소개
로라완 장거리 광역 네트워크(Long Range Wide Area Network, 이하 WAN) 기술은 사물 인터넷(IoT) 환경에 혁명을 일으켜, 과도한 전력 소모 없이도 기기를 장거리에 연결할 수 있는 수단을 제공했습니다. 이 획기적인 혁신은 스마트 시티, 농업, 공급망 관리, 환경 모니터링 등 다양한 분야의 발전을 촉진했습니다.
LoRaWAN의 범위에 영향을 미치는 요소를 이해하는 것은 네트워크 계획, 확장 및 성능 최적화에 매우 중요하므로 상당한 기술적, 상업적 관심을 끄는 주제입니다.
LoRaWAN 네트워크의 범위를 극대화하는 능력은 광대한 지리적 범위에 걸쳐 무선 센서 네트워크를 구축할 수 있게 해 주는데, 이는 한때 재정적, 물류적으로 매우 어려웠던 업적입니다. 그러나 이처럼 확장된 커버리지를 달성하는 데는 어려움이 따릅니다. LoRaWAN 네트워크의 범위는 기술 사양, 환경 조건, 규제 경계, 그리고 무선 주파수 전파의 고유한 특성 등 여러 요인의 영향을 받습니다.
본 논문은 LoRaWAN 네트워크의 범위에 영향을 미치는 다양한 요인들을 심층적으로 살펴보는 것을 목표로 합니다. 프로토콜의 기술적 기반, 다양한 환경 변수들의 상호작용, 네트워크 토폴로지의 중요성, 그리고 규제 프레임워크 준수에 따른 제약 사항들을 살펴봅니다. 이러한 심층적인 분석을 통해 독자들은 LoRaWAN 범위 결정 요인에 대한 포괄적인 이해를 얻을 수 있을 것이며, 실제 사례 연구와 응용 사례를 통해 더욱 강화될 것입니다.
LoRaWAN 이해하기
LoRaWAN 네트워크의 범위에 영향을 미치는 다양한 요소를 살펴보기 전에, 이 기술의 근본적인 특성과 작동 원리를 이해하는 것이 중요합니다. LoRaWAN은 두 가지 핵심 구성 요소의 교차점에 있습니다. LoRa는 데이터를 전파로 인코딩하는 물리 계층 또는 변조 기술이며, LoRaWAN은 시스템 아키텍처와 통신 프로토콜을 정의하는 네트워크 프로토콜입니다.
- LoRa: 물리 계층
LoRa는 "Long Range"에서 유래되었으며, Chirp Spread Spectrum(CSS) 기술을 사용하는 확산 스펙트럼 변조 기술입니다. 이 방식은 장거리 통신을 유지하는 것으로 알려져 있으며, 개방된 시골 지역에서 수 킬로미터에 달하는 통신 범위를 달성합니다. LoRa 변조의 핵심 장점 중 하나는 신호 간섭에 대한 복원력과 낮은 전력 소모량으로, 배터리로 작동하는 기기는 재충전 없이 수 년간 작동할 수 있습니다. - LoRaWAN: 네트워크 프로토콜
LoRaWAN은 LoRa 물리 계층을 활용하여 네트워크의 통신 프로토콜과 시스템 아키텍처를 정의합니다. 이는 네트워크 무결성과 보안을 유지하는 미디어 접근 제어(MAC) 계층 프로토콜입니다. LoRaWAN은 양방향 통신을 지원하며, 이는 센서 판독값과 같은 데이터를 전송하고 액추에이터 제어 메시지와 같은 명령을 수신해야 하는 IoT 기기에 필수적인 기능입니다.
LoRaWAN 작동 방식
- LoRaWAN은 기기가 장거리 무선 연결을 통해 인터넷에 연결된 애플리케이션과 통신할 수 있도록 합니다. 네트워크 아키텍처는 일반적으로 스타 토폴로지로 구성되며, 단말 기기는 단일 홉 무선 통신을 통해 하나 이상의 기기와 통신합니다. LoRaWAN 게이트웨이모두 중앙 네트워크 서버에 연결됩니다.
- 이 기술은 지역별로 다른 비면허 ISM(산업, 과학, 의료) 대역에서 작동합니다(예: 유럽 868MHz, 북미 915MHz). LoRaWAN 네트워크는 하루에 수백만 개의 메시지를 처리할 수 있어 다양한 애플리케이션에 맞게 확장 가능하고 다재다능합니다.
무선 기술에서 네트워크를 설명하기 위한 기준
기본적으로 무선 기술에서 네트워크를 설명하는 데 사용할 수 있는 세 가지 특성은 다음과 같습니다.
- 범위
- 데이터 전송 속도
- 에너지 소비
물리 법칙이 명확한 한계를 가지고 있기 때문에 세 가지 기준 모두에 동등한 중요성을 부여하기는 어렵습니다. 예를 들어, LoRaWAN은 비교적 적은 에너지로 장거리 데이터를 전송할 수 있지만, 데이터 전송 속도는 매우 낮습니다.
Wi-Fi와 블루투스는 높은 데이터 전송 속도를 달성할 수 있지만, 전력 소모량이 상대적으로 높고 도달 범위가 좁습니다. 모든 스마트폰 사용자는 이러한 에너지 고갈에 익숙합니다. 대형 통신 사업자의 기지국은 높은 데이터 전송 속도와 비교적 긴 도달 거리를 제공하지만, 이를 위해서는 많은 에너지를 공급해야 합니다. 따라서 이러한 설치 환경에서 전력 공급은 필수적인 요소입니다.
동력 전달 균형
전력 전송 균형은 무선 전송 채널의 품질을 나타냅니다. 이는 송신 전력, 수신기 감도, 안테나 이득, 그리고 자유 공간 경로 손실(FSPL)을 더하여 계산할 수 있습니다.
LoRaWAN은 전력 전송 균형을 계산합니다.
경로 손실은 송신기와 수신기 사이의 거리에 따라 자유 공간에서 손실되는 에너지를 나타냅니다. 송신측과 수신측이 멀수록 에너지 손실은 줄어듭니다.
경로 손실은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다.
어디를 의미합니까?:
FSPL = 자유 공간 경로 손실
디 = TX와 Rx 사이의 거리(미터)
에프 = 주파수(헤르츠)
자유 공간 감쇠에 대한 널리 사용되는 대수 공식도 있습니다.
거리(d)를 두 배로 늘리면 6dB의 손실이 발생합니다.
수신단(Rx)에서 수신단의 감도는 전력 전송 균형에 영향을 미치는 요소입니다. Rx 감도는 수신 전력 및 열 잡음 허용 오차의 최소값을 나타냅니다.
여기서는 다음을 의미합니다.
BW = 대역폭(Hz)
NF = 잡음 계수(dB)
SNR = 신호 대 잡음비.
이는 신호가 잡음과 얼마나 떨어져 있는지를 알려줍니다.
LoRa 장치의 Rx는 WLAN보다 더 민감하므로 더 우수합니다. 안테나 이득 및 기타 자유 공간 감쇠를 고려하지 않은 극단적인 경로 손실 사례는 다음과 같습니다.
LoRaWAN 전력 전송 잔액을 계산하는 예:
TX 전력 = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10(125000) = 51;
NF = 6dB (LoRaWAN 네트워크의 게이트웨이는 NF 값이 낮습니다.)
SNR = -20(SF = 12).
이 숫자를 수식 ③에 입력하면 Rx 감도가 다음과 같이 됩니다. -137dBm
Rx 감도 = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
그러면 다음과 같은 공식을 사용하여 전력 전달 균형을 계산할 수 있습니다.
전력 전송 균형 = -137dB – 14dB = -151dB
명시된 값을 기준으로 LoRaWAN 범위 전력 전송 균형은 151dB로, 최적의 조건(순수 자유 공간 감쇠)에서 최대 800km의 거리를 처리할 수 있습니다. LoRaWAN 범위는 세계 최고 기록인 702km입니다.
~에 랜시텍 기록은 20km입니다.
- 게이트웨이는 30m 높이의 건물 위에 설치되었습니다.
- 추적기는 바다에 있는 배 위에 있습니다
- TX 전력 = 20dBm
LoRaWAN 범위에 영향을 미치는 기술적 요소
LoRaWAN 네트워크의 범위는 단일 요소에 의해 결정되는 것이 아니라 다양한 기술 구성 요소의 누적된 결과입니다. 여기에는 전송 전력, 수신기 감도, 안테나 특성 등의 측면이 포함되며, 이러한 요소들이 함께 LoRaWAN 네트워크의 장거리 데이터 전송에 필요한 기본 용량을 형성합니다.
송신 전력은 전파의 도달 거리를 결정하는 데 매우 중요합니다. 전력이 높을수록 도달 범위가 길어지지만, 에너지 소비량이 늘어나 기기 배터리 수명에 영향을 미칩니다. 또한, 다른 무선 기술과의 간섭을 방지하기 위해 규제 기준에 따라 최대 허용 송신 전력이 제한되는 경우가 많습니다.
- 규제 제한: 국가 및 지역마다 전송 전력을 규제하는 고유한 규정이 있습니다. 예를 들어, 유럽에서는 ETSI 규정에 따라 LoRaWAN 장치의 최대 전송 전력이 일반적으로 868MHz ISM 대역에서 14dBm으로 제한됩니다.
- 전력 증폭: 일부 LoRaWAN 장치에는 전송 전력을 높이기 위한 전력 증폭기가 포함되어 있을 수 있지만, 이는 법적 제한과 배터리 수명과의 균형에 의해 제약을 받습니다.
더 민감한 수신기는 경로 손실과 환경적 요인으로 인해 손실될 수 있는 약한 신호까지 수신할 수 있으므로 LoRaWAN 범위가 늘어납니다.
- 수신기의 품질 및 디자인: 잡음 지수가 향상된 고품질 수신기는 시스템 감도를 향상시킵니다. 이는 먼 거리나 까다로운 환경에서 신호를 감지해야 하는 상황에서 매우 중요합니다.
- 네트워크 설계에 미치는 영향: 높은 감도를 갖춘 수신기를 구현하면 각 게이트웨이가 더 멀리 떨어진 장치의 신호를 감지하고 처리할 수 있으므로 LoRaWAN 배포에 필요한 게이트웨이 수를 잠재적으로 줄일 수 있습니다.
안테나 유형 및 배치
안테나는 LoRaWAN 하드웨어 구성의 핵심 요소입니다. 안테나의 설계, 배치 및 주변 환경은 네트워크 범위에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
- 안테나 이득: 안테나의 이득은 지향성과 효율을 반영합니다. 이득이 높은 안테나는 에너지를 특정 방향으로 더 효과적으로 집중시켜 도달 범위를 증가시킬 수 있습니다. 그러나 이득이 높은 안테나는 빔 폭이 좁을 수 있으며, 이는 일부 배치 시나리오에서 단점이 될 수 있습니다.
- 안테나 유형: 전방향성 안테나는 모든 수평 방향으로 균일하게 전력을 방사하는 반면, 지향성 안테나는 특정 방향으로 전력을 집중시킵니다. 이러한 유형의 안테나 선택은 특정 애플리케이션과 커버리지가 필요한 영역에 따라 달라집니다.
- 배치 및 환경: 안테나의 위치는 설계만큼 중요할 수 있습니다. 안테나는 커버리지 영역이 잘 보이는 곳에 장애물 없이 설치해야 합니다. 건물, 수목, 지형은 모두 신호 전파에 영향을 미쳐 수신 범위에 영향을 줄 수 있습니다.
자유 공간 감쇠 계수
거리를 두 배로 늘리면 LoRa 자유 공간 감쇠가 6dB 증가하므로 무선 전파 감쇠는 대수 함수를 따릅니다(아래 공식 참조).
- FSPL= 자유 공간 경로 손실
디 = TX와 Rx 사이의 거리(미터) 에프 = 주파수(헤르츠)
[FSPL(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) -147.55].
LoRaWAN 범위에서 발생하는 에너지 손실 외에도, 물체에서 전파가 반사되고 굴절되어 전파가 겹치는 현상이 발생할 수도 있습니다.
LoRaWAN 범위에 영향을 미치는 환경 요인
LoRaWAN 네트워크가 작동하는 환경은 유효 범위에 중요한 역할을 합니다. 지형, 인공 구조물, 날씨와 같은 요인은 신호 전파에 영향을 미칠 수 있으며, 양호한 네트워크 성능을 유지하기 위해서는 이러한 문제를 해결해야 합니다.
- 지형—프레넬 영역 계수.
- 지형의 물리적 지형은 전파의 전파 속도를 크게 좌우할 수 있습니다. LoRaWAN 신호는 시야가 자주 차단되는 구릉이나 산악 지역보다 탁 트인 평지에서 더 멀리 이동할 수 있습니다.
- 프레넬 존은 무선 통신에서 두 통신 장치 사이의 직접적인 가시선 밖에 있는 타원형 영역을 지칭하는 개념입니다. 이 영역은 무선 통신에서 중요한데, 이 영역 내의 장애물은 신호 산란 및 다중 경로 효과를 유발하여 통신 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 따라서 무선 통신 시스템의 계획 및 설치 시에는 프레넬 존이 신호 전송에 미치는 영향을 고려해야 하며, 통신 경로를 따라 충분한 여유 공간을 확보하는 것이 중요합니다.
- 장거리를 효과적으로 커버하고 양호한 전력 전송 균형을 얻으려면 송신기와 수신기가 가능한 한 직선으로 시야를 확보하는 것이 필수적입니다. 무선 전송의 시야선 사이의 특정 영역은 프레넬 영역입니다. 송수신 안테나가 시각적으로 접촉하더라도 이 영역에 물체가 있으면 전파 전파에 부정적인 영향을 미칩니다. 프레넬 영역에 있는 각 물체의 신호 레벨은 감소하고 LoRaWAN 범위는 줄어듭니다(참조). 그림 3 LoraWAN 범위에 영향을 미치는 프레넬 영역 요소). 따라서 일반적으로 LoRaWAN 건물을 건물 꼭대기에 설치하는 것이 더 좋습니다. 높을수록 좋습니다.
전방향성 안테나는 LoRaWAN 범위 네트워크에서 일반적으로 사용되는 기술입니다. 따라서 방사 에너지는 수평면으로 확산되며, 네트워크 노드와 게이트웨이는 해당 평면에 위치합니다. 유럽에서는 ISM 대역 전송 전력이 868MHz에서 14dBm으로 제한됩니다. 최대 안테나 이득은 2.15dBi입니다.
인공 구조물—구조적 감쇠 계수 및 도시 환경
- 도시 환경에서는 건물이 무선 신호를 방해하고 반사시켜 감쇠(신호 손실)와 다중 경로 전파(신호가 수신기에 도달하기 위해 여러 경로를 거쳐 전파되는 현상)를 초래할 수 있으며, 이로 인해 간섭이 발생하고 수신 신호의 품질이 저하될 수 있습니다.
구조적 감쇠 계수(structural attenuation coefficient) 구조적 감쇠, 즉 무선 신호가 다양한 장애물을 통과할 때 감쇠되는 현상은 전송된 신호의 수신에 영향을 미치고 신호 범위를 크게 줄입니다. 예를 들어, 유리의 감쇠는 2dB에 불과합니다. 이는 30cm 두께의 콘크리트 벽보다 훨씬 적은 영향을 미칩니다. 아래 표는 다양한 재료와 일반적인 감쇠를 보여줍니다.
|
재료 감쇠
|
데시벨
|
|---|---|
|
유리(6mm) |
0.8 |
날씨 및 대기 조건
- 비, 안개, 습도와 같은 기상 조건은 전파를 흡수하거나 산란시켜 추가적인 신호 손실을 초래할 수 있습니다. LoRa는 고주파 기술에 비해 이러한 영향에 대한 복원력이 뛰어나지만, 심각한 기상 현상은 여전히 신호 강도를 약화시켜 네트워크 도달 범위를 감소시킬 수 있습니다.
- 이러한 환경적 요인은 다양한 구축 시나리오에서 안정적인 연결을 보장하기 위해 포괄적인 현장 조사 및 네트워크 계획의 필요성을 강조합니다. LoRaWAN 인프라를 구축할 때는 잠재적인 범위 영향을 고려하고 환경적 영향을 완화하도록 네트워크 설계를 조정하는 것이 중요합니다.
네트워크 구성 및 LoRaWAN 범위에 영향을 미치는 요소
네트워크 설계 및 구성 선택은 LoRaWAN 네트워크의 운영 범위에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 선택은 확산 계수, 대역폭 설정, 코딩 속도, 그리고 네트워크가 신호 간섭을 처리하는 방식에 따라 달라집니다.
- 확산 인자(SF)
LoRaWAN의 확산 계수는 전송되는 데이터 비트당 처프(chirp) 수를 조절합니다. 이는 데이터 전송 속도와 수신 범위 간의 균형을 맞추는 중요한 매개변수입니다. 확산 계수가 높을수록 데이터 전송 속도는 낮아지지만, 신호 대 잡음비가 낮아 더 먼 거리에서도 신호를 감지할 수 있으므로 수신 범위가 더 넓어집니다.
- LoRaWAN 네트워크에서 데이터 전송 속도의 특정 설정은 확산 계수(SF)를 사용합니다. LoRaWAN 네트워크는 SF7~SF12를 사용합니다. 처프 확산 스펙트럼 변조와 처프에 사용되는 다양한 위상 편이 주파수로 인해 LoRaWAN 네트워크는 간섭, 다중 경로 전파 및 페이딩에 민감하지 않습니다. LoRaWAN 범위 네트워크에서 TX 측은 처프를 사용하여 데이터를 인코딩하는 반면 Rx 측은 역처프를 사용하여 신호를 디코딩합니다. 초당 사용되는 처프 수, 비트 전송률의 정의, 각 심볼에서 방사되는 에너지 양, 달성 가능한 LoRaWAN 범위는 위에 표시되었습니다. 예를 들어, SF9의 비트 전송률은 SF7의 1/4이며, 이는 LoRaWAN의 확장성이 달성할 수 있는 것입니다. 비트 전송률이 느릴수록 에너지가 높아지고 전파 시간이 길어지며 각 데이터 세트의 범위가 커집니다.
|
확산 인자
|
칩/심볼
|
SNR 제한
|
방송 시간(10바이트 패킷)
|
비트 전송률
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56ms |
5469bps |
- 더 높은 SF를 사용하면 LoRa 신호는 간섭에 더 강해지고 더 먼 거리에서도 수신할 수 있지만, 전파 도달 시간은 늘어나고 네트워크 용량은 줄어듭니다.
- 대역폭 및 코딩 속도
LoRaWAN은 대역폭과 코딩 속도를 조정할 수 있어 LoRa 신호의 노이즈와 간섭에 대한 견고성에 영향을 미칩니다.
- 대역폭(BW): 대역폭이 넓을수록 데이터 전송 속도가 빨라져 무선 사용 시간은 줄어들지만 신호가 잡음에 더 취약해집니다. 반대로 대역폭이 좁을수록 데이터 전송 속도는 낮아지지만 신호 복원력은 더 좋아집니다.
- 코딩율(CR): 코딩률은 전송된 총 비트 수에 대한 데이터 비트의 비율을 정의하며, 오류 정정 코드를 고려합니다. 코딩률이 높을수록 더 많은 중복 데이터가 전송되므로 데이터 속도 효율성은 떨어지지만 비트 오류에 대한 복원력은 향상됩니다.
- 채널 간섭
LoRaWAN은 비면허 ISM 대역에서 작동하며, 다양한 다른 기기와 기술도 이 대역에서 데이터를 전송합니다. 이러한 소스에서 발생하는 간섭은 신호 선명도에 영향을 미치고 유효 범위를 감소시킬 수 있습니다.
- 동일 채널 간섭: 여러 기기가 동일 주파수 채널에서 전송하는 경우, 동일 채널 간섭이 발생할 수 있습니다. LoRa는 CSS 변조 방식을 사용하여 이 문제를 완화하는 데 도움이 되지만, 인구 밀도가 높은 네트워크에서는 여전히 문제가 됩니다.
- 듀티 사이클 제한: 일부 지역에서는 ISM 대역의 전송에 듀티 사이클 제한을 적용합니다. 이는 총 시간에 대한 전송 시간의 비율을 나타내며, 간섭 가능성을 줄이기 위해 설계되었습니다. 이러한 제한은 장치가 전송할 수 있는 메시지 수에 영향을 미쳐 네트워크 설계에 영향을 미칠 수 있습니다.
규제 및 준수 요소
LoRaWAN 네트워크의 범위를 결정할 때 규제 요인도 중요한데, 이는 무선 스펙트럼 규제 기관에서 부과하는 제한과 요구 사항 때문입니다.
- 주파수 규정: 각 지역마다 ISM 대역에 대한 특정 주파수 대역이 지정되어 있습니다. 미국의 FCC와 유럽의 ETSI와 같은 규제 기관은 주파수, 전력, 듀티 사이클을 관리하여 해당 주파수 대역을 공유하는 다양한 서비스의 요구를 충족합니다.
- 규정 준수: 규정 준수는 합법적인 운영뿐만 아니라 기기가 사용 주파수에 최적화되도록 하는 데에도 필수적입니다. 이러한 규정을 준수하면 상호 운용성과 네트워크 안정성을 확보하는 동시에 벌금이나 운영 중단을 방지할 수 있습니다.
첨단 기술 요소
기술의 새로운 발전으로 LoRaWAN 네트워크의 범위와 효율성을 향상시키는 새로운 솔루션이 제공됩니다.
- 적응형 데이터 전송 속도(ADR): ADR은 개별 노드의 SF 및 TX 전력 설정을 최적화하여 전력 효율성과 전반적인 네트워크 성능을 개선합니다.
- 네트워크 토폴로지: 추가 게이트웨이를 배치하면 커버리지와 용량을 향상시킬 수 있습니다. 지형과 잠재적 장애물을 고려하여 이러한 게이트웨이를 전략적으로 배치하는 것은 네트워크 최적화에 필수적입니다. 이러한 다양한 네트워크 구성과 규제 고려 사항을 통해 LoRaWAN 네트워크를 미세 조정하여 법적 요건을 준수하고 네트워크 트래픽을 최적화하면서 범위를 극대화할 수 있습니다.
결론 및 미래 전망
자세한 논의를 마무리하며, LoRaWAN 네트워크의 범위에 영향을 미치는 수많은 요인들을 살펴보았습니다. 전송 전력 및 수신기 감도와 같은 기술적 복잡성부터 네트워크 구축 환경의 복잡성까지 다양합니다. 또한, 규제 고려 사항과 고급 네트워크 구성이 네트워크 커버리지의 범위와 효율성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 살펴보았습니다.
결론적으로 LoRaWAN 네트워크의 범위를 극대화하는 것은 기술 사양에 대한 심층적인 이해, 배포 환경에 대한 신중한 평가, 규정 준수에 대한 주의, 끊임없이 발전하는 기술에 적응하는 능력이 필요한 역동적이고 다면적인 과제입니다.
사물 인터넷(IoT)과 연결된 기기의 미래를 바라보면서, 이러한 사례와 분석에서 얻은 교훈은 전 세계적으로 LoRaWAN 네트워크의 지속적인 성장과 최적화를 이끌어갈 것입니다.
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