単三2本で約10年稼働の省電力規格、“NB-IoT”こと「LTE Cat.NB1」

LTEの周波数帯を利用、より廉価なソリューション「LTE Cat.NB1」

「3GPP Release 13」

　前回紹介した「LTE Cat.M1」とあわせて、「3GPP Release 13」で追加されたのが「LTE Cat.NB1」だ。こちらは、仕様としても“LPWA”と呼ぶにふさわしいスペックになっている。

　もともとの議論は、3GPP Release 13でLTE Cat.0に代わるスペックとしてLTE Cat.M1を策定する際に、「より廉価なソリューション」として同時に検討が始まったことに起因する。

　当初はLTEの周波数帯は利用せず、既存のGSMの周波数帯を使うことを検討していたようだが、最終的にはLTEの周波数帯を利用するかたちで仕様がまとまった。ちなみに、仕様策定中はこのCat.NB1が「NB-IoT」というカテゴリー名で呼ばれていたため、NB-IoTとして呼ばれることも多い。

1PRBのバンド幅だけで通信が可能

　さて、そのNB-IoTの仕様は、以下のようになっている。

　面白いのは、LTEと同じ周波数帯を利用することも可能なものの、以下のいずれかを選択してもいい点だ。

• LTEの送受信周波数帯の一部を利用
• LTEのガードバンド（LTEの周波数帯同士の干渉を防ぐために設けられた狭間の周波数帯）を利用
• NB-IoT向けの専用周波数を利用

　もともとLTEの周波数帯は、180KHzごとの「PRB（Physical Resource Block）」で区切られており、前回紹介したCat.M1なら6PRB（=1.08MHz）を利用するのだが、LTE Cat.NB1では1PRBだけで通信ができる。このため、従来ではガードバンドのために空けてあるPRBを利用しての通信が可能だ。

　LTEではバンド幅にいくつかオプションがあるが、例えば10MHzの帯域を確保する場合は、そのうち両端の500KHzずつをガードバンドとして空けると、残りの9MHzを50のPRBに分けて運用するかたちになる。そこで、この両端の500KHzのガードバンドの中央あたりで180KHz分を占有しても、実際にはLTEの通信を阻害しないわけだ。

「NB-IoTの基礎」（株式会社A2A研究所） (c) A2A Research Inc., 2017

　もちろん、これだけでは帯域として十分ではないので、LTEの通信に使われるPRBを（時間で区切って）共用することも可能だし、キャリアによっては、ある程度の周波数をまとめ、LTE Cat.NB1用に割り当てることも許可されている。

1PRBで受信できる制御情報や同期用チャネルの信号を新たに追加

　ただ、バンド幅を180KHzに絞ってしまったことで、「SIB（System Infromation Block）」や「PDCCH（Physical Downlink Control Channel）」といった制御情報や、さらに「PSS/SSS（Primay Synchronization Signal/Secondary Synchronization Signal）」、「PBCH（Physical Broadcast Channel）」などといった同期用チャネルの信号が受信できなくなるという問題が発生した。

　もともとSIBやPDCCHは、LTE Cat.M1のときにも問題になっており、そのためLTE Cat.M1用に6PRBで受信できるSIBやPDCCHが新たに追加されていた。しかし、LTE Cat.NB1は1PRBなのでこれらの利用もできない。結局、1PRBで受信できるものが、LTE Cat.NB1用として新たに追加されている。

周波数帯サブキャリアを15KHzに分割、低出力で短くなる到達距離をカバー、3.75KHzもサポート

　ちなみに、送信出力は20dBmと23dBmの2種類が用意される。もちろん後者の方が到達距離は長いが、その分消費電力も大きくなるので、特に省電力性が重要視される場合は20dBmでの運用が推奨される。ただし、到達距離は当然短くなる。これを補うためにLTE Cat.NB1では、送信方式に手が入れられた。

　上の表にある通信速度（上り）では、Single-toneで20kbps、Multi-toneで250kbpsという数字を示しているが、このMulti-toneでは、180KHzの周波数帯を15KHzのサブキャリアという細かい12の周波数帯に分割し、これで一斉に通信を行う方式だ。この場合、速度は最大250kbpsまで高速化される代わりに、到達距離は短くなる。

　これに対してSingle-toneは、この12のサブキャリアのうちの1つだけを使って送信を行う方式だ。このため、通信速度は20kbpsと大幅に落ちるが、送信電力を1つのサブキャリアに集中できるので、受信信号対干渉および雑音信号比を表す「SINR（Signal-to-Intaface+Noise power Ratio）」をより大きく取れるようになり、結果として通常のLTE比で最大4倍の到達距離が実現できる、というものだ。

　ちなみに仕様上は、15KHzのサブキャリアをさらに4分割した3.75KHzのサブキャリアもサポートしている。Single-toneでこれを利用すれば、到達距離はさらに伸びるだろうが、おそらく通信速度は5kbpsを切る程度にまで落ちるだろう。

1日1KB未満の伝送なら単3電池2本で約10年稼働、変調方式「QPSK」の採用や「eDRX」「PSM」による省電力化で

　なお、到達距離にはあまり関係ないが、省電力の工夫として、送信時の電力変動をなるべく平滑化するために、変調方式として「QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）」に加えて、位相回転を加えた「π/4 QPSK」や「π/2 BPSK（Binary Phase Shift Keying）」も追加されている。

　QPSKの場合、変調後の波長の振幅に変動があるため、送信時の消費電力が大きく変動しやすい。こうした場合、特にバッテリーで駆動されるタイプの型のエッジデバイスで、バッテリーへの負荷が掛かりやすい（一時的に大電流が流れる）という問題がある。このため、変調後の振幅変動が少ない変調方式を使い、消費電力の変動を極力抑えようというものだ。

　省電力に関して言えば、LTE Cat.M1同様に「eDRX（extended DRX）」がサポートされていて、待機時間は、LTE Cat.M1の最大43.96分に対し、LTE Cat.NB1では最大2.91時間までに拡張されている。また、LTE Cat.M1同様に「PSM（Power Save Mode）」もサポートされている。こうした工夫により、通信量にも左右されるが、1日あたり1KB未満の伝送であれば、単三電池2本でおおむね10年程度の電池寿命（トランシーバー部のみ）が実現できるとされている。

LTE Cat.M1と比べ安価ながら、移動中の通信には未対応、利用周波数帯は要免許

　もう1つの重要な点である価格については、LTE Cat.4向けとの比較で15％程度に収まるというのが当初の目論見だ。大量生産に入れば、トランシーバーは数百円程度に収まるとしている。全体で言えば15％までにはならないが、LTE Cat.M1の半分程度には下がるとみられている。

　ただ、ここまでさまざまな機能を削ってしまうと、当然LTE Cat.M1には及ばない部分もある。まず、移動中のハンドオーバーは完全に切り捨てられた（待ち受け時には可能）。移動中の通信は不可能ではないが、ハンドオーバーには未対応なため、現実問題としては徒歩が現実的な上限で、おそらく自転車でも既に怪しいので、移動中の通信は事実上未対応としていいだろう。

　また、提供されるのがMAC層までとなる点は、LoRaに似ている。このため、上位層に関してはアプリケーション開発者の責任となる。原理的にはIPプロトコルを載せることは可能だが、通信量の増加などを考えると、それが賢明かどうかはちょっと微妙なところである。

　基地局に関しては、上で説明したように、LTE Cat.NB1向けの拡張がいくつか施された関係で、既存の基地局をそのまま使うというわけにはいかず、若干の手直しが必要になる。とはいえ、大改修というほど大きな変更にはならない見込みだ。

　また、デバイス側のトランシーバーに関しては、免許が必要な周波数帯を利用する関係で、型式認定（日本なら技適）の取得と、キャリアによる認定が当然必要になる。ただし、コストとしては後者の方が高いため、技適の取得そのものは、それほど大きなコスト増の要因とはならないのではないだろうか。

ソフトバンクとNTTドコモの通信キャリアが国内でサービス展開

　ということで、こちらもLTE Cat.M1と同時期に、各キャリアが一斉にサービスを開始しつつある。国内で最初にサービスを開始したのはソフトバンクで、2018年4月にLTE Cat.M1とLTE Cat.NB1の両方のサービスをスタートしている。

ソフトバンクが提供するIoTプラットフォームにおけるNB-IoT（Cat.NB1）とCat.M1の位置づけ

　NTTドコモは、少なくとも2016年ごろには実証実験を行っていたが、サービスとしては、とりあえずLTE Cat.M1のみで開始され、LTE Cat.NB1については今のところアナウンスがない。これはKDDIも同じで、少し寂しいところだ。

NTTドコモが2016年に行った実証実験のイメージ図

　海外に目を向けると、例えばドイツテレコムは2017年にLTE Cat.NB1をベースにした商用サービスを開始しており、アメリカでもT-Mobileが2018年7月からサービスを開始している。国によってまちまちだが、このあたりは各キャリアの考え方次第で、例えばT-Mobileでは、競合のVerizonが提供しているLTE Cat.M1ベースのサービスに対して「NB-IoTの価格は10分の1」としているなど、戦略によるところが大きい。

　個人的に言えば、NB-IoTは特にLoRaと被る部分が大きいので、既にLoRaが普及し始めている日本では、あえてLoRaとぶつけるよりもLTE Cat.M1で戦った方がいいという判断だった。あるいは実証実験の結果、やはりLTE Cat.NB1では機能面での不足が多いと判断されたのかもしれない。