IoTをつなぐ:Wi-Fi HaLowとLoRaWANを比較

モノのインターネット(IoT:Internet of Things)を構成するスマートデバイスやコネクテッドデバイスは増え続けている。2030年には全世界のIoTデバイスの数が290億台以上に達するという試算もあれば、1290億台に近づくという予測もあります。いずれにせよ、IoTが急速に発展していることは間違いありません。そして、この成長とともに、IoTネットワークへの期待も高まっています。

LoRaWANとは？

2015年にリリースされたLoRaWANは、LoRa Allianceによって「地域、国家、グローバルネットワークにおいて、バッテリーで動作する『モノ』をインターネットにワイヤレス接続するために設計されたLow Power、Wide Area(LPWA) networking protocol」……と説明されています。LoRa Allianceは、LoRaWANの普及を目的としたオープンな非営利団体です。

LPWAネットワーク(LPWAN)は、通常、開放的な農村環境で最大10kmの距離で0.3Kbpsから50Kbpsのデータレートを提供し、通常はサービスプロバイダーによって管理されています。LoRaWANは、他のLPWANと同様に、バッテリー駆動のセンサーデバイスに低帯域幅の接続を提供します。一般に、少量のセンサーデータの通信には十分な帯域幅がありますが、例えば、ソフトウェアの無線更新を行うには十分ではありません。また、IoTのセキュリティは世界各国の政府にとって重要な課題ですが、データレートが低いため、LPWANが提供するセキュリティも大きく制約されます。

新たな仲間

Wi-Fi HaLowは、IoTの急増に直接対応するために1から設計されました。Wi-Fi Allianceが発表した最新のMAC/PHY(媒体アクセス制御/物理層)認証であるWi-Fi HaLowは、IEEE 802.11ahを取り入れ、安全で長距離、電力に敏感なIoTアプリケーション向けに現在利用できる最も包括的で機能豊富なプロトコルを提供しています。Wi-Fi Allianceによれば、「通信距離、スループット、密度、低消費電力動作、導入コストの最高の組み合わせを提供するIoT無線規格」である可能性があります。

一目でわかる:Wi-Fi HaLowとLoRaWANの比較

Wi-Fi HaLowとLoRaWANと比較してみましょう。

卓越したスケーラビリティ

1台のWi-Fi HaLowアクセスポイント(AP)で数千台の機器を扱うことができるため、業務の自動化、コミュニケーションの促進、設備の維持のために大量の接続機器を導入する企業にとって、優れたスケーラビリティを実現します。

一方、ランカスター大学の最近の研究によると、1台のLoRaWANゲートウェイで120台のエンドデバイスをサポートできます(各エンドデバイスが16.7分ごとに20バイトを送信すると仮定した場合)。

IoT環境の安全性を保つ

IEEE 802.11 Wi-FiプロトコルであるWi-Fi HaLowは、接続されたデバイスの安全な認証と通信のための世界的に認められた標準を遵守しています。認証(WPA3)および無線通信(OTA)のAES暗号化に関する最新のWi-Fi要件をサポートし、安全なOTAファームウェアのアップグレードを可能にするデータレートを備えています。

さらに、Wi-Fi HaLowは、将来のIoTセキュリティ要件や変更に容易に対応することができます。ベストプラクティスと考えられているため、Wi-Fi Allianceは、Easy Connectなどのセキュリティ関連プロトコルを開発する際に、正式な外部セキュリティレビューを採用しています。

しかし、LoRaWANは同等のセキュリティ保証を提供しておらず、セキュリティ専門家による正式な外部レビューを受けていないようです。LoRaアライアンスは、「LoRaWANは設計上非常に安全であり、認証と暗号化は実際、必須である」と主張していますが、「セキュリティキーが安全に保管されず、デバイス間でランダム化されず、一度使用した暗号番号(nonces)が再使用される場合、ネットワークやデバイスが危険にさらされることがある」と認めています。

これらの危険性は、多くのセキュリティ研究者によって指摘されており、例えば、「Internet of Things」誌に掲載された論文では、“[LoRaWAN] suffers from several security and privacy vulnerabilities that could compromise availability, authentication, and privacy”と述べられています。また、AES暗号を利用しているものの、LoRaWANによるカウンターモードの使用には重大な欠陥があることにも注意が必要です。さらに、LoRaWANはパケットサイズが小さいため、現在のセキュリティ問題を修正したり、将来のIoTセキュリティ要件に適応したりすることが困難です。

優れた到達距離

Wi-Fi HaLowを使用する機器は、サブ1GHz帯を使用して1キロメートル以上の距離で他の機器と通信することができ、比較的高いスループット率で通信することができます。また、サブ1GHz帯の信号は、壁やその他の障害物を透過するのに非常に有効です。

一方、同じ帯域を使用するLoRaWANは、農村部で最大10kmの範囲をカバーしますが、データレートは低く、障害物が少ない場所に限られます。そのため、大規模な農場など、数十キロメートルにわたって数個のセンサーを接続するような人里離れた田舎での導入に適しています。しかし、都市部では、LoRaWANのアップリンクが非効率なスロットなしAloha MACプロトコルを使用しているため、高密度なシナリオではLoRaWANのカバー率が低下し、接続が失われる可能性があります。

エネルギー効率

Wi-Fi HaLowは、他のバージョンのWi-Fiと比較して数分の1の電力しか必要としません。これに対してLoRaWANは、デバイスを3つのクラス(A、B、C)に分け、クラスAのデバイスは主に電力効率を重視して設計された低電力プロトコルです。IoTネットワークを拡張し、数バイト以上のセンサーデータを送信しようとする企業にとって、LoRaWANはWi-Fi HaLowネットワークのエネルギー効率(1単位の情報の送信に必要なエネルギー)には敵いません。

ライセンス不要で相互運用可能

Wi-Fi HaLowとLoRaWANは、いずれも850MHzから950MHzのサブ1GHz帯の非免許および区分免許帯を使用します。Wi-Fiアライアンスの認証プログラムは、すべてのWi-Fi CERTIFIED HaLowTM ブランド製品が相互運用できることを消費者に保証します。LoRa Allianceは、LoRaWAN製品に対して、相互運用性テストではなく、LoRaWAN仕様に対する認証を提供しています。

データレート

Wi-Fi HaLowは、IoT機器に最適な幅広いデータレートを提供します。1MHzの狭い帯域幅で単一の空間ストリームを使用すると、BPSK変調のMCS 10を使用した150Kbpsから、MCS 9を使用した4.4Mbpsの最高速度までのデータレートを実現します。8MHzの動作チャンネルでは、シングルストリームのWi-Fi HaLow APは、1MHzのパケットを150Kbpsで送信する超低消費電力センサーから、8MHzのパケットを43Mbpsで送信するカメラまで、さまざまなIoTデバイスをサポートすることができます。このスループットは、LoRaWANのデータ転送速度(0.3Kbps～50Kbps)を大きく上回ります。LoRaWANの低いデータレートは、非常に小さなデータパケット以上のものを送信するIoTネットワークには不十分です。

今度の展望

LoRaWANは、長距離・低電力ネットワークのための汎用プロトコルとしてしばしば宣伝されますが、その現実はIoT開発者の期待に応えられないことが多々あります。現実のIoTアプリケーションの多くは、LoRaWANが現在提供している、あるいは将来提供できるようになるよりも高いネットワーク容量、高速データレート、より強固なセキュリティを必要としています。このような現実的な要件から、より優れた無線ソリューションとして、IoTのニーズに最適化された初のWi-Fi規格であるWi-Fi HaLowが注目されています。