LoRa를 사용하여 저비용, 장거리 IoT 응용 제품을 위한 WAN 개발

설계자는 다양한 무선 기술을 사용하여 제품과 사물 인터넷(IoT)을 연결할 수 있습니다. 응용 분야마다 적합한 기술이 다르므로 설계자는 범위 및 데이터 속도, 비용, 전력 소비, 부피, 폼 팩터 같은 요인을 신중하게 고려해야 합니다.

이 기사에서는 LoRa 프로토콜에 대한 소개와 함께 다른 프로토콜과 LoRa 프로토콜의 장점을 비교하고, 엔지니어가 LoRa 기반 시스템 개발을 신속하게 시작할 수 있는 여러 제품 및 개발 키트에 대해 논의합니다.

무선 IoT의 장점 및 단점

무선 기술마다 장단점이 있습니다. 예를 들어, 표준 Wi-Fi는 대량의 데이터를 고속으로 전송할 수 있지만 거리가 제한적입니다. 셀룰러 네트워크는 빠른 속도와 장거리를 결합하지만 전력 소비가 큽니다.

원격 데이터 획득, 도시 조명 제어, 날씨 모니터링, 농업 같은 IoT 응용 분야는 최우선 순위가 서로 다릅니다. 날씨 상태, 토양 수분 레벨 또는 가로등과 같이 이러한 응용 분야에서 측정되거나 제어되는 크기/양은 모두 확장된 시간 범위에 걸쳐 매우 느리게 변화합니다.

또한, 센서 노드가 서로 멀리 떨어져 있는 경우가 많고 배터리로 구동되므로, 최적의 무선 프로토콜은 최소한의 전력 소비로 긴 거리에 걸쳐 작은 데이터 패킷을 효율적으로 전송할 수 있어야 합니다. LoRa 프로토콜은 이러한 요구 사항을 정확히 충족하도록 설계되었습니다.

LoRa 기술 개요

LoRa는 저전력, 광역 통신망(LPWAN) 응용 분야를 대상으로 합니다. LoRa는 15킬로미터 이상의 거리를 지원하며 최대 1백만 노드를 수용합니다. 저전력 및 장거리의 조합은 데이터 전송률을 최대 50킬로비트/초(Kbps)로 제한합니다.

LoRa는 Semtech Corporation이 소유하고 특허를 획득한 기술로서 ISM 대역에서 작동합니다. ISM 주파수 할당과 규정 요구 사항은 지역에 따라 다릅니다(그림 1). 가장 대표적인 두 주파수는 유럽에서 사용되는 868MHz와 북미에서 사용되는 915MHz입니다 다른 지역, 특히 아시아의 경우 요구 사항이 다릅니다.

그림 1:ISM 대역이 광범위하게 사용되는 유럽과 미국의 LoRA 사양 비교 (이미지 출처: LoRa Alliance)

LoRa 물리층은 확산 스펙트럼 변조(SSM)를 사용합니다(그림 2). SSM은 기본 신호를 더 높은 주파수 시퀀스로 인코딩하므로 기본 신호를 의도적으로 더 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시키고, 전력 소비를 줄이며, 전자기 간섭에 대한 내성을 향상시킵니다.

그림 2: 확산 스펙트럼 시스템은 훨씬 빠른 코드 시퀀스로 입력 데이터를 증대시켜 신호 대역폭을 확산시킵니다. (이미지 출처: Semtech Corporation)

기본 신호의 확산 인자(SF)는 가변적이며 상충 관계를 나타냅니다. 사용 가능한 대역폭이 주어진 경우, 확산 인자가 커지면 비트 전송률이 낮아질 뿐만 아니라 전송 시간이 증가하여 배터리 수명도 감소됩니다.

지정된 확산 인자(SF) 및 대역폭(BW)은 다음으로 정의되는 비트 전송률을 제공합니다.

LoRa는 6개 확산 인자(SF7 - SF12)와 3개 대역폭(125kHz, 250kHz, 500kHz)을 사용할 수 있습니다. 허용되는 확산 인자 및 대역폭은 해당 지역의 규제 기관에 의해 정의됩니다. 예를 들어, 북미의 경우 대역폭 500kHz, 확산 인자 7 ~ 10을 지정합니다.

확산 스펙트럼 기술로 인해, 데이터 전송률이 다른 메시지가 직교하며 한 세트의 '가상' 채널 생성을 통해 서로 간섭하지 않기 때문에 게이트웨이 용량이 증가합니다.

LoRa 방식은 첩 확산 스펙트럼(CSS) 변조라는 SSM 변형을 기반으로 합니다(그림 3). CSS는 '첩(chirp)'을 통해 데이터를 인코딩합니다. '첩'은 근본적으로 시간이 지남에 따라 증가 또는 감소하는 광대역 주파수 변조 정현파 신호입니다.

그림 3: CSS '업첩(upchirp)'은 주파수와 시간에 대한 다항식 계산을 따르거나 여기에 표시된 것처럼 1차 관계식을 나타낼 수 있습니다. (이미지 출처: Wikipedia)

CSS는 낮은 전력 소비를 요구하는 저 데이터 전송률(< 1Mb/s) 응용 제품에 매우 적합합니다. 또 다른 저속도 표준인 IEEE 802.15.4a는 무선 개인 통신망(LR-WPAN)에서의 사용을 위한 기술로서 이를 정의합니다. CSS는 여러 해 동안 군사 및 우주 응용 분야에서 장거리의 강력한 통신을 제공하는 데 사용되어 왔지만 LoRa는 상업용으로 구현된 최초의 저가형 기술입니다.

LoRaWAN 및 LoRa 네트워크 아키텍처

LoRaWAN 사양은 LPWAN을 위한 매체 접근 제어(MAC) 계층을 정의합니다. LoRaWAN은 LoRa 물리층 위에 구현되며 통신 프로토콜 및 네트워크 아키텍처를 지정합니다. 이 기능은 다음을 비롯한 여러 성능 파라미터에 큰 영향을 미칩니다.

• 노드의 배터리 수명
• 네트워크 용량
• 네트워크 보안
• 응용 제품

LoRaWAN 네트워크 아키텍처는 별의 별형 토폴로지를 사용합니다. 이 토폴로지에서 각 엔드 노드는 네트워크 서버와 통신하는 여러 게이트웨이와 통신합니다.

LoRa 네트워크는 4가지 요소를 제공합니다(그림 4).

• 엔드 노드는 센서 데이터를 수집하고 업스트림으로 전송하며 응용 서버로부터 다운스트림 통신을 수신합니다. 엔드 포인트 장치는 1개 게이트웨이 또는 여러 게이트웨이에 대해 단일 홉(Hop) 무선 통신을 사용합니다.
• 집신기/게이트웨이는 투명한 브리지로서 작동하며 엔드 노드와 업스트림 서버 간에 양방향 데이터를 전달합니다.
• 네트워크 서버는 보안 TCP/IP 연결(유선 또는 무선)을 통해 여러 게이트웨이에 연결되며 중복 메시지를 제거하고 엔드 노드 메시지에 응답해야 할 게이트웨이를 결정합니다. 또한 적응형 데이터 전송률(ADR) 방식을 통해 엔드 노드 데이터 전송률을 관리하여 네트워크 용량을 최대화하고 엔드 노드 배터리 수명을 연장합니다.
• 응용 서버는 엔드 노드로부터의 데이터를 수집 및 분석하고 엔드 노드 작동을 결정합니다.

그림 4: LoRa 네트워크는 4개의 메인 블록과 2개의 보안 계층을 제공합니다. (이미지 출처: LoRa Alliance)

엔드 포인트 통신은 일반적으로 양방향이지만 LoRa는 소프트웨어 업그레이드 같은 기능을 위한 멀티캐스트 작동도 지원합니다. 경쟁 관계에 있는 여러 프로토콜(예: ZigBee)은 개별 엔드 노드가 다른 엔드 노드의 정보를 수신하고 재전송하는 메시 토폴로지를 사용합니다. 이 접근 방식은 네트워크의 범위와 셀 크기를 증대시키지만 추가된 통신 오버헤드가 복잡성을 더하고, 네트워크 용량을 감소시키며, 개별 노드의 전력 소비를 늘립니다.

LoRa 엔드 노드 분류

세 가지 유형의 엔드 노드 장치가 있습니다. 세 가지 유형 모두 양방향 통신이 가능하며 게이트웨이를 통해 서버에 대한 업링크를 시작할 수 있습니다. 그러나 수신되는 서버 메시지를 허용하는 과정에서는 다르게 작동합니다.

LoRaWAN A급 장치는 최저 전력을 소비합니다. 엔드 노드는 업링크 전송 이후 잠시 개방되는 2개의 짧은 수신 윈도우 동안 서버로부터의 통신만 허용합니다. 그 이외의 시간에 서버에서 수신되는 메시지는 예정된 다음 업링크 시간까지 대기해야 합니다. A급 장치는 비동기식입니다. 엔드 포인트는 보낼 데이터가 있을 때마다 전송을 시작하고 사전 설정된 시간 동안 대기한 후 응답을 수신합니다.

LoRa B급 장치는 A급 기능을 제공할 뿐만 아니라 예정된 시간에 추가적인 수신 윈도우를 개방합니다. 네트워크와의 동기화를 위해 B급 노드는 128초마다 게이트웨이에서 시간과 동기화된 비콘을 수신합니다. 서버에 엔드 장치가 수신 중일 때를 경우를 알릴 수 있도록 해당 128초 내에 시간 슬롯이 지정됩니다.

LoRa C급 장치는 거의 연속적인 개방 수신 윈도우를 제공합니다. 해당 윈도우는 엔드 포인트 전송 동안에만 폐쇄됩니다. C급 장치는 수신되는 데이터 크기가 전송되는 데이터 크기보다 큰 경우에 적합합니다.

LoRaWAN 보안

강력한 보안은 LPWAN 설계의 기본적인 구성 요소입니다. LoRaWAN은 AES 128비트 암호화를 사용하며 2개의 독립적 보안 계층인 네트워크 세션 키(NwkSKey)와 응용 세션 키(AppSKey)를 제공합니다(그림 5).

그림 5: LoRa 엔드 장치에서 응용 제품으로의 데이터 흐름에는 체인의 시작과 끝에서 암호화 및 복호화를 포함하므로 엔드 노드 센서 및 응용 제품만 일반 텍스트 데이터에 액세스할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

네트워크 보안 계층은 네트워크에서의 노드 인증을 보장하고 응용 보안 계층은 네트워크 사업자가 최종 사용자의 응용 데이터에 액세스하지 못하도록 합니다.

키를 배포하는 데에는 다음 두 가지 방법이 있습니다.

• 개인화 활성화(ABP): 이 경우 LoRaWAN 최종 장치는 특정 LoRaWAN 네트워크에 대한 인증 정보로 공장에서 프로그래밍될 수 있습니다.
• 무선 활성화(OTAA): 이 방법은 응용 ID, 고유 장치 ID, 네트워크 할당 장치 주소를 사용하여 NwkSKey 및 AppSKey를 유도합니다. 이는 키가 사전 지정되어 있지 않고 재생성될 수 있기 때문에 선호되는 방법입니다.

LoRa 개발 시작하기

제조업체는 설계자에게 개별 장치부터 전체 개발 키트에 이르는 통합 레벨의 다양한 LoRa 옵션을 제공합니다.

Semtech Corporation의 SX1279 단일 칩 LoRa 트랜시버는 유럽과 북미 ISM 대역 모두를 포괄할 수 있습니다(그림 6). 적용되는 규정에 따라, 이 장치는 7.8kHz ~ 500kHz의 채널 대역폭과 6 ~ 12의 확산 인자를 제공합니다.

그림 6: Semtech SX1279는 LoRaWAN에서 허용되는 범위 이상인18bits/sec ~ 37.5kilobits/sec의 효과적인 비트 전송률을 제공합니다. (이미지 출처: Semtech Corporation)

LoRa IP의 라이선스를 보유하고 있는 Microchip은 모듈 레벨에서 RN2483(유럽 868MHz 응용 제품용) 및 RN2903 LoRa(북미 915MHz 응용 제품용)을 제공합니다(그림 7). 두 모듈 모두에는 LoRa 프로토콜 스택, LoRa 호환 무선 트랜시버, 장치에 고유한 EUI-64 식별자를 제공하는 직렬 EEPROM, 아날로그 또는 디지털 센서 입력/스위치/상태 표시기를 위한 14개의 입력/출력(I/O) 핀과 함께 특정 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있습니다.

이러한 모듈은 A급 사용을 위해 설계되었으며 -146dBm의 수신기 감도와 결합된 통합 +18.5dBm(데시벨 밀리와트) 출력 고효율 전력 증폭기(RN2483의 경우 +14dBm)를 통해 장거리 작동을 달성합니다.

그림 7: 일반적인 RN2903 엔드 노드는 입력 및 출력 기능을 모두 포함할 수 있습니다. 펌웨어 업데이트를 위해 선택적으로 ICSP 포트를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

기판 레벨에서, Microchip은 RN2903 LoRa 모뎀을 기반으로 하는 A급 엔드 장치인 DM164139 Mote를 제공합니다. Mote는 RN2903의 장거리 기능을 위한 간편한 데모 플랫폼을 제공하는 독립형 배터리 구동식 노드입니다.

Mote에는 조명 및 온도 센서가 포함되어 있습니다. 데이터 전송은 버튼을 눌러 시작하거나 고정된 일정에 따라 수행될 수 있습니다. LCD는 연결 상태, 센서 값, 다운링크 데이터 같은 정보를 표시합니다.

이 기판은 RN2903의 UART 인터페이스에 엑세스할 수 있는 USB 2.0 micro-B 커넥터를 통해 컴퓨터에 연결됩니다. UART를 사용하면 고급 ASCII 명령 세트를 통해 온보드 LoRaWAN 프로토콜 스택을 신속하게 설정하고 제어할 수 있습니다.

RN2483 모뎀은 자체적인 Mote 기판인 DM164138을 포함합니다.

마지막으로, Microchip의 DV164140-2 LoRa 네트워크 평가 키트에는 2개의 RN2903 Mote 기판과 게이트웨이 기판이 포함되어 있습니다(그림 8). 따라서 설계자가 완전한 915MHz LoRa 시스템의 기능을 손쉽게 평가할 수 있습니다. 자매 키트인 DV164140-1은 868MHz 응용 제품을 지원합니다.

그림 8: Microchip의 DV164140-2(915MHz) 및 DV164140-1(868MHz) LoRa 평가 키트에는 2개의 Mote 기판, 게이트웨이 코더 기판, 무선 통신 기판이 포함되어 있습니다(왼쪽에서 오른쪽으로). (이미지 출처: Microchip Technology)

게이트웨이 기판은 코어 기판과 부가적인 무선 통신 기판으로 구성되어 있습니다. 여기에는 LCD 스크린, 구성 데이터를 위한 SD 카드, 이더넷 연결, 안테나, 전체 대역 캡처 무선 통신 장치가 포함됩니다.

게이트웨이 기판은 전력과 통신을 제공하는 USB 케이블을 통해 호스트 PC에 접속됩니다. 또한 게이트웨이와 서버 간 통신을 위해 코어 기판과 PC의 근거리 통신망(LAN) 커넥터 사이에 이더넷 케이블이 연결됩니다.

Mote 개발 기판은 고유한 USB 연결을 통해 호스트 컴퓨터에 연결됩니다.

네트워크 평가 키트 소프트웨어

평가 키트 소프트웨어는 Microchip의 LoRa 개발 제품군으로 구성되어 있으며 DigiKey의 DV164140-2 제품 페이지에서 무료로 다운로드할 수 있습니다. Mac, Windows 또는 Linux 컴퓨터에 사용 가능한 이 제품군은 외부 네트워크 연결 없이 호스트 OS에서 실행되는, LoRaWAN 네트워크 서버의 로컬 버전을 설치합니다. 이 개발 제품군은 LoRa 네트워크를 쉽고 빠르게 테스트할 수 있는 독립적인 데모 네트워크를 생성합니다.

내부적으로, LoRa 개발 제품군은 컨테이너형 응용 제품을 실행하기 위한 오픈 소스 개발 플랫폼인 Docker를 사용합니다. Oracle Virtual Machine(VM)은 Docker를 통해 Windows, Mac 또는 Linux 환경에서 작동할 수 있습니다(그림 9). VM은 LoRa 평가 서버를 실행하는 Docker Engine을 호스트합니다. 이 평가 서버는 이더넷 포트를 통해 게이트웨이 기판과 통신하며 LoRa 링크를 통해 데이터를 RN 모듈에 전달합니다.

그림 9: LoRa 네트워크 평가 키트는 호스트 컴퓨터의 OS에서 실행되는 평가 LoRa 서버를 구현합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

LoRa 개발 유틸리티는 Java 애플리케이션 개발을 가능하게 하는 소프트웨어 도구 세트인 Java 실행 환경(JRE)에서 실행됩니다. 이 유틸리티를 사용하면 새로운 엔드 장치의 네트워크 스캔, 이러한 장치가 네트워크에 액세스할 수 있도록 허용, 새로운 애플리케이션 서버 생성, 네트워크 구성 같은 다양한 작업을 수행할 수 있습니다(그림 10).

그림 10: 평가 키트의 제품 페이지에서 다운로드할 수 있는 LoRa 개발 유틸리티는 네트워크 구성을 비롯한 여러 LoRa 평가 키트 기능을 제어합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

결론

LoRa 프로토콜은 장거리, 저전력, 저 데이터 전송률 통신에 대한 중요한 IoT 필요성을 충족합니다. 이 기사에서는 LoRa 물리층 및 이를 가능하게 하는 LoRaWAN 사양을 설명했습니다. 또한 여러 대상 응용 분야에서 설계자가 LoRa의 성능을 신속하게 평가할 수 있도록 도움을 주는 다양한 장치와 키트에 대해 설명했습니다.