LoRaWAN標準実装の時刻同期コマンド(DeviceTimeReq)について

先にざっくりまとめ

• LoRaWAN 1.0.3から標準定義された DeviceTimeReq と DeviceTimeAns を使うことによって、端末側の時刻同期が簡単に可能
• NTPのように往復時間（RTT）を都度計測するような複雑な仕組みではないが、プロトコルの仕組み上、Downlinkの通信遅延（レイテンシ）の影響を受けずに正確な時刻同期が可能
  • 実装がNTPに比べて非常に楽
  • 我々の用途としては十分過ぎる精度が出る
• ただし GPS準拠の時間 であるため、以下の考慮が必要
  • うるう秒（Leap Seconds） の減算補正が必要（UTCが欲しい場合）
  • msレベルで合わせるには、1/256秒単位の補数計算が必要

DeviceTimeReq / DeviceTimeAns とは？

LoRaWAN デバイスがネットワークサーバ（NS）に対して 現在時刻を問い合わせるための、LoRaWAN 1.0.3から標準定義されたMAC コマンド。

• ノード →（DeviceTimeReq）→ NS (Uplink)
• NS →（DeviceTimeAns）→ ノード (Downlink)

返される時刻は GPS時間（GPS Epoch 時刻）と、秒以下の補正値（Fractional Second） になる。
仕様上は±1秒以内の精度とされているが、実装を工夫すればさらに高精度にできる。

コマンド仕様

Uplink/Downlink 共に、Command ID (CID) は 0x0D を使用する。

■ DeviceTimeReq (CID: 0x0D)

• コマンド自体に payload はない
• 1 byte の MAC コマンド ID をただ投げるだけ
  • これが標準で定義された予約コマンドになっているので、サポートされたLoRa Network Server（LNS）は DeviceTimeAns を自動的に返してくれる

0x0D

• ペイロードが空で非常に軽いので通信が通りやすく、相対的にバッテリーにも優しい

---

■ DeviceTimeAns (CID: 0x0D)

• ネットワークサーバから返るデータは CID(1byte) + ペイロード(5byte)

Byte	内容	説明
0-3	Time (GPS Epoch)	4-byte UInt32 (Little Endianに注意)
4	Fractional Second	1-byte（1/256 秒単位）

⚠️ 注意点

💡 GPS Epoch = 1980/01/06 00:00:00

1. うるう秒 (Leap Seconds) の考慮

DeviceTimeAns で返ってくる GPS 時刻は以下の仕様になっている。

• うるう秒を含まない
• 2025年現在、UTC とは 18 秒差
  • ※この差分は将来的に増減する可能性があるため、厳密な運用の場合は設定値として外から持たせる設計が望ましい

そのため、ノード側で UTC（協定世界時）扱いたい場合は、以下のように補正を掛ける必要がある。

UTC = GPS - 18秒（現在のうるう秒）

2. 時刻のアンカーポイント

DeviceTimeAns で返ってくる時刻は一般的イメージと違って 「サーバが応答パケットを作った時刻」ではない。
「DeviceTimeReq を含んだ Uplink の送信が完了した瞬間」 の時刻が格納されている。

そのため、Downlinkが届くまでに数秒のラグがあっても、端末側では「送信完了割り込み」のタイミングさえ覚えておけば、計算によって遅延をキャンセルして正確に同期できる。

実装イメージ

返ってくる値はあくまで秒単位のものであるため、最大 0.999…秒ズレうる。
そこで Fractional Second (Byte 4) を使うことで、約4ms単位（1/256秒）までズレを修正することができる。

以下は実装のロジック例。

// 1. アップリンク送信完了割り込み(TxDone)で、その瞬間のローカル時刻を抑えておく
t_local_tx_done = get_current_local_time_ms();

～ 数秒後、Downlinkで DeviceTimeAns を受信 ～

// 2. DeviceTimeAnsのパース
// GPS時間は 1980/1/6 起点。Fractional Secondは 1/256秒単位。
double t_net_gps_sec = device_time_ans.Seconds + (device_time_ans.Frac / 256.0);

// 3. UTCへの変換（うるう秒補正：2025年時点は -18秒）
double t_net_utc_sec = t_net_gps_sec - 18.0;

// 4. オフセットの計算
// 「サーバーが計測した送信完了時刻」と「端末が記録した送信完了時刻」の差分をとる
double offset_sec = t_net_utc_sec - (t_local_tx_done / 1000.0);

// 5. 現在時刻の確定
// 現在のローカル時刻にオフセットを足せば、高精度な現在時刻（UTC）になる
current_utc_time = get_current_local_time_ms() / 1000.0 + offset_sec;

注意

• LoRaWAN v1.0.3以上でしか使えないが、それ以外にもLNSがサポートしているかどうかというのもある
  • 少なくとも The Things Network や AWS IoT Core は対応しているので実用上はまず大丈夫だと思うが、万が一に備えてLNS側を要確認

参考資料

• LoRaWAN® Link Layer Specification v1.0.3
  • https://resources.lora-alliance.org/technical-specifications/lorawan-specification-v1-0-3
  • DeviceTimeReq / DeviceTimeAns は Section 5 (MAC Commands) あたりに定義されている
• Semtech LoRaMac-node (GitHub)
  • https://github.com/Lora-net/LoRaMac-node
  • Semtech社が提供するLoRaWANエンドデバイスのリファレンス実装
  • 実際のMACコマンドの処理ロジック（LoRaMac.c や LoRaMacCommands.c 周辺）が参考になる