- LoRa의 특징
- LoRaWAN
- LoRaWAN 네트워크 아키텍처
- 1. 최종 장치
- 2. 게이트웨이
- 3. 네트워크 서버
- 4. 애플리케이션 서버
- LoRaWAN 보안 및 개인 정보
- LoRAWAN의 주요 기능
- LoRa의 장점
커뮤니케이션은 모든 IoT 프로젝트에서 가장 중요한 부분 중 하나입니다. 사물이 다른 "사물"(장치 클라우드 / 서버)과 통신 할 수있는 능력은 "사물"에 "인터넷"을 이름에 연결할 수있는 권한을 부여합니다. 수많은 통신 프로토콜이 존재하지만 각 프로토콜에는 IoT 애플리케이션에 "완전히 적합하지 않은"한 가지가 부족합니다. 주요 문제는 전력 소비, 범위 / 범위 및 대역폭입니다.
Zigbee, BLE, WiFi와 같은 대부분의 통신 라디오는 근거리에 있고 3G 및 LTE와 같은 다른 통신 라디오는 전력이 부족하며 특히 개발 도상국에서는 적용 범위 범위를 보장 할 수 없습니다. 이러한 프로토콜과 통신 모드는 특정 프로젝트에서 작동하지만 다음과 같은 광범위한 제한이 있습니다. 셀룰러 (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) 커버리지가없는 영역에서 IoT 솔루션을 배포하는 데 어려움이 있으며 장치의 배터리 수명이 크게 감소합니다. 따라서 IoT의 미래와 모든 종류의 장소에 위치한 모든 종류의 "사물"의 연결을 구상하면서 특히 저전력, 상당히 긴 범위의 요구 사항을 지원하는 IoT 맞춤형 통신 매체가 필요했습니다., 저렴하고 안전하며 배포하기 쉽습니다. 이것이 LoRa 가 들어오는 곳 입니다.
LoRa (Long Range의 약자)는 초 저전력 소비와 효과적인 장거리 를 결합한 특허받은 무선 통신 기술입니다. 범위는 환경과 가능한 장애물 (LOS 또는 N-LOS)에 따라 크게 달라 지지만 LoRa 의 범위는 일반적으로 13 ~ 15Km 입니다. 즉, 단일 LoRa 게이트웨이 가 전체 도시에 대한 커버리지를 제공 할 수 있으며 두 개는 전체 국가. 이 기술은 프랑스의 Cycleo에 의해 개발되었으며 2012 년 Semtech에 인수되었을 때 두드러졌습니다. 우리는 Arduino 및 Raspberry Pi 와 함께 LoRa 모듈을 사용 했으며 예상대로 작동했습니다.
LoRa의 특징
LoRa 라디오는 장거리 유효 전력과 저렴한 비용을 달성하는 데 도움이되는 몇 가지 기능으로 구성됩니다. 이러한 기능 중 일부는 다음과 같습니다.
- 변조 기법
- 회수
- 적응 형 데이터 속도
- 적응 형 전력 수준
조정
Lora 무선 장치는 처프 확산 스펙트럼 변조 기술을 사용하여 상당히 높은 통신 범위를 달성하는 동시에 FSK 변조 물리 계층 기반 무선 장치와 유사한 저전력 특성을 유지합니다. 처프 확산 스펙트럼 변조는 한동안 군사 및 우주 통신 응용 분야에서 사용되었지만 LoRa는 변조 기술의 최초의 저비용 상용 응용 프로그램을 제시합니다.
회수
LoRa 기술은 주파수에 구애받지 않지만 LoRa 라디오 간의 통신은 전 세계에서 사용할 수있는 라이선스가없는 Sub-GHz 라디오 주파수 대역을 사용하여 이루어집니다. 이러한 주파수는 지역마다 다르며 종종 국가마다 다릅니다. 예를 들어 868MHz는 유럽에서 LoRa 통신에 일반적으로 사용되는 반면 915MHz는 북미에서 사용됩니다. 주파수에 관계없이 LoRa는 기술에 큰 변화없이 사용할 수 있습니다.
다른 국가의 LoRa 주파수 대역
2.4 또는 5.8GHz ISM 대역을 기반으로하는 WiFi와 같은 통신 모듈보다 낮은 주파수를 사용하면 특히 NLOS 상황에서 훨씬 더 넓은 커버리지 영역을 사용할 수 있습니다.
라이센스가없는 대역을 사용하려면 일부 국가에서 여전히 권한이 필요하다는 점에 유의해야합니다.
적응 형 데이터 속도
LoRa는 가변 대역폭과 확산 계수 (SF7-SF12)의 조합을 사용하여 전송 범위와 균형을 이루는 데이터 속도를 조정합니다. 확산 계수가 높을수록 데이터 속도는 낮아 지지만 범위는 더 길어지며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 대역폭과 확산 인자의 조합은 링크 상태와 전송할 데이터 수준에 따라 선택할 수 있습니다. 따라서 확산 계수가 높을수록 주어진 대역폭에 대한 전송 성능과 감도가 향상되지만 데이터 속도가 낮아 전송 시간도 늘어납니다. 18bps에서 최대 40Kbp까지 다양 할 수 있습니다.
적응 형 전력 수준
LoRa 라디오에서 사용하는 전력 수준은 적응 형입니다. 데이터 속도 및 링크 조건과 같은 요인에 따라 다릅니다. 빠른 전송이 필요한 경우 전송 된 전력은 최대 값에 가깝게 밀려 나고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 배터리 수명이 최대화되고 네트워크 용량이 유지됩니다. 전력 소비는 다른 여러 요인 중에서도 장치 등급에 따라 달라집니다.
LoRaWAN
LoRaWAN은 LoRa Alliance 에서 LoRa 기반 IoT 솔루션 을 위해 설계된 고용량, 장거리, 개방형 LPWAN (Low Power Wide Area Network) 표준입니다. LoRa 기술의 모든 기능을 최대한 활용하여 안정적인 메시지 전달, 종단 간 보안, 위치 및 멀티 캐스트 기능을 포함한 서비스를 제공하는 양방향 프로토콜입니다. 이 표준은 전 세계적으로 다양한 LoRaWAN 네트워크의 상호 운용성을 보장합니다.
사람들이 LoRa 및 LoRaWAN 을 정의 하려고 할 때 일반적으로 혼합이 발생합니다. 이는 아마도 OSI 참조 스택 모델을 검토하여 가장 잘 해결 될 것입니다.
간단히 말해서 OSI 스택 모델을 기반으로 LoRaWAN 은 통신 네트워크 용 미디어 액세스 프로토콜 에 해당 하고 LoRa는 물리 계층에 해당합니다. 따라서 LoRaWAN은 네트워크를위한 통신 프로토콜 및 시스템 아키텍처를 정의하는 반면 LoRa 아키텍처는 장거리 통신 링크를 가능하게합니다. 이 두 가지는 통합되어 노드의 배터리 수명, 네트워크 용량, 서비스 품질, 보안 및 네트워크에서 제공하는 기타 애플리케이션을 결정하는 기능을 제공합니다. LoRaWAN은 LoRa에서 가장 널리 사용되는 MAC 계층이지만 LoRa 기술을 기반으로 구축 된 다른 독점 계층도 존재합니다. 좋은 예는 산업용 애플리케이션을 위해 특별히 개발 된 Link Labs의 Symphony 링크입니다.
LoRaWAN 네트워크 아키텍처
대부분의 네트워크에서 채택한 메시 네트워크 토폴로지와 달리 LoRaWAN은 스타 네트워크 아키텍처를 사용하므로 각 엔드 디바이스가 거의 항상 켜져있는 상태가 아닌 다른 디바이스에서 전송을 반복하여 LoRaWAN 네트워크의 엔드 디바이스 범위를 늘립니다. 게이트웨이와 직접 통신하고 범위가 문제가되지 않으므로 게이트웨이와 통신해야하는 경우에만 켜져 있습니다. 이것은 LoRa 최종 장치에서 얻은 저전력 기능과 높은 배터리 수명에 기여하는 요소입니다.
LoRa 네트워크 아키텍처는 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
1. 최종 장치
2. 게이트웨이
3. 네트워크 서버
4. 애플리케이션 서버
1. 최종 장치
이들은 네트워크 에지에있는 센서 또는 액추에이터입니다. 최종 장치는 다양한 애플리케이션을 제공하며 요구 사항이 다릅니다. 다양한 최종 애플리케이션 프로필을 최적화하기 위해 LoRaWAN ™은 최종 장치를 구성 할 수있는 세 가지 장치 클래스를 사용합니다. 이 클래스는 장치의 다운 링크 통신 대기 시간과 배터리 수명 간의 균형을 제공합니다.세 가지 주요 클래스는 다음과 같습니다.
1. 양방향 단말 장치 (Class A)
2. 예약 된 수신 슬롯이있는 양방향 최종 장치 (클래스 B)
3. 최대 수신 슬롯이있는 양방향 최종 장치 (Class C)
나는. 클래스 A 최종 장치
업 링크 직후에 서버로부터 다운 링크 통신 만 필요한 장치입니다. 예를 들어 업 링크 후에 서버에서 메시지 전달 확인을 받아야하는 장치입니다. 이 등급의 장치의 경우 다운 링크를 수신하기 전에 업 링크가 서버로 전송 될 때까지 기다려야합니다. 그 결과 통신이 최소로 유지되어 전력 작동이 가장 낮고 배터리 수명이 가장 길다. 클래스 A 장치의 좋은 예는 LoRa 기반 스마트 에너지 미터입니다.
ii. 클래스 B 최종 장치
이러한 장치에는 업 링크가 전송 될 때 수신 된 다운 링크 (클래스 A + 예약 된 추가 다운 링크)에 추가로 예정된 간격 으로 추가 다운 링크 창이 할당 됩니다. 이 다운 링크의 예정된 특성은 통신이 예정된 간격으로 만 활성화되지만 예정된 다운 링크 중에 소비되는 추가 전력으로 인해 A 급 장치의 전력 소비를 초과하여 전력 소비가 증가하므로 배터리가 더 낮기 때문에 작동이 여전히 저전력임을 보장합니다. 클래스 A 최종 장치에 비해 수명.
iii. 클래스 C 최종 장치
이러한 종류의 장치 에는 다운 링크에 대한 제한이 없습니다. 거의 항상 서버로부터의 통신에 개방되도록 설계되었습니다. 다른 등급보다 더 많은 전력을 소비하고 배터리 수명이 가장 짧습니다. 클래스 C 장치의 좋은 예는 차량 관리 또는 실제 트래픽 모니터링에 사용되는 최종 장치입니다.
2. 게이트웨이
게이트웨이 (집선 장치라고도 함)는 단일 홉 무선 통신 프로토콜을 사용하여 중앙 네트워크 서버 백엔드와 최종 장치간에 메시지를 릴레이하는 표준 IP 연결을 통해 네트워크 서버에 연결된 장치입니다. 양방향 통신을 지원하도록 설계되었으며 소프트웨어가 무선 업데이트와 같은 대량 배포 메시지를 보낼 수있는 멀티 캐스트를 갖추고 있습니다.
모든 LoRa 게이트웨이의 중심에는 여러 주파수에서 모든 LoRa 변조 변형을 병렬로 디코딩 할 수있는 다중 채널 LoRa 복조기가 있습니다.
대규모 네트워크 사업자의 경우 주요 구별 요소는 무선 성능 (감도, 송신 전력), SX1301 칩을 게이트웨이 MCU에 연결 (USB에서 SPI로 또는 SPI에서 SPI로), PPS 지원 및 배포입니다. 가용성이 네트워크의 전체 게이트웨이 모집단에서 정확한 시간 동기화를 허용하는 신호
LoRa는 여러 주파수 채널과 데이터 속도에 걸쳐 최종 장치와 게이트웨이 간의 통신을 확산합니다. 확산 스펙트럼 기술은 0.3 kbps ~ 50 kbps 범위의 데이터 속도를 사용하여 통신이 서로 간섭하는 것을 방지하고 게이트웨이 용량을 증가시키는 "가상"채널 세트를 생성합니다.
최종 장치의 배터리 수명과 전체 네트워크 용량을 모두 최대화하기 위해 LoRa 네트워크 서버는 적응 형 데이터 속도 (ADR) 체계를 통해 각 최종 장치의 데이터 속도와 RF 출력을 개별적으로 관리합니다.
3. 네트워크 서버
Lora Network 서버는 애플리케이션 서버와 게이트웨이 사이의 인터페이스입니다. 게이트웨이에서 애플리케이션 서버로 데이터를 전송하는 동안 애플리케이션 서버에서 게이트웨이로 명령을 중계합니다. ADR (Adaptive Data Rate) 방식을 사용하여 개별적으로 각 최종 장치에 대한 데이터 속도 및 RF 출력을 관리하고, 승인을 예약하고, 중복 패킷이 없는지 확인하는 기능을 수행합니다.
4. 애플리케이션 서버
애플리케이션 서버는 최종 장치의 데이터가 사용되는 용도를 결정합니다. 데이터 시각화 등은 아마도 여기서 수행 될 것입니다.
LoRaWAN 보안 및 개인 정보
모든 IoT 솔루션에서 보안 및 개인 정보 보호의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. LoRaWAN 프로토콜은 암호화를 지정하여 데이터 보안을 구체적으로 보장합니다.
* 장치 별 AES128 키
* 장치 키의 즉각적인 재생성 / 해지
* 데이터 프라이버시를위한 패킷 별 페이로드 암호화
* 재생 공격으로부터 보호
* man-in-the-middle 공격으로부터 보호
LoRa는 두 개의 키를 사용합니다. 네트워크 세션 및 애플리케이션 세션 키는 모두 네트워크 관리 및 애플리케이션 통신을위한 분할 암호화 통신을 제공합니다.
장치와 네트워크간에 공유되는 네트워크 세션 키는 끝 노드 데이터의 인증을 담당하는 반면, 응용 프로그램과 끝 노드간에 공유되는 응용 프로그램 세션 키는 장치 데이터의 프라이버시를 보장합니다.
LoRAWAN의 주요 기능
*> 160dB 링크 예산
* + 20dBm TX 전력
* 뛰어난 IIP3
* FSK보다 10dB 선택성 향상
* 채널 내 버스트 간섭에 대한 내성
* 최저 RX 전류-10mA
* 최저 수면 전류
* 초고속 웨이크 업 (슬립에서 RX / TX까지)
LoRa의 장점
다음은 LoRa와 관련된 몇 가지 장점입니다.
1. 장거리 및 커버리지: 최대 15km의 LOS 범위로 다른 통신 프로토콜과 비교할 수 없습니다.
2. 저전력: LoRa는 초 저전력 라디오를 제공하여 10 년 동안 지속되어야하는 장치 또는