LoRaWANの通信範囲を拡張するリレーモード動作

By テクテリック最終更新：4月11、2024

製品概要

リレーモードの動作は、LoRaWANテクノロジーの強力な新機能であり、通信範囲とカバレッジを拡張します。 LoRaWAN ネットワークそして信頼性を向上させます。この新しいLoRaWAN機能には2つの主な利点があります。1つ目は、LoRaWANネットワークの範囲が拡大すること、2つ目は、遠隔地にあるためにゲートウェイとの接続が不安定なLoRaWANデバイス（地下室の水道・ガスメーター、パーキングメーターなど）の通信範囲と信頼性が向上することです。LoRaWANリレー機能は、大規模なIoTの導入と展開にも役立ちます。リレーノードは、LoRaWANデバイスやセンサーと同様にバッテリーで動作するため、導入が容易で低コストです。さらに、リレーノードは、すべてのデバイスに対して堅牢なネットワークカバレッジと信頼性の実現に役立ちます。 LoRaWAN デバイスまた、センサーも利用することで、再送信の回数を減らし、場合によっては、少数のデバイスやセンサーのために追加のゲートウェイを導入する必要がなくなるため、ネットワークコストを大幅に削減できます。新しいリレーモードの動作とリレーノードをよりよく理解するために、それらがもたらす具体的なメリットと、その実現方法に焦点を当ててみましょう。

標準的なLoRaWAN接続はどのように機能するのですか？

LoRaWANプロトコルは、エンドデバイスやセンサーとの間でメッセージを送受信するように設計されたゲートウェイの展開をサポートしています。LoRaWAN規格では、ゲートウェイがメッセージを受信してネットワークサーバーに転送することを前提としています。ゲートウェイは複数のチャネルをサポートできるため、通常、1つのゲートウェイは数千のデバイスやセンサーからの応答を受信します。 LoRaWAN デバイスゲートウェイは、センサーから受信したメッセージをネットワークサーバーに送信します。逆に、ネットワークサーバーから受信したメッセージは、各LoRaWANデバイスとセンサーに送信されます。そのため、ベースステーションではなくゲートウェイという用語が使われています。ベースステーションというと、4G/5G技術と同様に、メッセージをネットワークサーバーやデバイス、センサーに送信する前に処理する必要があることを意味してしまうからです。

セキュリティプロトコル

LoRaWAN標準通信プロトコルは、安全なリレーデータ転送のために暗号化を使用します。LoRaの通信は128ビット暗号化方式で保護されています。この暗号化は、ネットワークサーバーが保持するセッションキーとアプリケーションサーバーが保持するセッションキーの2つを使用することで実現されます。各セッションキーは、エンドデバイスとネットワークサーバー間の接続時に生成されます。デバイスがネットワークに接続されると、安全にデータの送受信が可能になります。NwkSKeyはメッセージの完全性を保護し、AppSKeyは暗号化を提供します。

アクティベーション

間に LoRaWANネットワークアクティベーションプロセスでは、ネットワークサーバーとエンドノードは、交換されたデバイス情報、nonce値、および共有秘密鍵を使用して、それぞれ同じセッションキーを生成する必要があります。セッションキーは、エンドノードのこのセッションでのみ使用されます。セッションキーは、後続の参加手順中に再生成されるため、これらのキーの紛失や盗難は、ルートキーの紛失や盗難ほど重大な問題ではありません。リレーノードを追加してもLoRaWANのセキュリティが損なわれることは決してないため、心配する必要はありません。

LoRaWANリレー機能はどのように動作するのですか？

リレーモードは、LoRaWANの新機能であり、リレーノードなしでは転送できないほど遠くにあるデバイスからゲートウェイがデータを受信できるようにするのに役立ちます。ネットワークカバレッジを拡張するために、LoRaWANは実装が簡単で低コストな新しいリレー機能を使用できます。LoRaWANリレーは、LoRaWANアップリンクおよびダウンリンクメッセージを使用してデータを転送します。エンドデバイスのアップリンクが受信されると、リレーメカニズムは最初のメッセージに追加情報を加えてラップし、アップリンクをゲートウェイに送信します。次に、ゲートウェイはこのアップリンクをネットワークサーバーに転送し、サーバーはそれをリレーされたメッセージとして認識します。理想的には、適切な場所に設置され、堅牢でノイズ耐性のあるリレーモジュールにより、元のネットワークカバレッジの範囲外にあったデバイスとの双方向通信が可能になります。

新しいリレー機能を使用するには、LoRaWANデバイスがクラスA通信をサポートしている必要があります。クラスA通信は双方向非同期無線通信であり、アップリンク送信はいつでも実行でき、その後ダウンリンクウィンドウが続きます。クラスA通信は、ネットワーク制御コマンドの送受信にも使用されます。また、LoRaWANエンドデバイスは、アプリケーションで指定された時間だけ低電力スリープ状態に入ることができます。

LoRaWANリンク層規格に基づく現在のLoRaWAN規格は、エンドデバイスとゲートウェイで構成されています。既存のLoRaネットワーク仕様では、エンドデバイスとゲートウェイ間のホップ数は1回のみですが、リレーモジュールを使用した2ホップ方式は、通信範囲を大幅に拡大できるという利点があります。既に述べたように、バッテリー駆動のリレーモジュールは非常に低コストで、LoRaWANフレームを転送して必要な通信範囲を確保できます。

新しいリレー機能はどのような問題を解決するのか？

IoTネットワークにリレー機能を追加することで、幅広い主要業種において堅牢なネットワークカバレッジの拡張を実現できます。IoTネットワークを構築していて、優れたカバレッジを実現したい場合は、LoRaWANノードへのゲートウェイ、またはリレー機能のいずれかを組み込む必要があります。明日、ネットワークカバレッジの要件を見ると、今日とは全く異なることに驚くでしょう。テクノロジー分野で安定した基盤を築きたいのであれば、インターネット接続にこの重要な構成要素を取り入れることを検討すべきです。

リレー仕様機能は、極めて困難な地下カバレッジを必要とする遠隔デバイスや、屋内深部カバレッジを必要とするケースにおいて、大きなメリットをもたらします。ネットワークカバレッジの拡張は、金属製のクローゼット内のメーター、カーブ周辺などの非常に困難な環境、建物の火災報知器、森林火災、洪水/雪崩/地盤変動、その他屋内深部かつ堅牢なネットワークカバレッジを必要とする同様のケースで不可欠です。スマートシティや遠隔地の多くの分野を取り巻く環境上の課題は、デバイスが十分なネットワークカバレッジを得られない可能性があるため、デバイスが最高のパフォーマンスを発揮することを妨げます。明日、リレー機能を有効にすることで、大規模なIoT展開が可能になります。リレーエンドポイントにより、極めて困難な地下、コンクリート、金属環境でも長距離通信が可能になります。

LoRaWANリレーを、追加のゲートウェイよりも使用する方が良いのはなぜですか？

この疑問はもっともで、全く正当なものです。リレーを採用するよりも、システムにゲートウェイをもう1つ追加する方が簡単で効果的だと考えるかもしれません。しかし、ネットワークカバレッジの拡張を目指す場合、ゲートウェイとリレー受信モジュールのどちらか一方を選ぶという選択肢はありません。必要なカバレッジを実現するためにゲートウェイをもう1つ追加すると、電力とバックホール接続のニーズに合わせてより多くの労力と費用がかかります。一方、リレーノードを使用すれば、バッテリー電源とLoRaWAN接続を利用して、同じカバレッジをより簡単に実現できます。

低コスト

LoRaWANのリレー機能は、従来のIoTゲートウェイよりも低コストで、統合も容易であり、ネットワークカバレッジの拡張効率も格段に優れています。低コストなソリューションであることに加え、この動作モードは、既にIoTアーキテクチャを構築済みで、その物理的な限界を把握している企業にとって最適な選択肢となります。さらに、リレー機能を統合した堅牢なLoRaWAN認証プログラムにより、企業は必要なゲートウェイの数を削減できるため、コスト削減において重要な要素となります。

リレーエンドポイントは、ゲートウェイがセンサー信号を受信できず長距離通信が困難なような非常に厳しい環境下でもLoRaWANの通信範囲を向上させるマルチホップ通信方式を実現します。LoRa Allianceのメンバーは、リレー仕様の追加には低コスト化や通信範囲の拡大など、多くの利点があることを認識しています。また、計測センサーは地下配線が必要となるため、電力会社などの公益事業分野での使用にも最適であり、バッテリー駆動のリレーデバイスにとって大きな市場機会となります。

完全なネットワークカバレッジ

リレーネットワークのカバレッジ拡張により、通信範囲を大幅に拡大できます。リレーモジュールを追加することで、LoRaWANネットワークの展開が簡素化され、スマートシティや遠隔地における大規模なIoT展開が可能になります。メッシュネットワークと比較した場合、リレーモードのメリットは、必要なノード数が少なくて済むことです。

新しいリレー機能は、LoRaネットワークの主要コンポーネントとなる可能性を秘めています。センサーの性能向上と、カバレッジ不足の問題を解決できます。リレーモジュールは、金属製のクローゼット内の水道メーター、地下駐車場の機器、悪天候の影響を受ける屋外IoT機器などにおいて、エンドツーエンドのスムーズな通信を保証します。リレーはゲートウェイからのフィードバックを利用して、エンドデバイスへのデータ送信タイミングとLoRaWANフレームの転送タイミングを判断します。この技術はほとんどのLoRaWAN標準アプリケーションとの互換性が確保されているため、主要な業種において広く採用されるでしょう。

ゲートウェイはどのような点でリレーノードよりも優れているのか？

スムーズな監視を実現するためには、ゲートウェイを追加する選択肢も検討することが重要です。ゲートウェイは、新たに導入されたリレー機能よりも、容量が大きく、性能が高く、消費電力も低くなっています。

大容量

ネットワーク容量はゲートウェイの密度に依存します。LoRaエンドノードのバッテリー電力を維持しながらネットワーク容量を最大化するには、 LoRaWAN ゲートウェイ適応型データレート機構を採用する。この機構は、センサーがゲートウェイに最も近い場合は最低レートでパケットを送信し、センサーがゲートウェイから遠い場合はより高いレートを使用する。そのため、このフレームワークではゲートウェイとデバイスは最大限の能力を発揮できる。

低消費電力

LoRaモジュールにとって、低消費電力は重要な要件の一つです。エネルギー消費量を決定する要因はいくつかあり、動作モードやデバイスのアクティブ時間などが挙げられます。一般的に、動作モードはスリープモードよりも多くの電力を消費します。したがって、LoRaモジュールのエネルギー消費量を計算する際には、これらの両方の要因を考慮する必要があります。 LoRaWAN デバイス.

LoRaWANネットワークは常にスター型トポロジーで構成され、ゲートウェイはエンドデバイス間のリレーとして機能し、ネットワークサーバーにメッセージを送信します。LoRaWANのリレーモード動作の代わりにゲートウェイを1つ追加することで、転送されるデータ量を最大化し、エネルギー消費を最小限に抑えることができます。ゲートウェイの低電力モードにより、エンドデバイスは低電力スリープモードに入ることができます。さらに、デバイスはアプリケーションが必要とする限り、低電力スリープモードに入ることができます。

LoRaWANエンドポイントは低消費電力システムであるべきです。機能の肥大化は、システムが本来消費すべき電力よりも多くの電力を消費する原因となるため、これを避けることが不可欠です。クロック速度とメモリサイズも低く抑えるべきです。これらの要素はLoRaWANエンドポイントの消費電力に影響を与えるからです。ゲートウェイを1台追加する場合、デバイス自体のわずかな費用を支払うだけで済み、電力コストは極めて低くなります。

性能向上

ゲートウェイは、堅牢なハードウェア、送受信機能、RFフィルターを備えているため、リレーノードよりもはるかに高性能です。つまり、ゲートウェイはより多くのデバイスを処理でき、スマートシステム全体のパフォーマンスを向上させることができます。

リレー機能を検討する際に重要なポイントは何ですか？

一見すると、リレーモードに関する情報は、IoT市場に存在するあらゆる問題に対する完璧な解決策のように思えるかもしれません。しかし、宣伝キャンペーンに惑わされることなく、客観的かつ批判的な思考でこの問題に取り組むべきです。まず、リレーによるカバレッジを拡大するには、企業はリレー対応ファームウェアを搭載した新しいデバイスを導入する必要があります。これは小規模企業にとっては問題にならないかもしれませんが、グローバル企業やスマートシティとなると、リレーモードを使い始めるためだけに大量の新しいデバイスを購入するのは、コストがかかりすぎ、非現実的に思えるでしょう。

もう一つの大きな懸念事項は、バッテリー寿命の短縮です。リレー機能に基づいて動作するエンドデバイスは、通常のクラスAデバイスと比較して、バッテリー寿命が1/2～1/4程度になると予想されます。このようなバッテリー寿命の短縮は、リレーモード動作に伴う追加処理が原因です。例えば、デバイスはリレーに通知するために「電力消費の大きい」WakeOnRadio信号を送信する必要があり、これが消費電力の最大の増加要因になると予想されます。もちろん、実際のテストを行う前に確実にこうなるとは断言できませんが、これらの推定値は可能性が高く、考慮に入れる必要があります。

重要なのは、リレーは通信範囲を拡張でき、追加のゲートウェイよりもはるかに安価であるものの、必ずネットワーク容量を消費するという点です。ゲートウェイは、パフォーマンスの面でより安定していて優れた選択肢です。したがって、この新しいリレー機能を選択するかどうかは、主にあなたの目標によって決まります。

TEKTELICは新しいリレー機能にどのように対応する予定ですか？

TEKTELICは、キャリアグレードのゲートウェイ、デバイス、センサー、ソリューションの最大のポートフォリオでLoRaWAN市場をリードしており、お客様とLoRaWANエコシステム全体への価値を高める方法を常に模索しています。お客様の声に耳を傾け、お客様の課題を理解しています。リレーモードは、現在のお客様が直面している多くの問題を何らかの形で解決し、オペレーターのTCOを削減できると確信しています。LoRaWAN標準内での開発と導入を支援し、この方向で作業を開始するために、皆様と共有することにしました。リレーモードがスマートシティ、公益事業、駐車場などの静的資産の監視に役立つアプリケーションが多数あることを私たちは知っています。LoRaWAN協会のスポンサーメンバーとして、TEKTELICは現在450社以上のお客様を抱え、大規模なIoT導入をリードしており、この機能が現在および将来の多くのお客様に利用されると確信しています。同時に、私たちは客観的な立場でありたいと考えており、そのため、すべてのメリットとデメリットをお伝えします。

主な取り組み

LoRaデバイス IoTアプリケーション向けに多くの魅力的な機能を提供します。低消費電力設計で、パブリックネットワークとプライベートネットワークの両方に展開できます。LoRaデバイスは既存のインフラストラクチャにも簡単に統合できます。新しいリレーモードは、困難な環境において画期的なものとなる可能性があります。バッテリー駆動のノードは、LoRaWANパケットを転送する問題を解決します。ゲートウェイ厚い壁、地面の金属カバー、地下駐車場、金属フレーム、その他アクセスが困難な環境を通して、LoRaWANエンドデバイスやセンサーに通信します。

現在、TEKTELICを含むLoRa Allianceのスポンサーおよびコントリビューターメンバーは、リレーモジュールの仕様を最終決定するために緊密に連携しており、各社がリレーモジュールを製造、テストし、顧客に提供できるように取り組んでいます。当社の研究開発チームは実際のリレーデバイスの開発に取り組んでいますが、ここではこの新機能とその利点について、分かりやすく簡潔にご説明いたします。

依然として、対処すべき重要な課題がいくつか存在します。例えば、以下のようなものです。

リレーと既存機器との互換性、およびリレー対応ファームウェアをサポートする新規機器の購入の必要性。
端末機器のバッテリー駆動時間は短縮される見込み（現行のクラスA機器と比較してバッテリー駆動時間は1/2～1/4程度）。
ネットワーク容量の消費量の増加。
メッシュネットワークを構築できないこと（むしろ、LoRaWANの基盤となっているスター型アーキテクチャに対して、大幅なカバレッジ拡張を提供することを目的としている）。

このリレー方式がどれほど効果的になるかは現時点では断言しにくいが、すべての利点と潜在的な欠点を一覧で確認できれば、意思決定ははるかに容易になるだろう。

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