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LoRaWAN이란 무엇인가?

LoRa 기술과 저전력 광역(LPWA) 네트워크를 위한 LoRaWAN® 표준은 방대한 수의 원격 배터리 작동 IoT 장치를 로컬 또는 전 세계적으로 네트워크에 연결할 수 있게 합니다.

LoRA와 LoRaWAN에 대한 설명

초저전력 기능, 장거리 무선 통신 및 라이선스 없는 스펙트럼을 갖춘 LoRa와 LoRaWAN은 IoT 센서를 사용하여 운영 및 모니터링하고 관리하는 광범위한 산업용 애플리케이션에서 유용한 네트워크 프로토콜입니다.

LoRa vs LoRaWAN: LoRa 기술의 진화

LoRa란?

원래는 공공 서비스 계측 산업에 무선 통신 기능을 추가하기 위해 개발된 LoRa 프로토콜은 허가받지 않은 무선 스펙트럼에서 작동하며 데이터 전송 속도는 최대 253kB/s이고, 극히 적은 전력만 소모하면서 소량의 데이터를 장거리로 전송할 수 있는 기능으로 높은 평가를 받고 있습니다.

LoRaWAN이란?

LoRaWAN 기술은 신뢰할 수 있는 양방향 IoT 통신을 보호하는 데 유용한 LoRa 변조에 구축된 저전력 광역 네트워크 프로토콜로 구성됩니다. LoRaWAN 프로토콜은 엔드-투-엔드 암호화를 제공하여 대규모로 고급 보안 기능을 제공합니다. LoRaWAN 범위가 최대 10마일에 이르기 때문에 이 기술은 원격 지역의 셀룰러 기술에 비해 더 경제적인 선택을 제공합니다.

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IoT에서 LoRa와 LoRaWAN이 작동하는 방식

LoRa 변조에서 chirp 신호는 신호 스펙트럼을 확산합니다. chirp 속도를 높이면 신호가 여러 주파수 범위에 걸쳐 확산되어 오류 없이 더 멀리 이동할 수 있습니다. 결과적으로 LoRa 통신 프로토콜은 신호 간섭에 저항합니다. 이는 LoRa를 신호 간섭이 자주 발생하는 도시 및 교외 지역에 특히 유용하게 만듭니다.

LoRaWAN® 구조

LoRa는 어떻게 작동하나요?

LoRa는 Chirp-Spread Spectrum 기술을 기반으로 하는 독점적인 확산 스펙트럼 변조 기술을 사용합니다. 예를 들어, 게이트웨이 근처에서 발견된 IoT 기기는 낮은 확산 계수 전송 속도를 사용하는 반면, 수 마일 떨어진 기기는 더 높은 확산 계수를 사용합니다. 동시에 동일한 주파수로 전송되는 이러한 직교 확산 ​​계수는 서로 간섭하지 않으며, 최종 기기의 전력 및 데이터 속도 요구 사항에 적응합니다.

LoRaWAN은 어떻게 작동하나요?

LoRaWAN 네트워크는 게이트웨이가 센서와 서버 간에 양방향 메시지를 중계하는 스타(별) 토폴로지를 통해 LoRa 특성을 활용합니다. 설계상 LoRaWAN 네트워크는 데이터가 지속적으로 전송되는 대신 주기적으로만 전송되기 때문에 매우 작은 데이터 패킷을 전송하는 데 최소한의 에너지만 필요합니다. 더 나은 점은 LoRaWAN 네트워크에서 게이트웨이는 최대 10,000개의 장치를 지원할 수 있어 자본과 운영 투자를 낮추면서 추가 게이트웨이를 추가하는 것처럼 간단하게 확장 가능한 네트워크를 만들 수 있다는 것입니다.

IoT에서 LoRaWAN의 장점

많은 IoT 애플리케이션에서 LoRaWAN 네트워크는 경쟁 무선 통신 기술에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다. LoRa와 Wi-Fi, 셀룰러 및 Bluetooth® Low Energy 네트워크를 비교할 때 이러한 다른 솔루션은 높은 대역폭 또는 높은 전력을 제공하지만 실내 깊숙한 곳에서는 효과적으로 작동할 수 없습니다. IoT 네트워크의 LoRa는 대역폭, 전력, 범위, 보안 및 확장성을 유연하게 관리하여 IoT 요구 사항에 매우 적절합니다. ABI Research의 추정에 따르면 LoRaWAN은 2026년까지 가장 많이 배포된 비셀룰러 저전력 광역 네트워크 기술로 선두를 차지할 것입니다.

LoRaWAN® 네트워크의 장점

> 확장성 : 게이트웨이당 수백만 개의 메시지를 받을 수 있으며, 게이트웨이를 추가하는 것으로 간단하게 확장할 수 있습니다.

> 보안 : 내장된 AES-128 종단 간 암호화 및 고급 인증은 모든 대량 IoT 배포에서 안전한 데이터 전송을 보장합니다.

> 배터리 효율성 : 지속적으로 전송하는 대신 하루에 몇 번 작은 데이터 패킷을 전송하여 장치 배터리를 교체하지 않고도 수년간 사용할 수 있습니다.

> 장거리 통신 : LoRaWAN은 여러 층과 스타 토폴로지 네트워크 설계를 포함하여 깊은 실내 커버리지를 제공하여 많은 산업에서 요구하는 무선 통신 전송 범위를 극대화합니다.

> 저렴한 비용 : 저렴한 엔드 노드, 최소한의 인프라 및 오픈 소스 소프트웨어는 저렴한 솔루션으로서 LoRaWAN에 기여합니다.

장거리 통신을 위한 일반적인 애플리케이션

LoRa 기술은 광범위한 산업과 부문에 유용성과 가치를 더하는 고유한 품질의 조합을 제공합니다. 농업과 제조에서 환경 모니터링과 물류에 이르기까지 안전하고 확장 가능하며 저렴한 네트워크의 조합은 다양한 환경에서 양방향 통신을 제공합니다.

> 스마트 농업 : 농장과 동물에 부착된 센서에서 데이터를 수집하여 농부가 해충과 질병을 신속하게 식별하고 해결할 수 있습니다.

> 스마트 빌딩 : 빌딩 내부의 스마트 미터는 관리자가 조명과 온도 관리를 최적화하고 에너지 사용량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

> 산업용 IoT : 기계 모니터링, 안전 경고 및 자산 추적을 통해 운영자는 사고에 더 신속하게 대응하거나 사고 전에 대응할 수 있습니다.

> 제조 : 제조업체는 LoRa 기술을 사용하여 여러 공장에서 예측 유지 관리를 가능하게 합니다.

> 물류 : LoRaWAN은 무선 주파수 간섭 문제없이 창고 및 작업 현장과 같은 장소에서 수많은 센서 통신의 완벽한 균형을 제공합니다.

> 환경 모니터링 : 위성 통신과 결합된 LoRaWAN은 원격 숲의 연기 감지에서 부표의 해수 온도에 이르기까지 모든 것에 대한 센서 모니터링을 제공합니다.

> 석유 및 가스 : 규제 요구 사항을 충족하기 위해 석유 및 가스 회사는 LoRaWAN 기술을 사용하여 Well 작업에서 발생하는 배출물을 모니터링합니다.

제품 관리자가 IoT 솔루션을 위해 LoRaWAN을 고려해야 하는 5가지 이유

LoRaWAN 프로토콜의 주요 기능

낮은 전력 요구 사항, 장거리 무선 통신 범위 및 보안으로 인해 LoRaWAN은 가장 널리 채택된 저전력 광역 네트워크 프로토콜 중 하나입니다. 설계상 LoRaWAN 네트워크는 장거리에서 양방향 통신을 제공하는 동시에 엔드 디바이스가 게이트웨이와 통신할 때만 작동하도록 하여 전력을 절약합니다. 사실 LTE 셀룰러 솔루션과 비교할 때 LoRaWAN은 더 저렴한 가격으로 동일하거나 더 넓은 범위를 제공합니다. LoRaWAN 소프트웨어는 오픈 소스 라이선싱을 채택하기 때문에 사용자는 라이선스 없이 자체 LoRaWAN 솔루션을 개발하거나 맞춤 네트워크를 구축할 수 있는 신뢰할 수 있는 개발 파트너를 쉽게 찾을 수 있습니다.

다른 주요 기능에는 다음이 포함됩니다 :

> 지리적 위치 : GPS가 필요 없이 LoRaWAN은 실내에서도 정확한 지리적 위치를 제공합니다.

> 무선 업데이트 : 펌웨어 및 애플리케이션 업데이트는 무선으로 제공될 수 있습니다.

> 로밍 : LoRaWAN은 한 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 전송합니다.

LoRaWAN®의 주요 특징

대역폭

LoRa 대역폭은 데이터를 "chirp"로 분할하여 낮은 전력으로 효율성을 높이고 데이터를 다른 속도와 주파수로 전송합니다. 이 Chirp Spread Spectrum 변조는 전송된 신호의 대역폭을 늘려 저하되는 신호 대 잡음비를 보상하고 데이터 속도를 변경하여 커버리지를 개선하고 전력 소비를 균형 있게 유지합니다. 이런 식으로 데이터를 전송하면 전력 수요를 증가시키지 않고도 다중 경로 페이딩(fading)에 대해 탄력적이 됩니다.

저전력

클래스 A의 LoRaWAN 장치는 LPWAN에 대한 최상의 옵션 중 하나를 제공합니다. 가장 비슷한 기술은 NB-IoT로, 비슷한 대역폭과 적용 범위를 위해 LoRaWAN보다 4배 더 많은 전력을 사용합니다. LoRaWAN은 제품 비용을 높이는 대형 배터리와 전력 시스템의 필요성을 줄입니다.

범위

무선 통신 범위는 LoRa 네트워크의 가장 주목할 만한 특징 중 하나입니다. 2023년에 포르투갈 어선이 830마일(약 1335km) 떨어진 카나리아 제도의 게이트웨이와 접촉하여 새로운 세계 범위 기록을 세웠습니다. 놀라운 성과이기는 하지만 대부분의 LoRa 네트워킹 설비는 최대 10마일까지 통신합니다. 범위는 실내 또는 실외 게이트웨이 위치와 사용된 안테나 유형을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 실외 게이트웨이를 사용하는 도시 환경에서는 커버리지가 약 2마일로 제한될 수 있습니다. 시골 지역에서는 건물을 포함한 환경의 장애물에 따라 커버리지가 최대 10마일까지 확장될 수 있습니다.

주파수

최초의 IoT 무선 통신 네트워크는 일반적으로 라이선스가 있는 스펙트럼의 셀룰러 네트워크에 의존했으며, 이는 라이선스 비용이 추가되고 제한된 범위 및 노이즈 간섭 등의 문제가 있었습니다. LoRaWAN을 사용하면 IoT 애플리케이션 사용 사례가 라이선스가 없는 주파수 스펙트럼에 의존합니다. 400~900MHz 범위의 LoRa 전파는 0.3~50kB/s 사이의 낮은 데이터 전송률을 지원하고 저비용으로 LoRaWAN 통신을 위해 최대 10마일(약 16km) 범위까지 먼 장비를 연결합니다.

비면허 LoRa 주파수 대역 :

> 915MHz (북미)

> 868MHz (유럽)

> 433MHz (아시아)

> 그 외

LoRa 모듈 및 장치 이해

Semtech 칩을 기반으로 하는 Lora 모듈은 낮은 전력 소모와 고감도로 평가받는 소형, 통합형 또는 독립형 무선 트랜시버 칩을 포함합니다. 사실, 이러한 모듈은 배터리 교체 없이 수년 동안 배터리로 작동되는 수백만 개의 장치들의 통신을 서버와 직접 지원할 수 있기 때문에 LoRa 개발에 기여했습니다. 예를 들어, LoRa 장치가 데이터를 전송할 때 LoRa 모듈을 사용하여 데이터를 무선 전송을 위해 변환합니다. 그런 다음 이 데이터는 LoRaWAN 게이트웨이로 전송됩니다. 장치에 데이터가 필요할 때 게이트웨이는 LoRa 모듈에게 데이터를 전송하고 LoRa 모듈은 이를 최종 장치로 변환하여 전달합니다. LoRa 모듈을 더욱 활용하려면 모듈에 LoRaWAN 소프트웨어 스택을 설치해야 합니다. 그러면 모듈이 LoRaWAN 게이트웨이, 네트워크 서버 및 애플리케이션에 연결할 수 있습니다. 따라서 LoRa는 지점 간 또는 노드 간 통신이 가능합니다. LoRaWAN은 LoRa의 기능을 최적화하여 수천 개의 장치가 단일 게이트웨이에 연결할 수 있도록 합니다.

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LoRaWAN 네트워크 구조

LoRaWAN 네트워크는 일반적으로 몇 가지 핵심 요소로 구성된 스타(별) 토폴로지를 사용합니다. 연기 경보기 및 수도 미터와 같은 LoRaWAN 장치는 여러 최종 장치의 메시징을 관리하고 LoRaWAN 메신저 데이터를 네트워크 서버로 전달하는 게이트웨이에 전달합니다. 게이트웨이는 셀룰러, Wi-Fi 또는 이더넷과 같은 백홀을 사용하여 네트워크 서버에 데이터를 전달합니다. LoRa 소프트웨어는 게이트웨이와 장치의 변조 및 복조를 관리합니다. LoRaWAN 소프트웨어를 사용하면 여러 장치가 하나의 게이트웨이와 통신하고 네트워크를 형성할 수 있습니다. 애플리케이션 서버는 장치의 모든 애플리케이션 데이터를 안전하게 처리하여 머신 러닝 및 인공 지능에 공급하여 예측 유지 관리 및 프로세스 최적화를 지원할 수 있습니다. IoT에서 LoRa 및 LoRaWAN이 작동하는 방식의 아키텍처 다이어그램을 참조하세요.

LoRa 통신의 보안

LoRa 보안 조치는 설계상 특정 IoT 네트워크 요구 사항을 충족합니다. 우선, 각 LoRaWAN 기기에는 고유한 AES(Advanced Encryption Standard) 키와 고유한 식별자를 장치 인증 프로세스에 포함합니다. LoRaWAN 프로토콜은 애플리케이션과 네트워크 계층을 분리하는 2계층 보안을 사용합니다. 최종 기기의 상호 인증을 통해 권한이 있는 기기만 LoRaWAN 네트워크를 사용할 수 있습니다. 데이터 전송은 권한이 없는 기기가 데이터를 변경하지 못하도록 하는 메커니즘을 통해 보호됩니다.

LoRaWAN 암호화 메커니즘

LoRa 및 LoRaWAN 기술은 강력한 보안, 저전력 소비, 저비용 및 높은 확장성을 요구하는 IoT 네트워크의 고유한 요구 사항을 지원하기 위해 특별히 존재합니다. 이러한 기술은 많은 산업과 사용 사례에 놀라운 가치를 제공합니다. 이제 Digi의 엔터프라이즈용 엔드-투-엔드 LoRaWAN 솔루션을 통해 기술 전문 지식에 관계없이 LoRaWAN을 빠르고 쉽게 구축하고 확장할 수 있습니다.

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