블로그

로라와 로라웬이란 무엇인가요?

6월 29, 2022
블로그

다양한 IoT 애플리케이션과 업종에서 LoRaWAN 네트워크가 인기를 얻고 있으므로 그 사용, 기능 및 운영에 대해 조사해 볼 가치가 있습니다. 이 글에서는 LoRa와 LoRaWAN이 각각 무엇인지, 그리고 이 둘의 주요 차이점에 대해 설명하겠습니다. 다음으로 LoRa RF 변조 방식을 기반으로 하는 LoRaWAN 네트워크를 구현하는 방법에 대해 자세히 설명합니다. 마지막으로 LoRa 기반 장치의 다양한 잠재적 응용 분야와 사용 가능한 다른 IoT communication 프로토콜에 대한 장점을 확인하면서 기사를 마무리합니다.

LoRa란 무엇인가요?

LoRa는 "Long Range Wide Area"의 약자로, 저전력 장거리 무선 통신을 실현하는 데 널리 사용되는 무선 변조 방식입니다mmunication. 장거리 사물 인터넷(IoT)에 사용되는 가장 인기 있는 무선 변조 방식 중 하나이며 기계 대 기계 (M2M) 애플리케이션에 사용됩니다. LoRa는 오래 전부터 존재해 왔지만 최근 LoRa 무선 변조를 가능하게 하는 칩셋으로 많은 인기를 얻고 있습니다.

기억해야 할 가장 중요한 점은 LoRa는 물리 계층 또는 무선 물리 계층을 의미하므로 LoRa만으로는 IoT 애플리케이션에서 네트워크 운영을 실현하고 네트워크 트래픽을 처리할 수 없다는 것입니다. LoRa의 작동 주파수 범위는 구현의 지리적 위치에 따라 다릅니다. 예를 들어 유럽의 경우 LoRa는 868 MHz에서 작동하는 반면 북미에서는 915 MHz입니다. 또한 가시선(LOS) 조건에서 co1TP14통신 링크는 LoRa 무선 변조를 통해 최대 10km까지 확장할 수 있습니다. 그러나 LoRa는 라이선스가 필요 없는 독점적인 무선 스펙트럼을 사용한다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

LoRaWAN이란 무엇인가요?

그러나 LoRaWAN은 네트워크 프로토콜 및 트래픽 관리를 포함하는 네트워크 시설을 말하며, LoRa 무선 변조를 사용하여 장거리에서 co1TP14 통신을 가능하게 합니다. LoRaWAN 또는 LoRa 광역 네트워크는 네트워크 계층을 용이하게 하므로 주로 산업용 IoT 애플리케이션에서 사용됩니다. 비셀룰러 LPWAN(저전력 WAN)으로 분류됩니다. 간단히 말해서 LoRaWAN은 LoRa를 사용하는 네트워크라고 할 수 있습니다. 로라 얼라이언스에서 유지 관리하며, 로라를 사용하여 디바이스들이 무선으로 통신할 수 있도록 합니다.

LoRa와 LoRaWAN의 차이점

LoRa와 LoRaWAN을 별도로 논의한 후, LoRa와 LoRaWAN의 주요 차이점에 대해 간략히 살펴볼 필요가 있습니다. 앞서 언급한 바와 같이 LoRa는 communication에서 물리적 시설만 지원하는 반면, LoRaWAN은 풀스택 네트워크 아키텍처를 제공하는 네트워크 레이어 기능을 제공합니다. LoRa는 처음에 다음과 같이 특허를 받았습니다. Semtech에 의해 공식화된 반면, LoRaWAN은 프랑스 반도체 공급업체인 로라 얼라이언스.

따라서 LoRa는 단순히 장거리 작동을 가능하게 하는 무선 co1TP14통신 프로토콜인 반면, LoRaWAN은 LoRa 프로토콜을 사용하여 LPWAN IoT 애플리케이션을 구현하는 네트워크입니다.

LoRaWAN 기술 및 아키텍처

LoRa와 LoRaWAN의 차이점을 명확히 이해했으니 이제 두 가지 접근 방식에 대해 각각 집중적으로 살펴보겠습니다. 우선 LoRaWAN 기술과 그 아키텍처에 대해 먼저 살펴보겠습니다.

LoRaWAN 네트워크는 스타 오브 스타 네트워크 토폴로지로 배포되며, 중앙 허브 또는 노드가 네트워크에서 co1TP14통신 및 상호 연결을 처리하는 역할을 담당합니다. 일반적인 LoRaWAN 네트워크는 다음 구성 요소로 구성됩니다:

서버 가입
애플리케이션 서버
네트워크 서버
컨센트레이터/게이트웨이
엔드 노드/장치

1. 서버 가입

가입 서버는 네트워크 서버를 통해 네트워크에 가입할 때 최종 디바이스에서 보내는 가입 요청을 처리하는 역할을 담당합니다. 조인 서버는 서버의 소프트웨어로 유지 관리되며, 최종 디바이스의 OTA(Over-the-Air) 활성화를 간과하여 안전한 활성화를 보장합니다. 조인 서버를 통한 활성화 프로세스는 최종 디바이스에서 업링크 조인 요청 프레임을 조인 서버로 전송하여 시작됩니다. 그런 다음 조인 서버는 요청된 최종 디바이스에 연결할 애플리케이션 서버에 대해 네트워크 서버에 신호를 보냅니다. 이것은 다운링크 조인 수락 프레임으로 전달됩니다. 또한 조인 디바이스는 네트워크의 각 엔드 디바이스에 대한 다음 정보를 보유합니다:

최종 디바이스 서비스 프로필
DevEUI - 각 최종 기기에 대한 고유 식별자입니다.
앱키 - 애플리케이션 암호화 키입니다.
NwkKey - 네트워크 암호화 키입니다.
애플리케이션 서버 식별자

2. 애플리케이션 서버

애플리케이션 서버는 최종 디바이스에서 전송하는 센서 및 애플리케이션 데이터를 처리합니다. 그런 다음 이러한 데이터는 사용자 인터페이스에 표시되어 이를 기반으로 의사 결정을 내리고 결과를 해석합니다. 애플리케이션 서버는 네트워크 서버를 통해 라우팅되는 연결된 최종 디바이스에 대한 다운링크 페이로드 정보를 생성하는 역할도 담당합니다. LoRaWAN 네트워크에는 하나 이상의 애플리케이션 서버가 있을 수 있으며, 모든 수준의 분석 및 처리는 애플리케이션 서버에서 수행됩니다. 머신 러닝 알고리즘, 데이터 처리 기술, 비즈니스 분석은 애플리케이션 계층에서 수행될 수 있는 프로세스 중 일부입니다.

3. 네트워크 서버

LoRaWAN 네트워크 서버(LNS)는 전체 네트워크를 구현하고 관리하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 모든 LoRaWAN 네트워크의 네트워크 서버에서 볼 수 있는 몇 가지 common 기능이 있습니다. 주요 기능은 다음과 같습니다:

LNS는 co1TP14 메시지 전송을 위한 안전한 128비트 AES 암호화 연결을 보장하여 엔드투엔드 보안을 제공합니다.
네트워크에 연결된 최종 디바이스의 신뢰성 및 무결성 확인
네트워크 전체에서 정확한 메시지 전송을 위한 디바이스 주소 검사 확인
적응형 데이터 전송률(ADR) 프로토콜을 사용하여 적응형 데이터 전송률을 촉진함으로써 최종 디바이스의 데이터 전송률을 최적화합니다.
LNS는 다운링크 메시지를 최종 디바이스로 라우팅하기 위한 최적의 게이트웨이를 결정합니다.
최종 장치와 조인 서버 간에 조인 요청 및 조인 수락 메시지를 전달합니다.
업링크 애플리케이션 페이로드를 관련 애플리케이션 서버로 전달하고 다른 애플리케이션 서버에서 오는 다운링크 페이로드를 관리하여 관련 최종 디바이스로 전달합니다.
모든 MAC(미디어 액세스 제어) 레이어 관리 commands
모든 업링크 메시지 관리, 중복 여부, 적절한 수신 확인을 포함한 모든 업링크 메시지 관리

4. 컨센트레이터/게이트웨이

게이트웨이 또는 컨센트레이터는 최종 디바이스로부터 메시지를 수신하여 네트워크 서버로 전달하는 역할을 하는 디바이스입니다. 게이트웨이는 다운스트림(즉, 최종 디바이스)에서는 LoRa 변조 무선 신호에 연결되고 업스트림(즉, 네트워크 서버)에서는 IP 기반 연결에 연결됩니다. 이 업스트림 연결은 셀룰러 연결로 백홀됩니다(4G,3G, 5G 등), Wi-Fi, 이더넷 또는 광섬유 연결을 통해 연결할 수 있습니다. 따라서 LoRaWAN 게이트웨이 는 최종 디바이스와 직접 연결되지 않지만 여러 최종 디바이스로부터 정보를 수신할 수 있습니다. 이로 인해 게이트웨이는 중복 데이터를 수신하게 됩니다. 그러나 이러한 중복 데이터는 네트워크 서버에서 처리합니다. 수신된 데이터에 대한 게이트웨이의 유일한 기능은 다양한 오류 감지 체계(예: CRC)를 사용하여 데이터의 무결성을 확인하는 것입니다. 또한 게이트웨이는 네트워크 서버가 여러 최종 장치에서 패킷 중복을 제거할 수 있도록 서로 다른 최종 장치에서 오는 메시지의 RSSI(수신 신호 강도 표시기)를 측정합니다. 네트워크 서버에서 엔드 디바이스로 데이터를 전송하는 다운링크 co1TP14통신의 경우, 게이트웨이는 추가 처리 없이 데이터를 대상 엔드 디바이스로 전달하기만 하면 됩니다. LoRaWAN 게이트웨이는 일반적으로 두 가지 유형이 있습니다:

실내 게이트웨이: 제한된 커버리지가 필요한 실내 위치에 훨씬 더 적합한 비용 효율적인 솔루션입니다. 일반적으로 안테나는 내부에 구축되지만 요구 사항에 따라 외부에 구축된 안테나도 있을 수 있습니다.
실외 게이트웨이: 더 넓은 커버리지를 제공하며 일반적으로 상당한 높이에 설치됩니다. 또한 외부 안테나가 장착되어 있습니다.

5. 엔드 노드/장치

LoRaWAN 네트워크의 기술 스택은 다음과 같이 구성된 3계층 모델을 사용하여 구현할 수 있습니다:

애플리케이션 계층
MAC 레이어
물리적 계층

애플리케이션 계층은 센서 데이터를 처리하고 연결된 액추에이터에 commands를 전송하는 역할을 담당합니다. 또한 사용자가 네트워크와 상호 작용할 수 있는 사용자 인터페이스를 제공합니다.

MAC 계층은 LoRaWAN 게이트웨이와 최종 디바이스 간의 연결을 설정하는 역할을 담당합니다. 디바이스 클래스는 이 계층에서 결정되며, 애플리케이션에 따라 설계자가 결정할 수 있는 다양한 옵션도 포함되어 있습니다.

물리 계층은 LoRa RF 변조 방식을 기반으로 하며 변조 주파수는 지역 ISM(산업, 과학 및 의료) 대역에 따라 결정됩니다.

테스웨이브는 어떤 도움을 줄 수 있나요?

테스웨이브는 100개 이상의 안테나 제품을 제공하며, 안테나 맞춤형 솔루션에 대해서는 지금 바로 문의하여 무료 견적을 받아볼 수 있습니다.

무료 견적 받기

즉시 견적 받기

무료 견적을 요청하시면 1시간 이내에 연락드리겠습니다.

문의하기

LoRaWAN 디바이스 클래스

LoRaWAN 네트워크 장치는 작동 모드에 따라 세 가지 등급으로 분류됩니다:

클래스 A
클래스 B
클래스 C

클래스 A 작동 모드에서 최종 디바이스는 업링크 메시지를 전송한 후 두 개의 짧은 다운링크 메시지 창을 전송합니다. 각 다운링크 윈도우는 업링크 메시지의 끝으로부터 서로 다른 지연 시간만큼 지연됩니다. 이제 네트워크 서버는 이 두 번의 수신 기간 동안에만 다운링크 메시지를 전송할 수 있으며, 전송에 실패하면 다음 다운링크 전송은 다음 업링크 전송 이후에 가능합니다. 또한 네트워크 서버가 첫 번째 수신 창 동안 다운링크 전송을 보낼 수 있었다면 최종 디바이스는 두 번째 수신 창을 열지 않습니다. 클래스 A 디바이스는 배터리로 구동되는 경우가 많으며 다운링크 지연 시간이 길어집니다. 이러한 장치는 유휴 상태를 권장하는 환경 모니터링 및 위치 추적 애플리케이션에 가장 적합합니다. 모든 LoRaWAN 디바이스는 클래스 A 작동을 지원해야 합니다.

클래스 A 장치에 비해 클래스 B 장치는 예약된 수신 창을 제공합니다. 이러한 예약 수신 창은 게이트웨이에서 전송하는 시간 동기화 비콘 메시지입니다. 따라서 클래스 A 디바이스에 비해 다운링크 지연 시간이 짧습니다. 디바이스는 게이트웨이로부터 각 비콘 메시지를 수신한 후 정해진 핑 슬롯에서 다운링크 메시지를 수신해야 합니다. 그러나 클래스 B 작동 모드의 단점은 디바이스가 상당한 시간 동안 활성 상태로 유지되므로 디바이스의 배터리 수명이 줄어든다는 것입니다. 그러나 클래스 B 디바이스는 IoT 애플리케이션을 모니터링하고 작동하는 데 모두 사용됩니다. 예를 들어, 유틸리티 계량기 및 온도 보고 애플리케이션에 사용됩니다.

클래스 C 디바이스는 전송 중(업링크 전송)이 아닌 경우 수신되는 다운링크 메시지를 '항상' 수신 대기 중입니다. 따라서 전력을 더 많이 소비하는 장치이며 일반적으로 주 전원에 연결됩니다. 그러나 클래스 C 디바이스의 가장 큰 장점은 다른 디바이스에 비해 다운링크 지연 시간이 짧다는 것입니다. 가로등이나 스위치가 있는 전기 계량기와 같은 애플리케이션은 클래스 C 디바이스를 사용하는 인기 있는 애플리케이션 중 일부입니다.

LoRaWAN 네트워크 보안

보안은 일반적으로 민감한 정보를 다루는 IoT 애플리케이션의 맥락에서 중요한 요소입니다. 다음은 LoRaWAN 네트워크에서 관찰되는 주요 보안 조치입니다:

가입 절차
메시지 인증
장치 Commissioning

이러한 네트워크 보안 조치는 제3자의 공격으로부터 네트워크를 보호하고 중요한 정보를 손상시키지 않으면서 연결된 디바이스의 무결성을 보장합니다. 또한 네트워크의 리소스 제한을 고려하여 네트워크의 데이터 트래픽을 관리할 수 있도록 보장합니다.

조인 절차는 조인 서버를 통해 최종 디바이스가 관련 애플리케이션 서버에 연결되는 절차입니다. 처음에 엔드 디바이스는 조인 서버에 조인 요청을 보내고, 조인 서버는 이를 인증합니다. 적절한 인증이 완료되면 조인 서버는 최종 장치에 조인 수락 메시지를 전송하여 최종 장치와 관련 애플리케이션 서버 간의 연결을 활성화합니다. 연결이 수락된 후, 엔드 디바이스와 조인 서버는 수신한 메타데이터를 기반으로 개별 세션 키를 생성합니다. 조인 서버는 세션 키를 네트워크 및 애플리케이션 서버와 공유합니다. 전송 시 데이터 트래픽은 두 가지 보안 수준으로 보호됩니다. 최종 디바이스는 애플리케이션 서버와 공유되는 128비트 애플리케이션 세션 키가 네트워크 서버와 공유되는 128비트 AES 네트워크 세션 키와는 다른 다른 128비트 애플리케이션 세션 키를 갖게 됩니다. 이러한 방식으로 게이트웨이나 네트워크 서버는 최종 디바이스와 애플리케이션 서버 간에 전송되는 사용자 데이터를 직접 읽을 수 없습니다.

네트워크 서버로 전송되기 전에 게이트웨이 수준에서 인증되는 MAC 계층 옵션으로 인해 LoRaWAN 네트워크는 메시지 인증 기능을 상속받습니다. 또한, LoRaWAN 네트워크에서는 디바이스 co1TP14티셔닝이 필수입니다. LoRaWAN 네트워크는 두 가지 유형의 디바이스 활성화를 제공합니다:

무선(OTA) 활성화
개인화를 통한 활성화(ABP)

사용자는 두 옵션 중 하나를 유연하게 선택할 수 있지만 선호하는 옵션은 OTA입니다.

LoRa 변조

기사 전체에서 LoRaWAN 네트워크의 속성에 대해 설명했으며, 이 섹션에서는 LoRa RF 변조 방식과 LoRa의 몇 가지 중요한 속성에 대해 간략하게 설명합니다. LoRa는 처프 스프레드 스펙트럼(CSS)을 기반으로 하는 독점적인 확산 스펙트럼 변조 방식입니다. LoRa는 낮은 처리량과 낮은 데이터 전송률의 communication을 실현하는 것을 목표로 합니다. CSS 메커니즘을 기반으로 하기 때문에 처프 속도를 높이면 communication의 범위를 늘릴 수 있습니다. 처프율이 증가하면 확산 계수가 증가하기 때문에 주파수 구성 요소의 간섭 가능성에 대한 의문이 제기될 수 있습니다. 그러나 LoRa는 처프의 직교 확산을 사용하여 서로 다른 주파수 성분의 충돌을 방지합니다. 이는 또한 LoRa 신호의 견고성을 보장하여 i1TP14멀티패스 페이딩에 맞게 조정됩니다. I1TP14멀티패스 페이딩에 대한 내성은 다중 경로 전파가 두드러지는 도시 환경을 고려할 때 LoRa를 적합한 후보로 만듭니다. LoRa의 대역폭은 125KHz 또는 500KHz(업링크용)와 500KHz(다운링크용)이며, 작동 지역에 따라 주파수 스펙트럼이 달라집니다.

로라 얼라이언스

로라 얼라이언스는 로라 RF 변조를 기반으로 하는 로라WAN 네트워크의 채택을 통해 대규모 IoT 애플리케이션을 구현하는 것을 목표로 하는 개방형 비영리 단체입니다. 로라 얼라이언스는 전 세계 150개 이상의 로라WAN 네트워크 사업자와 500개 이상의 기업과 협력하여 글로벌 커버리지를 확보하고 있습니다. 따라서 LoRaWAN 네트워크는 글로벌 맥락에서 대규모 IoT 애플리케이션을 위한 흥미로운 후보입니다. 현재 글로벌 커버리지와 LoRa 기반 애플리케이션의 현재 업종을 보여주는 네트워크 커버리지 맵은 다음을 통해 액세스할 수 있습니다: https://lora-alliance.org/ .

LoRaWAN의 장점과 단점

LoRaWAN 네트워크는 IoT 및 대규모 IoT 애플리케이션의 맥락에서 많은 이점을 제공하기 때문에 여러 가지 이유로 인기를 얻고 있습니다. LoRaWAN의 주요 장점은 다음과 같습니다:

로라 기반 디바이스는 저전력 소비에 최적화되어 있기 때문에 로라WAN 네트워크는 저전력을 소비합니다.
LoRa 기반 디바이스는 배터리 수명이 길다.
CSS에 기반한 LoRa RF 변조를 사용하기 때문에 LoRaWAN 네트워크는 광범위한 범위로 확장할 수 있습니다. 이는 농촌 환경의 경우 약 10km, 도시 환경의 경우 약 3km에 해당합니다.
로라 얼라이언스와 같은 표준화 단체의 존재로 로라 기반 디바이스는 전 세계적으로 널리 보급되어 쉽게 접근할 수 있습니다.
LoRa 기반 디바이스에 내재된 보안 기능은 LoRaWAN 네트워크의 또 다른 장점입니다. 이러한 네트워크는 128비트 AES 암호화 기술도 사용합니다.

매력적인 기능에도 불구하고 LoRaWAN 네트워크가 항상 최선의 선택은 아닙니다. LoRaWAN 네트워크는 낮은 데이터 전송률만 처리할 수 있으며 주어진 시간에 적은 데이터 샘플을 전송할 수 있습니다. 따라서 텍스트와 같은 데이터 유형을 바이너리로 인코딩하여 LoRaWAN 네트워크의 작은 페이로드 용량과 동등하게 만들어야 합니다. 또한 LoRa 기반 디바이스는 주어진 시간 간격으로 데이터를 전송할 수 있기 때문에 실시간 데이터 처리에는 LoRaWAN 네트워크가 적합하지 않습니다.

로라와 로라웬은 언제 사용하나요? (애플리케이션)

LoRa 및 LoRaWAN은 다음과 같은 특성을 필요로 하는 IoT 및 대규모 IoT 애플리케이션을 구현하는 데 적합합니다:

낮은 구현 비용
낮은 전력 소비
낮은 대역폭과 작은 페이로드 전송
안전하고 긴 작동 범위

이러한 특성은 다음과 같은 영역에서 두드러지게 나타납니다:

스마트 주차 애플리케이션
환경 모니터링 및 유틸리티 계량 애플리케이션
위치 추적
거리 조명
농업용 애플리케이션 및 가축 관리
지진 예측과 같은 재해 예측 애플리케이션

그러나 LoRa 및 LoRaWAN 네트워크는 다양한 액추에이터의 실시간 데이터 처리 및 제어가 필요한 커넥티드 홈 및 자동화된 홈 애플리케이션과 같은 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 또한 이미지나 동영상을 전송하기 위해 더 높은 대역폭이 필요한 애플리케이션에는 LoRa 기반 애플리케이션이 적합하지 않습니다.