LoRaWAN 사용 사례 및 고려 사항

중요 사항: Link Labs는 고신뢰성 산업 및 기업 사용 사례에 중점을 둔 LoRa의 대체 프로토콜인 Symphony Link의 제조업체입니다. 아래에서 자세히 알아보세요.

LoRaWAN과 이상적인 사용 사례 및 제한 사항을 이해하려면 약간의 역사를 이해하는 것이 중요합니다. LoRaWAN(당시 LoRaMAC이라고 함)은 Semtech(LoRa PHY IP의 단독 소유자)가 IBM Research와 협력하여 개발했습니다(그들은 이후 프로젝트를 떠났습니다). 프로토콜이 설계되었을 때의 가정은 다음과 같습니다.

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이동통신사 네트워크에서 사용

통합된 단일 네트워크에서

868MHz 주파수 비면허 대역

결과 프로토콜에는 다음이 포함되므로 이는 중요한 가정입니다.

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1% 듀티 사이클 제한(모든 송신기와 게이트웨이 모두에 대해)

공통 주파수 채널 맵

클라우드에서만 MAC(레이어 2) 처리

특히 게이트웨이에 대한 1% 듀티 사이클 제한을 지원하려면 다음과 같은 절충안이 필요합니다.

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거의 모든 업링크 메시지가 확인되지 않음

범위 내의 모든 게이트웨이는 모든 업링크 트래픽을 봅니다.

모든 암호화는 고정 키를 사용하여 처리됩니다.

모든 업링크 메시지는 승인되지 않고 조정되지 않기 때문에 LoRaWAN은 "순수 알로하" 체계로 간주됩니다. 이러한 네트워크의 효율성은 약 18%입니다. 이는 LoRaWAN 네트워크가 완전히 활용될 때 패킷의 82%가 손실된다는 것을 의미합니다. 대부분의 메시지가 확인되지 않았으므로 끝 노드는 해당 메시지가 누락되었음을 알지 못합니다. 이를 방지하기 위해 일부 사용자는 더 자주 전송하여 문제를 악화시킬 수 있습니다. Aloha Networks에 대한 이해하기 쉬운 게시물을 읽으십시오.

이 시스템에 승인이 추가되면 효율성은 더욱 떨어집니다. 기지국이 송신할 때마다 들을 수 없기 때문이다. 엔드 노드는 게이트웨이가 자신을 들을 수 없다는 것을 모릅니다. 게이트웨이는 시간의 1%만 전송할 수 있으므로 이로 인해 약 1.65%의 추가 패킷 손실만 발생합니다.

또한 다른 사람이 LoRaWAN 네트워크를 사용하는 경우 모든 트래픽도 귀하의 용량에 합산됩니다. 이는 모든 게이트웨이가 동일한 공통 주파수에 맞춰져 있기 때문입니다.

LoRaWAN에 대한 또 다른 중요한 고려 사항은 근거리/원거리 문제입니다. LoRa는 20-30dB의 동일 채널 동적 범위를 가지므로 게이트웨이에 가까운 노드는 멀리 있는 노드를 익사시킵니다. 여러 게이트웨이가 범위 내에 있기 때문에 대규모 MNO 네트워크에서는 문제가 되지 않습니다.

Things Network의 친구들은 LoRaWAN 제한 사항에 대해서도 이 부분을 정리했습니다.

LoRaWAN의 이상적인 사용 사례는 다음과 같습니다.

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간헐적으로 전송해야 하는 간단한 센서

5-85%의 데이터 누락은 정상입니다.

이 기기를 제어할 수 있는 능력이 거의 없음

무선으로 기기 펌웨어를 업데이트할 수 없음

수십 개에서 수백 개에 배포

모든 노드를 포괄하는 여러 게이트웨이 배포 가능

일부 자동 검침은 LoRaWAN의 좋은 사용 사례의 좋은 예입니다. 판독값을 업데이트하는 측정기의 경우(예:시간당 한 번) 일부 판독값이 통과하기만 하면 일부 판독값을 놓치더라도 문제가 되지 않습니다.

Symphony Link는 이러한 많은 문제를 해결합니다. 방법은 다음과 같습니다.

1. 프레이밍: 게이트웨이는 사용 가능한 업링크 채널과 업링크 창이 열리는 시점에 대한 정보가 포함된 프레임 헤더를 2초마다 전송합니다.

2. 압축된 승인: Symphony Link에서는 기본적으로 모든 업링크 메시지가 확인됩니다. 이를 달성하기 위해 모든 승인은 모든 노드(방금 전송된)가 수신하는 하나의 압축된 메시지로 함께 혼합됩니다.

3. 가변 업링크/다운링크 타임슬롯팅: 게이트웨이는 대기 중인 다운링크 트래픽을 기반으로 전송해야 하는 시간을 결정합니다. 다운링크 창이 완료되면 노드에 알려 게이트웨이가 수신하지 않을 때 노드가 전송하지 않도록 합니다.

4. 업링크 타임슬롯팅: 동기 프레이밍으로 인해 업링크 창에 슬롯이 지정되어 약 100% 더 많은 용량을 추가합니다. 이것은 각 전송 전에 가변 CSMA 창을 추가하여 더욱 증가합니다.

5. 가변 전력 및 확산 계수: 종단 노드는 게이트웨이의 프레이밍 메시지의 RSSI를 수신하고 링크와 설정 가능한 마진 계수를 일치시키기 위해 전력 및 확산 계수를 동적으로 조정합니다. 이는 용량을 최대화하고 빠른 페이딩을 완화하며 위에서 언급한 근거리/원거리 문제를 방지합니다.

6. 서비스 품질: 노드는 게이트웨이에 QOS 계수(0-15)를 등록하고 이는 각 프레임의 채널에 액세스하는 기능을 제한합니다. 또한 혼잡 시 게이트웨이가 업링크를 제한하는 방법을 제공합니다.

7. 멀티캐스팅: 노드 그룹을 멀티캐스트 그룹에 할당하면 제어 및 파일 스트리밍에 필요한 다운링크 양이 제한됩니다.

8. 고정 256바이트 MTU: 12바이트는 대부분의 애플리케이션에서 너무 작습니다. Symphony Link는 고정된 256바이트 MTU를 제공하고 모든 하위 패킷화(SF에 의한)를 처리하고 MAC 계층에서 재시도합니다.

9. 무선 펌웨어: Symphony Link의 강력한 멀티캐스트 기능으로 인해 펌웨어 파일을 노드로 보낼 수 있습니다.

10. PKI 기반 세션 AES 키: Symphony Link는 고정 키 암호화를 사용하지 않습니다. 모든 노드는 서버에서 제공하는 노드 공개 키와 함께 Diffie-Helmann을 사용하여 보안 AES 세션을 설정했습니다. 이것은 업계에서 가장 안전한 채널 암호화 방식으로 알려져 있습니다.

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