LoRa , LoRaWAN의 정의와 특징
제가 다니고 있는 (주)첫눈의 가장 핵심 아이템인 IoT 통신 LoRa, LoRaWAN에 대해서 이야기해볼까 합니다. 저는 비개발자다 보니 제가 직접 글을 써야 좀 이해가 되더라고요. 제 공부할 겸 시간 날 때 틈틈이 작성해볼까 합니다.
국내에서는 2016년부터 SK가 LoRa 전국망 구축 등 공격적으로 LoRa 사업을 진행하였고, 덕분에 LoRa가 국내에 제법 알려졌습니다. 그 당시 기자였던 저는 SK LoRa 전국망 구축 간담회에 참석하면서 LoRa를 처음 접하게 됐지요. 그래서 그런지 SK텔레콤에서만 LoRa 사업을 하는 줄 아는 분들이 많드라고요. 이 글을 쓰면서도 찾아보니 나무위키나 블로그 등도 SKT만 한다고 적혀 있고 ㅎㅎ
SKT는 몇 가지 이유들 때문에(함부로 쓰진 못하겠네요) 이제는 거의 LoRa 사업을 명목상 유지하고 있는 상태고요. 전주에 위치한 첫눈이 전라도 및 경상도 위주로 LoRa 자가망 구축 및 서비스 제공 사업을 진행하고 있습니다. 판교에 있는 스파이어테크놀로지가 수도권 및 전국적으로도 활발하게 사업을 하고 있습니다.
그럼, 본격적으로 LoRa와 LoRaWAN에 대해서 알아보도록 합시다.
#LoRa
LoRa는 Long Range의 줄임말로, 장거리와 저전력이라는 두 가지 가장 큰 특징을 가진 무선 통신 기술로, CSS(Chirp Spread Spectrum) 기술에서 파생된 무선 변조 기술입니다. 돌고래와 박쥐는 초음파를 통해 대화를 하는데 이들이 대화하는 방식에서 아이디어를 얻어 유사한 펄스를 사용하여 전파 정보를 암호화한다고 하네요.
LoRa는 낮은 비트 전송률을 가지고 있어 적은 데이터를 전송하는 애플리케이션에 이상적입니다. 데이터 전송 속도는 0.3 Kbps - 50 Kbps 범위라, 텍스트 전송만 가능합니다. 보통 2~30초에 한번 상태값 데이터를 보내고 슬립 상태에 있다가 이벤트 상황 시 깨어나서 반복적으로 이벤트 데이터를 계속 보냅니다. 대부분 슬립 상태를 유지하기에 배터리 소모도 매우 적습니다.
LoRa는 와이파이, 블루투스, 지그비 등과 같은 기술에 비해 훨씬 긴 전송 범위를 가지고 있고, 이러한 장점으로 저전력 모드에서 작동하는 센서 및 액추에이터에 적합합니다.
LoRa의 특징 중 하나는 바로 비면허 주파수 대역을 쓴다는 건데요. 비면허 주파수이기에 공공은 물론 민간과 개인이 자유롭게 사용할 수 있습니다. 한국 같은 경우 무선 데이터 신호의 반사, 화질 및 충돌에 강한 920 Mhz 저주파수 대역을 사용합니다.
#LoRaWAN
LoRaWAN 구조 : Devices - Gateway - Network server - Application serverLoRaWAN은 LoRa 변조(modulation)를 기반으로 구축된 미디어 액세스 제어(MAC) 계층 프로토콜을 말합니다. 디바이스가 LoRa 하드웨어를 사용하는 방법(예 : 전송 시)과 메시지 형식을 정의하는 소프트웨어 계층을 의미합니다. LoRa는 무선 기술이고 이 LoRa 기술을 통해 네트워크망을 구축하는 걸 LoRaWAN이다라고 볼 수 있겠네요.
LoRaWAN 프로토콜은 LoRa Alliance라는 곳에서 개발되고 유지됩니다. LoRa Alliance는 LoRa를 지구 어디서나 표준에 맞게 사용하기 위한 다국적 기업 협의체입니다. LoRa를 개발한 Semtech, IBM, 시스코, 보쉬 등 유수 IT 기업이 회원사이며, 제가 다니고 있는 첫눈 역시 LoRa Alliance 회원으로 가입되어 있습니다. 게이트웨이는 LoRa Alliance 회원사에게만 정보가 공개되도록 규정되어 있습니다.
출처 : https://lora-alliance.org/#Bandwidth vs Range
LoRaWAN은 센서 데이터와 같은 작은 크기의 데이터를 장거리로 전송하는데 적합합니다. 단순 상태값과 상태값이 이상이 있을 때 이벤트를 주는 서비스에 이상적이죠. 주차 자리 알림, 화재 알림, CCTV 이상 상태, 침수 예방, 산사태 예방 등 아이디어만 있으면 다양하게 서비스 가능합니다. LoRa 변조는 다른 무선 통신 기술보다 낮은 대역폭으로 훨씬 더 넓은 통신 범위를 제공하는데요. 아래 그림은 무선 데이터 전송에 사용할 수 있는 전송 기술과 대역폭에 대한 예상 전송 범위를 보여줍니다.
# LoRaWAN 특징
LoRaWAN은 현재 약 173개국에서 서비스되고 있는데요. 2016년 말까지 50개국에 불과했었으나, 3배 이상 서비스 국가가 증가했습니다. Lora Alliance에 가입한 기업도 엄청 많아졌죠. NB-IoT 등 다른 통신 기술과는 어떠한 차이점과 장점이 있어서 이렇게 계속 늘어나고 있는 건지 하나하나 살펴보겠습니다.
초저전력(Ultra Low Power) : 최장 10년
LoRaWAN 디바이스는 저전력 모드에서 작동하는데 최적화되어 있습니다. 하나의 coin cell 배터리로 최장 10년을 지속할 수 있습니다. ISM 주파수 사용 규정에 따라 기기 출력이 10~25mW 이상을 넘지 않죠.
최장 10년이긴 하나 정기적으로 데이터를 계속 보내야 할 경우는 보통 5년 정도 이야기합니다.
장거리(Long Range) : 최장 15Km
LoRaWAN 게이트웨이는 농촌 지역에서는 10km 이상, 밀집 도시 지역에서는 최대 3km까지 신호를 송수신할 수 있습니다. 이 부분 역시 빌딩, 산 등 장애물 변수가 있기에 농촌 지역은 5km 정도, 도시 지역은 상황에 따라 1~1.5km 정도로 커버지리를 잡습니다. 또한, 음영 지역 등도 고려하고 겹쳐서 한 게이트웨이가 먹통이 되어도 다른 게이트웨이로 커버할 수 있도록 설계합니다.
ㅇㅇ 지자체 중계기 설치 커버지역 예상도깊은 실내 범위 커버(Deep Indoor Penetration)
LoRaWAN 네트워크는 깊은 실내 범위를 제공하며, 빌딩과 같은 다층 건물을 쉽게 커버할 수 있습니다.
비면허 주파수(License Free Spectrum)
LoRa를 사용하기 위해서 비싼 주파수 사용료를 지불할 필요 없습니다.
LoRa 한국 주파수는 920.9 to 923.3 MHz입니다.
지리적 위치정보(Geolocation)
LoRaWAN 네트워크는 GPS가 없어도 삼각측위를 통해 LoRa 장치의 위치를 알아낼 수 있습니다.
물론 삼각측위를 하려면 최소 3개의 게이트웨이를 설치해야겠죠.
대용량(High Capacity)
LoRaWAN 네트워크 서버는 이론적으로 수천 개의 게이트웨이에서 수백만 개의 메시지를 처리할 수 있다고 합니다. 한 개의 지자체를 커버하는데 100~200개 정도면 충분해서 한국에서는 서울이면 모를까 수천 개를 구축할 경우는 거의 없을 거 같네요.
공공 및 민간 효율적 구축(Public and Private Deployments)
LoRa 시스템은 구축이 용이합니다. LoRa 기술은 하드웨어(게이트웨이, LoRa 디바이스, 안테나 등)와 소프트웨어(UDP Packet forwarders, LoraWAN stacks 등) 개방형 IoT 표준을 사용하고 있고 응용 프로그램 간에 원활한 상호 작용을 지원하며 또한 신속하게 배포할 수 있습니다.
종단 보안(End to end security)
LoRaWAN 통신은 AES-128 암호화를 사용하여 서버와 디바이스 간의 안전한 통신을 보장하는데요.
AES는 대칭키 방식의 블록 암호 알고리즘으로, 100% 데이터 무결성 및 보안을 보장합니다.
원격 업데이트(Firmware Updates over the air)
하나의 장치든 여러 장치든 펌웨어를 무선을 통해 원격으로 업데이트 가능합니다.
로밍(Roaming)
LoRaWAN 디바이스는 한 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 핸드오버가 가능합니다.
저비용(Low Cost)
인프라 구축에 최소한 장치만 필요하고, 저렴한 센서 장치, 오픈소스 소프트웨어, 거기다 통신료도 무료입니다. 단, 네트워크와 애플리케이션 연동을 위해 인터넷과 연결이 필요해 첫눈에서는 게이트웨이 당 LTE 모뎀을 하나씩 달고 있습니다.
인증 프로그램(Certification Program)
LoRa Alliance 인증 프로그램은 장치를 인증하고 유저에게 해당 장치가 LoRaWAN 규격을 준수하고 있어 신뢰할 수 있음을 알 수 있습니다.
생태계(Eco System)
LoRaWAN은 센서 장치/게이트웨이/안테나/첫눈과 같은 네트워크 서비스 공급업체/상하수도 실시간 관리 시스템 등 애플리케이션 개발업체 등 LoRa와 관련된 다양한 업체들이 생태계를 이루고 협력하고 있습니다. 첫눈 역시 다른 외주 업체와 개발, 프로젝트 등을 협력하여 사업을 진행하고 있습니다.
