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技術解説
IoT や LPWA ネットワークに特化した低消費電力でグローバルな無線システム

Sigfox の無線技術とSigfox ネットワークが目指すもの
日比学

Gaku Hibi

Sigfox ネットワークの概要■ 1.1 商用電源が確保できない場所で，長時間使用可能な IoT 向け無線通信規格“Sigfox” という無線サービスを耳にされたことはあるでしょうか？
Sigfox は IoT に特化した無線通信サービスであり，今後，2020 年には 300 億を越える IoT デバイスが普及すると予測される中，昨今注目を浴びている LPWAネットワーク技術の一つです．
LPWAネットワークとはLow Power Wide Area（低消費電力広域ネットワーク）のことで，少ない消費電力で長距離の電波伝搬が可能なネットワークを指しまNarrow Band
す．Sigfox のほかにも LoRaWAN や NB−IoT などがあげられます．
IoT 用途で使われている無線通信規格は，今までにも 3G や LTE，Wi−Fi，Bluetooth など多岐にわたるものがありました．しかし，コストや消費電力の課題があり，とくに商用電源が確保できないような場所で，長時間使用するというニーズに応えられる無線通信規格は，存在しませんでした．
そのような中，Sigfox はフランスで始まり，欧州を中心に 36 か国（2017 年 12 月現在）に展開されているグ
ローバル統一のネットワーク・サービスです．

IoTデバイス■ 1.2 Sigfox 社が取り決めた通信を使い，基地局を Sigfox 社が提供
図 1 は Sigfox ネットワークの構成です．
Sigfox がほかの無線通信技術と異なるところがあります．LoRaWAN や NB−IoT などは，LoRaアライアン
スや 3GPP で規格化される通信方式であり，その規格にあわせて基地局（ゲートウェイ）や端末を各社が開発します．一方，Sigfox はアライアンスなどではなく，Sigfox 社が取り決めた通信方式であり，基地局は世界的にも Sigfox 社が唯一の提供企業です．
また，Sigfox は無線ネットワークの提供に限らず，IoT デバイスからのデータを蓄積するクラウド・サービスから，全世界共通の課金モデルをトータルで提供しています．これにより，IoT ソリューションを展開しようとする企業は，グローバルに展開可能なシステムを安価に構築することが可能になります．

Sigfox の無線技術■ 2.1 Sigfox 無線方式
表 1 は Sigfox の無線仕様です．日本国内では，920
MHz 帯で運用しており，上りは 923.2 MHz（チャネル37），下りは 922.2 MHz（ チャネル 32）を使用します．
変調方式は，上りが SSB−SC＋D−BPSK，下りが ISB＋

Sigfoxネットワークの提供範囲

お客様環境

920MHz
集計，可視化水道などの自動検針分析，活用
農業用ハウスなどのモニタリング
基地局〈 図 1 〉Sigfox ネットワー
クの構成

112

クラウド設備の状態モニタリング

No.41

GFSK，データ・レートは上り 100 bps，下り 600 bps

クトラムです．上側は，920 MHz 帯の単位チャネル内となっています．のスペクトラムであり，下側は周波数軸上に信号強度

なお，日本の 920 MHz 帯は，916.0 MHz をチャネルを時系列表示したスペクトログラムです．この図から

1 と し，928.0 MHz ま で 200 Hz 刻 み で 61 チ ャ ネ ル，も，超狭帯域（100 Hz 幅）の信号が，一定期間をもって928.15 MHz（ チャネル 62）から 929.65 MHz（ チャネル周波数ホッピングしながら信号伝送していることが見77）まで 16 チャネルの合計 77 チャネルが割り当てられています．
上り通信の送信系は図 2 に示すようにソフトウェア無線部と無線ハードウェアによって構成されています．ただし，これは等価的なブロック図であり，実際には無線チップ・セット・メーカによって異なっています．
送信データは D−BPSK で変調した後，ソフトウェアて取れます．
● 複数回フレーム伝送と周波数ダイバーシチ
図 5 を見てください．Sigfox デバイスは，1 回最大12 バイトのデータ（メッセージと呼ぶ）を送信する際に，200 kHz 幅内において PN 符号によりランダム生成された周波数を使って信号を送信します．このとき周波数を変えながら 3 回繰り返します．
つまり，Sigfox の上り通信はチャネル 37（中心周波数 923.2 MHz）を使用し，例えば 1 回目は 923.25 MHz（＋50 kHz オフセット），2 回目は923.27 MHz（＋70 kHzオフセット），3 回目は 923.115 MHz（ −85 kHz オフセット）といったように周波数をホッピングしつつ，同じデータを 3 回送信します．
● スペース・ダイバーシチ
図 6 を見てください．Sigfox デバイスから送信されたメッセージは，1 基地局とだけ通信するのではなく，受信可能な基地局すべてで受信し，一つのデータとして Sigfox クラウド上で管理されます．例えば，あるデバイスから送信された三つのフレームを 3 か所の基地局で受信した場合，合計九つのフレームが受信され，Sigfox クラウド上で一つのメッセージとして管理されます．

で SSB−SC（帯抑圧搬送波 単側波帯）変調をかけ，ハードウェアの LO で 920 MHz 帯にアップ・コンバートします．BPSK はノイズ耐性を持っており，また既存のサブ GHz 無線チップ・セットですでに実装されている変調方式でもあり，無線チップ・セットの開発コストを抑えることができます．

■ 2.2 上り通信のしくみ
図 3 は上り通信が多重アクセスするイメージです．
Sigfox 無線方式は，1 キャリアあたり 100 Hz 幅と極めて狭帯域であり，各 IoT デバイスは 920 MHz 帯の 1チャネル幅（200 kHz）を周波数分割多重して利用します．
図 4 は Sigfox 基地局側でモニタした上り通信のスペ中心周波数〈 表 1 〉Sigfox の無線仕様
＃2
項目

上り＃1

＃4

＃3

シングル・キャリア マルチ・キャリア
ISB＋GFSKSSB−SC＋D−BPSK

データ・レート

100 bps

600 bps

ペイロード長12 バイト

8 バイト

キャリア周波数帯幅100 Hz800 Hz

国内利用周波数923.2 MHz

922.2 MHz

送信電力

20 mW 以下

250 mW 以下

注▶ SSB−SC：Single Side Band −Single Carrier，D −BPSK：
Differencial Bi −Phase Shift Keying，ISB：Independent Side
Band＋Gaussian filtered Frequency Shift Keying

100Hz200kHz（a）周波数軸上の配置
時間変調方式

＃2

＃4

＃3
複素
ベース・バンド（±100kHz）
データ

＃5

下り変調
差動BPSK

＃5

＃2
＃4

DAC

ソフトウェア無線（SDR）

LO
無線ハードウェア〈 図 2 〉上りリンク送信系の等価的なブロック図

No.41

＃3
＃1

＃52s

オフセット
LO

＃1

＃2

＃4

＃3

＃1

＃5

200kHz（b）周波数-時間軸上の配置

周波数〈 図 3 〉上り通信と多重化イメージ

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