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IoT/WSN

LTEとは違う!NB-IoTの特徴

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LPWNの中でも特に注目されている規格の一つに、"NB-IoT"があります。NB-IoTは、2016年にセルラー通信の標準化団体3GPPによって規格化(Release13)されました。3GPPの仕様書には、NB-IoTという名ではなく、LTE Cat.NB1と表現されています。

 

2016年のRelease13では、NB-IoTの他に"LTE Cat.M1"(単にLTE-Mともいう)という規格も標準化されました。どちらもLTEを使ったIoT向けの通信なので、LTEをベースに動作します。またデバイスのコストを下げる(回路設計等の単純化)とともに、できるだけ省電力で動作できるように開発されました。

 

NB-IoT 帯域幅:200[kHz]・通信速度(UP):1[Mbps]、(DOWN):1[Mbps]

LTE-M 帯域幅:1.4[MHz]・通信速度(UP):62[kbps]、(DOWN):26[kbps]

となっています。

これだけ見るとLTE-Mに軍配が上がりそうですが、省電力面などの他の側面を考慮すると、そう簡単にはいきません。

NB-IoTの技術

NB-IoTの特徴として、LTE通信と異なる点が4つあります。

 

①省電力モード(PSM:Power Saving Modeモード)への遷移

待ち受け時間が一定時間すぎると、省電力モードに移行します。このときデバイスは、ネットワークへの接続を維持しつつも、電源OFFの状態に近い状態になります。

接続状態(CONNECTED)で、デバイスと基地局(eNodeB)との通信を行います。待受状態(IDLE)における通信のやり取りは、ページングと呼ばれるものです。ページングは、基地局(eNodeB)が待受状態のデバイスを呼び出す信号です。OSのページングの役割と同じものです。

待受状態から一定時間経過すると、省電力状態(PSM)に移ります。この状態になることで、デバイスの寿命を延ばすことが出来ます。この状態では、基本的に送受信を行いません。基地局からのページングも受信せず、消費電力を極力抑えているのです。一定時間経つと再度、接続状態に戻ります。NB-IoTはこれを繰り返します。

②複信方式は半二重通信

NB-IoTは、LTEと調和するように作られました。LTEの複信方式は、全二重通信を採用しています。使用するLTEのBandによって、FDD(Frequency Division Duplex)とTDD(Time Division Duplex)を使い分けています。ところがNB-IoTでは、回路設計の単純化に向けて、半二重通信を採用しています。

 

③ページング間隔の拡張

デバイスが待受状態(IDLE)のとき、一定間隔ごとに基地局(eNodeB)からの呼び出し(ページング)が行われます。以下の画像のように従来の方式では、頻繁にページングが行われていたものに対し、NB-IoTでは、ページングの間隔を広げています。間隔を広くできるのは、IoT通信では即応答が不必要だからです。従来の方式は、DRX(Discontinous Reception)と呼ばれてるのに対し、NB-IoTにおける方式は、eDRX(extended DRX)と呼ばれています。

IoTでは、基本的に即応性は求められることが少ないですが、もし即応性が求められている場合を考えてみます。ページング間隔が長いと、デバイスに反応を求めらたとき、基地局や他のデバイスを待たせてしまう可能性がある、というデメリットも考えられます。

 

④カバレッジ拡張(CE:Coverage Enhancement)

NB-IoTでは、ハンドオーバーが実装されていません。ウェアラブル端末の通信にNB-IoTを利用している場合、基地局の切り替わり付近になると、通信状況が悪化してしまいます。

そういった事態に対処するために、NB-IoTでは、同じ信号を繰り返し送信します。電波状況が悪い場所では、データが壊れて受信できません。そこで、データが壊れても、再送を繰り返すことで、少しずつ壊れた箇所を元データになるまで補完していきます。このように、通信品質を改善し、通信エリアを拡張させる技術です。

ここで、疑問に思ったヒトもいるのではないでしょうか?!

何度も送信を繰り返したら、余分に電力を消費してしまうのではないか・・・

確かにその通りですが、IoTデバイスは携帯電話などと比べて、通信する回数は圧倒的に少ないです。それよりも、通信エリアを伸ばせることのほうが有益だと考えたから、この技術が採用されているのだと思います。

 

 

以上がNB-IoTの特徴です。

以下は、実際にデバイスが省電力状態のときと、待受状態のときとで、どのくらい消費電力に差があるのか、調べてみました。

省電力状態:23[μA]

待受状態:0.9[mA]

のようになっておりました。これは、KDDIの通信モジュール(型番:KYW01)の数値です。

 

リンクを載せておきますので、良ければ見てみてください。

http://www.kddi.com/business/mobile/m2m-solution/iot-lpwa/product/

 

最後まで読んでいただきありがとうございました。

 

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