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IoT 무선 센서 네트워크 : DigiMesh vs LoRaWAN

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CASE STUDY 작성자 테솔 조회 235회 작성일 23-12-22 18:00

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IoT 무선 센서 네트워크 : DigiMesh vs LoRaWAN 


소개

IoT 무선 센서 네트워크 분야는 지난 5년 동안 엄청난 발전을 이루었기 때문에 IoT 네트워크에 대한 무선 솔루션 기술이 다양한 것은 당연한 일입니다. 하지만 불행하게도 인생의 모든 것과 마찬가지로 완벽한 솔루션은 없습니다. 각각의 기술들은 특정 환경에서는 다른 기술에 비해 고유한 장점을 가지고 있는 반면 적용 환경에 따라 단점을 가질 수도 있습니다. 


IoT는 더욱 주류가 되고 일반 대중에게 더 많이 노출되기 때문에 스마트 홈/빌딩/도시 어플리케이션의 환경에서 인기를 얻었습니다. 이 분야에서는 LoRaWAN이 빠르게 표준으로 자리잡고 있는 것 같습니다. 주거용 건물 자동화, 스마트 주차, 폐기물 관리 등 이러한 유형의 대부분의 신규 적용은 헬륨, 사물 네트워크, 액티비티 등과 같은 공용 네트워크와 개인 네트워크의 여부에 관계없이 LoRaWAN®의 일부 유형을 활용하고 있습니다. 물론 NB-IoT와 같은 다른 솔루션이 없다는 것은 아니지만 셀룰러 통신은 허가된 스펙트럼에서 사용하여야 하며 정기적인 구독(사용료) 등이 필요하며 개방되어 있지 않기 때문에 이 논의에서 제외하도록 하겠습니다. 


산업농업 분야에서 보다 전문화된 응용 분야로 초점을 옮기면 상황이 그리 간단하지 않습니다. 사용 사례 시나리오의 세부 사항에 따라 LoRaWAN은 최선의 선택이 아닐 수 있으며 DigiMesh(ZigBee 기반)와 같은 기술이 더 나은 솔루션으로 활용될 수 있습니다. 


이 글에서는 DigiMeshLoRaWan 두 가지를 비교할 것입니다. 이 두 가지 방법의 구현 방식은 다르지만 적용 방식이 매우 유사하기 때문에 선택되었으며 두 가지 유형의 일반적인 특성 관련하여 매우 좋은 상호 비교 기반을 제공할 것입니다. 특정 환경에서 하나가 다른 것보다 어떤 이점이 있는지 확인하여 요구 사항에 따라 적절한 것을 선택할 수 있어야 합니다. 


DigiMesh LoRaWAN의 주요 차이점을 간략하게 비교해 보겠습니다. 



IoT 무선 센서 네트워크 솔루션으로서의 DigiMesh 

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DigiMesh ZigBee Mesh와 동일한 물리적 계층 위에 구축되었지만 단일 노드 유형을 가지고 있어 네트워크를 완전히 균일하게 만드는 주목할만한 차이점이 있습니다. 이를 통해 매우 단순화된 네트워크 운영과 빠른 배포가 가능해졌습니다. 이것은 또한 ZigBee에서는 일부 노드가 상시 전원(코디네이터 및 라우터)이 필요한 것과 달리 각 노드를 배터리로 구동할 수 있게 하였습니다. 


또한 DigiMesh ZigBee에 비해 향상된 범위와 더 큰 최대 페이로드 크기(256바이트 대 80바이트)를 제공합니다. 이는 특히 LoRaWAN을 사용하는 다른 IoT 솔루션과 비교할 때 가장 큰 장점일 것입니다. LoRaWAN과 마찬가지로 800MHz, 900MHz 2.4GHz 대역에서도 작동합니다(LoRaWAN®은 이 스펙트럼 부분에서는 아직 새로운 것이므로 성능은 아직 파악되지 않았습니다). 


DigiMeshIoT 어플리케이션용으로 특별히 설계된 ZigBee 버전으로, 이러한 센서 네트워크를 배포할 때 갖는 특정 요구 사항에 더 적합하다고 생각할 수 있습니다. 


아래에서는 LoRaWAN과 비교해 각각의 장점이 무엇인지 알아볼 수 있도록 DigiMesh의 최소 특성을 살펴보겠습니다. 



DigiMesh의 프로토콜 타입 

DigiMesh ZigBee LoRaWAN도 제공하는 무선 통신 솔루션에 기여한 것으로 알려진 Digi International이 개발한 독점 무선 네트워킹 프로토콜입니다. 



DigiMesh의 네트워크 토폴로지 

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DigiMesh의 핵심은 메시 토폴로지를 중심으로 설계되었습니다. 간단한 지점 간 연결이나 다른 네트워크(LoRaWAN)에서 사용되는 스타 토폴로지와 달리 메시 네트워크는 장치를 상호 연결하여 데이터가 소스에서 대상까지 가능한 여러 경로를 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 상호 연결은 중복성을 보장하여 한 노드가 다운될 경우에도 전송이 완료될 때까지 주변의 다른 노드를 통하여 데이터를 전송할 수 있도록 네트워크를 자체 복구하기 때문에 전송 실패를 최소화할 수 있습니다. 



DigiMesh의 주파수 및 변조 

DigiMesh는 전 세계적으로 액세스할 수 있는 2.4GHz 주파수 대역에서 작동하는 경우가 많습니다. 그러나 GHz 미만 주파수(800/900MHz)에서도 작동할 수 있으며, 이는 더 나은 범위를 제공할 수 있지만 지역에 따라 잠재적인 규제 제한이 있을 수 있습니다. 



DigiMesh의 주요 특징 

> 자가 치유: DigiMesh의 장점 중 하나는 노드가 실패하거나 중단될 경우 데이터를 자동으로 다시 라우팅하는 기능입니다.

> P2P(Peer-to-Peer): 네트워크의 모든 노드는 서로 통신할 수 있기 때문에(브로드케스트) 분산화되므로 높은 네트워크 중복성을 통해 단일 실패 지점이 없습니다.

> 적응형 라우팅: 네트워크 혼잡도, 경로 안정성 및 홉 수를 기반으로 데이터 패킷에 대해 가능한 최상의 경로를 계산합니다.

> MAC 수준에서 자동 재전송을 합니다. (서비스 품질을 보장하기 위한 내장 메커니즘) 



DigiMesh의 사용 사례 

고유한 중복성과 적응성을 고려할 때 DigiMesh는 신뢰성이 중요한 시나리오에서 선호되는 경우가 많습니다. 여기에는 IoT 어플리케이션, 홈 자동화, 산업 자동화 및 노드가 어려운 지형이나 방해받는 환경에 배치될 수 있는 환경 모니터링이 포함됩니다. 


중저역 무선 기술로 간주되므로 마을 전체나 동네에 걸쳐 있는 대규모 환경보다는 건물이나 부지(공장, 창고, 온실 등)로 제한된 밀도가 높은 환경에 적합합니다. 



LPWAN 상용 네트워크의 LoRaWAN 

이는 IoT 어플리케이션, 특히 상대적으로 드물게 작은 데이터 패킷이 앤드 디바이스에서 전송되는 경우를 위해 만들어진 프로토콜입니다. 통신 범위가 넓고 대기 시간이 짧으며 전력 소비를 낮게 유지하려고 노력하므로 배터리 소모가 적습니다. 


DigiMesh와 마찬가지로 800/900MHz(지역에 따라 다름) Sub-GHz 대역에서 주로 작동하며, 최근 2.4GHz 대역(글로벌 가용성)을 포함하도록 사양 업데이트를 받았습니다. 



LoRaWAN의 프로토콜 타입 

LoRaWAN은 스타 토폴로지를 사용하여 작동합니다. 센서 장치(엔드 노드)는 스타 구조로 게이트웨이 장치와 직접 통신합니다. 그런 다음 이러한 게이트웨이는 노드 인증, 패킷 중복 제거, 데이터 암호 해독, 페이로드 디코딩 및 구문 분석 등에 필요한 모든 프로토콜 메커니즘을 통합하는 LNS(LoRaWAN 네트워크 서버)라는 중앙 집중식 네트워크 서버에 정보를 중계합니다. 



LoRaWAN의 주파수 및 변조 

LoRaWAN은 지역에 따라 달라지는 GHz 미만 주파수 대역에서 작동합니다(: 유럽의 EU868MHz, 미국의 US915MHz). LoRa® 변조는 LoRaWAN의 장거리(제 생각에는 동급 최고의 RF 침투율)와 저전력 소모 기능을 제공하는 기초 기술입니다. 



LoRaWAN의 네트워크 토폴로지 

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LoRaWAN®은 스타 토폴로지를 사용하여 작동합니다. 센서 장치(엔드 노드)는 스타 구조로 게이트웨이 장치와 직접 통신합니다. 그런 다음 이러한 게이트웨이는 노드 인증, 패킷 중복 제거, 데이터 암호 해독, 페이로드 디코딩 및 구문 분석 등에 필요한 모든 프로토콜 메커니즘을 통합하는 LNS(LoRaWAN® 네트워크 서버)라는 중앙 집중식 네트워크 서버에 정보를 중계합니다. 



LoRaWAN의 주파수 및 변조 

LoRaWAN은 지역에 따라 달라지는 GHz 미만 주파수 대역에서 작동합니다(: 유럽의 EU868MHz, 미국의 US915MHz). LoRa® 변조는 LoRaWAN의 장거리(제 생각에는 동급 최고의 RF 침투율)와 저전력 소모 기능을 제공하는 기초 기술입니다. 



LoRaWAN의 주요 특징 

> ADR(적응형 데이터 속도) : ADR은 게이트웨이에 대한 노드의 근접성을 기반으로 데이터 속도를 동적으로 조정합니다. 더 가까운 노드는 더 높은 데이터 속도로 전송할 수 있지만 먼 노드는 더 나은 범위를 위해 더 낮은 속도를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 네트워크의 자체 조절이 가능하므로 범위/용량/무선 전달 시간/간섭 측면에서 최적화될 수 있습니다. 이는 네트워크 무결성과 안정성을 유지하는 데 중요합니다. 노드가 이동하는 환경을 제외하고 주로 사용됩니다. 

> 저전력 : 수년간 배터리로 작동해야 하는 장치용으로 설계되었습니다. 매우 효율적인 LoRa 변조 기술과 절전 모드 및 낮은 전력 소비(낮은 처리 요구 사항 및 작은 페이로드)를 갖춘 효율적인 MCS를 결합합니다. 다만 작은 페이로드 및 낮은 처리 용량을 요구합니다. 

> 양방향: 주로 업링크에 중점을 두지만(장치에서 서버로) 구성 또는 제어를 위해 다운링크 메시지(서버에서 장치로)를 지원합니다. 

> 사용 사례별상당히 다른 방식으로 작동하는 3가지 클래스(클래스 A, 클래스 B, 클래스 C)의 장치가 존재하므로 매우 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있습니다. 



LoRaWAN의 사용 사례 

장거리 및 저전력 작동을 위한 설계로 인해 LoRaWAN은 데이터 전송이 너무 빈번하지 않고 장거리 전송해야 하는 환경에 특히 적합합니다. 일반적인 응용 분야에는 스마트 시티, 농업, 공급망 및 물류, 계량 등 다양한 환경에 적용할 수 있습니다. 


여러 매개변수를 동시에 모니터링하거나 많은 센서 데이터가 필요한 진동과 같은 복잡한 프로세스를 측정하는 등 데이터 무결성이 중요하고 대용량 데이터 페이로드를 전달해야 하는 시나리오에는 적합하지 않습니다. 



두 네트워크 비교 및 예 

DigiMesh LoRaWAN을 아래 표에 같이 정리하였습니다. 둘 사이의 차이점을 빠르게 확인할 수 있는 좋은 참고 자료입니다. 


 

 DigiMesh

LoRaWAN 

 Type

 Proprietary, developed by Digi®

 Open, maintained by the LoRa Alliance®

 Topology

 Full Mesh

 Star

 Frequency / Modulation

 800MHz, 900MHz and 2.4GHz

 800MHz, 900MHz and 2.4GHz

 Key Features

 Self-healing, Peer-to-Peer, Adaptive Routing, Simplified provisioning 

 (all devices are the same type)

 Long-range, Long-battery Life, Interference resistant,
 huge ecosystem of vendors and solution providers

 Disadvantages

 Limited to the same manufacturer (no interoperability)

 Limited payload size and time on air dependent on local regulations

 Main Use-cases

 Suitable for high-reliability scenarios

 Suitable for low-reliability scenarios (cost-efficient)


각 기술마다 하나씩 사용 사례 시나리오를 살펴보겠습니다. 이는 특정 환경에 대해 한 기술이 다른 기술보다 어떻게 더 적합한지 잘 보여주며 각 기술이 가장 적합한 응용 프로그램 범위에 대한 정보도 제공합니다. 



DigiMesh에 대한 IoT 센서 네트워크 환경 

LoRaWAN보다 DigiMesh가 적합한 환경으로는 충분한 데이터를 제공하기 위한 신뢰성, 빈번한 전송 및 큰 페이로드 전송 능력에 중점을 두는 예측 유지 관리/진동 분석 사용 사례가 있습니다. 


NCD가 제공하는 좋은 품질의 진동 센서 3축값과 온도값을 포함하여 전류 모니터까지 추가할 수 있어서 많은 데이터를 출력할 수 있습니다. 높은 샘플링 속도로 가속도, 속도 및 변위에 대한 측정항목을 전송할 수 있는 센서도 제공합니다. 또한 FFT 분석 기능이 내장되어 있어 주요 왜곡 구성 요소를 확인하거나 Total/Raw 도메인 데이터(매우 큰 패킷)를 전송하여 현장 진동 분석을 자세히 수행할 수 있는 옵션도 있습니다. 


DigiMesh는 기기 간 통신이 대부분이고 인터넷으로 데이터를 보내는 경우가 상대적으로 드물며 LoRaWAN(LNS가 필요하지 않음)과 같은 클라우드 중심의 시스템과는 달리 온프레미스 환경에 매우 적합합니다. 


큰 단점은 프로토콜 표준이 공개되지 않기 때문에 Digi사의 제품이 아닌 다른 공급업체의 장치들과 상호 통신 및 운용이 불가능하다는 것입니다. 그러나 거꾸로 말하면 이는 모든 장치가 기본적으로 동일한 공급업체(Digi)이므로 네트워크 설정을 더 간단하게 할 수 있는 의미도 됩니다. 


ModBus와 같은 브로드캐스트 집약적 어플리케이션에 매우 적합합니다. 실제로 이것은 유선으로 실행되던 ModBus 설치를 업그레이드하기 위한 솔루션입니다. 


결국 이러한 유형의 센서는 LoRaWAN과 같이 작은 패킷 크기에 최적화된 IoT 기술과 함께 사용하기에는 너무 복잡하고 너무 많은 데이터를 출력합니다. DigiMesh는 실제로 데이터가 많은 IoT 어플리케이션에 대해 실행 가능한 유일한 옵션 중 하나입니다. (Wi-Fi는 많은 페이로드를 처리할 수 있지만 통신 거리, 보안 및 배터리 수명 등에서 명확한 단점이 있습니다.) 


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상업용 LPWAN 배포를 위한 LoRaWAN 

최종 장치가 서로 직접 통신하지 않는 LoRaWAN 네트워크는 통신 빈도가 낮고(페이로드 크기가 더 작음) 장치가 서로 밀집되어 있지 않은 장치에 더 적합합니다. LoRaWAN Relay 기능이 최근 추가되었지만 메시 네트워크와 달리 게이트웨이가 여전히 필요합니다(여전히 단일 실패 지점임). 


장점 측면에서 LoRaWAN DigiMesh와 같은 메시 네트워크에 비해 네트워크 지연(홉 감소)과 지터(통신 딜레이 변동)가 적다는 이점이 있습니다. 최종 장치의 단순성으로 인해 장치당 비용도 절감됩니다. 


최고의 배터리 수명과 장치 비용 효율성을 제공하기 위해 크기를 최소화하도록 최적화된 페이로드를 사용하여 비교적 빠른 데이터 전송이 요구되지 않는 온도 및 습도 모니터를 예로 들 수 있습니다. 


이러한 유형의 네트워크는 DigiMesh보다 조금 더 복잡하지만 여전히 장점이 있습니다(: NB-IoT와 달리 공급자와의 서비스 수준 계약이 필요하지 않음). 단점은 셀룰러 네트워크와 유사한 적용 범위 및 용량(확산 요소)에 대한 네트워크 계획이 필요하다는 것입니다. 물론 셀룰러 네트워크보다 훨씬 더 간단하고 시간 효율적입니다. 또 다른 잠재적인 단점은 게이트웨이가 단일 처리 지점이며 LNS는 더 복잡하고 더 강력한 하드웨어를 필요로 하기 때문에 비용을 증가시킨다는 사실입니다. 이것은 DigiMesh에는 적용되지 않는 단점입니다. 


LoRaWAN의 좋은 사용 사례는 시설이나 사무실의 온도 및 습도 모니터링입니다. 온도나 습도가 급격히 상승할 가능성은 거의 없으므로 이러한 측정을 빠르게 수행할 필요는 없습니다. 또한 센서는 페이로드를 매우 작게 유지하면서 간단한 값 세트만 전송합니다. 전체 상태를 모니터링하기 위해 측정을 비교적 드물게 한두 시간에 한 번씩 수행할 수 있습니다. 또한 이러한 장치는 방/공간당 하나씩 필요하지 않으며 일반적으로 전체 건물의 환경에 대한 충분한 상태 확인을 하기에 충분합니다. 따라서 네트워크는 조밀할 필요가 없습니다. 


아래 사진에 대한 환경은 LoRaWAN에 매우 적합합니다. 장치 수가 상대적으로 적기 때문에 높은 데이터 신뢰성을 필요로 하지 않으며(하루에 몇 개의 누락된 온도 측정값은 큰 문제가 아닙니다), 주요 위치에 몇 개의 노드만 배치하면 비용을 최소화할 수 있습니다. 


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정리 

일반적으로 상호 운용성을 이유로 표준 프로토콜을 사용하고 공급업체의 전용 프로토콜의 사용을피하기를 원할 것입니다(플랫폼에 구애받지 않는 NCD 장치에는 적용되지 않음). 이것은 건전한 전략이며 추천하고 싶습니다. 그러나 특정 요구 사항을 고려하면 일부 사용 사례는 DigiMesh와 같은 독점 솔루션에 더 적합합니다(: 단순히 더 많은 대역폭이 필요한 진동 분석 센서의 경우). 


반면, 밀도가 높은 네트워크나 산업 환경이 아닌 단순한 온도 및 습도 센서 네트워크는 LoRaWAN이 더 적합합니다. 이 선택은 비용을 낮추고 장치 수명을 높이며 귀중한 데이터를 제공합니다. 이는 LoRaWAN®이 전반적으로 더 나은 선택이 될 것입니다. 


센서 기술과 네트워크 유형을 선택할 때 이 점을 고려하십시오. 모두 장점이 있으며 DigiMesh는 데이터 무결성, 신뢰성, 대역폭 및 노드 밀도가 중요한 산업 환경 어플리케이션에 더 적합하며, 매우 긴 배터리 수명으로 비용 효율적인 사용을 원하며 대용량 데이터 패킷, 잦은 전송 및 중복성을 위한 비용 오버헤드를 포기할 수 있다면 LoRaWAN을 선택하세요. 




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