LoRaWAN이란 무엇입니까? [기술적 분석]

LoRaWAN을 사용하여 IoT 솔루션을 배포하는 것에 대해 생각하고 계십니까? 최근에 이 프로토콜(예:machineQ)에 대한 모멘텀 구축이 있었는데, 이는 공용 네트워크에 배포된 간단한 애플리케이션에 잘 작동합니다. 그러나 산업용 또는 기업용 사설 네트워크 솔루션을 개발하는 경우 이 기술에 몇 가지 제한 사항이 있음을 알아야 합니다(대부분의 경우 더 나은 서비스를 제공하는 대체 프로토콜).

개발자를 위한 LoRaWAN 게이트웨이 예시를 참조하세요.

이 기사에서는 다음을 자세히 살펴보겠습니다.

<울><울>

LoRa와 LoRaWAN의 차이점

LoRaWAN 작동 방식

LoRaWAN 클래스 A, B 및 C

처프율, 처리 이득 및 직교성

LoRaWAN을 통한 사설 네트워크 구축의 장벽

대체 솔루션:Symphony Link

LoRa와 LoRaWAN의 차이점

때때로 사람들은 LoRa 및 LoRaWAN 의미는 같지만 다릅니다.

로라 정보를 인코딩하기 위해 처프된 다중 기호 형식을 사용하는 무선 신호를 전송하는 방법입니다. 칩 제조업체 Semtech에서 만든 독점 시스템입니다. LoRa IP는 다른 칩 제조업체에도 라이선스가 부여됩니다. 기본적으로 이러한 칩은 무선 시스템을 구현하기 위해 코드를 작성할 필요 없이 LoRa(또는 FSK와 같은 다른 변조 유형)를 사용하여 무선 주파수를 비트로 변환할 수 있는 표준 ISM 대역 무선 칩입니다. LoRa는 광역 이외의 모든 종류의 응용 프로그램에서 사용할 수 있는 하위 수준의 물리 계층 기술입니다.

<강한> 로라완 Semtech의 LoRa 변조 방식을 사용하는 점대다점 네트워킹 프로토콜입니다. 그것은 단지 전파에 관한 것이 아닙니다. 무선 전파가 LoRaWAN 게이트웨이와 통신하여 암호화 및 식별과 같은 작업을 수행하는 방법에 관한 것입니다. 여기에는 여러 게이트웨이가 연결되는 클라우드 구성 요소도 포함됩니다. LoRaWAN은 한계로 인해 산업용(사설 네트워크) 애플리케이션에 거의 사용되지 않습니다.

사용 사례에 더 적합할 수 있는 또 다른 LoRa용 오픈 소스 프로토콜이 있습니다. LoRaWAN과 어떻게 비교되는지에 대한 명확한 설명을 보려면 이 백서를 다운로드하십시오.

LoRaWAN 작동 방식

가장 기본적인 수준에서 LoRaWAN과 같은 무선 프로토콜은 상당히 간단합니다. 스타 네트워크가 대화하는 방식은 강의에서 교수와 학생이 하는 것과 비슷합니다. 게이트웨이(교수)는 끝 노드(클래스)에게 말하고 그 반대도 마찬가지입니다. 이것은 의사 소통의 측면에서 비대칭 관계입니다. 학급의 모든 사람이 동시에 교수와 의사 소통을 시도할 수 있지만 교수는 한 번에 모든 것을 듣거나 이해할 수 없습니다. 극도로 지나치게 단순화되었지만 스타 토폴로지의 많은 요소는 이 비유로 되돌아갑니다.

개발자를 위한 LoRaWAN 게이트웨이 예시를 참조하십시오.

실제 모습은 다음과 같습니다. 예를 들어 게이트웨이 4개와 노드 1개가 있다고 가정해 보겠습니다. 노드는 맹목적으로 무선 스펙트럼으로 전송하고 전송을 들을 만큼 운이 좋은 게이트웨이는 이를 가져와 클라우드로 보낼 수 있습니다. 4개의 게이트웨이 모두가 해당 메시지를 듣고 보낼 수 있습니다. (이것의 한 가지 장점:링크가 매우 약한 경우에도 메시지를 계속 전송할 수 있습니다. 노드가 5개의 메시지를 전송하고 하나만 전송하면 메시지가 여전히 통과한 것입니다.)

메시지가 전달되면 수신 확인이 없습니다. 그러나 LoRaWAN의 노드는 할 수 있습니다. 확인을 요청합니다. 승인이 요청되고 4개의 게이트웨이가 모두 동일한 메시지를 선택하면 클라우드는 고정된 시간(보통 몇 초 후)에 응답할 하나의 게이트웨이를 선택합니다. 그렇다면 문제는 다음과 같습니다. 해당 게이트웨이가 노드로 다시 전송할 때 다른 모든 것을 수신하지 않습니다. 따라서 애플리케이션에 많은 승인이 필요한 경우 수신 대기보다 승인을 전송하는 데 더 많은 시간을 할애하여 결국 네트워크 붕괴로 이어집니다.

위의 다이어그램은 LoRaWAN이 작동하는 방식을 보여줍니다. 상단 표시줄은 게이트웨이가 전송 중인지 여부를 나타냅니다. (주황색이면 전송 중이고 파란색이면 전송 중이 아닙니다.) 하단의 막대는 수신기 채널을 나타냅니다. LoRaWAN을 포함한 거의 모든 LPWAN 시스템에는 다중 수신 채널이 있으며, 대부분의 LoRaWAN 시스템은 여러 주파수 채널에서 동시에 8개의 메시지를 수신할 수 있습니다.

LoRaWAN 클래스 A, B 및 C

LoRaWAN에는 동시에 작동하는 세 가지 클래스가 있습니다. 클래스 A는 순수 ALOHA 시스템이라고 하는 순수 비동기식입니다. 즉, 엔드 노드는 게이트웨이와 통신할 특정 시간을 기다리지 않고 필요할 때마다 전송하고 그때까지 휴면 상태로 있습니다. 8개 채널에 걸쳐 완벽하게 조정된 시스템이 있다면 모든 시간대를 메시지로 채울 수 있습니다. 한 노드가 전송을 완료하자마자 다른 노드가 즉시 시작됩니다. 통신에 공백이 없으면 순수 알로하 네트워크의 이론상 최대 용량은 이 최대값의 약 18.4%입니다. 이것은 한 노드가 전송 중이고 다른 노드가 깨어나서 동일한 무선 설정으로 동일한 주파수 채널에서 전송하기로 결정하면 충돌하기 때문에 주로 충돌로 인한 것입니다.

클래스 B를 사용하면 배터리로 작동되는 노드로 메시지를 보낼 수 있습니다. 게이트웨이는 128초마다 비콘을 전송합니다. (다이어그램 상단의 타임 슬롯을 참조하십시오.) 모든 LoRaWAN 기지국은 초당 1펄스(1PPS)의 슬레이브이기 때문에 정확히 동시에 비컨 메시지를 전송합니다. 이것은 궤도에 있는 모든 GPS 위성이 매초 초에 메시지를 전송하여 전 세계에서 시간을 동기화할 수 있음을 의미합니다. 모든 클래스 B 노드에는 128초 주기 내에서 시간 슬롯이 할당되고 언제 들어야 하는지 알려줍니다. 예를 들어, 노드에 매 10번째 시간 슬롯을 수신하도록 지시할 수 있으며 이것이 올 때 다운링크 메시지가 전송되도록 허용합니다(위 다이어그램 참조).

클래스 C를 사용하면 노드가 지속적으로 수신 대기하고 언제든지 다운링크 메시지를 보낼 수 있습니다. 항상 수신기를 실행하면서 노드를 활성 상태로 유지하는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 이것은 주로 AC 전원 애플리케이션에 사용됩니다.

처프율, 처리 이득 및 직교성

참고:LoRaWAN에서 SF(확산 계수)는 처프 속도를 나타냅니다. 이 그래프는 시간 경과에 따른 LoRa 처프 변조를 보여줍니다. 동일한 주파수 채널에서 다른 SF를 동시에 디코딩할 수 있습니다.

LoRa는 매우 선형적인 방식으로 시간이 지남에 따라 RF 톤을 이동하여 작동합니다. 이 그래프는 리버스 워터폴의 짹짹거리는 소리를 보여줍니다. 최신 데이터가 맨 위에 있으며 이를 "위쪽 짹짹"이라고 합니다. 이 톤의 주파수가 시간이 지남에 따라 어떻게 증가하는지 알 수 있습니다. LoRa 전송은 짹짹 소리를 내며 작동하여 기호를 인코딩하기 위해 시간과 주파수 측면에서 칩을 서로 다른 위치에서 깨뜨립니다. LoRa 전송이 특정 시간에 한 위치에서 다른 위치로 점프한다는 사실은 하나의 비트 문자열과 다른 비트 스트링을 의미할 수 있습니다. 단순히 이진법이 아니라 전달할 수 있는 정보가 많습니다(높은 기호 깊이).

잠시 동안 순수한 주파수 편이 방식(FSK)을 생각해 보십시오. 톤이 한동안 정지했다가 잠시 동안 다른 곳으로 점프하면 다른 선 또는 톤을 볼 수 있습니다. 이를 2진 FSK라고 하며 두 개의 주파수 기호를 나타냅니다. M-ary FSK에는 더 많은 기호를 나타낼 수 있는 다중 주파수 톤이 있습니다. LoRa는 이 개념을 채택했지만 모든 작업을 짹짹거리는 소리로 수행합니다. 따라서 처리 이득을 얻고 있습니다. 매우 독특한 패턴을 가지고 있기 때문에 LoRa 수신기는 노이즈 플로어 아래에서 더 조용한 짹짹 소리를 감지할 수 있습니다. 동일한 채널에서 다른 처프 속도로 다른 전송이 발생하는 경우 이는 직교입니다. 즉, 동시에 감지될 수 있습니다. 그렇긴 해도 수신 측에는 많은 용량이 있습니다.

LoRaWAN을 사용한 사설 네트워크 구축의 장벽

LoRaWAN은 일부 응용 프로그램에서 잘 작동하지만 고객 배포(사설 네트워크라고도 함) 솔루션에는 가장 적합하지 않습니다. 그 주된 이유는 다음과 같습니다.

<울><울> <리>

여러 게이트웨이의 공존은 간섭을 허용합니다. LoRaWAN을 사용하면 누가 소유하거나 운영하는지에 관계없이 모든 게이트웨이가 동일한 주파수로 조정됩니다. 즉, LoRaWAN 네트워크가 내 모든 트래픽을 보고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 충돌 문제를 방지하려면 단일 영역에서 하나의 네트워크만 작동하는 것이 좋습니다.

그러나 LoRa Alliance를 통해 특정 용도를 위해 특정 채널을 따로 설정할 수 있습니다. 네트워크 사업자가 서버 측에서 네트워크의 다운링크 양을 제한하여 우선순위가 낮은 엔드포인트가 다운링크 트래픽으로 네트워크를 "막히지" 않도록 할 수도 있습니다.

<울>

메시지 수신을 보장하지 않습니다. LoRaWAN은 50% 이상의 패킷 오류율(PER)이 일반적인 비동기식 ALOHA 기반 프로토콜입니다. 이것은 일부 검침 응용 프로그램에는 문제가 없지만 산업 또는 기업 센서 네트워크 또는 제어 시스템의 경우 0% PER이 요구 사항입니다. 메시지 전달의 "분무 및 기도" 방식은 대부분의 산업 사용 사례에 적합하지 않으므로 LoRaWAN이 업링크 중심 네트워크에 가장 적합합니다.

<울>

상당한 양의 개발 작업이 필요합니다. 고객이 직면한 또 다른 문제는 LoRaWAN이 기본적으로 네트워크 계층(OSI 계층 3)의 일부 요소만 있는 데이터 링크(MAC) 계층(OSI 계층 2)이라는 것입니다. 현재로서는 종단 간 LoRaWAN 솔루션을 제공하는 공급업체가 없습니다. 대신 노드, 게이트웨이, 백엔드 서버 및 에코시스템의 다른 모든 부분을 별도로 구입하려면 여러 공급업체와 협력해야 합니다. 이렇게 하면 응용 프로그램에서 많은 유연성을 얻을 수 있지만 응용 프로그램 개발자는 완전한 제품 제공을 생성하기 위해 많은 작업을 해야 합니다. 여기에는 패킷화, 다운링크 제어, 멀티캐스트 등이 포함됩니다.

<울>

듀티 사이클 제한이 있습니다. 공용 네트워크의 868MHz 대역에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 유럽에서 주요 제한은 1% 듀티 사이클(대부분의 경우)입니다. 이는 게이트웨이가 시간에 따라 전송하는 평균 시간을 측정하는 경우 1%를 초과할 수 없음을 의미합니다. 이 때문에 게이트웨이가 전송할 수 있는 양은 상당히 제한적입니다. 미국에서는 ISM 대역에 대한 FCC 규정에 이러한 제한이 없습니다.

<울> <리>

최대 전송 단위(MTU) 페이로드 크기가 가변적입니다. LoRaWAN의 또 다른 큰 한계는 MTU 페이로드 크기가 네트워크가 노드에 할당하는 확산 요인에 따라 가변적이라는 것입니다. 다시 말해, 게이트웨이에서 멀리 떨어져 있으면 전송할 수 있는 바이트 수가 적지만 가까우면 훨씬 더 큽니다. 당신은 단순히 그것을 미리 알 수 없습니다. 따라서 노드 펌웨어 또는 애플리케이션은 애플리케이션 계층에서 페이로드 측의 변경 사항을 수용할 수 있어야 하며, 이는 펌웨어를 개발할 때 매우 어려운 일입니다.

대부분의 개발자는 네트워크가 할당할 수 있는 가장 높은 확산 계수에서 사용 가능한 가장 작은 MTU를 선택하여 이 문제를 해결합니다. 대부분의 경우 12바이트 미만인 매우 작습니다. 따라서 예를 들어 300바이트와 같이 더 많은 양의 데이터를 전송해야 하는 LoRaWAN 노드는 작은 MTU가 할당되는 상황에 직면할 수 있기 때문에 30개의 10바이트 메시지로 전송해야 합니다. 결과적으로 이러한 노드는 이러한 변화하는 MTU 값을 처리하는 데 필요한 복잡한 소프트웨어 변경으로 인해 필요한 것보다 훨씬 더 많이 전송합니다.

통신 사업자 소유 및 운영 공용 네트워크를 구축하려는 경우 LoRaWAN이 좋습니다. 이 분야에서 많은 하드웨어 및 네트워크 서버 제공업체가 경쟁하고 있으므로 선택의 폭이 넓습니다. 그리고 노드가 많지 않고 승인이 많이 필요하지 않은 간단한 애플리케이션의 경우 LoRaWAN이 작동합니다. 그러나 요구 사항이 더 복잡하면 필연적으로 심각한 장애물에 부딪힐 것입니다. 많은 LoRaWAN 사용자는 네트워크가 여전히 작기 때문에 이러한 장애물을 아직 경험하지 못했습니다. 수천 명의 사용자가 서로 다른 작업을 수행하는 공용 네트워크를 운영하기 위해 LoRaWAN을 사용해 보십시오. 그러면 어려움은 확실히 치솟을 것입니다.

또한 LoRaWAN을 중심으로 시스템을 개발하고 배포하는 것은 복잡한 프로세스입니다. 우리가 이 기사를 쓴 이유 중 하나는 LoRaWAN이 일부 WiFi 또는 셀룰러 모뎀처럼 "즉시 작동"한다는 인상을 받고 우리에게 접근하는 고객이 있기 때문입니다. 가장 적합한 경로를 결정하기 전에 모든 아키텍처를 이해하고 시스템이 어떻게 작동하는지 잘 이해하고 싶을 것입니다.

대체 솔루션:Symphony Link

Symphony Link는 Link Labs에서 개발한 대체 LoRa 프로토콜 스택입니다. LoRaWAN의 한계를 해결하고 대부분의 조직이 IoT 솔루션을 성공적으로 배포하는 데 필요한 고급 기능을 제공하기 위해 Semtech의 칩 위에 자체 소프트웨어를 구축했습니다. 일부 고급 기능은 다음과 같습니다.

• 양방향 링크 100% 보장된 메시지 수신을 위해. 노드와 게이트웨이는 상하로 안정적으로 통신할 수 있습니다.
• 게이트웨이에서 제어하는 ​​동적 채널 마스크를 사용하므로 여러 게이트웨이가 공존할 수 있습니다. 가능한 한 적은 충돌로. 최대 48개의 게이트웨이가 성능에 영향을 미치지 않고 공존할 수 있습니다.
• 듀티 사이클 제한이 없습니다. , 유럽에서는 Symphony Link가 900MhZ 대역을 사용하기 때문입니다.
• Symphony Link는 LoRaWAN보다 용량이 더 큽니다. , 고정 MTU가 256바이트입니다. 모든 하위 패킷화를 처리하고 배달을 보장하기 위해 필요할 때 메시지 전송을 재시도합니다.
• Symphony Link는 완벽한 종단 간 IoT 솔루션입니다. 바로 작동합니다. LoRaWAN보다 더 빠르게 애플리케이션을 시작하고 실행할 수 있습니다.

기업이 Symphony Link를 선택하는 데에는 다른 많은 이유가 있습니다. 당신은 우리 웹사이트에서 그것에 대해 더 읽을 수 있습니다. 또는 특정 사용 사례에 대해 Symphony Link가 어떻게 작동하는지 확인하려면 지금 기술의 무료 데모를 예약하십시오. LPWA에서 어떻게 작동하는지 보여드리겠습니다. Symphony Conductor에서 게이트웨이 및 개발 키트를 설정하는 방법 통합 단계, 전력 예산 및 범위를 검토합니다. 또는 기술에 대해 궁금한 점이 있으면 연락해 주세요.