마이크로칩의 LoRa 솔루션으로 손쉽게 안정적인 장거리 무선 통신 환경 구축이 가능하다는 전문가의 의견이 제시됐다.
 
지난 3월 e4ds news 웨비나에서 마이크로칩 무선 통신 솔루션 담당 김기범 수석은 ‘LoRa 솔루션: 장거리 무선 통신기술과 다양한 IoT 분야에서의 적용 방안’에 대해 발표했다.
 
이날 강의에서는 LoRa 및 LoRaWAN의 개념과, 다양한 IoT 분야에 LoRa가 적용된 사례를 소개하고, 필드에서의 마이크로칩 LoRa 솔루션의 무선 통신 성능을 공개했다.
 
LoRa는 ‘Long Range’의 약자로, 기술 자체 또는 LoRaWAN 네트워크 프로토콜을 일컫는다. 도심에서 5km, 교외에서 최대 15km 장거리 통신을 가능케 한다.
 
LoRa는 데이터 전송률을 희생해 통신 거리를 얻는 무선 통신 방식이다. 전송 데이터를 확산하고, 수신 단에서 이를 역확산해 수신 감도를 증가해 통신 거리를 확장한다. 데이터를 확산시키면 데이터 전송률(Data rate)이 낮아진다. 
 
LoRa는 보안, 물류, 주차 관리, 설비, 빌딩 관리, 환경 모니터링, 누출 관리, 홈 케어 등 적용 가능한 분야가 점점 확대되고 있다. 예컨대 스마트홈에서 도어락에 사용되고, 스마트팜에서 각종 모니터링을 담당하기도 한다. 한편 음영 지역이 발생하는 경우 LoRa 적용 시 간섭이나 충돌이 문제가 되는데 적절한 채널 분배와 출력 조절이 필요하다.

LoRa 설정에서 거리 및 데이터 전송 속도를 결정하는 요인으로는 △SF(Spreadning Factor) △대역폭(Bandwidth, BW) △Forward Error Correction(FEC) Code Rate(CR) 세 가지가 있다.

SF(Spreadning Factor)는 데이터 확산 정보를 조정하며, 데이터를 많이 확산할수록 확산 이득이 커져 수신 감도가 증가 및 통신 거리가 늘어난다.

대역폭(Bandwidth, BW)은 통신 채널의 폭을 조절해 채널 폭이 좁을수록 수신 감도가 증가하지만 전송 시간은 늘어난다. 125kHz, 250kHz, 500kHz로 설정 가능하며, 국내에서는 125kHz 대역폭을 사용하고 있다.
 
마지막으로 Forward Error Correction(FEC) Code Rate(CR)는, 데이터 전송할 때 중첩시키면 에러 검출 및 모종이 가능해 통신 거리가 증가한다. Code Rate는 중첩 정도를 설정하는 것으로, 통상 5분의 4를 사용한다. IEEE 802.15.4는 저전력 무선 통신 기술로, 낮은 데이터 전송률을 특징으로 한다. 지그비, 와이썬, 마이와이 등 통신 프로토콜의 하위 레이어로 널리 사용된다. 보안을 위한 메시지 암호화 기능으로, 각 노드에게 배포된 암호화 키로 전송 메시지를 암·복호화 해 메시지를 보호한다.

'LoRaWAN'은 LoRa 얼라이언스에서 정의한 네트워크 프로토콜이다. 엔드 디바이스, 네트워크 서버, 어플리케이션 서버 4가지 계층이 존재한다.
 
엔드 디바이스에 전송한 LoRa 메시지는 게이트웨이에서 수신해 네트워크 서버로 전달된다. 엔드 디바이스와 네트워크 간 LoRa 무선 통신이 이뤄지며, 이후 게이트웨이 네트워크 서버, 어플리케이션 서버 구간은 표준 IP 통신 구간이다.
 
엔드 디바이스에서 서버로 전송되는 메시지를 업링크 메시지라고 하며, 반대는 다운링크라고 한다. 이는 클래스 A, B, C에 따라 전송방식이 달라지는데, A는 지연이 크지만, 전력 소모 면에서 가장 유리하다. B는 일정 시간, C는 계속 가능하다. LoRa는 통신 거리가 길어 엔드 디바이스가 전송한 데이터를 여러 게이트웨이가 동시에 수신할 수도 있다.
 
■ 마이크로칩, LoRa 솔루션 풀스택 제공
 
MiWi(Microchip wireless)는 마이크로칩의 무선 네트워크 프로토콜 스택이다. 2.4Ghz 및 6 sub 대역을 모두 지원한다. 낮은 전력 소모와 경량화가 특징이며, 별도 라이선스 없이 자유롭게 사용 가능하다는 장점을 갖는다.
 
MiWi의 주요 기능 중 △‘액티브 스캔(Active Scan)’은 각 채널에 존재하는 다른 MiWi 네트워크 정보를 수집하는 기능이다. PAN, 신호 세기 등으로 선별해 통신이 원활한 채널의 선택을 돕는다. △‘에너지 스캔’은 채널의 노이즈 레벨을 측정함으로써 데이터 송신 전 채널 상태를 측정할 때나 네트워크 생성 시 사용된다. △‘프리퀀시 애질리티’는 현재 사용중인 채널이 혼잡할 경우, 다른 채널로 전체 네트워크가 이동하는 기능이다. △'네트워크 프리저’는 네트워크를 빠르게 회복하는 기능으로 기존 네트워크 정보를 저장했다가 전원이 끊기는 등 즉시 통신 상태를 복원한다.
 
김 수석은 마이크로칩의 LoRa 솔루션으로 IC 및 모듈을 소개했다. "마이크로칩의 LoRa IC는 유연한 설계를 가능케 하고 가격이 저렴하며, 모듈은 FCC 등 주요 국가 무선 인증을 획득했고, 기간 단축에 효과적"이라고 주장했다.
 
이중 SAM R34는 48MHz Cortex M0+ MCU와 트랜시버가 통합된 SiP 솔루션이다. 인증 완료된 디자인 패키지와 LoRaWAN 스택이 제공되며, 마이크로칩의 스튜디오 기능도 제공된다. ADC 등 다양한 주변 장치도 포함된다.
 
LoRa 트랜시버는 137MHz에서 1020MHz까지 지원하며 최대 무선 출력은 20dBm 및 수신 감도는 -148dBm이다. 울트라 로우 백업 모드의 전류소모는 790nA로 업계 최저 수준이다. WLR089는 이미 인증된 모듈로 검증 시간이 줄여진다. 정밀하게 매칭된 안테나가 안전한 무선 성능을 보장한다.
 
LoRa 평가보드는 성능 테스트 뿐만 아니라 함께 제공되는 회로도와 제품 설계에 활용할 수 있으며, 온보드 디버거가 포함돼 디버그 툴이 별도로 필요 없다.

마이크로칩에서 제공하는 LoRa 소프트웨어도 소개됐다. LoRa P2P & MiWi와 LoRaWAN은 API로 앱을 구현한다. LoRaWAN 스택으로 MiWi와 같은 프로토콜을 좀더 유연하게 구축하고 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다. 

마이크로칩은 도심 및 교외에서의 LoRa 솔루션 필드테스트 사례를 소개됐다. 교외 지역인 비봉산에서는 15km 통신이 무리가 없었고, 다양한 장애물로 인해 도심 지역인 서울 가산동에서는 약 6km까지 측정됐다. LoRa IoT 시스템 데모는 LoRa 네트워크, 게이트웨이, 클라우드 서비스, 시각화로 구성된다.