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LoRa를 사용하여 저비용, 장거리 IoT 응용 제품을 위한 WAN 개발

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글/Paul Pickering, Digi-Key

설계자는 다양한 무선 기술을 사용하여 제품과 사물 인터넷(IoT)을 연결할 수 있다. 응용 분야마다 적합한 기술이 다르므로 설계자는 범위 및 데이터 속도, 비용, 전력 소비, 부피, 폼 팩터 같은 요인을 신중하게 고려해야 한다.
이 기사에서는 LoRa 프로토콜에 대한 소개와 함께 다른 프로토콜과 LoRa 프로토콜의 장점을 비교하고, 엔지니어가 LoRa 기반 시스템 개발을 신속하게 시작할 수 있는 여러 제품 및 개발 키트에 대해 논의한다.

무선 IoT의 장점 및 단점

무선 기술마다 장단점이 있다. 예를 들어, 표준 Wi-Fi는 대량의 데이터를 고속으로 전송할 수 있지만 거리가 제한적이다. 셀룰러 네트워크는 빠른 속도와 장거리를 결합하지만 전력 소비가 크다.
원격 데이터 획득, 도시 조명 제어, 날씨 모니터링, 농업 같은 IoT 응용 분야는 최우선 순위가 서로 다르다. 날씨 상태, 토양 수분 레벨 또는 가로등과 같이 이러한 응용 분야에서 측정되거나 제어되는 크기/양은 모두 확장된 시간 범위에 걸쳐 매우 느리게 변화한다.
또한, 센서 노드가 서로 멀리 떨어져 있는 경우가 많고 배터리로 구동되므로, 최적의 무선 프로토콜은 최소한의 전력 소비로 긴 거리에 걸쳐 작은 데이터 패킷을 효율적으로 전송할 수 있어야 한다. LoRa 프로토콜은 이러한 요구 사항을 정확히 충족하도록 설계되었다.

LoRa 기술 개요

LoRa는 저전력, 광역 통신망(LPWAN) 응용 분야를 대상으로 한다. LoRa는 15킬로미터 이상의 거리를 지원하며 최대 1백만 노드를 수용한다. 저전력 및 장거리의 조합은 데이터 전송률을 최대 50킬로비트/초(Kbps)로 제한한다.
LoRa는 Semtech Corporation이 소유하고 특허를 획득한 기술로서 ISM 대역에서 작동한다. ISM 주파수 할당과 규정 요구 사항은 지역에 따라 다르다(그림 1). 가장 대표적인 두 주파수는 유럽에서 사용되는 868MHz와 북미에서 사용되는 915MHz이다. 다른 지역, 특히 아시아의 경우 요구 사항이 다르다.
LoRa 물리층은 확산 스펙트럼 변조(SSM)를 사용한다(그림 2). SSM은 기본 신호를 더 높은 주파수 시퀀스로 인코딩하므로 기본 신호를 의도적으로 더 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시키고, 전력 소비를 줄이며, 전자기 간섭에 대한 내성을 향상시킨다.
기본 신호의 확산 인자(SF)는 가변적이며 상충 관계를 나타낸다. 사용 가능한 대역폭이 주어진 경우, 확산 인자가 커지면 비트 전송률이 낮아질 뿐만 아니라 전송 시간이 증가하여 배터리 수명도 감소된다. 지정된 확산 인자(SF) 및 대역폭(BW)은 다음으로 정의되는 비트 전송률을 제공한다.

Bit Rate = SF x BW/2SF

LoRa는 6개 확산 인자(SF7~SF12)와 3개 대역폭(125kHz, 250kHz, 500kHz)을 사용할 수 있다. 허용되는 확산 인자 및 대역폭은 해당 지역의 규제 기관에 의해 정의된다. 예를 들어, 북미의 경우 대역폭 500kHz, 확산 인자 7~10을 지정한다.
확산 스펙트럼 기술로 인해, 데이터 전송률이 다른 메시지가 직교하며 한 세트의 ‘가상’ 채널 생성을 통해 서로 간섭하지 않기 때문에 게이트웨이 용량이 증가한다.
LoRa 방식은 첩 확산 스펙트럼(CSS) 변조라는 SSM 변형을 기반으로 한다(그림 3). CSS는 ‘첩(chirp)’을 통해 데이터를 인코딩한다. ‘첩’은 근본적으로 시간이 지남에 따라 증가 또는 감소하는 광대역 주파수 변조 정현파 신호이다.
CSS는 낮은 전력 소비를 요구하는 저 데이터 전송률(< 1Mb/s) 응용 제품에 매우 적합하다. 또 다른 저속도 표준인 IEEE 802.15.4a는 무선 개인 통신망(LR-WPAN)에서의 사용을 위한 기술로서 이를 정의한다. CSS는 여러 해 동안 군사 및 우주 응용 분야에서 장거리의 강력한 통신을 제공하는 데 사용되어 왔지만 LoRa는 상업용으로 구현된 최초의 저가형 기술이다...(중략)