LoRaガイド

通信やデータ共有の方法が進化する中で、製品の多様性がますます求められています。このガイドでは、LoRaに焦点を当て、その概要や機能、利点、応用について詳しく説明します。LoRaは、長距離通信に特化したプロトコルであり、その特長的な要素についてご紹介します。

今日、データを送信し共有するためには様々な方法が存在し、それをサポートするためのさまざまなプロトコルがあります。LoRaは"Long Range"の略で、広範囲かつ広い帯域幅でデータを送信するためのワイヤレスネットワークプロトコルです。LoRaは2010年代半ばに発明され、非常に最近の技術開発の一環であり、長距離、低電力、環境に優しいデータ転送手段として設計されました。その後も発展を続け、他のIoTプロトコルであるZigbeeやWi-Fiと競合しています。

スマートアセットやIoTデバイスが互いに通信するための共通プロトコルをお探しであれば、LoRaWAN™が最適です。LoRaWAN™は、超低消費電力に最適化された長距離（LoRa）、広域ネットワーク（WAN）仕様です。これは、LoRaWAN™がIoTネットワーク内のワイヤレス、バッテリー駆動のエンドポイントに最適であることを意味します。0.3kbpsから50kbpsのデータレートで双方向通信を安全に行うことができます。

LoRaは無線技術の一種で、通常のトランシーバーとは異なります。無線帯域を使用しますが、コウモリやイルカが通信する方法とは異なり、一連の「チップ」でデータを暗号化します。

LoRaは多くの産業で幅広いアプリケーションに使用されています。商業および家庭内産業では、LoRaはスマート暖房、エアコン、換気、空気品質制御システムなどのデバイスで利用されています。また、LoRaはスマート水道メーター、資産追跡、フィットネス・パフォーマンス・モニタリングにも効果的です。

産業や農業の環境では、LoRaは産業用IoT機器の追跡、動体検知、農業用センサー、物流・輸送管理で使用されています。さらに、LoRaは公共空間でも見られ、環境モニタリング、エネルギー管理、公共安全ソリューション、パーキングメーター、街灯などで機能しています。

LoRaWAN™の想定するアプリケーションは、センサーネットワーク、セキュリティシステム、スマートホーム、スマートメーター、産業制御、スマートシティなどです。サブGHz周波数のスペクトラム拡散と適応型データ・レート・スキームにより、通信距離とメッセージ時間をトレードオフすることで、都市環境では2～5km、郊外環境では15kmまでの通信が可能です。LoRaWAN™はスター型トポロジーで動作し、ゲートウェイはエンドポイントデバイスと中央ネットワークまたはクラウド間のメッセージ送受信のための透過的ブリッジを提供します。ゲートウェイは一般的に電源デバイスで、イーサネット、3G、Wi-Fiなどの従来のプロトコルを介してメッセージを中継する前に、LoRaWAN™プロトコルを介してエンドポイントと通信します。ほとんどのエンドポイント通信は双方向ですが、LoRaWAN™はノードのアップグレードや緊急メッセージの大量配信のためのマルチキャストブロードキャストをサポートしています。この機能は、例えば洪水の影響を受ける住民に早期警報システムを、洪水の影響を受けやすい地域に沿ったセンサーのネットワークとLoRaWAN™のネットワークの実装で構築することが可能です。

LoRaWAN™の実装では、重要な国家インフラや個人データを管理するために、複数層の暗号化が含まれています：

• 一意のネットワーク・キー（EUI64）
• 固有のアプリケーション・キー（EUI64）
• デバイス固有のキー（EUI128）

エンド・デバイスはアプリケーションに応じて異なる機能クラスを持つことができます：

• クラスA - 最も低出力のエンド・デバイス・クラスで、デバイスは好きなときに送信（アップリンク）できますが、受信（ダウンリンク）ウィンドウは送信後にのみ割り当てられます。
• クラスB - ネットワークがビーコン信号を提供し、デバイスはそれを使ってスケジュールされた時間に受信ウィンドウを開き、その間に送信できる。
• クラスC - 最も電力を消費する動作モードで、クラスCのデバイスは送信中でない限り継続的に受信できます。

LoRaの通信距離は大きな利点です。Wi-Fiが一般的でよく知られていますが、LoRaの通信距離が長いため、情報を送る距離が制限されず、特に長距離通信や追跡アプリケーションにおいて優れたソリューションとなります。Wi-Fiは高速で強力な信号が必要な場合に有利ですが、LoRaはその通信距離の利点から遠隔地での使用や広範なカバレッジが必要な場面で最適です。

さらに、LoRaは干渉がないため、データ転送の信頼性が極めて高いです。LoRaのアーキテクチャにより、データ転送時の干渉やエラーが少なく、データ転送の信頼性が非常に高いという特長があります。

LoRaゲートウェイは、通信を送受信するためにノードとスター・アーキテクチャを採用しています。この通信方式ではインフラが少なくて済むため、ゲートウェイ1台あたりにより多くのデバイスをサポートし、より多くのデータを転送する能力があります。各8チャンネルのゲートウェイあたり、数百、数千のメッセージを膨大な数のデバイス、正確には最大1万台のデバイスに送ることができます。さらに、ゲートウェイを増やせば増やすほど、より多くの情報を送信でき、より多くのデバイスをサポートできます。

LoRaプロトコルが要求するタスクに合わせて、多くの種類のモジュールがあります。最初に利用可能なモジュールはトランシーバー・モジュールで、低機能デバイス用に設計されています。2つ目は遠隔測定モジュールで、放射線データの転送に使用されます。最後の3番目のモジュールはモデム・モジュールで、これらはデータのエンコードと受信データのデコードを行うように設計されています。モジュールの種類に関係なく、それらはすべて、引き受ける必要があるタスクに応じて、さまざまなサイズと容量があります。LoRaモジュールの通信距離は20kmまで可能で、モジュールによっては137Mhzという低い周波数から1000Mhzという高い周波数まで動作する場合があります。

LoRaネットワークをセットアップするには、まずゲートウェイ製品を購入し、インストールする必要があります。これが完了したら、次はLoRaゲートウェイキットのメモリーカードを取り付けて、LoRaゲートウェイをセットアップします。次に、LoRaゲートウェイ製品に必要なアンテナを取り付け、パソコンからSDカードを取り出してLoRaゲートウェイにセットします。これが完了したら、電源を入れ、ゲートウェイ下部のライトがすべて点灯することを確認します。これで製品のインストールは完了です。あとは接続性をテストするだけです。テストパケットを送信し、受信したパケットのメタデータをチェックして、どのゲートウェイに接続しているかを確認します。