LoRaWAN이란? 기술적 심층 분석

IoT 배포를 위해 LoRaWAN을 평가 중이라면 그 강점과 한계를 이해하는 것이 필수적입니다. 최근 프로토콜이 주목받고 있습니다(machineQ 사례 연구 참조) - 공공 네트워크에서 단순 애플리케이션에는 잘 작동함을 입증했습니다. 그러나 사설, 산업, 기업 배포의 경우 성능을 저해할 수 있는 몇 가지 중요한 제약이 발생합니다.

개발자용 LoRaWAN 게이트웨이 예시 참조.

이 글에서는 다음을 살펴봅니다:

• LoRa와 LoRaWAN의 차이
• LoRaWAN 작동 원리
• LoRaWAN 클래스 A, B, C
• 칩 레이트, 처리 이득, 직교성
• LoRaWAN으로 사설 네트워크 구축 시 장벽
• 대안 솔루션: 심포니 링크(Symphony Link)

LoRa와 LoRaWAN의 차이

많은 사람이 LoRa와 LoRaWAN을 혼동하지만, 서로 다른 목적을 가집니다. LoRa는 Semtech가 만든 독점 물리 계층 변조 방식입니다. 개발자가 저수준 무선 코드를 작성하지 않아도 무선 신호를 비트로 변환하는 칩드 멀티심볼 방식입니다. LoRa는 LPWAN을 넘어 다양한 기기에 내장될 수 있는 유연한 기술입니다.

LoRaWAN은 LoRa 위에 구축된 포인트-투-멀티포인트 네트워킹 스택입니다. 게이트웨이와 엔드 노드가 암호화된 인증 메시지를 교환하고, 듀티 사이클을 관리하며, 클라우드 백엔드에 연결하는 방식을 정의합니다. LoRaWAN은 공공 네트워크에서 인기가 있지만, 그 설계는 사설 산업 배포에 최적화되어 있지 않습니다.

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LoRaWAN 작동 원리

핵심적으로 LoRaWAN은 스타 토폴로지를 따릅니다: 게이트웨이가 중앙 수신자이자 업링크 송신자 역할을 하고, 엔드 노드는 자신을 들을 수 있는 모든 게이트웨이로 브로드캐스트합니다. 교수(게이트웨이)가 반 전체(노드)에게 말하는 교실을 상상해 보세요. 하지만 학생들은 교수가 지명할 때만 대답할 수 있습니다. 네트워크는 비대칭적이며, 대부분의 트래픽이 노드에서 게이트웨이로 흐릅니다.

개발자용 LoRaWAN 게이트웨이 예시 참조.

실제로 노드는 미리 정해진 주파수 대역에서 메시지를 전송합니다. 패킷을 포착한 게이트웨이는 클라우드로 전달합니다. 여러 게이트웨이가 같은 메시지를 수신할 수 있어 신뢰성이 향상됩니다. 한 링크가 약해도 다른 링크가 성공할 수 있기 때문입니다. 그러나 LoRaWAN은 모든 패킷을 확인(ACK)하지 않습니다. 노드는 ACK를 요청할 수 있고, 둘 이상의 게이트웨이가 전송을 수신하면 클라우드가 짧은 고정 지연 후 응답할 게이트웨이를 선택합니다. 이 응답 동안 게이트웨이는 수신을 멈추므로, 확인이 빈번하면 다운스트림 트래픽 손실이 발생할 수 있습니다.

다이어그램은 게이트웨이 활동을 보여줍니다: 주황색 막대는 전송 기간, 파란색 막대는 수신 기간을 나타냅니다. LoRaWAN은 최대 8개의 동시 수신 채널을 지원해 노드가 여러 주파수로 전송할 수 있게 합니다.

LoRaWAN 클래스 A, B, C

LoRaWAN은 전력 소모, 지연 시간, 대역폭을 균형 있게 조정하는 세 가지 기기 클래스를 정의합니다:

• 클래스 A – 순수 비동기(알로하). 데이터가 있을 때 노드가 전송하고 각 업링크 후 두 개의 짧은 수신 윈도우를 엽니다. 드문 통신을 하는 저전력 배터리 구동 기기에 이상적.
• 클래스 B – 비콘 구동. 128초마다 게이트웨이가 비콘을 브로드캐스트해 모든 클래스 B 노드를 동기화합니다. 노드에 다운링크용 특정 시간 슬롯이 할당돼 저전력을 유지하면서 예약 통신 가능.
• 클래스 C – 지속적 수신. 노드가 대부분의 시간 수신기를 켜둬 즉각적인 다운링크를 허용하지만 더 많은 전력을 소모합니다. 메인 전원 기기로 근실시간 제어가 필요한 경우에 적합.

칩 레이트, 처리 이득, 직교성

LoRa에서 스프레딩 팩터(SF)는 칩 레이트, 즉 캐리어 주파수가 대역을 휩쓸어가는 속도를 정의합니다. 높은 SF는 더 느린 칩을 생성해 더 높은 처리 이득과 더 긴 범위를 제공하지만 데이터 레이트는 낮아집니다. 다른 SF들은 동일한 주파수 채널에서 공존할 수 있는데, 이들이 직교적이기 때문입니다: 수신기는 간섭 없이 이들을 구별할 수 있습니다. 이 직교성이 LoRa가 단일 채널에서 많은 기기를 지원하는 기반입니다.

LoRaWAN으로 사설 네트워크 구축 시 장벽

LoRaWAN은 공공 네트워크에서 뛰어나지만, 그 아키텍처는 사설 기업 배포에 과제를 안깁니다:

• 공유 스펙트럼으로 인한 간섭. 소유권과 관계없이 모든 게이트웨이가 동일한 채널에서 작동해 잠재적 충돌 발생. LoRa Alliance가 전용 채널을 지정할 수 있지만, 지역 내 다중 네트워크의 실질적 공존은 여전히 문제.
• 신뢰할 수 없는 전달. LoRaWAN의 알로하 기반 MAC은 혼잡 환경에서 50% 이상의 패킷 오류율을 겪을 수 있습니다. 0% PER을 요구하는 산업 애플리케이션에는 용납 불가.
• 파편화된 생태계. LoRaWAN은 MAC 계층만 다루며, 벤더가 칩, 게이트웨이, 백엔드, 애플리케이션 계층을 직접 통합해야 합니다. 개발 시간과 복잡성 증가.
• 듀티 사이클 제한. 유럽 868MHz 대역에서 게이트웨이는 1% 듀티 사이클로 제한돼 업링크 트래픽이 제한됩니다. 미국 ISM 대역에는 그런 제한이 없지만, 다국가 배포 시 고려사항으로 남습니다.
• 가변 MTU. 페이로드 크기는 네트워크가 할당한 SF에 따라 달라지며, 거리와 채널 조건에 따라 변경될 수 있습니다. 노드는 예측 불가능한 MTU 제한에 적응해야 하므로 종종 최소 크기(<12바이트)를 기본으로 사용. 이 단편화는 더 큰 페이로드에 필요한 전송 횟수를 늘립니다.

LoRaWAN은 저밀도, 저지연 공공 네트워크에 적합합니다. 수천 대 기기로 확장하며 까다로운 신뢰성이나 지연 요건이 있을 때, 앞서 언급한 제약이 상당한 병목이 됩니다.

대안 솔루션: 심포니 링크(Symphony Link)

심포니 링크는 Link Labs가 개발한 독점 LoRa 기반 스택으로, LoRaWAN의 단점을 해결하도록 설계되었습니다. 주요 장점:

• 양방향, 보장된 전달. ACK가 필수이며, 업링크와 다운링크 모두 100% 메시지 수신 보장.
• 동적 채널 마스킹. 게이트웨이가 채널 할당을 제어해 최대 48개 게이트웨이가 최소 충돌로 공존 가능.
• 듀티 사이클 제한 없음. 900MHz 대역(유럽)에서 작동해 1% 듀티 사이클 제한 제거.
• 고정 256바이트 MTU. 일관된 페이로드 크기로 단편화 오버헤드 제거, 펌웨어 설계 단순화.
• 엔드투엔드 솔루션. 칩부터 게이트웨이, 클라우드까지 스택이 바로 사용 가능해 통합 노력과 시장 출시 시간 단축.

웹사이트에서 자세히 알아보거나 무료 데모를 예약해 Symphony Link가 귀사의 특정 LPWA 요구사항(게이트웨이 설정, 개발 키트 통합, 전력 예산, 범위 성능)을 어떻게 충족하는지 확인하세요.