LoRaWANバックホールにおける脆弱なリンクの排除

LoRaWANゲートウェイにおけるセルラーバックホールへのマルチネットワークSIMの適用

ホワイトペーパー – エグゼクティブサマリー

ブリーフ

LoRaWANゲートウェイは、エッジデバイスからサーバーへのデータフローを維持するために信頼性の高いバックホールに依存しています。従来の単一ネットワークSIM、さらにはステアードローミングSIMでさえ、「優先」ネットワークが障害を起こした場合、導入環境をダウンタイムのリスクに晒すことが多々あります。

マルチネットワークSIMは複数の通信事業者へのアクセスを提供することで耐障害性を向上させるが、それでも利用可能なネットワークの中からランダムに選択する自動ネットワーク選択プロセスに依存しており、品質を保証するものではない。

ロバステル 、信号強度を超えた内蔵技術「SMART Roaming」でこの問題をロバステル 。この技術はLoRaWANゲートウェイに組み込まれており、ping時間を測定し、接続品質を評価し、最適なネットワークへ動的に切り替えることで、ほぼ100%の稼働率を実現します。これにより、コストのかかる現地訪問を削減し、LoRaWAN導入のビジネスケースを保護します。

学べる内容
  • シングルネットワークSIMの限界と、それが大規模展開で失敗する理由
  • ステアリング機能付きとステアリング機能なしのローミングSIMの違い、そして真の耐障害性を実現するのはステアリング機能なしのオプションのみである理由。
  • 自動ネットワーク選択の仕組み（3GPP 23.122）― そしてミッションクリティカルなIoTバックホールには不十分な理由
  • 「最強の信号」という神話がIoT導入を誤導する理由、そしてゲートウェイがネットワークを選択する際に実際に起きること
  • ロバステル ローミングが、ヘルスチェック、pingテスト、動的切り替えによりネットワーク選択を強化する方法。
  • 商業的考察：ローミングSIMが手頃な価格になった理由、そしてロバステル SIMプロバイダーとハードウェアの間のギャップをロバステル 方法

はじめに

本稿では、マルチネットワークSIMを活用することで、単一ネットワークSIMを使用する場合と比較して、セルラーベースの長距離通信（LoRa）ゲートウェイからのバックホールをいかに信頼性の高いものにするかについて、技術的および商業的な観点から考察する（図1）。

図1：ローミングSIMの利用により、インターネットへの多様な経路が提供され、ゲートウェイとサーバー間の通信成功率が高まる

SIMの種類

選択肢を完全に理解するために、まず長距離広域ネットワーク（LoRaWAN）ゲートウェイで使用可能な基本的なSIMタイプの概要から始めます。

単一ネットワーク

シングルネットワークSIMは単一のネットワーク（通常は単一の国）をカバーします。設置場所で特定のネットワークの通信エリア外の場合、特に建物内では通信が機能しません。また、多国籍での展開の場合、異なる地域ごとに多数の異なるSIM契約を維持する必要が生じ、これは物流的に困難であり、大規模な管理は事実上不可能です。

アグリゲーターであるKPN、Vodafone GDSP、Tele2、Telenorおよびそれらの付加価値再販パートナーが提供するローミングまたはマルチネットワークSIMは、前述の問題に対する従来の解決策として提案されてきた。しかし多くの人が気付いていないのは、すべてのローミングSIMカードが同等ではないという点である。

ステアードローミングSIM

このタイプのSIMは理論上、1カ国で複数のネットワークにアクセス可能ですが、実際には移動体通信事業者の商業的利益のために特定のネットワークまたはネットワークのサブセットを優先します。 通常、この誘導は通信の信頼性向上のためではなく、優先ネットワークのみを使用することでコスト削減を図る目的で実施される。しかし、この優先ネットワークの利用は、可能な限り100％に近いネットワーク稼働率を必要とするIoTサービス／システムプロバイダーが求めるものとは逆の結果をもたらす。なぜなら、優先ネットワークがサービスを提供できない状況でも、非優先ネットワークなら提供できる場合があるからだ！

ステアリング付きローミングはここで触れただけの複雑な主題であるが、一つの解決策は、アプリケーションからステアリングの不安定要素を除去するため、高品質なステアリングなしローミングSIMプロバイダーを選択することである。

非固定ローミングSIM

ステアードローミングの欠点が市場で顕在化するにつれ、一部のモバイルネットワーク事業者は非ステアードローミングSIMの提供と推進を開始した。これはSIMに優先ネットワークリストが搭載されておらず、ネットワークレベルでの事業者による誘導を受けないことを意味する。本質的に非ステアードローミングSIMは白紙の状態であり、必要に応じてネットワークへのアクセスを提供するだけで、「サイコロの操作」は一切行われない。

高品質な非制御ローミングSIMの供給源を確保した上で、LoRaゲートウェイがそのようなSIMにどのように反応するか、およびゲートウェイからサーバーへの通信信頼性を最適化するためのその他の対策を検討することができます。

ネットワーク選択プロセス

ローミングSIMに関する最も誤解されがちな概念の一つが、ネットワーク選択である。

多くの人が信じていることとは異なり、SIMカードはネットワーク選択において能動的な役割を果たしません（USIMツールキットアプリケーションを除く）。適切なネットワークの選択は、SIMカードではなくハードウェアの機能です。

LoRaゲートウェイは、Telit、Gemalto、Quectel、Huaweiなどの企業が製造する市販のセルラー（通常は4G/LTE）モジュールを使用して構築されます。

このモジュールは、RF層から上層までのモバイルネットワークとの全インタラクションを処理します。ほとんどのモジュールにはアプリケーション開発を簡素化するためのTCP/IPスタックが搭載されていますが、モデムモードとしても動作可能です。この場合、ホストシステム（LoRaゲートウェイでは通常Linux）内のTCP/IPスタックが、ゲートウェイ／サーバー通信のIPエンドポイントとして機能します。

ホストシステムは、GSM07.07およびGSM07.05で定義されている業界標準のATコマンドに加え、各種（モジュール）メーカー固有のATコマンドを使用して、セルラーモジュールと通信する。

これらのコマンドは、LoRaゲートウェイ内のモジュールがどのように動作すべきかを決定し、ATコマンドの一部はネットワーク選択プロセスに直接関連しています。

LoRaゲートウェイメーカーの大半は、モジュールに対して「AT+COPS=0」を発行することで自動ネットワーク選択を使用します。これは、以下に詳述するTS 3GPP 23.122の規定に従い、モジュールがネットワークへの登録を処理するよう指示するものです：

MS（セルラーデバイス、すなわちLoRaゲートウェイ）は、利用可能かつ許可されている場合、以下の順序で他のPLMN/アクセス技術組み合わせを選択し、登録を試みる：

  1. EHPLMNリストが存在しないか空の場合にはHPLMN、またはEHPLMNリストが存在する場合に利用可能な最上位優先度のEHPLMNのいずれか。
  2. SIM内の「ユーザー制御PLMNセレクタとアクセス技術」データファイル内の各PLMN/アクセス技術組み合わせ（優先順位順）；
  3. SIM内の「アクセス技術付き事業者制御PLMNセレクタ」データファイル内の各PLMN/アクセス技術組み合わせ（優先順位順）；
  4. 受信品質の高い信号がランダムな順序で受信された他のPLMN/アクセス技術組み合わせ；
  5. 信号品質の低い順に、その他のPLMN/アクセス技術の組み合わせ。

自動ネットワーク選択プロセスの理解を助けるため、表1の用語集を参照してください。

  • PLMN = 公衆陸上移動通信網 = 移動体通信網
  • HPLMN = ホーム公共土地移動体ネットワーク = ホームネットワーク
  • EHPLMN = 有効な 公共陸上移動体ネットワーク = ホームネットワークの有効ステータスを持つネットワーク
  • アクセス技術 =GPRS/UMTS/LTEなどの無線アクセス技術（2G/3G/4Gに相当）

自動ネットワーク選択プロセスでは、「最後に正常に接続されたネットワーク」という概念が考慮されない点に留意する必要がある。この概念では、過去にネットワークへの登録に成功した情報がSIMカードに保存される。この概念が優先され、基本的な条件が満たされている限り、位置やネットワーク状態の変化にかかわらず、SIMカードは前回のネットワークに接続し続けることを意味する。

未登録のSIMを使用し、かつ事前に登録されたネットワークの通知がない場合、上記の条件iからiiiのいずれにも該当しないため、モジュールは自動ネットワーク選択の最初のステップとしてivの処理を実行する。

アクション5では、モジュールがネットワークスキャンを実行し、ローカルネットワークおよび関連技術（GPRS/UMTSなど）を特定します。

モジュールは完了後、良好な品質の信号を持つネットワークを特定し、登録を試みる最初のネットワークを、全ての良好な品質のネットワークの中から無作為に選択する。

ここでの重要な用語は「ランダムに」である。

多くの人々が「最強信号」という神話を広めており、ローミングSIMは常に「最強信号」を優先すると示唆している。先に論じたTS 3GPP 23.122仕様書からも明らかなように、最強信号への登録は、ステップ4で説明された手法を用いたネットワークへの登録が不可能な場合にのみ、ステップ5で試行される。

200人の乗客が休暇先で飛行機から降り、ほぼ同時に携帯電話の電源を入れたと想像すれば、ローミングトラフィックをランダムかつ分散的に共有することが望ましい理由が明らかになる。これが自動ネットワーク選択プロセスの基本設計である。（ローミング処理は元々消費者向け携帯電話向けに考案されたもので、LoRaゲートウェイ向けではない！）

自動ネットワーク選択の問題点

自動ネットワーク選択のプロセスが理解できたところで、その限界が明らかになります。自動選択は利用可能なネットワークを判断するために信号強度のみを使用しますが、低レベルの受信信号強度指標（RSSI）測定値は、選択されたネットワークがエンドツーエンドのIPベース通信をサポートできるという決定的な証拠には決してなりません。したがって、利用可能な最良のサービスを得られるようにするためには、自動ネットワーク選択を補完する何か別のものが必要です。

ローミング／マルチネットワークSIMに関する商業的考慮事項

ローミングSIMがLoRaWANゲートウェイ群にとってより優れた稼働率をもたらす可能性が高いことを確認した上で、単一ネットワークからローミングSIMへの移行に伴う財務的影響を検討することが不可欠である。

これまで、ローミングSIMは、車両追跡やスマートメーターなど、データ使用量が非常に少ない用途でのみ商業的に成立してきた。特に、制限なく自由にどのネットワークにも接続できる非制御型ローミングSIMを考慮すると、その傾向は顕著である。

しかし、市場の変化により、一部の大陸ではローミングが非常に手頃な価格となりつつあり、EUはこの分野で確かに主導的な役割を果たしている。

EUでは現在、高品質な非制御ローミングサービスが1GBあたり月額10～20ドルで利用可能です。LoRaゲートウェイ群全体で稼働率100%に近づけるために追加費用を支払う価値はあるでしょうか？その答えは用途によって異なりますが、バックホール通信を完全にセルラー通信に依存している場合、より優れたサービスを選択する選択肢があり、その選択肢を活用するために必要な措置を理解することが重要です。

ロバステル、この根本的な課題を解決することを目的としています。自動ネットワーク選択の簡便性を活用しつつ、ヘルスチェックと手動ネットワーク選択を補完的に用いることで、信頼性を可能な限り高めることを実現します。

SMARTローミング – 根深い問題への解決策

ロバステルをサポートしており、現在のネットワークにおけるモバイルデータ通信の喪失を検知し、短時間で代替ネットワークへの強制切替を行うよう設定可能です。これにより現地訪問コストを削減できるほか、最高レベルの信頼性を誇るセルラー方式により、ゲートウェイのパケットフォワーダーが常にLoRaWANネットワークサーバーとの通信を維持しているという安心感を提供します。

SMARTローミングは、信号強度だけでなく、ping時間とping完了率もチェックし、現在の接続状態をより包括的に把握します。ヘルスチェックに失敗した場合、ルーターは代替ネットワークの品質を動的に評価し、通信が途絶えた場合や「低品質」と判断された場合に、次に最適なネットワークへ自動的に切り替えます。

この基本概念は、数百万台のデバイスが導入される計測市場で非常に効果的に活用されており、その結果としてほぼ100%に迫るシステム全体の稼働率が達成されています。この技術は通常、特定のセルラー（2G/3G/4G）モジュールとローミングSIMの組み合わせ向けに開発・調整されます。 多数のネットワークに対応するソリューションの汎用化は容易ではありませんが、ロバステルではロバステルアプリケーションにより、この課題が解決されています。

信頼性向上の手段として、単一の無線ネットワークに依存するのではなく複数のネットワークでデータを送信できるという考え方は、以前から認識されてきました。しかしこれは、SIMプロバイダーとハードウェアプロバイダーの領域の間に位置する複雑な課題です。 こうした知識の障壁を打破し、既製のスマートローミングソリューションを提供することが、ロバステル標準ベースで高い柔軟性を備えたLPWANソリューションとしてLoRaWANの普及に貢献する取り組みである。

ロバステルとの提携：堅牢なLoRaWAN導入


信頼性の低いバックホールはLoRaWAN導入における最大のリスクの一つです——しかし、そうである必要はありません。ロバステル キャリアグレードのルーター、非制御ローミングSIMの専門技術、SMARTローミング技術を ロバステル 、世界中のゲートウェイに常時接続性を提供します。ダウンタイムの解消、コスト削減、そしてLoRaWANネットワークの真の可能性を解き放つために、ロバステル パートナーシップを結びましょう。