LoRa (Long Range)와 LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)

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참고 자료:https://www.mokolora.com/ko/what-is-lora-iot/

LoRa IoT: LoRa technology is very suitable for use in IoT

LoRa IoT refers to connecting objects to the LoRa network via LoRa modules, gateways and other devices to transmit various data to the cloud.

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🔹 LoRa (Long Range) 기술 상세 설명

LoRa(롱 레인지, Long Range)는 Semtech가 개발한 저전력 장거리 무선 통신 기술로, IoT(사물인터넷) 및 M2M(Machine-to-Machine) 통신에서 주로 사용됩니다.

LoRa는 단순히 물리 계층(Physical Layer)의 무선 변조 기술을 의미하며, 데이터를 무선으로 송수신하는 방식을 정의합니다.

1. LoRa의 주요 특징

LoRa는 기존의 무선 통신 방식(Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee 등)과 차별화된 강력한 특성을 가지고 있습니다.

① 장거리 통신 (Long Range)

최대 15~20km까지 데이터 전송 가능
2.4GHz 대역을 사용하는 Bluetooth, Wi-Fi보다 훨씬 넓은 범위를 커버

② 초저전력 (Ultra Low Power)

µW(마이크로와트) 단위의 전력 소비
배터리 기반 센서에서 수년(최대 10년 이상) 동안 동작 가능
IoT 센서, 환경 모니터링 장치 등에 적합

③ 면허 불필요한 주파수 대역 사용

LoRa는 ISM(Industrial, Scientific, Medical) 대역을 사용하여 별도의 통신 면허가 필요 없음.
지역별 사용 주파수:
- 유럽: 868MHz
- 북미: 915MHz
- 아시아(대한민국 포함): 920~923MHz

④ 뛰어난 장애물 관통력

낮은 주파수 대역(UHF)을 사용하여 벽이나 건물 내부에서도 신호 감도가 높음.
Wi-Fi, Bluetooth에 비해 건물 내부에서의 통신 성능이 뛰어남.

2. LoRa의 변조 방식: Chirp Spread Spectrum (CSS)

LoRa의 핵심 기술은 Chirp Spread Spectrum (CSS, 칩 확산 스펙트럼) 변조 방식입니다.

① Chirp (칩) 신호란?

일정한 주파수에서 시작해 시간이 지남에 따라 주파수가 점진적으로 증가하거나 감소하는 신호.
LoRa는 Up-chirp(주파수 증가) 및 **Down-chirp(주파수 감소)**를 이용하여 데이터를 변조.

② CSS(Chirp Spread Spectrum) 방식의 특징

광역 커버리지: 장거리 통신을 가능하게 함.
우수한 신호 감도: 기존의 좁은 대역폭 변조(Narrowband)에 비해 노이즈 저항성이 높음.
낮은 데이터 속도: 저속 데이터 전송(최대 50kbps)이지만 IoT 애플리케이션에 적합.

3. LoRa의 주요 성능 지표

LoRa의 성능을 결정하는 중요한 요소는 확산 계수(Spreading Factor, SF), 대역폭(Bandwidth, BW), 그리고 코딩 속도(Coding Rate, CR) 입니다.

① 확산 계수 (Spreading Factor, SF)

확산 계수(SF)는 LoRa 변조에서 데이터 전송 속도를 조절하는 핵심 파라미터.
SF 값이 클수록 신호 감도가 향상되지만 데이터 전송 속도는 감소.
SF7~SF12 범위에서 설정 가능.

확산 계수(SF)	데이터 속도 (kbps)	신호 감도 (dBm)	통신 거리
SF7	5.5 kbps	-123 dBm	짧음 (~2km)
SF10	980 bps	-133 dBm	중간 (~10km)
SF12	293 bps	-137 dBm	길음 (~15km)

🔹 SF 값이 높을수록 먼 거리 전송 가능하지만, 데이터 속도는 낮아짐.
🔹 SF 값이 낮을수록 데이터 속도는 빠르지만, 통신 거리는 줄어듦.

② 대역폭 (Bandwidth, BW)

LoRa에서 사용 가능한 대역폭: 125kHz, 250kHz, 500kHz
넓은 대역폭일수록 데이터 속도가 증가하지만, 전력 소비가 높아짐.

③ 코딩 속도 (Coding Rate, CR)

오류 정정 기능(FEC, Forward Error Correction)을 제공하여 신뢰성 향상.
CR 값이 높을수록 데이터 복구율 증가, 하지만 실제 데이터 전송 속도는 줄어듦.

4. LoRa의 활용 사례

LoRa는 단순한 물리 계층 기술이므로 다양한 시스템에서 적용 가능합니다. 대표적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

① 스마트 농업

토양 수분 센서, 온습도 센서 데이터 전송.
LoRa를 통해 수 km 떨어진 농장에서도 모니터링 가능.

② 환경 모니터링

산불 감지, 대기질 모니터링, 강우량 측정.
원격 환경에서 배터리 수명이 긴 센서에 적합.

③ 스마트 시티

도심 주차장 관리 시스템.
가로등 원격 제어 및 에너지 절감.

④ 물류 및 자산 추적

컨테이너, 트럭, 자산 관리에서 LoRa 기반 GPS 트래커 사용.

5. LoRa의 한계점

LoRa는 장점이 많지만, 몇 가지 한계도 존재합니다.

① 낮은 데이터 전송 속도

최대 50kbps 수준으로, 이미지, 영상 전송에는 부적합.
실시간 데이터 송수신보다는 센서 데이터 수집에 적합.

② 지연 시간 (Latency)

데이터 전송 간격이 길기 때문에 실시간 통신에는 적합하지 않음.
즉각적인 응답이 필요한 애플리케이션에는 NB-IoT 같은 기술이 더 적합.

③ 네트워크 혼잡 문제

동일한 주파수를 여러 기기가 사용하면 패킷 충돌 가능성 증가.
대규모 네트워크에서는 주파수 계획이 필요함.

6. LoRa vs. 다른 무선 통신 기술 비교

LoRa는 기존 무선 통신 기술과 비교했을 때 독특한 특성을 가집니다.

기술 주파수 대역 데이터 속도 통신 거리 전력 소비 응용 분야

LoRa	868MHz / 915MHz	0.3~50 kbps	2~15km	매우 낮음	원격 센서, 환경 모니터링
Wi-Fi	2.4GHz / 5GHz	10~1000 Mbps	50m~100m	높음	인터넷 접속, 스트리밍
Bluetooth	2.4GHz	1~3 Mbps	10m~100m	중간	웨어러블, 스마트폰 연결
Zigbee	2.4GHz	250 kbps	10m~1km	낮음	스마트 홈, IoT 기기
NB-IoT	LTE 대역	20~250 kbps	1~10km	낮음	스마트 미터링, 교통 관리

LoRa는 저속 데이터 전송이지만 초장거리와 저전력이 장점.
Wi-Fi, Bluetooth는 고속 데이터 전송 가능하지만 거리와 전력 효율성이 낮음.

🔹 LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) 상세 설명

LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)은 LoRa(LoRa modulation technology)를 기반으로 한 저전력 광역 네트워크(LPWAN, Low Power Wide Area Network) 프로토콜입니다. 이 기술은 사물인터넷(IoT) 기기 간의 통신을 가능하게 하며, 특히 배터리 수명이 중요한 원격 센서 및 저전력 장치에 적합합니다.

1. LoRaWAN의 개요

LoRaWAN은 저전력 장거리 통신을 위해 설계된 프로토콜로, 면허가 필요 없는 비면허 대역(ISM, Industrial, Scientific, and Medical band)을 사용하여 데이터 전송을 수행합니다.
LoRaWAN은 센서 및 IoT 기기에서 클라우드 서버로 데이터를 전송하는 스타(Star) 네트워크 토폴로지를 채택하고 있으며, 이를 통해 장거리 통신이 가능하고 배터리 효율성을 극대화할 수 있습니다.

2. LoRa vs. LoRaWAN

LoRaWAN을 이해하기 위해서는 LoRa와 LoRaWAN의 차이를 아는 것이 중요합니다.

비교 항목	LoRa	LoRaWAN
정의	저전력 장거리(LoRa) 변조 기술	LoRa 기반의 LPWAN 통신 프로토콜
역할	PHY(물리 계층)에서 변조 및 전송	MAC(매체 접근 제어) 및 네트워크 프로토콜 제공
통신 방식	반이중(Half-Duplex)	네트워크 프로토콜을 통해 양방향 통신 지원
네트워크 구조	없음(단순한 무선 전송 기술)	스타 토폴로지 기반의 IoT 네트워크
보안	없음(단순 변조 기술)	AES-128 암호화를 통한 보안 기능 지원

즉, LoRa는 변조 기술이고 LoRaWAN은 LoRa를 기반으로 네트워크를 운영하기 위한 프로토콜입니다.

3. LoRaWAN의 주요 특징

(1) 장거리 통신

LoRaWAN은 최대 15km(도심 지역에서는 2~5km)까지 데이터 전송이 가능합니다.
낮은 데이터 속도(0.3~50kbps)를 사용하여 전력 소비를 최소화하면서도 장거리 통신을 가능하게 합니다.

(2) 저전력 소비

배터리 수명이 10년 이상 지속될 수 있도록 설계되었습니다.
저전력 IoT 기기(예: 스마트 미터, 환경 센서 등)에 적합합니다.

(3) 면허 불필요한 주파수 사용

433MHz, 868MHz(EU), 915MHz(US) 등의 비면허 주파수 대역을 사용하여 글로벌 시장에서 활용될 수 있습니다.

(4) 스타(Star) 네트워크 구조

LoRaWAN은 게이트웨이를 중심으로 하는 스타 토폴로지(Star Topology)**를 채택합니다.
여러 게이트웨이가 하나의 노드(Device)에서 보낸 데이터를 수신할 수 있으며, 데이터는 네트워크 서버에서 처리됩니다.

(5) 강력한 보안 기능

LoRaWAN은 AES-128 암호화를 적용하여 네트워크 보안을 강화합니다.
2단계의 보안 키를 사용하여 데이터 기밀성과 무결성을 보장합니다.
- Network Session Key: 네트워크 서버와 기기 간 인증 및 보안
- Application Session Key: 애플리케이션 서버와 기기 간 데이터 암호화

4. LoRaWAN 네트워크 아키텍처

LoRaWAN 네트워크는 End Device, Gateway, Network Server, Application Server로 구성됩니다.

(1) End Device (노드)

IoT 센서 또는 장치 (예: 스마트 미터, 온도 센서, GPS 트래커 등)
배터리 기반으로 저전력 동작
LoRa 모듈을 통해 게이트웨이에 데이터 전송

(2) Gateway (게이트웨이)

여러 End Device에서 수집된 데이터를 네트워크 서버로 전달
Wi-Fi, 3G/4G, Ethernet을 통해 서버와 연결
하나의 게이트웨이는 수천 개의 장치를 동시에 관리할 수 있음

(3) Network Server (네트워크 서버)

여러 게이트웨이에서 수집한 데이터를 관리하고 중복 메시지를 제거
장치 인증 및 보안 관리 수행

(4) Application Server (애플리케이션 서버)

IoT 애플리케이션 개발 및 데이터 분석
예: 스마트시티 관리 시스템, 공장 자동화 모니터링

5. LoRaWAN의 통신 클래스

LoRaWAN은 장치의 전력 소비 패턴에 따라 **3가지 통신 클래스(Class A, B, C)**를 제공합니다.

클래스	설명	전력 소비	응용 예시
Class A	기본 모드 (Uplink 후 Downlink 가능)	최저	배터리 기반 IoT 센서
Class B	Class A + 일정한 간격으로 Downlink 수신 가능	중간	위치 추적 장치
Class C	항상 수신 모드 (즉시 Downlink 가능)	높음	실시간 제어 시스템

Class A: 가장 전력 효율적이며, Uplink(업링크) 후 Downlink(다운링크) 응답을 받을 수 있음.
Class B: 특정 간격(Ping Slots)으로 Gateway에서 메시지를 받을 수 있음.
Class C: 항상 Downlink 수신 가능하지만, 배터리 소비가 많음.

6. LoRaWAN과 다른 LPWAN 기술 비교

LoRaWAN은 NB-IoT, Sigfox 등과 경쟁하는 대표적인 LPWAN 기술입니다.

기술	주파수 대역	데이터 속도	전송 거리	전력 소비	비용
LoRaWAN	비면허(868MHz, 915MHz 등)	0.3~50kbps	최대 15km	매우 낮음	낮음
NB-IoT	면허(셀룰러)	20~250kbps	최대 10km	낮음	중간
Sigfox	비면허(868MHz, 902MHz)	100bps	최대 50km	매우 낮음	낮음

LoRaWAN: 개방형 네트워크, 배터리 수명 길고 비용이 낮음.
NB-IoT: 셀룰러 기반으로 보안성이 높지만 비용이 높고 전력 소비가 많음.
Sigfox: 저전력이지만 속도가 매우 낮고 폐쇄적인 네트워크임.

🔹 결론

LoRa(롱 레인지)와 LoRaWAN은 사물인터넷(IoT) 환경에서 장거리 저전력 통신을 가능하게 하는 핵심 기술입니다. LoRa는 물리 계층(Physical Layer)의 변조 기술이며, LoRaWAN은 이를 기반으로 한 네트워크 프로토콜입니다.

LoRaWAN의 주요 장점은 초저전력, 장거리 통신, 비면허 대역 사용, 스타 네트워크 구조, 강력한 보안 기능 등으로, 스마트 시티, 농업, 환경 모니터링, 물류 등 다양한 IoT 분야에서 활용됩니다.

그러나 LoRaWAN은 낮은 데이터 전송 속도, 지연 시간(Latency), 네트워크 혼잡 가능성 등의 한계를 가지고 있어, 실시간 데이터 전송이 필요한 애플리케이션보다는 센서 데이터 수집과 원격 모니터링에 적합합니다.

다른 LPWAN 기술(NB-IoT, Sigfox)과 비교했을 때, LoRaWAN은 저비용, 개방형 네트워크, 긴 배터리 수명의 장점이 있어 대규모 IoT 시스템 구축에 매우 적합한 솔루션입니다.

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