Ⅰ. 연구 배경 및 목적

1. 연구 배경

기존에 IoT 서비스는 스마트 홈, 의학 장비와 같은 가전제품 또는 장비 위주로 개발이 진행이 되어왔다. 하지만 사물인터넷이 발전하면서 의류, 스포츠 등 다양한 분야에 소형 통신 장치를 활용한 서비스들이 개발되어 오고 있고 이러한 서비스들이 다소 장거리의 통신 반경을 요구함에  따라 그동안 비 면허 통신기반의 대표적인 통신 기술로 활용되어왔던 Wi-Fi나 Bluetooth와 같은 근거리 통신방식의 사용에 한계가 느껴졌다. 장거리 무선통신 기술의 대표격인 면허대역 기반의 2G, 3G, 4G와 같은 셀룰러 통신 방식은 장거리 통신은 물론 전송량이 많고, 고속의 통신이 가능하다는 장점이 있으나, 초소형의 크기가 가능해야하고 적은 전력소모, 그리고 비용이 저렴해야 하는 IoT를 위한 통신 장비들의 특성과는 적합하지 않다.^[1] 따라서 이러한 IoT 통신 장비의 요구사항들을 만족하면서 장거리 통신이 가능한 대안 기술로써 저전력 장거리 통신 기술인 Low- Power Wireless Area Network (LPWAN)에 대한 연구를 활발히 진행하게 되었다.^[2] LPWAN는 10년 이상 통신이 가능하도록 배터리가 설계되어야 하며, 10Km 이상의 거리에서도 안정적으로 통신이 되어야 하고, 저비용 구매단가라는 요구사항을 만족해야한다. 또한 LoRa의 Gateway는 IoT의 여러 단말기들이 하나의 Gateway에 접속을 해야 하기에 다중접속 기능을 갖추고 있어야 한다^[3]특히 LPWAN 기술 중 비 면허 대역 무선통신 방식인 Long Range (LoRa)기술이 개발되어 현재 이를 활용한 다양한 서비스 적용 사례들이 보고되어오고 있다. 본 논문에서는 이러한 차세대 IoT 서비스를 위한 통신 방식으로 각광받고 있는 LoRa 기술에 대하여 자세히 기술하고 국내외 각국의 활용사례들에 대하여 조사 분석한다.

Ⅱ. LoRa의 특징

1. LoRa 란?

그림 1 LPWAN 기술 분석^[4]

Fig. 1. LPWAN Technology Analysis

LPWAN기술 중 우리가 연구할 무선기술은 1GHZ 이하의 비 면허 대역에서 동작하는 기술인 LoRa 이다. 위에 그림은 다른 LPWAN 기술을 비교해놓은 것이다. 다른 NB-IoT나, 셀룰러 통신 등 다양한 무선기술 또한 같은 대역을 사용하지만 그 대역은 면허 대역이라 사용 시, 추가 요금이 발생하게 된다.^[4] 하지만 비 면허 대역을 사용함으로서 누구나 등록만 하면 무료로 사용이 가능해진다. 500 MHZ~ 1GHZ 대역은 다른 주파수에 비해 서로 간섭력이 낮아 무선 파장 및 효율적 측면에서 좋기 때문에 원거리 통신을 위해서는 최적의 대역이다.

2. LoRaWAN Network Architecture

LoRa에 네트워크 통신 구조는 위에 그림 2와 같다. End device에 해당하는 센서들은 센서 데이터를 수집하고, 센서 데이터를 Gateway로 전송을 한다. Gateway에서는 센서 데이터를 수집하여 데이터를 Network Server로 전송한다. Application Server는 데이터 수정 및 변환작업이 있는 경우 Network Server에 있는 데이터에 접근하여 데이터를 수집 분석하는 구조로 통신은 진행된다. End Device는 1개 또는 다수의 장치가 될 수 있으며 모든 End device는 단일 홉 무선 통신을 진행하여 가장 가까운 단일 Gateway와 통신한다. Concentrator 또는 Gateway에서는 Bridge작업을 함으로써 End Device와 Server간의 양방향 데이터를 전달하는 역할을 한다. Network Server는 보안 TCP/IP 연결(유선 또는 무선)을 통하여 중복메시지를 제거하면서 Gateway에 연결하고, End Device 메시지에 응답해야하기 위하여 Device에 가장 가까운 Gateway를 결정한다. 또한 적응형 데이터 전송률 방식(ADR)을 통하여 End Device 데이터 전송률을 관리하고 네트워크 용량을 최대화 하여 End Device에 전력 수명을 연장하는 작업을 한다. Application Server에서는 End Device로부터 수집된 데이터를 수집 또는 분석하여 End Device에 동작을 결정하여 전송한다^.[3] 

그림 2. LoRa 네트워크 구조^[5]

Fig. 2. LoRa Network Architecture

3. Battery Lifetime

경쟁 관계에 있는 여러 프로토콜들은 개별 End Device가 다른 End Device의 정보를 수신하고, 재전송하는 Mesh 프로토콜을 사용한다. 이러한 접근 방식을 사용하면 네트워크의 범위와 셀 크기가 증가한다는 장점이 있지만, 추가된 오버헤드에 의해서 네트워크 용량을 감소시키며, 메시지를 확인하기 위해서 항상 네트워크를 확인해야 하므로 상당한 전력을 소비하고, 개별 Device들의 배터리 수명을 단축시킨다.

하지만 LoRa 네트워크의 Device는 비동기식방식을 사용함으로써 네트워크를 지속적으로 확인을 하지 않아, 이벤트 주도형이든 스케줄링이든 데이터를 보낼 준비가 되면 통신을 시작하기 때문에 다른 무선 기술과는 다르게 배터리 수명이 길다.^[3] 

4. Device Classes

LoRa Device는 LoRa Network에서 통신을 하기 위해서 3가지의 Class로 분류하여 통신방식을 정한다^[3].

가. A Class

첫 번째로 A Class 통신방식은 LoRa Device와 LoRa Gateway 사이에서 LoRa Device가 Gateway에게 메시지를 전송을 수행한 이후, 잠시 동안 두 번에 걸쳐 메시지 수신이 허용되는 받는 방식이다. LoRa Device는 송신을 하기 전에는 송신과 수신 모두 동작을 하지 않고 있다가 송신이 진행이 되면, 그 순간에 잠시 동안 두 번에 수신 윈도우를 허용할 기회를 제공한다. 즉 A Class를 사용하게 되면 수신을 하기 위해서는 송신이 진행이 되어야 한다. 그렇기 때문에 송신 위주의 서비스에 주로 사용되며, 상시전원을 사용하지 않고 배터리로 운영하는 경우에 사용되기 때문에 Class 중 가장 적은 전력을 사용한다.

나. B Class

A Class가 송신을 위주로 하는 Class라면 B Class는 A Class의 단점을 보완하여 A Class 기능을 제공할 뿐만 아니라 예정된 시간에 수신이 가능하게끔 만들어진 Class이다. A Class에 비해 낮은 지연시간을 가지는 점이 장점이며, B Class는 예정된 시간에 수신 윈도우에 수신을 할 수 있는 상태가 되면서, 메시지가 수신될 경우 해당 시간에 데이터를 수신 할 수 있다.

다. C Class

C Class는 수신 가능 상태를 유지하기 위해서 다른 Class에 비해 최소 지연시간을 가지지만, 송신하는 시간을 제외하고는 수신을 대기하는 상태가 지속되므로, 가장 많은 전력을 소비한다. C Class를 사용하기 위해서는 기존에 배터리로 동작이 되는 상황이 아닌, 충분한 전력이 필요한 상황에서 사용되어야 한다. 거의 모든 순간 수신 상태를 유지하기 때문에 LoRa를 이용한 스마트 플러그, 원격 제어 및 Actuator 구현에 주로 사용이 되는 Class이다.

5. Security

LoRaWAN은 비 면허 주파수 대역을 사용하게 되면서, 전파 인증만 통과된다면 누구나 무료로 망을 구축, 사용 할 수 있다 장점이 있지만, 반대로 누구나 접근이 가능하다는 단점이 있다. 따라서 LoRaWAN에 안전한 사용을 위해서는 보안 인증절차를 진행해 주어야 한다.

LoRaWAN은 위에 그림 3처럼 보안 방식에 따라 보안 인증절차를 진행한다. 보안 인증절차로는 개인화 활성화 방식인 ABP와 무선 활성화 방식인 OTAA 두 가지의 방식으로 보안 인증 절차를 진행하게 된다. Network Server까지 Network Session Key (NwkSKey)를 사용하여 암호화를 진행하고, Application Server까지는 Application Session Key (AppSKey)를 사용하여 암호화를 진행한다.^[3] 

그림 3. LoRa 보안 인증 절차 방식^[3]

Fig. 3. LoRa Security authentication procedure method

첫 번째 보안 방식인 ABP(Activation By Personalisation)는 네트워크에서 LoRa 장치를 활성화하는 가장 간단한 방법이다. ABP를 사용하려면 End Device가 Network Server와 사전에 동의하고 Network Server가 제공하는 다양한 DevAddr에 대하여 미리 사전 준비가 되어있어야 한다. 기기가 켜지면 바로 데이터를 보낼 준비가 되었으므로, Join 과정을 시작한다.

먼저 ABP Join 과정은 그림 4와 같이 DevAddr, AppSKey, NwkSkey를 사용하여 Device에 미리 프로그래밍 정보를 프로그래밍하게 되어 따로따로 조인 절차를 필요로 하지 않는다. 또한 네트워크 서버는 전송을 인식할 수 있도록 전송 전에 DevAddr, AppSKey, NwkSKey를 이용하여 구성한다. 처음 연결이 이루어지면, 그 후 부터는 추가로 가입할 필요가 없고, 장치 정보를 이미 알고 있으므로, 바로 통신이 가능해진다. 사전에 미리 장치가 네트워크에 등록이 되기 때문에 특별한 Join 과정이 필요 없지만, 장치가 다른 사용자에게 정보가 전달이 될 경우, 다른 사용자가 키를 가지게 된다. 또한 추가 또는 만료 상황 시 Key를 수정하기 위해서는 다시 프로그래밍을 해야 한다는 단점이 있다.^[3]

그림 4. ABP 보안방식^[3]

Fig. 4. ABP Security Procedure

OTAA(Over The Air Activation)은 좀 더 복잡하지만 범위 내에서 모든 장치에 장치를 연결할 수 있으며, 실제 데이터를 보내기 전에 ABP와 마찬가지로 데이터를 보내기 전에 각 장치에 대한 NwkSKey, DevAddr, AppSKey를 알고 있어야한다. 이 정보를 안전한 방법으로 검색하려면 장치에 사전 제공되는 추가키인 Appkey가 필요하다.^[3] 

OTAA 과정으로는 그림 5와 같이 Device는 Gateway로 서버에 연결을 요청하는 Join_Request 메시지를 전송합니다. 요청에는 사진에 프로그래밍 된 DevEUI, AppEUI및 AppKey 와 임의의 DevNonce를 추가하여 요청을 보낸다. 메시지를 수신한 Gateway는 네트워크 서버로 패킷을 전송한다. 네트워크 서버는 Join_Request를 수신하고 AppKey, AppNonce, NetID 및 DevNonce를 기반으로 AppSKey 및 NwkSkey를 계산한다. 연결의 유효성이 맞으면 연결에 대한 Join_Accept 메시지를 전송하는데 이 메시지에도 NetID, DevAddr 및 AppNonce, DLSettings, RXDelay,CFList 와 같은 네트워크 설정이 포함하여 전송한다. 메시지 전송은 Device에 가장 강한 신호가 있는 Gateway에게만 전송한다. Device는 NetID 와 DevAddr 및 네트워크 설정을 저장한 후, AppNonce를 사용하여 세션키인 NwkSKey 및 AppSkey를 생성한다. 장치가 네트워크로 변경이 되어도, 다시 프로그래밍할 필요 없이 서버에 대한 정보를 가지고 있으므로, 다시 Join이 가능하지만, 이러한 기능을 지원할 수 있도록 장치가 이러한 기능을 지원을 해주어야 한다.^[3]

그림 5 OTAA 보안 방식^[3]

Fig. 5. OTAA Security Procedure

6. Modulations

LoRa는 CSS(Chrip Spread Spectrum) 변조 방식을 사용하며, 제한된 Channel Bandwidth에서 낮은 데이터 전송률 대신 신호 송수신 거리를 확보한다.^[6] Chrip Spread Spectrum 변조방식은 시간이 지남에 따라 선형적으로 주파수가 증가/감소하는 Chirp 펄스로 주파수를 변조, 광대역에 걸쳐 정보를 인코딩한다. 보내고자 하는 원래 신호에 확산코드를 곱하면 신호의 에너지는 낮고 넓게 펴지며, 노이즈는 확산되지 않은 채로 수신이 된다. 수신기는 원래 신호로부터의 복원을 위해서 다시 역 확산 코드를 곱하게 되며, 노이즈에 확산되는 효과가 발생하여 수신기로부터 무시됨에 따라 Coding Gain이 발생한다. 또한 직교하는 확산 대역 코드를 사용하여 동시에 여러 단말이 통신할 수 있는 측면에 이점이 있다.^[3]

Ⅲ. LoRa 기술 활용 사례

1. 국내  사례

표 1에서 정리한 거와 같이 시 관계자 및 기업에서 LoRa망을 이용하여 서비스를 진행하고 있다. 그 중 오산시, 동두천시, 구로구와 같은 곳은 자체 LoRa망을 사용하여 구축하였으며, 대구시, 부천시와 같은 곳은 국내 모바일 통신사인 SK Telecom과 협업 하여 서비스를 진행하였다.^[7]

표 1. LoRa를 활용한 국내 사례

Table 1. Domestic cases using LoRa table. 

또한 문화유산 보호 전문단체인 High Tech는 지방자치단체 4곳과 협업 하여 문화재 보호를 위하여 LoRa망을 사용하였다.^[8]

2. 국외 사례

가. Europe

LoRa Alliance는 유럽에 있는 모든 LoRa 장치는 3개의 기본 채널로 구현되어야 하며 LoRa Gateway가 지속적으로 응답을 하도록 구현을 해야 한다고 말하고 있다. 현재 LoRa Alliance는 LoRa Gateway가 일반적으로 8개의 채널을 사용하고, 863 – 870 대역에서 서로 다른 고유한 데이터 속도와 대역폭을 가진다.

표 2에서 정리 한 거와 같이 유럽에서 가장 활발하게 LoRa를 사용하고 있으며, 현재 많은 국가에서 LoRa를 적용한 서비스가 시행중이다^.[7]

표 2. LoRa를 활용한 유럽 사례

Table 2. Europe cases using LoRa table. 

나. North America

북아메리카에서는 LoRaWAN이 902-928 MHZ 주파수 대역에서 동작한다. 유럽 주파수 대역과는 달리 북아메리카 대역은 업 링크 및 다운 링크 채널을 각각 다르게 사용한다. 표 3에서 정리한 거와 같이 북아메리카에 사례 중 미국과 캐나다의 사례를 정리하였다.^[7]

표 3. LoRa를 활용한 북미 사례

Table 3. North America cases using LoRa table. 

다. Asia

표 4에서 정리한 거와 같이 국내를 제외한 아시아 국가 중 중국과 일본 인도에 사례를 정리하였다. 개발 도산국은 현재 LoRa 망을 구축 중에 있어 표에는 나타내지 않았다.^[7]

표 4. LoRa를 활용한 아시아 사례

Table 4. Asia cases using LoRa table. 

라. 정리

국내 사례를 보면 시 자체 LoRa망을 설치하였을 때는 위치추적기능과 모니터링 기능으로 사용이 되었으며, SKT 망을 사용한 사례를 보면 주로 미터링 작업을 하는 것으로 보인다. 해외사례를 보면 기업과 협력하여 미터링 작업과 모니터링 하는 작업이 주를 이루었으며, 상황에 따른 알람 서비스를 같이 진행함으로써 LoRa를  전 세계적으로 사용하는 것을 확인하였다.

Ⅳ. 결론

과거에는 주로 Wi-Fi 나 Bluetooth와 같은 무선기술들은 소형 가전에 쓰일 수 있으며, 에너지 소모가 적어 연구가 진행되어왔다. 하지만 사물인터넷(IoT)이 발전하면서 웨어러블 장비 및 스포츠 분야에 접목하는 일이 생기면서 장거리 통신이 필수가 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 장거리 저전력 통신 방식인 LPWAN이 연구가 진행되었으며, 그중에서도 비 면허 대역 통신으로 비용이 저렴한 LoRa와 같은 기술이 연구가 진행되고 있다. 이 보고서에서는 LoRa/LoRaWAN 무선통신 기술을 정리하고,  LoRa/LoRaWAN 무선통신을 기반으로 한 IoT 디바이스와 애플리케이션의 사례에 대하여 조사를 진행하면서 무선통신 기술 동향을 확인하였으며, LoRa를 이용한 사물인터넷 사례가 다양하게 진행되면서 실내 및 근거리 게이트웨이를 통한 통신방식에서 장거리 통신방식으로 연구가 진행이 되고 있는 것을 확인 할 수 있었다.