LoRa; Long Range
1. 개요
Semtech에서 개발한[1] 저전력 통신변조 기술사물인터넷 통신을 위해 만들어진 통신규격으로, 다른 통신규격과의 차이점이라면 초장거리 연결과 저전력으로 좋은 환경에서 최대 16km(10마일) 정도의 통신이 가능하며[2] 노드마다 노드번호를 할당해서 통신하기 때문에 경쟁 규격과는 다르게 유심 등이 필요없다.[3]
통신속도는 LTE에 기반한 타 규격보다는 느리지만 SigFox나 Zigbee보단 빠른 편이다. 통신 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 밴드에 포함되는 비면허대역 주파수를 사용한다. 국가별로 ISM 밴드로 지정된 주파수가 다르기 때문에 433MHz, 868MHz, 915MHz, 923MHz, 940MHz 등 여러 주파수가 정의되어 있다.
국내에서는 SK텔레콤이 920 MHz 대역으로 국가망으로 서비스하고 있다. 원래는 일반 IoT망으로도 밀어줬으나 사실상 편의성이 더 높은 NB-IoT 쪽이 시장을 점유하자 SKT도 일반망은 LTE기반 망으로 전환했고 국가망 시스템에서만 LoRa를 사용한다. 실제로는 SK망이 아니라 독자망 기반으로 하는 기기들이 더 많은 편이다. ISM 밴드이기 때문에 기기 허가를 일일이 다 받을필요가 없기 때문에 노드당 가격을 내야되는 통신사의 망이 아닌 독자망이 더 싸게 먹히기 때문이다. 단적으로 봤을 때 100대의 장비를 운용한다고 가정하면 통신사에다가 이를 하나하나 등록하면 노드당 1000~2000원씩 줘야 하지만, 중계기를 따로 구매하고 거기에 인터넷을 물리는 식으로 서비스하면 서비스 구역 내에서 중계기에 들어가는 인터넷망 연결 비용과 전기료만 내면 끝이다.
Semtech이 모든 권리를 가지고 있기 때문에 모든 LoRa 통신 칩셋 등은 전부 Semtech사의 제품을 사용해 제작된다. 이때문에 제품 제작에 있어서 애로사항이 좀 많은편이다. 특히 엔드노드 기기용 칩셋은 그나마 IP등을 제공받아 만드는 서드파티 회사들이 존재하지만 중계기의 경우에는 사실상 Semtech 독점공급이라 단가가 꽤 비싸다.
2. LoRaWAN
LoRa 자체는 NB-IoT나 SigFox와는 다르게 통신 규격이 아니라 변조 방식이라 딱히 통신을 위한 프로토콜을 제공하지는 않는다. 때문에 사용자가 마음에 먹기에 따라서 주소나 데이터가 중구난방으로 사용될 수 있는데[4] 이를 위해서 광역 네트워크 통신을 위해서 만들어진 통신 규격 표준이 LoRaWAN이다.LoRaWAN은 합법적인 통신운용을 위한 지역 프로파일 뿐만 아니라 제대로된 노드 주소인 LoRaMAC, 통신 보안을 위한 보안 레이어가 같이 제공되며 이를 통해서 제대로된 센서 네트워크를 구축가능하게 되어 있다.
LoRaWAN은 응용분야에 따라서 A, B, C로 3가지 규격을 제공한다.
- A클래스: 양방향 초저전력, 모든 LoRaWAN 지원 기기가 기본적으로 지원해야 되는 프로파일이다. 항상 엔드 노드 쪽에서 통신 주기를 결정하기 때문에 상시 작동할 필요 없이 만들수 있어 배터리 소모는 가장 적으나, 대신에 업링크는 바로 가능해도 다운링크는 업링크가 발동할 때만 가능해서 통신이 매우 제한적이다.
- B클래스: A클래스와는 다르게 주기적인 비콘 신호를 보내서 엔드노드로의 다운링크가 필요한가를 수시로 확인한다. A클래스보다는 유연하게 운용 가능하나 대신에 추가적인 전력소모를 감당해야 된다.
- C클래스: 엔드노드 쪽에서 다운링크를 항상 열어놓는 프로파일. 게이트웨이에서 바로 신호를 보내서 다운링크를 수행할 수 있으나 수신기가 항상 작동해야 되기 때문에 그만큼의 추가전력 소모를 요구한다. 응용분야는 FOTA로 이를 위해서 A클래스 지원기기를 임시로 C클래스로 바꾸는 기능이 있는 기기들이 많다.
다만 모든 LoRa 디바이스가 LoRaWAN을 지원하지는 않는다. LoRaWAN 스택이 꽤 용량이 많으며[5] 무겁다는 점 때문에 탑재 가능한 기기가 제한되기도 하며 의무적으로 사용할 것을 못박은 것도 아니기 때문에 LoRaWAN 없이도 사용에는 큰 지장이 없다.
LoRa 자체는 Semtech이 모든 권리를 가지고 있지만 LoRaWAN은 ITU에서 지정한 표준 통신규격으로써 비영리 단체인 LoRa Alliance에서 관리하는 오픈소스로 배포된다.
미국 클라우드서비스 업체인 아마존닷컴의 IoT 통신망 Sidewalk도 LoRa 기반의 LPWAN 통신망이다. 단거리 연결은 블루투스 기술을 이용하고 장거리 일때는 LoRa와 아마존 에코 스마트 스피커 등 유무선인터넷에 연결된 장치를 이용하는 하이브리드 방식. 2019년부터 미국 일부에서 서비스를 시장하였고 2023년에는 망을 개방해 누구나 아마존 Sidewalk 중계망을 쓸 수 있게 개방하였다. 주로 개 목걸이, 가방 분실방지 태그, 배달상자 추적기, 온실 온도계, 태양광 패널 원격제어기, 누수 센서, 원격 센서, 우편함 알람, 차고문 개폐기 등 다양한 용도의 장치가 나오고 있으며 아마존 웹 서비스 또한 LoRaWAN 스택을 자체적으로 지원한다.
3. 주파수 대역
기본적으로 비면허대역을 쓰지만, 이 비면허 대역은 나라마다 사정이 다르기에 주파수 대역이 정해져 있으며 이외에도 출력이나 스프레드 펙터 등도 지역마다 구분된다.- EU868
- US915
- US915HYBRID
- CN779
- EU433
- AU915
- AU915OLD
- CN470
- AS923
- KR920
- IN865
- RU864
한국이 쓰는 KR920은 다음과 같은 특징이 있다.
- 921~923MHz 의 2.4MHz 정도의 대역폭을 사용 가능하다.[6]
- 출력제한은 922MHz 이하에서 10dBm이고 922MHz 이상에서 14dBm이다.
- 밴드 플랜은 LoRaWAN 스탠다드를 따라간다.
해당 규격은 LoRaWAN 표준 기준이기 때문에 만약 자신이 LoRaWAN을 안 쓴다면 임의로 수정해서 쓰는 것 또한 가능하나 일반적으로는 비표준이라고 해도 권장되진 않는다.
4. 기타
- 개인 등이 LoRaWAN 중계기를 집에 설치하고 암호화폐로 운영대가를 지불받는 헬륨 네트워크라는 암호화폐가 존재한다. 운영 주체가 자신들이 IoT 관련 대기업에서 투자를 받았다고 허위로 주장하는 사건이 있어서 말이 많았다.
[1] 정확히는 개발한 Cycleo를 Semtech에서 인수했다.[2] 물론 이는 출력과 안테나, 노드간 LOS 상태에 따라서 천차만별이다. 최적의 상황에서는 16km 이상에서도 신호가 닿는 경우도 있지만 최악의 상황에서는 1km 넘어가기도 힘든 모습을 보여준다.[3] 다만 이건 장점이자 단점이기도 한데, NB-IoT 같은 LTE에 기반하는 기기는 그냥 유심 연결하면 바로 넷에 연결되지만 LoRa는 일단 전용 중계기에 연결해서 통신해 줄 필요가 있으며, 여기에 기존 상용 망장비를 쓰는 NB-IoT는 연결 가능한 노드 개수 제한에 큰 제약이 없지만 LoRa는 중계기 칩셋의 한계로 한번에 통신 가능한 노드 수나 총 노드수가 적다.[4] 일반적으로 이런 LoRaWAN 표준을 따르지 않는 기기들은 비표준 기기라고 통칭된다.[5] 타겟 기기에 따라 다르지만 LoRaWAN스택+기기 코드를 다 합치면 컴파일시 50kb에서 100kb를 넘기는 경우가 많아 저용량의 마이크로컨트롤러는 LoRaWAN 스택 자체가 탑재가 불가능한 경우가 많다.[6] 26MHz 정도 사용 가능한 미국 같은 나라에 비해 좁아보일 수 있지만 어차피 채널 대역폭이 125/250kHz만 허가되었기 때문에 충분히 여유가 있다. 여담으로 가장 좁은 규격은 EU868로 1.5MHz 대역폭만 사용 가능하다.