누군가에게 도움을 드리기보다 미래의 저를 위해 쓰는 글입니다. (의도치 않게 도움이 된다면 좋겠지만요😊)
앞서 포스팅하면서 느낀 것은 하나의 기술은 IoT의 모든 애플리케이션과 볼륨을 제공 할 수 없다. 였다.
제공하는 서비스나 디바이스의 제한점이 애플리케이션마다 다르기 때문이었다. 그렇기 때문에 내가 제공할 서비스와 사용자의 환경을 고려해 어떤 통신을 이용해야 할 것인지 정해야하는 것이다.
WiFi 및 Bluetooth는 널리 채택된 표준이며 개인 장치 통신과 관련된 응용 프로그램을 매우 잘 제공한다.
셀룰러 기술은 높은 데이터 처리량과 전력이 필요한 애플리케이션에 적합하다.
LPWAN은 다년간의 배터리 수명을 제공해야하며, 다양한 환경에서 시간당 여러 번 장거리에 걸쳐 소량의 데이터를 전송 해야하는 센서 및 애플리케이션을 위해 설계되있다.
LPWAN에서도 LoRaWAN을 살펴보자!😎
LoRa와 LoRaWAN
low-power wide-area network
LoRa는 하위 물리 계층을 정의하고 있었기에 상위 네트워킹 계층이 부족했다.
그래서 상위 계층을 정의하기 위해 개발된 여러 프로토콜 중의 하나가 LoRaWAN이다.
LoRa : 장거리 통신 링크를 생성하는데 사용되는 물리 계층 또는 무선 변조 (Semtech 사)
LoRaWAN : 네트워크를 위한 통신 프로토콜과 시스템 아키텍처를 정의 (lora-alliance)
LoRaWAN의 특징
End Nodes (End- device, 단말기)들이 LoRa RF를 통해 중계기에 전달 => 중계기에서는 인터넷 베이스로 네트워크 서버에 전달 =>
애플리케이션 서버에 애플리케이션 정보를 전달하는 시스템이다. 보안을 위해 AES 128이라는 암호화 알고리즘을 사용해 데이터를 통신(주고 받고)다.
RF (Radio Frequency 방사주파수)
전자파를 이용한 무선장비단의 통칭
100~300Mhz 이상의 고주파 무선통신 및 고주파를 이용하는 장비 설계, 연구 공학분야 일체를 지칭
l 네트워크 아키텍처
Long range star architecture를 사용해 장거리 연결이 가능할 때 배터리 수명을 보존한다.
l 넓은 통신 범위
l 네트워크 보안
네트워크용과 애플리케이션용 두 가지 보안 계층을 활용한다. 네트워크 보안은 노드의 신뢰성을 보장하고,
애플리케이션 보안 계층은 네트워크 운영자가 최종 사용자의 애플리케이션 데이터에 접근하지 못하게 한다.
AES 암호화는 IEEE EUI64 식별자를 사용하는 키 교환과 함께 사용된다.
l 단방향 및 양방향 통신
l 다양한 애플리케이션 제공
l 간섭에 대한 견고성
l 배터리 수명 또는 저전력
LoRa network의 nodes는 비동기식이며 이벤트 기반이든 예약이든 데이터를 보낼 준비가되면 통신한다. 이런 유형의 프로토콜을 일반적으로 Aloha 방법이라고 한다.🥳
l 네트워크 용량 (네트워크의 최대 노드 수)
LoRaWAN ™ 네트워크는 매우 높은 용량을 확보하고 네트워크를 확장 할 수 있다.
최소한의 인프라로 네트워크를 구축 할 수 있으며 용량이 필요하면 더 많은 게이트웨이를 추가하여 데이터 속도를 높이고 다른 게이트웨이에 대한 overhearing 양을 줄이고 용량을 6 ~ 8 배 확장 할 수 있다.
다른 LPWAN 대안은 다운 링크 용량을 제한하거나 다운 링크 범위를 업 링크 범위에 비대칭으로 만드는 기술 절충으로 인해 LoRaWAN ™의 확장성을 갖지 않는다.
기존에 배포된 많은 네트워크는 mesh network architecture를 사용한다.
mesh network architecture에서 개별 엔드 노드는 다른 노드의 정보를 전달하여 네트워크의 통신 범위와 셀 크기를 늘린다. 이렇게하면 범위가 늘어나지만 노드가 관련이 없을 가능성이있는 다른 노드로부터 정보를 수신 및 전달하면 복잡성이 추가되고 네트워크 용량이 감소하며 배터리 수명이 단축된다.
mesh network 또는 cellular와 같은 동기식 네트워크에서 노드는 종종 네트워크와 동기화하고 메시지를 확인하기 위해 'wake up' 한다. 이 동기화는 상당한 에너지를 소비하며 배터리 수명 단축의 가장 큰 원동력이 된다.
Long range star architecture를 사용하면 장거리 연결이 가능할 때 배터리 수명을 보존하기에 적합하다🤗
long range star network를 실행 가능하게하려면 gateway에 매우 많은 양의 노드에서 메시지를 수신 할 수있는 용량 또는 기능이 있어야 한다.
LoRaWAN™ 네트워크의 높은 네트워크 용량은 적응형 데이터 속도를 활용하고 gateway에서 다중 채널 다중 모뎀 송수신기를 사용하여 여러 채널에서 동시에 메시지를 수신 할 수 있도록 한다. (용량에 영향을 미치는 중요한 요소는 동시 channel 수, data rate 데이터 속도 (time on air 방송 시간), payload length 페이로드 길이 및 nodes transmit 노드 전송 빈도이다.)
LoRa®는 확산 스펙트럼 기반 변조이기 때문에 서로 다른 확산 인자를 사용할 때 신호가 실제로 서로 직교한다.
확산 계수가 변경되면 유효 데이터 속도도 변경되고, gateway는 동일한 채널에서 동시에 여러 데이터 속도를 수신 할 수 있기 때문에 이 속성을 활용한다.
좋은 링크이고 게이트웨이에 가까우면 항상 가장 낮은 데이터 속도를 사용하고 필요한 것보다 더 오래 사용 가능한 스펙트럼을 채울 이유가 없어진다. data rate(데이터 전송률, 속도)을 더 높이면 time on air(방송 시간)이 단축되어 다른 노드가 전송할 수 있는 더 많은 공간이 열리고, 적응형 데이터 속도는 노드의 배터리 수명을 최적화한다. 적응형 데이터 속도가 작동하기 위해서는 충분한 다운 링크 용량과 함께 대칭적인 업 링크와 다운 링크가 필요하다.
LoRaWAN의 네트워크 구성
gateway는 표준 IP 연결을 통해 Network Server에 연결되고 투명한 브리지 역할을 하며 단순히 RF 패킷을 IP 패킷으로 변환하거나 그 반대로 변환한다. (쉬운 말로, 게이트웨이는 레디오 값을 받아서 포워딩만 한다. 포워딩을 인터넷 베이스로 하기 때문에 IoT가 되는 것.) 네트워크 간에서 데이터를 통신할 때에는 NetworkSessionKey를 가지고 암호화를, 애플리케이션에서 통신할 때에는 AppSessionKey를 가지고 암호화를 한다.
LoRaWAN ™에서 network nodes는 특정 gateway와 연결되지 않고 nodes가 전송한 데이터는 일반적으로 여러 gateway에서 수신된다. 각 gateway는 수신 된 패킷을 end-device에서 일부 Backhaul (셀룰러, 이더넷, 위성 또는 Wi-Fi)을 통해 클라우드 기반 네트워크 서버로 전달한다. 인텔리전스와 복잡성은 네트워크를 관리하고😵 중복 수신 패킷을 필터링하고, 보안 검사를 수행하고,🤯 최적의 gateway를 통해 승인을 예약하고, 적응형 데이터 속도를 수행하는 네트워크 서버로 푸시된다. 노드가 이동 중이거나 이동중인 경우 gateway에서 gateway로 핸드 오버가 필요하지 않다.
End-nodes 즉, 디바이스들은 각자 서비스하는 내용도 다르며 그에 따른 요구 사항도 다르다. 다양한 최종 애플리케이션 프로필을 최적화하기 위해 LoRaWAN ™은 다양한 장치 클래스를 사용한다.
다음 피드에서는 클래스에 대해서 살펴보자🤓🤓🤓
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