LoRa - (장거리) 네트워크 및 프로토콜 아키텍처 및 프레임 구조

LoRa는 IoT 네트워크 구축을 위한 저속 데이터 저전력 무선 플랫폼 기술인 Long Range입니다. 

ISM (산업, 과학 및 의료) 대역에서 허가되지 않은 무선 스펙트럼을 사용하여 네트워크 서버 및 애플리케이션 서버에 연결된 원격 센서와 게이트웨이 간의 통신을 가능하게 합니다.

 

LoRa 기술은 다른 프랑스 신생 기업인 Cycleo에서 인수 한 칩 회사 Semtech가 소유하고 있습니다. 

Semtech는 LoRa Alliance를 구성하여 글로벌 표준을 개발하고 이를 회원에게 무료로 라이선스를 제공합니다. 

Semtech는 LoRa 기술을 칩셋에 구축합니다. 이러한 칩셋은 당사의 방대한 IoT 파트너 네트워크가 제공하는 제품에 내장되고 전 세계 모바일 네트워크 사업자의 LPWAN에 통합됩니다.

 

LoRa 네트워크 아키텍처

 

LoRa 네트워크는 아래 그림에 나와 있습니다.

 

 

LoRa 네트워크는 엔드 노드(디바이스)가 네트워크 서버와 통신하는 여러 게이트웨이로 메시지를 보낼 수 있는 스타 토폴로지를 사용합니다. 엔드 노드(디바이스)는 특정 게이트웨이에 속하지 않기 때문에 둘 이상의 게이트웨이가 끝 장치에서 보낸 메시지를 수신할 수 있습니다. LoRa 무선 액세스 기술은 엔드 디바이스와 게이트웨이 간의 통신에 사용됩니다. 게이트웨이와 네트워크 서버는 표준 IP 연결을 통해 연결됩니다.

 

엔드 디바이스

• 적은 양의 데이터를 저주파로 장거리 전송할 때 사용합니다. 
• 스마트 시티, 스마트 빌딩, 공장 자동화, 농장 자동화, 물류 등 다양한 애플리케이션에 활용이 가능합니다.

LoRa 게이트웨이 

• LoRa BTS가 무선 링크를 통해 엔드 디바이스에서 패킷을 수신 한 다음 IP 백 홀 또는 3G / 4G 광대역 연결(일반적인 통신)을 통해 네트워크 서버로 전달합니다.

네트워크 서버

• 전체 네트워크를 관리합니다. 
• 패킷을 받으면 패킷의 중복을 제거하고 보안 검사를 수행 한 다음 확인 메시지를 다시 보내기에 가장 적합한 게이트웨이를 결정합니다.

Application Server

• End Device가 보내는 모든 데이터를 사후 처리하고 필요한 조치가 취해지는 최종 서버입니다.

LoRa 프로토콜 아키텍처

 

LoRa 프로토콜 사양은 LoRa Alliance에서 개발했습니다. 종단 간 네트워크 프로토콜 아키텍처는 아래와 같습니다. 

LoRaWAN의 프로토콜은 MAC 계층과 애플리케이션 계층으로 구성되며 LoRa 물리 계층을 기반으로 작동합니다.

 

 

LoRa 프로토콜 프레임 구조

 

Physical Layer(물리 계층), MAC Layer, Higher Layer(애플리케이션 계층)에 대한 LoRa 프로토콜 프레임 구조는 아래 그림과 같습니다.

 

 

물리 계층 프레임

• 프리앰블 (Preamble) : 물리 계층에서 LoRa 프레임은 *프리앰블(Preamble)로 시작합니다. 통상 2 계층(링크 계층)에서 사용되는 비트열로, 동기화를 위해 사용되지만, 동기화 기능과는 별도로 프리앰블은 패킷 변조 방식을 정의하여 나머지 패킷과 동일한 확산 계수로 변조됩니다. 일반적으로 프리앰블 기간은 12.25 Ts입니다. 
• PHY Header와 Header CRC : 길이가 20비트이고 가장 신뢰할 수 있는 속도로 인코딩 된 반면 나머지 프레임은 PHY 헤더에 지정된 속도로 인코딩 됩니다. PHY Header에는 페이로드 길이와 CRC(16 Bits)가 프레임에 있는지 여부와 같은 정보도 포함됩니다.
• PHY 페이로드 : MAC 프레임이 포함됩니다.
• Payload CRC : LoRa 네트워크에서는 Up Link 프레임에만 페이로드 CRC가 포함됩니다.

 

MAC 계층 프레임 

• MAC 계층에서 처리되는 패킷 :  MAC 헤더, ​​MAC 페이로드 및 MIC(Message Integrity Code)
• MAC 헤더는 프로토콜 버전 및 메시지 유형, 즉 데이터인지 관리 프레임인지, 업 링크 또는 다운 링크로 전송되는지 여부, 확인 여부를 정의합니다. MAC 헤더는 공급 업체별 메시지임을 알릴 수도 있습니다. 
• 엔드 디바이스 활성화를 위한 조인(Join) 절차에서 MAC 페이로드는 조인 요청 또는 조인 수락 메시지로 대체될 수 있습니다. 
• 전체 MAC 헤더 및 MAC 페이로드 부분은 네트워크 세션 키 (Nwk_SKey)로 MIC 값을 계산하는 데 사용됩니다. MIC 값은 메시지 위조를 방지하고 엔드 디바이스를 인증하는 데 사용됩니다.

 

애플리케이션 계층 패킷

• 애플리케이션 계층이 처리하는 MAC Payload 구성 요소 :  Frame Header, Frame Port, Frame Payload
• 프레임 헤더(Frame Header)
  • 두 부분을 포함하는 장치 주소
  • 처음 8 Bits는 네트워크를 식별, 다른 Bits는 네트워크에 연결하는 동안 동적 할당되며 네트워크에서 장치를 식별합니다.
  • 프레임 컨트롤(Frame Control) Up Link 전송을 위해 게이트웨이가 지정한 데이터 속도를 사용할지 여부와 이 메시지가 이전 메시지 수신을 승인하는지 여부, 그리고 게이트웨이에 더 많은 데이터가 있는지 여부와 같은 네트워크 제어 정보에 대한 1 Byte (8 Bits)입니다.
  • 순차 번호 지정을 위한 프레임 카운터 정보 포함
  • 데이터 속도, 전송 전력, 연결 유효성 검사 등에 사용되는 명령에 대한 프레임 옵션 포함
• 프레임 포트(Frame Port) 값은 애플리케이션 유형에 따라 결정됩니다. 
• 프레임 페이로드(Frame Payload) 값은 애플리케이션 세션 키 (App_SKey)로 암호화됩니다. 이 암호화는 AES-128 알고리즘을 기반으로 합니다.

 

LoRa 기술 애플리케이션 ( 활용 방안 ) 

• 대기 오염 모니터링
• 농업 가공
• 동물 추적
• 화재 감지
• 함대 추적
• 홈 보안
• 실내 공기질
• 산업용 온도 모니터링
• 자산 관리
• 예측 유지 보수
• 방사선 누출 감지
• 스마트 조명
• 스마트 주차
• 폐기물 관리
• 물 흐름 모니터링

참고 문헌

1. Lora-alliance 리소스-허브
2. LoRaWAN 채널 액세스의 한계
3. 보안 LoRaWAN을위한 이중 키 기반 활성화 체계

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