LoRa (1): Chirp Spread Spectrum

최근 IoT(Internet-of-Things) 분야의 하나의 꼭지로 IoST(Internet-of-Small-Things)에 대한 관심이 뜨겁다. IoT에서 가정하는 일반적인 기기보다 computing power, battery capacity, memory capacity 측면에서 더 제약이 많은 작은 기기들이 연결되는 네트워크를 의미한다. 이 small things들은 자신이 가진 자원도 적지만 전송하는 데이터의 양도 적기 때문에 높은 전송 용량을 제공하는 대신 많은 자원을 소모하는 WiFi나 GPRS(General Packet Radio Service), LTE와 같은 통신 기술보다 전송 용량이 낮더라도 자원 소모가 적은 통신 기술을 선호한다.

이런 요구를 충족시키기 위해 LPWAN(Low-Power Wide Area Network) 통신 기술들이 제안되었는데 LoRa, SigFox, LTE-M 등이 대표적인 기술이다. 이 기술들의 공통점은 데이터 전송량이 낮은 대신 전력 소모가 적고, 원거리 전송이 가능하여 망 설치 비용이 낮음과 동시에 멀티홉 전송으로 인한 에너지 소모도 필요치 않다는 점이다.

위 기술 중에서 LTE-M은 LTE 망의 일부 통신 채널을 가져다 쓰고, SigFox도 개발사가 운용하는 망에 접속해야 하는 형태이기에 개인적으로 IoST 망을 설치하여 서비스 아이디어를 시험해보고 싶은 개발자들은 LoRa를 사용하게 된다.

< https://www.businesswire.com/news/home/20190226005442/en/Semtech%E2%80%99s-LoRa-Technology-Recognized-Innovation-Mobile-World >

LoRa는 Long Range의 약자로서 말 그대로 원거리 전송을 위한 기술이라는 의미이다. LoRa의 원거리 전송의 비밀은 Chirp Spread Spectrum (CSS)라는 기술에 있는데, Chirp은 'Compressed High Intensity Radar Pulse'의 줄임으로 기존에는 레이더 등 군사용으로 사용되었으나 LoRa가 상업적으로 처음 구현하였다. BLE와 같은 통신에서는 서로 다른 주파수를 이용하여 0과 1을 구분하는 GFSK가 많이 사용되지만, CSS는 일정한 전송 단위 시간 내에서의 주파수의 변화를 관찰하여 전송값을 구별한다. 아래 그림은 CSS 전송의 예이다. 가로 5단위가 한 심볼을 전송하는 시간이라고 가정하면 이 시간동안 주파수가 변화한다. 아래는 낮은 주파수에서 높은 주파수로 변화하고 있는데 이를 up-chirp이라고 하고, 그 반대의 경우를 down-chirp이라고 한다. 결국, CSS 전송 시스템은 허용된 주파수 범위 내에서 어떤 주파수에서 시작하여 어떤 주파수로 끝나는지에 따라 전송하는 값이 결정된다. 이처럼 어느 특정한 주파수가 아니라 주파수 변동 범위를 활용하여 전송하기 때문에 간섭이나 전파 방해에 시달리지 않고 원거리 전송이 가능해진다.