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IoT 솔루션에 LoRaWAN을 통합하는 것을 고려하고 계신가요? 빠르게 발전하는 IoT 기술 분야에서 LoRaWAN은 LPWAN 분야에서 강력한 입지를 확보하고 있습니다. 산업 또는 기업용 LoRaWAN 네트워크 솔루션을 고려하고 있다면, 이 프로토콜의 복잡한 세부 사항을 면밀히 살펴보는 것이 중요한 첫걸음입니다. 이 글에서는 LoRaWAN 기술의 모든 핵심 측면을 심층적으로 살펴봅니다. 핵심 내용을 살펴보고 IoT 사업에 대한 현명한 결정을 내릴 수 있도록 유용한 정보를 제공해 드리겠습니다.
LoRaWAN 기술이란?
LoRaWAN은 장거리 광역 네트워크(Long Range Wide Area Network)의 약자입니다. 무선 배터리로 작동하는 사물 및 자산을 위해 설계된 저전력 WAN 프로토콜입니다. LoRaWAN 네트워크는 일반적으로 433MHz 또는 900MHz 대역과 같은 비면허 주파수를 사용하여 기기를 장거리 무선 인터넷에 연결합니다.
이 기술은 처프 확산 스펙트럼 변조를 사용하는 LoRa 라는 물리적 계층을 기반으로 합니다 . 이 방식은 신호를 더 넓은 대역폭에 분산시켜 간섭에 강하고 장거리 전송 특성을 제공합니다. Semtech는 LoRa 변조 기술을 최초로 개발하고 유지 관리하고 있습니다.
LoRaWAN은 네트워크 계층 프로토콜을 추가하여 단말과 게이트웨이 간의 양방향 통신을 가능하게 합니다. 게이트웨이는 IP를 통해 중앙 네트워크 서버에 연결됩니다. 이 아키텍처는 적응형 데이터 속도, 기기 주소 지정, 보안, 로밍 등의 기능을 제공하여 대규모 배포를 가능하게 합니다.
LoRa Alliance는 LoRaWAN 표준을 관리하고 전 세계적인 도입을 촉진하는 개방형 비영리 협회입니다 . 전 세계적으로 500개 이상의 회원사를 보유하고 있으며, 기기 제조업체, 통신 사업자, 솔루션 제공업체 등이 LoRaWAN 배포를 발전시키고 있습니다.
차이점 LoRa 및 LoRaWAN
간단히 말해, LoRa는 장거리 통신을 가능하게 하는 물리적 변조 기술 또는 신호 인코딩 방식만을 지칭합니다. 처프 확산 스펙트럼 변조(Chirp Spread Spectrum Modulation)와 순방향 오류 정정(Forward Error Correction) 개념을 활용하여 시골 지역에서는 10마일(약 3km), 도시에서는 XNUMX마일(약 XNUMXkm) 이상의 커버리지 범위를 달성합니다.
LoRaWAN 프로토콜은 LoRa 변조 방식을 기반으로 데이터 통신을 관리하고, 양방향 교환을 지원하며, 네트워크 보안 기능을 구현합니다. 여기에는 데이터 속도 최적화, 주소 지정 체계, AES-128 암호화 구현, 장치와 게이트웨이 간의 데이터 교환 관리 등의 기능이 포함됩니다.
LoRa는 장거리 신호 전송을 가능하게 하는 물리 계층 변조 방식인 반면, LoRaWAN은 통신 프로토콜과 표준을 정의합니다. LoRa는 차량이 장거리를 빠르게 이동할 수 있도록 하는 고속도로에 비유할 수 있고, LoRaWAN은 그 고속도로에서 질서 있고 안전한 교통을 관리하는 교통 표지판과 제어 장치에 비유할 수 있습니다.
LoRaWAN 기술의 작동 방식
LoRaWAN 아키텍처에는 센서, 게이트웨이, 네트워크 서버, 애플리케이션 서버가 있는 최종 장치/노드가 포함됩니다.
엔드포인트는 LoRa 링크를 통해 건물, 타워 등 옥외에 배치된 게이트웨이와 연결됩니다. 게이트웨이는 WiFi, 이더넷, 셀룰러와 같은 백홀 연결을 지원합니다. 0.3kbps에서 50kbps 사이의 데이터 속도로 수 마일에 달하는 장거리 통신을 지원합니다.
게이트웨이는 수백만 대의 장치에서 중앙 네트워크 서버로 메시지를 전달합니다. 보안, 주소 지정, 장치 프로필, 규칙, 데이터 속도 조정 등과 같은 필수 기능을 관리합니다. 또한 메시지 중복을 제거하고 애플리케이션과 장치 간의 확인된 전달을 제어합니다.
네트워크 서버는 IP 연결을 통해 애플리케이션 서버로 데이터를 전달합니다. 이 서버에는 IoT 애플리케이션과 비즈니스 로직이 상주하며, 센서 데이터를 디코딩하고 대시보드, 분석, 클라우드 서비스 등에 연결합니다.
LoRaWAN 장치 클래스 A, B 및 C
LoRaWAN에는 광범위한 응용 분야에서 발생하는 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 세 가지 유형의 엔드 장치가 포함되어 있습니다.
클래스 A: 가장 낮은 전력, 양방향 엔드 디바이스
이 클래스는 엔드포인트가 언제든지 업링크를 전송하고, 그 후 두 개의 짧은 다운링크 수신 윈도우가 이어지는 기본 클래스입니다. 업링크 통신은 비동기적이고 다운링크는 업링크 타이밍을 따르므로, 기기는 절전 모드로 전환하여 배터리 수명을 극대화할 수 있습니다. 다운링크 메시지는 서버에 버퍼링됩니다.
클래스 B: 결정론적 하향링크 지연을 갖는 양방향 단말 장치
클래스 B 장치는 네트워크와 동기화된 예약된 간격으로 추가 수신 창을 엽니다. 이를 통해 전력 소모는 증가하지만 하향링크 지연 시간은 단축됩니다. 결정적 지연은 128초 동안 프로그래밍 가능하므로 배터리 작동에 적합합니다.
클래스 C: 최소 지연, 양방향 단말 장비
클래스 A를 기반으로, 클래스 C는 전송하지 않는 한 수신기를 지속적으로 개방 상태로 유지합니다. 이를 통해 서버는 거의 지연 없이 언제든지 다운링크를 수행할 수 있습니다. 하지만 연속 수신은 50mW 이상의 전력을 소모할 수 있으므로 클래스 C는 주전원 애플리케이션에 적합합니다. 임시 스위칭도 가능합니다.
LoRaWAN과 다른 LPWAN 기술 비교
빠르게 성장하는 IoT 연결 시장의 한 분야인 LPWAN (저전력 광역 통신)에는 SigFox, LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M, Link Labs, Weightless 등이 포함됩니다. LTE-CAT M, IEEE P802.11AH, Dash7과 같은 다른 프로토콜들도 LPWAN 생태계에서 중요한 역할을 합니다. 이 섹션에서는 주로 앞서 언급한 기술들을 자세히 살펴보겠습니다.
- 로라 완
LoRa 얼라이언스(LoRa Alliance)가 관리하는 LoRaWAN은 다양한 산업 연합의 지원을 받는 개방형 표준 네트워크 계층을 특징으로 합니다. LoRa 칩 기반으로 작동하며, 코딩된 패킷의 효율적인 분배를 통해 업링크 전용 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘하고 충돌과 간섭을 줄입니다. 개방형 표준임에도 불구하고, LoRaWAN은 풀 스택 구현을 위해 Semtech 칩을 사용한다는 점에서 독점성을 더합니다.
- SIGFOX
2009년에 설립된 프랑스 기업 SigFox는 느린 변조 속도를 통해 확장된 통신 범위를 제공하는 차별화된 기술을 보유하고 있습니다. SigFox는 독점 기술로서 스마트 쓰레기통이나 주차 센서처럼 빈번하지 않고 소량의 데이터 버스트가 필요한 애플리케이션에 적합합니다. 그러나 다운링크 성능의 한계와 신호 간섭에 대한 취약성은 특정 사용 사례에서 어려움을 야기합니다.
- NB-IoT 및 LTE-M
NB-IoT와 LTE-M은 LPWAN 분야에서 표준 LTE 연결을 활용하여 부상하고 있습니다. NB-IoT는 에너지 효율과 비용 효율성이 뛰어나 스마트 시티 애플리케이션에 적합하며, LTE-M은 더 빠른 데이터 속도를 제공합니다. 두 가지 중 어떤 것을 선택할지는 특정 애플리케이션에 따라 달라집니다. NB-IoT는 스마트 미터에 적합한 반면, LTE-M은 드론이나 차량에 더 적합할 수 있습니다.
- 링크 랩
Link Labs는 LoRa 칩을 사용하지만 Symphony Link라는 전용 MAC 계층을 도입했습니다. Symphony Link는 LoRaWAN에 비해 무선 펌웨어 업그레이드 보장, 메시지 수신, 중계기 기능, 동적 범위 및 듀티 사이클 제한 제거 등 몇 가지 중요한 연결 기능을 제공합니다.
- 무게가없는
Weightless SIG의 사명은 LPWAN 기술을 표준화하는 것입니다. 유일하게 진정한 개방형 표준인 Weightless는 1GHz 미만의 비면허 대역에서 운영됩니다. Weightless는 세 가지 버전으로 제공되며, 각기 다른 용도로 사용할 수 있습니다.
Weightless-w: 공백(허가된 텔레비전 대역의 사용되지 않는 지역 스펙트럼) 활용
Weightless-n: NWave 기술에서 파생된 무면허 스펙트럼 협대역 프로토콜
Weightless-p: M2COMM의 Platanus 기술에서 파생된 양방향 프로토콜
Weightless N과 P는 Weightless W의 배터리 수명이 짧기 때문에 더 인기 있는 선택입니다.
LoRaWAN 기술의 장점
LoRaWAN 기술이 제공하는 몇 가지 뛰어난 이점은 다음과 같습니다.
- 초 저전력: LoRaWAN 장치는 저전력 모드에서 작동할 수 있으며 배터리는 수년 동안 지속될 수 있습니다.
- 뛰어난 범위: 농촌 지역에서는 최대 10마일, 도시 환경에서는 1~3마일의 장거리 커버리지
- 실내 심층 침투: LoRaWAN 네트워크는 실내에서 깊은 커버리지를 제공하고 여러 층 건물을 쉽게 커버할 수 있습니다.
- 무료 스펙트럼 라이선스: LoRaWAN 기술은 추가적인 스펙트럼 라이선스 비용 없이 무료(무면허) 주파수에서 작동합니다.
- 높은 수용력: 게이트웨이 당 100만 개 이상의 장치를 지원하는 네트워크 용량입니다.
- 공공 및 민간 배치: 동일한 소프트웨어와 하드웨어(단말 장치, 게이트웨이, 안테나)를 사용하면 개인 및 공공 LoRaWAN 네트워크를 모두 쉽게 구축할 수 있습니다.
- 엔드 투 엔드 보안: 견고한 보안을 위해 엔드투엔드 128비트 AES 암호화를 적용했습니다.
- 저렴한 비용으로: 장치 및 운영 비용이 매우 저렴하여 대규모 장치 배포에 이상적입니다.
- 생태계: LoRaWAN은 장치 제조업체, 애플리케이션 개발자, 네트워크 서비스 제공업체, 솔루션 공급업체로 구성된 매우 큰 생태계를 갖추고 있습니다.
LoRaWAN 기술의 사용 사례
LoRaWAN에 적합한 유망한 사용 사례 범주는 다음과 같습니다.
스마트 시티 및 유틸리티
도시는 계량기, 쓰레기통, 가로등, 오염 측정기 등 도시 기반 시설을 효율적으로 연결할 수 있습니다. 차량 및 버스 추적 시스템도 구축하여 스마트 교통을 실현할 수 있습니다. 공공 서비스 기업의 경우, 가스, 전기, 수도 계량기 전반에 걸친 대규모 스마트 계량이 매우 실현 가능합니다.
공급망 및 물류
물류 회사는 여러 창고와 운송 중인 컨테이너, 팔레트의 위치, 상태 및 이동을 추적할 수 있습니다. 콜드체인은 부패하기 쉬운 상품의 무결성을 보장할 수 있습니다. 항만 운영은 크레인, 차량, 화물 등을 추적할 수 있습니다.
스마트 농업 및 농업
LoRaWAN 센서는 농장, 과수원, 포도원 등 다양한 곳에 널리 설치되어 배터리 센서를 통해 토양 수분, 작물 환경, 저장 조건 등을 연중 모니터링할 수 있습니다. 동물 건강 및 위치 기반 웨어러블 기기 또한 등장하고 있습니다.
자산 관리 및 추적
장비, 장치와 같은 귀중한 자산은 온도, 충격, 움직임 등의 매개변수를 여러 위치에서 모니터링하여 안전성, 활용도 및 수명을 향상시킬 수 있습니다. LoRaWAN 태그가 부착된 팔레트와 상자는 창고를 간소화합니다.
산업용 IoT 및 센서 모니터링
공장에서는 신뢰할 수 있는 장거리 센서를 배치하여 전선이나 배터리 교체 없이도 여러 층에 걸쳐 자산, 안전 지표 및 제품 품질 지표를 추적할 수 있습니다. 파이프라인, 굴착 장치 등과 같은 원격 현장도 측정할 수 있습니다.
스마트 헬스케어 및 의료
병원은 LoRaWAN을 사용하여 휠체어와 같은 의료 기기 및 자산을 효율적으로 연결하여 추적 및 활용도를 높일 수 있습니다. 입원 중 환자 손목 밴드를 사용하면 움직임을 모니터링하여 업무 흐름을 개선할 수 있습니다. 또한, 요양 시설은 위치 정보 및 낙상 감지 기능을 통해 안전을 강화할 수 있습니다.
귀하의 애플리케이션을 위한 MOKOSmart LoRaWAN 센서
MOKOSmart는 다양한 장거리 저전력 IoT 애플리케이션에 적합한 다양한 LoRaWAN 지원 센서를 제공합니다. 유용할 수 있는 MOKOSmart LoRaWAN 센서는 다음과 같습니다.
LoRaWAN PIR 모션 센서 : 움직임을 감지하여 재실 감지, 침입 경보, 자동화 트리거 등에 사용할 수 있습니다.
LoRaWAN GPS 추적기 : 자산의 실시간 위치를 추적하고 온도 및 움직임도 모니터링할 수 있습니다. 차량 관리, 자산 추적 및 도난 방지에 유용합니다.
LoRaWAN 온도 습도 센서 : 주변 온도와 습도를 모니터링합니다. 콜드체인 물류, HVAC 모니터링, 창고 추적 및 환경 분석에 적합합니다.
LoRaWAN 비상 버튼 : 누르면 문제 발생을 담당자에게 알리거나 비상 대응 시스템을 작동시킬 수 있는 비상 경보 버튼입니다.
LoRaWAN 주차 센서 : 주차 공간에 차량이 있는지 감지합니다. 스마트 주차 애플리케이션 및 분석 기능을 제공합니다.
LoRaWAN 스마트 배지 : 직원의 실시간 위치를 추적하고 비상 경보 버튼으로도 사용할 수 있습니다. 인력 관리, 출입 통제 및 안전 관련 애플리케이션에 적합합니다.
LoRaWAN 기술을 시작하는 방법
LoRaWAN 솔루션을 개념 증명 단계부터 대규모 구축까지 배포하는 데에는 일반적으로 다음과 같은 주요 단계가 포함됩니다.
- LoRaWAN이 안정성, 범위 및 배터리 수명을 충족하는지 조사하세요.
- 공공 네트워크, 커뮤니티 네트워크 또는 개인 배포를 통한 적용 범위 옵션 이해
- LoRa 모듈 및 LoRaWAN 센서와 같은 하드웨어를 선택하세요
- 로컬 네트워크 서비스 제공자 가용성을 확인하거나 자체 게이트웨이를 배포하세요.
- 게이트웨이를 통해 최종 장치 하드웨어를 LoRaWAN 네트워크 서버에 연결합니다.
- 클라우드 서비스와의 디바이스 애플리케이션 및 IoT 앱 통합 개발
- 예상 배포 조건에서의 테스트 범위와 센서 성능
LoRaWAN 적용 범위와 기기 옵션이 빠르게 확장됨에 따라, 이제는 혁신적인 LoRaWAN 사용 사례를 직접 탐색해 볼 좋은 시기입니다.
