iot를위한 low power wide area 기술 - hsn

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IoT를 위한Low Power Wide Area 기술

2016. 1. 28

Nable Communications, Inc.

The 26th High-Speed Network Workshop (HSN 2016)

㈜네이블커뮤니케이션즈

LPWA Overview

Technologies & Market Trend

LoRa in detail

Contents

ⓒ 2015 Nable Communications, INC. Confidential and Proprietary to Nable Communications, INC. 3

Low Power Wide Area

• LPWA : A group of technologies with the following characteristics : § Long battery life (often in excess of 10 years whilst supporting a benchmark smart metering application)§ Wide area connectivity characteristics, allowing for out-of-the-box connected solutions§ Low cost chipsets and networks§ Limited data communications throughput capacity

Source : LoRa Alliance


Low Power Wide Area

Gbps

Mbps

kbps

bps

10m 100m 1Km 10Km

LPWA

Cellular

UMTS, HSPALTE, LTE AShort Range

Wi-FiZigBee, Bluetooth,

etc.

Coverage

Price


LPWA Market Forecasts

2014-2023 Connections technologies evolution(World-all applications in thousands)

LPWA >> M2M Cellular in 2019

LPWA

Cellular (2G, 3G, 4G)

MAN

Connected DeviceSource : Machina Research, May 2015

• Machina Research forecasts that there will be 3.6bn LPWA connections by 2024.

LPWA Overview


LoRa in detail

Contents


LPWA Technologies

De-facto Standards Cellular Standards

LTE-M

NB-IoTNB LTE-M

NB-CIoT

8ⓒ 2015 Nable Communications, INC. Confidential and Proprietary to Nable Communications, INC.

De-facto Standards Summary

구분 Sigfox LoRa Ingenu

표준화 • ETSI • LoRa Alliance • On-Ramp Wireless™, IEEE 802.15

상용화• 유럽 5개국 상용화: UL Only

(DL지원 서비스 극소수)

• Orange(프랑스) ’15상용화• Bouyques(프랑스) ’15상용화• KPN(네덜란드) ‘16 상용화예정

• Smart Metering, Grid Oilfield 등 30개이상 Global IoT N/W 상용화

Eco-system• Sigfox E2E 통합 솔루션- 통신모듈, 기지국, Core Cloud 등

• LoRa 모뎀칩: SemTech• 단말모듈: Microchip 등 11개 업체• 기지국: Kerlink, Cisco 등 4개 업체• N/W Server 솔루션: Actility, IBM

• Ingenu E2E 통합솔루션- 모뎀칩, AP, G/W, NMS

주파수 Band• 비면허 Sub Ghz 대역

(800 ~ 900 Mhz)• 비면허 Sub Ghz 대역

(800 ~ 900 Mhz)• 비면허 2.4Ghz 대역

RF B/W• DL: 200Khz, UL: 200Khz

(단말당 UL B/W는 100Hz)• DL+UL: 7.8kHz ~ 500Khz

125kHz로 사용이 Main• DL+UL: 1Mhz

Data Rate• DL: 600bps, UL: 100bps• Data Size <12Byte

• DL/UL: 18~37,500bps• Data Size: ~200 Byte

• DL/UL: <120kbps• Data Size: 24~100 Byte

기지국당Coverage

• 수신감도- DL: -132dBm, UL: -142dBm- LTE 대비 20~30dB 우위

• 수신감도- DL/UL: -111 ~ -148dBm

(18~37,500bps)-140dBm at 150bps

- LTE 대비 20~30dB 우위

• 수신감도- DL: -133dBm, UL: -142dBm- LTE 대비 20~30dB 우위

단말 통신모듈 가격

• $5 예상 • $5 예상 • $30 예상


Sigfox (1)

• 개요§ Low Power & Long Range IoT network§ Sigfox Network Operator (SNO) Model § ISM Band 사용§ 디바이스당 연간 1Є§ 디바이스가 전송한 모든 데이터는 Sigfox Cloud에 저장되

고, 서비스 주체는 Open API를 이용하여 데이터 조회(Rest API or HTTP Callback)

• 기술적 특징§ 12 bytes max per message§ 140 messages per day max§ 6 messages per one hour§ Two-way communication§ 8 bytes max per downlink message ( ~ack message)§ Ack message 를 수신하기 위하여, 디바이스는 20초 동

안 Rx모드로 동작

• Network Structure

• Issues

§ ADR(Adaptive Data Rate) 없음§ Sigfox社 의존성이 강함§ Network에서 디바이스로 데이터 전송 불가능§ Private Network 구성 불가함§ 측위 솔루션 구축 어려움§ Firmware Upgrade 불가능


Sigfox (2)

• Sigfox Network Operators (SNO)

• UK : Arqiva• Netherlands : Aerea (Tele2)• Russia : Micronet• Spain : Abertis (Securitas)• US : Trial (Whistle, canine tracker)

• Service Sectors

• Biz Highlights

• Samsung과 Arquiva와 전략적 제휴 : plans to build networks in the 10 largest US cities, beginning this year in San Francisco


Ingenu (1)

• 개요§ On-Ramp Wireless 에서 rebrand (2015 9월)§ LPWAN 기반의 Public network 및 Private network

제공§ E2E Total solution 제공§ RPMA 기술 사용

• 기술적 특징 (RPMA)§ 주파수 대역 : 2.4Ghz§ Direct-sequence spread spectrum (DSSS) with

multiple access 적용§ 엄격한 ‘Transmit Power Control’을 통한 배터리

관리§ Uplink 624 Kbps§ Downlink is 156 Kbps

• 장/단점 분석§ Low Power§ Long Range (도심 4Km, 시외 16Km)§ Ingenu 의존성 강함§ 제한적 Ecosystem (Oil & Gas Field, Lightening

System)

• Coverage Information


§ Private Networks- 38 RPMA networks over the world- Texas Oilfields Coverage 영역 확대 (55,000 square miles)

§ Public Networks (Nation-wide IoT network)- Phoenix and Dallas by the end of 2015- Full coverage across the US by the end of 2017

§ Partnership with Meterlinq srl- announced the deployment of a public, nationwide network in

Italy for IoT application

• Biz Highlights • Service Sectors

Ingenu (2)


LoRa

• 개요§ Long range and low power solution

•10mile range, 10yr battery lifetime § 디바이스가 복수개의 기지국에 접속 가능하여 최적의 경로로 네트워크에서 디바이스로 데이터 전송 가능§ 단순한 접속 절차로 대량의 디바이스 수용이 용이§ 디바이스와 기지국간의 연결 단순화로 구축비용 저렴(repeater등의 인프라 필요 없음)§ ADR 적용으로 신호 간섭에 강하고 최적의 주파수 활용도 제공§ 측위 기능 제공§ LoRa Alliance (150 members)를 통한 개방형 Ecosystem 구축§ Customized Deployment 용이§ 데이터 전송 횟수 제한에서

• 기술적 특징§ 주파수 대역 : ISM Band § Class A/B/C 타입의 디바이스를 제공하며 서비스에 적합한

디바이스 선택 가능§ Payload : 50byte§ Encryption : AES-128§ ADR (SF7~SF12)§ Channel Hopping§ Duty Cycle limited

• 장/단점 분석§ Private Network 및 Public Network 구축 가능 (multi-tenant 가능)§ Customized LoRa Network Deployment 가 가능하여, 다양한 Use Case 및 서비스에 적용 가능§ ADR을 기술을 통하여, Robust Data 송/수신 가능


Actility (LoRa)

§ 2015. 12 - 핀란드 방송사업자 Digita와 헬싱키 지역에 LoRa 테스트 망 구축. - 핀란드 최초 LoRa Network- Use case: temperature/humidity and motion sensors for

monitoring conditions in homes, summer cottages

§ 2015. 11- 네덜란드 KPN과 2016년 말까지 전국망 구축- 기존 3/4G 기지국에 LoRa base station 설치- use cases : street lights, smoke alarms, smart parking, asset

tracking and utility metering

§ 2015. 11- 두바이 통신 사업자 du와 중동 지역 LoRa IoT Network PoC 진행

(Actility’s ThingPark Wireless™ core network server and Cisco IoTgateways)

§ 2015. 10- 벨기에 통신사업자 Proximus와 벨기에, 룩셈부르크 전국망 구축- 최초의 대규모 LoRa network 구축사업- Use Case: asset tracking luggage carts @Zaventem Airport, smart

parking solution

§ 2015. 07- 프랑스 파리에 세계 최초 LoRa™ Street Lighting Control 서비스 실

시

• Service Sectors• Biz Highlights


Cellular LPWAN (1)

• 개요§ Sigfox/LoRa 와 대등한 수준의 LPWAN 기술표준 정의§ 3GPP Rel12/13 에 포함됨§ 기존 LPWAN사업자는 Startup 기업들인 반면, Cellular LPWAN 업체는 통신 메이저사가 주도

• 장/단점§ 기존 LTE infra 재사용 가능성이 있고 LTE 혹은 GSM 불용 주파수 일부를 사용할 수 있어서 사업자에게 유리§ 타 LPWAN 기술 대비 시장 진입이 늦어 Ecosystem 형성에 어려움 예상§ 타 LPWAN 기술 대비 구축 비용이 상대적으로 많이 소요될 것으로 예상§ Private Network 구성 어려움


Cellular LPWAN (2)

§ 2015. 9 - GSMA ‘Mobile IoT Initiative’ 기술 표준 합의- 3GPP 승인 (Rel 13)- NB-LTE (Intel, Ericsson, Nokia) 와 NB-CIoT (Huawei, Vodafone, China Unicom, u-blox 등) 의 Harmonized Version (NB-IoT)

§ 2015. 12- Vodafone and Huawei completes first successful commercial trial of pre-standard NB-IoT

• Biz Highlights

Source : www.qualcomm.com

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LoRa in detail

Contents


LoRa 기술 : 망구성

• 단말 : 센서 데이터를 암호화/복호화 기능 등을 수행• 기지국 : 단말-NW서버간 데이터를 전달 역할• NW서버 : 단말 인증/관리, 기지국 연동, App별 데이터 관리, 보안 기능 수행• Application Server : IoT 플랫폼, Customer Server

* Semtech 자료 참고


Protocol Stack

Source : LoRa Alliance


ID 체계

ID 설명 Format 발급 주체

AppEUI application identifier, global application ID IEEE EU164. 64 bits 사업자

DevEUI global end-device ID IEEE EU164. 64 bits 제조사

DevAddrdevice address. LoRa Alliance 에서 7Bits Network ID 할당하고, 나머지 25 Bit를 Network 에서 발급

32 bits 사업자

NwkSKey Network Session Key

AppSKey Application Session Key

§ ID

§ ID 생성 Flow

NetworkDevice

1. AppEUI/DevEUI 제조사 생성 2. DevEUI, AppKey 생성/저장AppEUI/DevEUI

DevEUI/AppKey3. AppEUI/DevEUI/AppKey 로

Device 생산

4. Device ActivationJoin(AppEUI/DevEUI/DevNonce)

5. AppSKey, NwkSKey, AppNonce, DevAddr 생성/저장

Join Accept(AppNonce/DevAddr)6. DevAddr 저장

AppSKey/NwkSKey 생성/저장


기지국 연동

• Device는 복수의 기지국으로 데이터를 전송하며, NW 서버는 SNR과 기지국 과부하 상태 등을 고려하여 최적 조건의 기지국을 선택하여 데이터를 전송

§ Signal to Noise Ratio Rank 를 통한 최적의 기지국 선택 절차

Device GW1 GW2 GW3 4GW NW Server

Sends Message of SF12

Sends downlink message orACK to sensor through GW2

Creates and updatesLocal table for

GW <-> SNR information

GW

1234

GW

1234

SNR

-10-4-18-6

SNR

-10-4-18-6

Elects GW2 as best GWFor this device

기지국 #1 기지국 #2DeviceDevice 기지국 #3

* Actility MWC 발표자료 참고

기지국 #4


ADR (Adaptive Data Rate)

• ADR 은 PER (Packet Error Rate) 와 Signal 지표 (SNR, RSSI) 를 분석하여 디바이스 별로 Data Rate 와 Tx-Power 를조절하는 기법으로 배터리 보존과 데이터 전송률 향상을 동시에 도모할 수 있는 기술

290bps530bps

970bps

14km 10km 8km 6km 4km

Avg bitrate ~1300bps

2D simulation (flat environment)

SF12 11 10 9 8 7


ADR 적용사례

NW 서버

① Uplink 메시지 추적을 통한 PER 및 Signal 분석

② Datarate 및 TxPower 조절

③ Datarate 조절을 통한 전체 망 최적화 및 디바이스 Battery-Life 개선


Device Classes

• Uplink 데이터 전송 주기 및 Device가 제공하는 서비스 타입에 따라서 Device Class를 지정하여 Deploy 가능• Device Class A는 모든 Device에서 제공하며, 선택적으로 Class B/C를 추가 지원 가능

1 차

전

송

ACK

미

수신

2 차

전

송

ACK

수

신

Data1Downlink

Data1Downlink

ACKACK ACKACKData

UplinkData

Uplink

Data1Retransmit

Data1Retransmit

NW 서버NW 서버

DeviceDevice

okokokok

데이터Queueing

ACKACK

DeviceDevice

Data1Downlink

Data1Downlink

Data1Retransmit

Data1Retransmit

ACKACK

okokNW 서버NW 서버

1

차

전송

ACK

미

수신

2

차

전송

ACK

수

신

데이터 Queueing 버

퍼링

더이

터

전송

더이

터

전송

Transmit

RX2

RX1

RX2

Transmit OnAir Time

RECEIVE_DELAY1

RECEIVE_DELAY2

Extends next uplink

§ Class A § Class B § Class C

- Device가 Uplink 데이터 전송 후 1초 간격으로 2회 Downlink 데이터 수신 가능

- 전력소모 최저

- 128초 이내에 지정된 횟수 만큼 Downlink 데이터 수신 가능

- 전력소모 중립

- 상시 Downlink 데이터 수신 가능- 별도 전원 필요하며 고정형 Device

등에 적합


위치 측위 (Localization)

• Device에서 전송한 Uplink 데이터가 기지국에 도달한 시점의 Timestamp를 Network서버에서 삼각 측위 방법으로분석하여 Device의 위치 추적 가능

§ 삼각 측위에 활용하는 데이터+ 신호 도달 시간을 이용한 좌표 생성 (Time Of Arrival)+ 수신 신호 세기를 이용한 좌표 생성 (RSSI)

NetworkServer

NetworkServer


LoRa Test Kit

• GPS

• Air pressure, Temperature

LORA 단말

• 서비스 종류에 따라 각종 센서와 결합된 소형 단말 다양하게 존재

Fire Alarm

• Fire detector

Indoor Sensor

• (Indoor) Temperature

• (Indoor) Humidity

Location Tracer

• Asset Tracking

Water Metering

• Water metering (w/ EUR standard)

Power Controller

• Power monitoring

• Remote power on/off switch

이미지출처: 제품 제조사 사이트


LoRa 시스템

• Wi-Fi AP 정도의 크기 기지국과 소형 안테나로 수십km 커버리지 확보 가능• 소출력 (<500mW)으로 PoE 전원 공급으로 운용 가능

기지국 구축 외관 PoE 전원 장치 기지국 내부

Indoor PoE

이미지출처: Kerlink 브로셔, Bouygues Telecom 자료


LoRa 기지국 및 안테나 구축 형태

• 기존 옥외 국소에 기지국 및 안테나를 간단하게 설치하는 형태

이미지출처: Bouygues Telecom 자료


서비스 응용 분야

• LPWAN 기반의 신규 산업 마켓 형성• Low Power & Long Range 기술이 없을 때에는 가능하지 않았던 다양한 BM들이 상용화 가능할 것으로 예상


Use Case : abeeway Asset Tracking

선박 수하물 책가방 자전거

오토바이 보드 중장비 물류

§ 사업 분야

• 놀이동산ü 미아 방지ü 분실물 위치 확인

• 물류 서비스ü 컨테이터 추적ü 분실 확인

• 렌트 서비스ü 차량, 선박, 위치 확인

• 리조트ü 리조트 이용객 위치 확인

이미지출처: www.abeeway.com


Use Case : Enevo Waste Collection for Smart City

TO-BEAS-IS

이미지출처: www.enevo.com


• World’s first LoRa™ Street Lighting Control Solution

Use Case : InteliLIGHT

이미 출처: http://loranet.eu/portfolio/intelilight-lora/

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