LoRaWAN

概要

LoRaWAN（Long Range Wide Area Network）は、LoRa変調方式を物理層として使用するMACプロトコル・ネットワークアーキテクチャの規格です。LoRa Allianceによって仕様が策定・管理されており、世界中でIoT向けLPWAネットワークとして広く採用されています。

LoRaWANは単なる通信規格にとどまらず、ネットワークサーバーの機能・セキュリティ（AES-128暗号化）・OTA（Over The Air）アクティベーション・アダプティブデータレートなど、IoTネットワーク運用に必要な機能を包括的に定義しています。スター型のネットワークトポロジーを採用し、デバイス→ゲートウェイ→ネットワークサーバー→アプリケーションサーバーという4層構造でデータを伝送します。

歴史・背景

2015年1月、Semtech・Actility・Cisco・IBM等を中心にLoRa Allianceが設立され、同年6月にLoRaWAN 1.0仕様が公開されました。当時のIoT向け無線規格は独自規格が乱立していたため、業界標準としてLoRaWANが急速に普及しました。

2017年にはLoRaWAN 1.1が公開され、ローミング機能・セキュリティ強化が加えられました。2020年にはLoRaWAN 1.0.4が、2022年にはLoRaWAN 1.0.4とLoRaWAN 1.1の機能を統合した形でのメンテナンスが続いています。

日本では2016年頃からLoRaWANの商用サービスが始まり、現在はソフトバンク（LPWA）・KDDI等が商用サービスを提供。プライベートLoRaWANネットワーク構築事例も急増しています。

技術仕様

ネットワークアーキテクチャ

LoRaWANはスター型トポロジーを採用します：

エンドデバイス群
   │  │  │  （LoRa無線）
   ▼  ▼  ▼
ゲートウェイ（複数配置）
        │  （IPネットワーク）
        ▼
ネットワークサーバー（NS）
        │
        ▼
アプリケーションサーバー（AS）

複数のゲートウェイが同一デバイスのパケットを受信し、ネットワークサーバーが重複排除・経路選択を行います（マクロダイバーシティ）。

デバイスクラス

LoRaWANエンドデバイスは3つのクラスに分類されます：

クラス	受信タイミング	下り遅延	消費電力	用途例
Class A	上り送信後のみ2回受信窓	遅い（次回送信まで待つ）	最低	センサー全般
Class B	定期スロット受信（ビーコン同期）	中程度	中	スマートメーター
Class C	常時受信（送信中以外）	最小	高	アクチュエーター・電源供給機器

Class Aが最もよく使われます。上りパケット送信後に1秒後（RX1）と2秒後（RX2）の2つの受信窓が開き、ネットワークサーバーはこのタイミングでのみ下りパケットを送れます。

セキュリティ

LoRaWANはAES-128ベースの二層暗号化を採用：

NwkSKey（ネットワークセッションキー）:
  → MACコマンドの暗号化
  → フレーム整合性確認（MIC: Message Integrity Code）

AppSKey（アプリケーションセッションキー）:
  → ペイロードデータの暗号化
  → エンドデバイス〜アプリサーバー間のE2E暗号化

これらのキーはデバイスのJOIN時に生成されます。

デバイスアクティベーション

2種類のアクティベーション方法：

OTAA（Over The Air Activation）（推奨）:

1. デバイスがJoin Request送信（DevEUI, JoinEUI, AppKey使用）
2. ネットワークサーバーがJoin Acceptを返信
3. セッションキー（NwkSKey, AppSKey）を動的生成
4. 通信開始

ABP（Activation By Personalization）:

DevAddr, NwkSKey, AppSKeyを事前に固定書き込み
→ JOIN手順なしで即座に通信開始可能
→ セキュリティ上の理由からOTAA推奨

周波数プラン（日本）

日本（AS923チャンネルプラン）の標準設定：

上り: 923.2MHz, 923.4MHz, 922.2MHz, 922.4MHz, 922.6MHz, 922.8MHz, 923.0MHz, 922.0MHz（8チャンネル）
下り（RX2）: 923.2MHz, SF10
SF: 7〜12（ADRで自動調整）

動作原理

パケット構造

LoRaWAN PHYPayload（物理フレーム）の構造：

┌──────────────────────────────────────┐
│ MHDR (1byte) │ MACPayload │ MIC (4bytes) │
└──────────────────────────────────────┘

MACPayload:
┌─────────────────────────────────┐
│ FHDR │ FPort (1byte) │ FRMPayload │
└─────────────────────────────────┘

FHDR:
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ DevAddr(4) │ FCtrl(1) │ FCnt(2) │ FOpts(0〜15) │
└──────────────────────────────────────────────────┘

ADR（Adaptive Data Rate）

ネットワークサーバーはデバイスの受信履歴（SNR）を分析し、最適なSFとTx出力を自動調整します：

SNRが高い（近距離・良好な電波環境）:
  → SFを下げる（SF12→SF7等）
  → Tx出力を下げる
  → 高速通信・チャンネル容量増大

SNRが低い（遠距離・障害物多い）:
  → SFを上げる（SF7→SF12等）
  → Tx出力を上げる
  → 到達性を優先

フレームカウンタ（FCnt）

リプレイ攻撃防止のため、送受信ともにフレームカウンタを管理します。カウンタが期待値より小さいパケットはネットワークサーバーが破棄します。

用途・ユースケース

公共サービス・インフラ

上下水道の遠隔検針・漏水検知
ガス・電力スマートメーター
路上の空き駐車スペース管理

スマートビルディング

ビル内の温湿度・CO2・照度管理
火災・煙感知センサーネットワーク
入退室・人流カウンティング

農業・環境

畑の土壌水分・気象データ収集
河川・ため池の水位監視
山林の温度・煙センサーによる火災早期検知

物流・資産管理

パレット・フォークリフトの位置追跡
冷凍コンテナの温度監視

実装・開発のポイント

LoRaWANモジュール選定

開発を容易にするATコマンド対応モジュールが多数あります：

モジュール	メーカー	備考
RN2903 / RN2483	Microchip	ATコマンド対応
CMWX1ZZABZ	Murata	STM32+SX1276統合
RAK3172	RAKwireless	SX1262ベース
E5シリーズ	SeeedStudio	Wio-E5, STM32WLベース

STM32WLを使ったLoRaWAN実装例

/* STM32Cube-WL + LoRaWAN MWによる基本実装 */
#include "sys_app.h"
#include "lora_app.h"
#include "stm32_seq.h"

/* アプリペイロード（センサーデータ）*/
static uint8_t AppDataBuffer[LORAWAN_APP_DATA_BUFFER_MAX_SIZE];

static void SendTxData(void) {
    LmHandlerAppData_t AppData = {
        .Buffer     = AppDataBuffer,
        .BufferSize = 0,
        .Port       = LORAWAN_USER_APP_PORT
    };

    // 温度・湿度をペイロードにパック（各16bit固定小数）
    int16_t temp = (int16_t)(get_temperature() * 100);
    uint16_t hum = (uint16_t)(get_humidity() * 10);

    AppDataBuffer[0] = (temp >> 8) & 0xFF;
    AppDataBuffer[1] = temp & 0xFF;
    AppDataBuffer[2] = (hum >> 8) & 0xFF;
    AppDataBuffer[3] = hum & 0xFF;
    AppData.BufferSize = 4;

    // LoRaWAN送信（確認応答なし: LORAMAC_HANDLER_UNCONFIRMED_MSG）
    LmHandlerSend(&AppData, LORAMAC_HANDLER_UNCONFIRMED_MSG, false);
}

ペイロード最適化

LoRaWANは帯域が非常に限られるため、ペイロードを最小化することが重要です：

悪い例（JSON送信）:
{"temp":25.3,"hum":60.5,"bat":3.7}
→ 34バイト

良い例（バイナリ符号化）:
temp: 2530 → 0x09E2 (2bytes, 100倍)
hum : 605  → 0x025D (2bytes, 10倍)
bat : 370  → 0x0172 (2bytes, 100倍)
→ 合計6バイト（約5.7倍圧縮）

The Things Network（TTN）を使った試作

オープンなLoRaWANコミュニティネットワーク「The Things Network」を使うと、無料でLoRaWAN環境を試すことができます：

TTNアカウント作成（https://www.thethingsnetwork.org/）
アプリケーション作成・デバイス登録（DevEUI, AppKey取得）
LoRaWANモジュールにDevEUI/AppKeyを書き込み
OTAA JOIN
TTNコンソールでデータ確認

他技術との比較

LoRaWANとセルラーIoT（LTE-M/NB-IoT）の比較

比較項目	LoRaWAN	LTE-M	NB-IoT
通信速度	〜50kbps	最大1Mbps	最大250kbps
月額費用	低（SIM不要）	中（SIM必要）	中（SIM必要）
プライベートNW	可	不可	不可
移動体対応	限定的	良好	不可
OTA更新	困難（低速）	容易	条件次第
カバレッジ	ゲートウェイ設置必要	既存インフラ活用	既存インフラ活用

LTE-Mは移動体対応・高速通信が必要な用途、NB-IoTは固定設置・超低消費電力用途、LoRaWANはコスト重視・プライベートネットワーク構築というすみ分けが一般的です。

ネットワークサーバーの選択肢

サーバー	種別	特徴
The Things Stack	OSS/クラウド	最も普及。無料プランあり
ChirpStack	OSS	オンプレ構築に最適
AWS IoT Core for LoRaWAN	クラウド	AWSエコシステムと統合
Azure IoT Hub（LoRaWAN）	クラウド	Azureエコシステムと統合

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