

携帯電話ネットワークの保護（問題点その2 – 最も重要な問題点）

1. 極めてクリーンなLoRaWAN送信機
   • 送信側での急峻なフィルタリング
   • スペクトルマスク要件への準拠（-60 dBc以下）
   • 位相ノイズとスプリアス放射が低い
2. 帯域外放射制限
   • 携帯電話アップリンク帯域（880～915MHz）における規制要件を満たす必要があります。
   • 放射レベルはLoRaWAN信号レベルより60～80dB低い必要がある。
3. パワーマネジメント
   • 近隣の受信機への過負荷を避けるため、送信電力を制御する。
4. シールドと接地
   • 適切な金属シールドと確実な接地
5. コンプライアンステストと認証
   • 展開前のスペクトル分析と認証
   • 規制当局向け文書

これらの対策が講じられれば、両システムは干渉することなく並行して動作できる。ただし、ゲートウェイの設計がそれを真にサポートしている場合に限る。

現実世界への影響

シナリオ1：安価で規格に準拠していないゲートウェイを使用する
差し迫った問題としては、メッセージの受信漏れや通信圏外の発生などが挙げられます。数日後には、携帯電話会社が通信ノイズの増加を検知し、その原因をあなたの端末に特定して、通信停止を要求する可能性があります。

シナリオ2：適切なコロケーショングレード機器の使用
適切に設計されたゲートウェイは、規制を完全に遵守し、携帯電話の運用を保護しながら、信頼性の高いLoRaWAN性能を維持することができます。

適切なエンジニアリングはここでは選択肢ではなく、成功に不可欠であることは明らかだ。では、これらの問題はどこで最も頻繁に発生するのだろうか？

この双方向の問題が存在する国々

この課題は、両方の条件が揃うほぼすべての国に影響を与えている。

1. E-GSM 900セルラーネットワーク（880～915MHz / 925～960MHz）
2. AS923帯域（920～928MHz帯）におけるLoRaWAN

アジアにおける重要な干渉ゾーン：
南アジア – パキスタン、バングラデシュ、スリランカ、ネパール、ブータン
東南アジア – タイ、マレーシア、シンガポール、インドネシア、ベトナム、ミャンマー、カンボジア、ラオス、ブルネイ
中東 – イラン、イラク、サウジアラビア、アラブ首長国連邦、クウェート、カタール、バーレーン、オマーン、ヨルダン、レバノン
中央アジア – ウズベキスタン、トルクメニスタン、キルギス、タジキスタン
さらに：モンゴルおよびその他多くのアジア諸国

これらの地域への配備を計画している場合は、このまま読み進めてください。次のセクションでは、準備方法と装備の選び方について説明します。

重要な例外

インドはLoRaWANにIN865バンド（865～867MHz）を使用しており、これはE-GSM 900から十分に離れているため、深刻な周波数帯域の重複問題に直面しない。インドは賢明な選択をしたことで、LoRaWANにとってよりクリーンな周波数環境を実現した。

この例は、規制の整合性がネットワークの信頼性を直接的に向上させる方法を示している。

ヨーロッパも

ヨーロッパのほぼすべての国がE-GSM 900を使用しているため、同様の課題に直面しています。そのため、欧州規格（ETSI EN 300 220）には、プロフェッショナルなLoRaWANゲートウェイメーカーが満たさなければならない厳格な設置要件が含まれています。

つまり、これはアジアだけの問題ではなく、世界的な問題なのだ。

インターネットで安価なゲートウェイを購入してはいけない理由

消費者向けゲートウェイは、干渉が最小限に抑えられたクリーンな周波数環境向けに設計されています。
一方、コロケーショングレードのゲートウェイは、以下の目的で設計されています。

• 敵対的なRF環境下での運用
• 携帯電話ネットワークからの保護と携帯電話ネットワークの保護
• 排出制限の遵守
• プロフェッショナルな導入環境において、信頼性の高いパフォーマンスを発揮します。

信頼性がビジネスにとって重要であれば、この違いはIoTプロジェクトの成否を左右する可能性があります。

適切なゲートウェイ設計にはどれくらいの費用がかかるのか

コロケーショングレードのゲートウェイに必要な追加のエンジニアリングには、以下のものが含まれます。

• 高性能フィルター
• 高品質RFコンポーネント
• 高度な技術を用いたデジタルデザイン
• 機械加工または鋳造された金属製筐体を使用した適切なシールド
• 認定された検査機関による試験および認証
• RFエンジニアリングに関する豊富な経験と専門知識

これにより、各ゲートウェイのコストが250ドルから500ドル増加する可能性があるが、これは信頼性が高く合法的なネットワークと、障害や停止のリスクがあるネットワークとの違いとなる。

では、ベンダーを選ぶ前に具体的に何を確認すべきでしょうか？チェックリストを見てみましょう。

コンプライアンスボックス：ベンダーに尋ねるべきこと

携帯電話インフラの近くにLoRaWANゲートウェイを購入または設置する前に、ベンダーが完全な透明性とコンプライアンスに関する文書を提供していることを確認してください。以下の点について質問してください。

要件	リクエストするもの
OOBE（帯域外放射）レポート	ゲートウェイが地域の排出規制（例：ETSI、FCC、または地方自治体）を満たしていることの証明。
ブロッキングおよび隣接チャネル選択性テスト	受信機が感度低下を起こすことなく、近隣の強力なGSM900信号を処理できることを示すデータ。
IP3および相互変調テスト	ゲートウェイの受信機と送信機が、混在信号環境における歪みに耐えられることを検証する。
伝導性および放射線性試験の概要	認定された研究所による、実際のRF環境下での性能を示す試験結果。
コロケーションコンプライアンス認証	当該機器が、認可された携帯電話インフラ付近での安全な動作について試験済みであることを確認する。

プロフェッショナルグレードのゲートウェイには、これらのレポートが技術文書パッケージの一部として含まれています。導入前に遠慮なく入手を依頼してください。

それでは、スムーズかつ法令遵守に基づいたインストールプロセスを確保する方法を見ていきましょう。

導入前に：必須チェックリスト

いくつかの重要な手順を踏むことで、高額な干渉問題を回避し、携帯電話が密集する環境でもLoRaWANの安定した動作を確保できます。

1. 認定の検証 – ゲートウェイがコロケーション基準を満たしており、最新の排出量レポートが提出されていることを確認してください。
2. スペクトル分析を実行する 設置場所で信号アクティビティを測定し、GSM900キャリアと近隣の送信機を特定します。
3. アンテナ間隔を計画する LoRaWANアンテナとセルラーアンテナの間には、物理​​的な距離（水平方向または垂直方向）を確保し、結合を最小限に抑えてください。
4. 適切なフィルタリングとシールドを使用する ・不要な放射を抑制するために、高品質のRFフィルターと接地された金属製筐体を使用する。
5. 携帯電話事業者と連携する 共有タワーや屋上付近にゲートウェイを設置する場合は、現地の通信事業者に通知または相談してください。

適切な計画と検証を行うことで、IoTネットワークと近隣の認可済みサービスの両方を保護し、長期的な信頼性、コンプライアンス、そして安心感を確保できます。

用語解説 

OOBE（帯域外放射）： 機器に割り当てられた周波数範囲外から発信される不要な無線信号。
dBc: 搬送波電力に対するデシベル値。不要な放射が主信号に比べてどれだけ弱いかを表すのに用いられる。
ブロッキング： 受信機が、周波数的に近い場所に強い信号が存在する場合でも、性能を維持できる能力。
IP3（3次インターセプトポイント）： 受信機または送信機が強い信号を歪みなく処理できる能力を示す指標。
相互変調（インターモジュレーション）： 非線形部品内部で2つ以上の周波数が混ざり合うことで発生する偽信号。
スペクトルマスク： 送信機の出力が隣接周波数にどれだけ拡散できるかを規定する規制上の境界。

携帯電話インフラの近くにLoRaWANを導入することで、IoTの信頼性の高いパフォーマンスを確保できるだけでなく、重要な公共通信システムを保護することにもつながります。これらの目標達成には、適切なエンジニアリング、適切なフィルタリング、そして検証済みのコンプライアンスが不可欠です。

「近隣問題」を理解し、これらのベストプラクティスを適用することで、信頼性が高く、効率的に拡張でき、運用場所を問わずコンプライアンスを遵守できるネットワークを構築できます。