LoRaWAN이란? LoRa 기술과 네트워크 구조

LoRaWAN은 배터리로 작동하는 방대한 수의 원격 IoT 장치를 로컬 또는 전 세계 네트워크에 연결하는 저전력 광역(LPWA) 표준입니다.

LoRaWAN®은 LoRa 변조 기술 위에 구축된 저전력 광역 네트워크 프로토콜입니다. 초저전력, 장거리 무선 통신, 라이선스가 필요 없는 스펙트럼을 갖춘 LoRa와 LoRaWAN은 IoT 센서로 운영하고 모니터링하고 관리하는 광범위한 산업용 애플리케이션에 쓰이는 네트워크 프로토콜입니다.

개념

LoRa는 변조 기술, LoRaWAN은 네트워크 프로토콜입니다

LoRa는 원래 공공 서비스 계측 산업에 무선 통신 기능을 추가하려고 개발한 프로토콜입니다. 허가받지 않은 무선 스펙트럼에서 작동하고 데이터 전송 속도는 최대 253kB/s이며, 극히 적은 전력으로 소량의 데이터를 멀리 보낼 수 있다는 평가를 받습니다.

LoRaWAN은 신뢰할 수 있는 양방향 IoT 통신을 보호하는 데 쓰이는 LoRa 변조 위에 구축한 저전력 광역 네트워크 프로토콜입니다. 엔드 투 엔드 암호화로 대규모에서도 고급 보안 기능을 갖추었습니다. LoRaWAN 범위가 최대 10마일에 이르러 원격 지역에서는 셀룰러 기술보다 경제적인 선택이 됩니다.

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작동 방식

chirp 신호로 간섭에 강하게 멀리 보냅니다

LoRa 변조에서는 chirp 신호가 신호 스펙트럼을 확산합니다. chirp 속도를 높이면 신호가 여러 주파수 범위로 퍼져 오류 없이 더 멀리 이동합니다. 그 결과 LoRa 통신 프로토콜은 신호 간섭에 저항하며, 간섭이 잦은 도시와 교외 지역에 특히 유용합니다.

LoRaWAN® 구조를 나타낸 그림입니다.

LoRa는 Chirp-Spread Spectrum 기술을 기반으로 한 독점적인 확산 스펙트럼 변조 기술을 씁니다. 예를 들어 게이트웨이 가까이에 있는 IoT 기기는 낮은 확산 계수 전송 속도를 쓰고, 수 마일 떨어진 기기는 더 높은 확산 계수를 씁니다. 같은 주파수로 동시에 전송되는 직교 확산 계수는 서로 간섭하지 않으며 최종 기기의 전력과 데이터 속도 요구 사항에 맞춰집니다.

LoRaWAN 네트워크는 게이트웨이가 센서와 서버 사이에서 양방향 메시지를 중계하는 스타(별) 토폴로지로 LoRa의 특성을 활용합니다. 데이터가 계속 전송되지 않고 주기적으로만 전송되므로 아주 작은 데이터 패킷을 보내는 데 필요한 에너지가 최소입니다. 게이트웨이 하나가 최대 10,000개의 장치를 지원하므로 자본과 운영 투자를 낮추고 게이트웨이를 추가하는 것만으로 네트워크를 확장할 수 있습니다.

장점

LoRaWAN은 대역폭·전력·범위·보안을 균형 있게 갖춥니다

LoRa를 Wi-Fi, 셀룰러, Bluetooth® Low Energy 네트워크와 비교하면, 다른 솔루션은 높은 대역폭이나 높은 전력을 주지만 실내 깊은 곳에서는 효과적으로 작동하지 못합니다. IoT 네트워크의 LoRa는 대역폭, 전력, 범위, 보안, 확장성을 유연하게 관리해 IoT 요구에 맞습니다. ABI Research의 추정으로는 LoRaWAN이 2026년까지 가장 많이 배포된 비셀룰러 저전력 광역 네트워크 기술이 됩니다.

LoRaWAN® 네트워크의 장점을 정리한 이미지입니다.

활용

농업부터 석유·가스까지 쓰입니다

안전하고 확장 가능하며 저렴한 네트워크는 농업과 제조에서 환경 모니터링과 물류에 이르기까지 여러 환경에서 양방향 통신을 제공합니다.

• 스마트 농업: 농장과 동물에 부착한 센서의 데이터로 농부가 해충과 질병을 빠르게 식별하고 해결합니다.
• 스마트 빌딩: 빌딩 내부의 스마트 미터로 관리자가 조명과 온도 관리를 최적화하고 에너지 사용량을 줄입니다.
• 산업용 IoT: 기계 모니터링, 안전 경고, 자산 추적으로 운영자가 사고에 더 빨리 대응하거나 사고 전에 대응합니다.
• 제조: 제조업체가 LoRa 기술로 여러 공장에서 예측 유지 관리를 합니다.
• 물류: 무선 주파수 간섭 문제 없이 창고와 작업 현장에서 수많은 센서가 통신합니다.
• 환경 모니터링: 위성 통신과 결합한 LoRaWAN으로 원격 숲의 연기 감지에서 부표의 해수 온도까지 센서를 모니터링합니다.
• 석유 및 가스: 규제 요구 사항을 충족하려고 Well 작업에서 발생하는 배출물을 LoRaWAN으로 모니터링합니다.

주요 기능

LoRaWAN 프로토콜은 전력을 아끼고 범위가 넓습니다

낮은 전력 요구 사항, 장거리 무선 통신 범위, 보안 덕분에 LoRaWAN은 가장 널리 채택된 저전력 광역 네트워크 프로토콜 중 하나입니다. 엔드 디바이스가 게이트웨이와 통신할 때만 작동해 전력을 아끼면서 장거리 양방향 통신을 합니다. LTE 셀룰러 솔루션과 비교하면 더 저렴한 가격으로 같거나 더 넓은 범위를 제공합니다.

LoRaWAN 소프트웨어는 오픈 소스 라이선싱을 채택해, 사용자가 라이선스 없이 자체 LoRaWAN 솔루션을 개발하거나 맞춤 네트워크를 구축할 신뢰할 수 있는 개발 파트너를 쉽게 찾을 수 있습니다. 다른 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 지리적 위치: GPS 없이 실내에서도 정확한 지리적 위치를 제공합니다.
• 무선 업데이트: 펌웨어와 애플리케이션 업데이트를 무선으로 제공할 수 있습니다.
• 로밍: 한 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 전송합니다.

LoRaWAN®의 주요 특징을 정리한 이미지입니다.

사양

대역폭·전력·범위·주파수의 특징

• 대역폭: LoRa 대역폭은 데이터를 chirp로 나눠 낮은 전력으로 효율을 높이고 데이터를 다른 속도와 주파수로 전송합니다. Chirp Spread Spectrum 변조는 전송 신호의 대역폭을 늘려 나빠지는 신호 대 잡음비를 보상하고, 데이터 속도를 바꿔 커버리지를 개선하며 전력 소비의 균형을 맞춥니다. 전력 수요를 늘리지 않고도 다중 경로 페이딩(fading)에 강합니다.
• 저전력: 클래스 A의 LoRaWAN 장치는 LPWAN에서 가장 나은 옵션 중 하나입니다. 가장 비슷한 기술인 NB-IoT는 비슷한 대역폭과 적용 범위를 위해 LoRaWAN보다 4배 더 많은 전력을 씁니다. LoRaWAN은 제품 비용을 높이는 대형 배터리와 전력 시스템의 필요를 줄입니다.
• 범위: 2023년에 포르투갈 어선이 830마일(약 1335km) 떨어진 카나리아 제도의 게이트웨이와 접촉해 새로운 세계 범위 기록을 세웠습니다. 대부분의 LoRa 네트워킹 설비는 최대 10마일까지 통신합니다. 범위는 실내 또는 실외 게이트웨이 위치와 안테나 유형 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 실외 게이트웨이를 쓰는 도시 환경에서는 커버리지가 약 2마일로 제한될 수 있고, 시골 지역에서는 환경의 장애물에 따라 최대 10마일까지 늘어날 수 있습니다.
• 주파수: 최초의 IoT 무선 통신 네트워크는 주로 라이선스가 있는 스펙트럼의 셀룰러 네트워크에 의존해 라이선스 비용이 추가되고 범위가 제한되며 노이즈 간섭이 있었습니다. LoRaWAN은 라이선스가 없는 주파수 스펙트럼을 씁니다. 400~900MHz 범위의 LoRa 전파는 0.3~50kB/s의 낮은 데이터 전송률을 지원하며, 저비용으로 최대 10마일(약 16km) 범위의 먼 장비를 LoRaWAN으로 연결합니다.

모듈

LoRa 모듈은 게이트웨이와 장치 사이에서 데이터를 변환합니다

Semtech 칩을 기반으로 한 LoRa 모듈은 낮은 전력 소모와 높은 감도로 평가받는 소형, 통합형 또는 독립형 무선 트랜시버 칩을 포함합니다. 이 모듈은 배터리 교체 없이 수년 동안 배터리로 작동하는 수백만 개 장치의 서버와의 통신을 직접 지원해 LoRa 개발에 기여했습니다.

LoRa 장치가 데이터를 보낼 때 LoRa 모듈이 데이터를 무선 전송용으로 변환하고, 이 데이터는 LoRaWAN 게이트웨이로 전송됩니다. 장치에 데이터가 필요하면 게이트웨이가 LoRa 모듈에 데이터를 보내고, 모듈이 이를 최종 장치로 변환해 전달합니다. 모듈에 LoRaWAN 소프트웨어 스택을 설치하면 LoRaWAN 게이트웨이, 네트워크 서버, 애플리케이션에 연결할 수 있습니다. LoRaWAN은 LoRa의 기능을 최적화해 수천 개의 장치를 단일 게이트웨이에 연결합니다.

네트워크 구조

네트워크는 스타 토폴로지로 구성됩니다

LoRaWAN 네트워크는 일반적으로 몇 가지 핵심 요소로 구성된 스타(별) 토폴로지를 씁니다. 연기 경보기, 수도 미터 같은 LoRaWAN 장치는 여러 최종 장치의 메시징을 관리하는 게이트웨이에 데이터를 전달하고, 게이트웨이는 셀룰러, Wi-Fi, 이더넷 같은 백홀로 네트워크 서버에 데이터를 보냅니다.

LoRa 소프트웨어는 게이트웨이와 장치의 변조 및 복조를 관리하고, LoRaWAN 소프트웨어는 여러 장치가 하나의 게이트웨이와 통신해 네트워크를 이루게 합니다. 애플리케이션 서버는 장치의 모든 애플리케이션 데이터를 안전하게 처리하며, 머신 러닝과 인공 지능에 공급해 예측 유지 관리와 프로세스 최적화를 지원할 수 있습니다.

보안

AES 키와 2계층 보안으로 장치를 인증합니다

각 LoRaWAN 기기는 고유한 AES(Advanced Encryption Standard) 키와 고유한 식별자를 장치 인증 과정에 포함합니다. LoRaWAN 프로토콜은 애플리케이션과 네트워크 계층을 분리하는 2계층 보안을 씁니다.

최종 기기의 상호 인증으로 권한이 있는 기기만 LoRaWAN 네트워크를 쓸 수 있습니다. 데이터 전송은 권한이 없는 기기가 데이터를 바꾸지 못하게 하는 메커니즘으로 보호됩니다.

LoRa와 LoRaWAN은 강력한 보안, 저전력 소비, 저비용, 높은 확장성을 요구하는 IoT 네트워크의 요구 사항을 위해 만들어진 기술입니다. Digi는 엔터프라이즈용 엔드 투 엔드 LoRaWAN 솔루션으로 기술 전문 지식과 관계없이 LoRaWAN을 구축하고 확장하도록 지원합니다. Digi X-ON 솔루션에서 자세한 내용을 볼 수 있습니다.

글 마무리에 실린 안내 이미지입니다.

자주 묻는 질문

참고 자료

• Digi International
• ABI Research(Semtech 백서)
• LoRa Alliance