MHz LoRa 통신 기술

1. 저전력 장거리 통신(LPWAN) 기술의 부상과 LoRa

1.1 사물 인터넷(IoT) 시대의 통신 패러다임 변화

사물 인터넷(Internet of Things, IoT)의 확산은 통신 기술에 새로운 패러다임을 요구하고 있다. 기존의 Wi-Fi나 Bluetooth와 같은 근거리 무선 통신 기술은 높은 데이터 전송률을 제공하지만 통신 거리가 수십 미터에 불과하고, 3G, LTE, 5G와 같은 셀룰러 통신은 광범위한 커버리지를 보장하지만 높은 전력 소모와 통신 비용으로 인해 수많은 저전력 디바이스를 연결하기에는 한계가 명확하다.1 IoT 시대는 도시 인프라, 농업, 물류, 환경 모니터링 등 다양한 분야에 걸쳐 수십억 개의 센서와 액추에이터가 저비용으로 연결되는 초연결 사회를 지향한다. 이러한 배경 속에서 기존 통신 방식으로는 충족시키기 어려운 새로운 요구사항, 즉 수많은 저전력 디바이스를 넓은 지역에 걸쳐 저비용으로 연결해야 하는 필요성이 대두되었고, 이는 저전력 장거리 통신(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN) 기술의 등장을 촉발했다.2

1.2 LPWAN의 정의와 핵심 요구사항 (저전력, 장거리, 저비용)

LPWAN은 이름 그대로 저전력(Low-Power)으로 장거리(Wide-Area) 통신을 지원하는 네트워크 기술의 총칭이다.3 LPWAN 기술이 추구하는 핵심 목표는 명확하다.

첫째, 극도로 낮은 전력 소모를 통해 배터리 교체 없이 수년간 작동할 수 있어야 한다. 이는 전원 공급이 어려운 외딴 지역에 설치되는 센서의 유지보수 비용을 획기적으로 절감하는 데 필수적이다.2

둘째, 단일 기지국으로 수 킬로미터에 달하는 광역 커버리지를 확보해야 한다. 이는 최소한의 인프라 투자로 넓은 지역의 디바이스를 연결하기 위함이다.2

셋째, 단말기 모듈 가격과 통신 요금이 매우 저렴해야 한다. 대규모 IoT 네트워크를 경제적으로 구축하고 운영하기 위한 전제 조건이다.4 이러한 특징들은 고속의 데이터 전송을 포기하는 대신, 소량의 데이터를 비정기적으로 전송하는 대부분의 IoT 센서 네트워크 환경에 최적화되어 있다.6

1.3 LoRa의 등장 배경 및 LPWAN 시장에서의 위치

LPWAN 기술은 사용하는 주파수 대역의 규제 방식에 따라 크게 두 가지 진영으로 나뉜다. 하나는 기존 이동통신 사업자가 소유한 면허 대역(Licensed Band)을 활용하는 셀룰러 IoT 기술로, 3GPP에 의해 표준화된 NB-IoT(Narrowband-IoT)와 LTE-M이 대표적이다.4 다른 하나는 별도의 허가 없이 사용 가능한 비면허 산업·과학·의료(Industrial, Scientific, and Medical, ISM) 대역을 사용하는 기술이다.4

LoRa(Long Range)는 프랑스의 스타트업 Cycleo에서 개발되어 2012년 반도체 기업 Semtech에 인수된 기술로, 비면허 ISM 대역을 사용하는 대표적인 LPWAN 기술이다.8 LoRa는 독자적인 네트워크 구축이 가능하고 주파수 사용료가 없어 초기 인프라 투자 비용이 낮다는 강력한 장점을 가진다.9 Semtech은 LoRa 기술을 칩셋 형태로 독점 공급하면서도, LoRa Alliance라는 강력한 비영리 산업 연합체를 조직하여 상위 프로토콜인 LoRaWAN을 개방형 표준으로 지정하고 생태계를 확장하는 전략을 취했다.6 이를 통해 LoRaWAN은 Sigfox, NB-IoT 등과 함께 LPWAN 시장을 주도하는 핵심 기술로 확고히 자리 잡았다.4

이러한 기술의 분화는 단순한 기술적 차이를 넘어 비즈니스 모델과 시장 생태계의 근본적인 차이를 형성했다. 면허 대역을 사용하는 NB-IoT는 막대한 주파수 비용을 지불하고 전국적인 인프라를 구축한 기존 이동통신 사업자(Telco) 중심의 중앙 집중형 공용망(Public Network) 서비스 모델에 최적화되어 있다.10 사용자는 통신사로부터 연결 서비스를 구독하는 형태가 일반적이다. 반면, 누구나 자유롭게 사용할 수 있는 비면허 대역 기반의 LoRaWAN은 이러한 통신 사업자 주도 모델 외에, 특정 기업이나 지방 자치 단체, 심지어 개인이 특정 목적을 위해 자체적으로 네트워크 인프라(게이트웨이, 서버)를 구축하고 소유하는 사설망(Private Network) 모델에 대한 가능성을 활짝 열었다.10 이로 인해 LoRaWAN 생태계는 통신 사업자뿐만 아니라 시스템 통합(SI) 기업, 솔루션 개발사, 장비 제조사, 커뮤니티 개발자 등 훨씬 다양한 참여자로 구성되며, 이는 하이브리드(공용망+사설망) 모델과 같은 혁신적인 네트워크 배포 전략을 가능하게 하는 원동력이 되었다.12 따라서 LPWAN 기술의 선택은 단순히 기술 사양을 비교하는 것을 넘어, 네트워크의 소유권, 데이터 제어권, 비용 구조(초기 투자 비용 vs. 운영 비용), 외부 사업자 의존도 등 비즈니스 전략적 판단과 깊이 연관된다.

2. LoRa 핵심 기술 원리 분석

2.1 물리 계층(Physical Layer): LoRa 변조 방식

2.1.1 처프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum, CSS)의 기술적 원리

LoRa(Long Range) 기술의 장거리 저전력 통신을 가능하게 하는 핵심은 Semtech사의 독자적인 물리 계층 변조 방식인 처프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum, CSS)에 있다.1 CSS는 기존의 주파수 편이 변조(FSK)나 진폭 편이 변조(ASK)와 근본적으로 다른 접근 방식을 취한다. CSS는 시간에 따라 주파수가 선형적으로 일정하게 증가(Up-chirp)하거나 감소(Down-chirp)하는 광대역 신호인 ’처프(Chirp)’를 기본 심볼(Symbol)로 사용한다.1

데이터는 이 처프 신호의 시작 주파수를 변화시켜 인코딩된다. 구체적으로, 전송할 데이터 값에 따라 처프 신호의 파형을 시간 축에서 순환적으로 이동(Cyclic Shift)시킨다. 수신기는 이 시작 주파수의 미세한 차이를 감지하여 원래의 데이터를 복원한다. 예를 들어, 확산 계수(Spreading Factor, SF)가 7인 경우, 27, 즉 128개의 서로 다른 시작 주파수 상태를 구분할 수 있으므로, 하나의 처프 심볼에 7비트의 정보를 담아 전송할 수 있다.

2.1.2 장거리 통신 및 노이즈 내성 확보 메커니즘

CSS 기술이 장거리 통신과 강력한 노이즈 내성을 동시에 확보하는 원리는 ’처리 이득(Processing Gain)’과 ’넓은 대역폭’에 있다.

첫째, CSS는 전송할 신호의 에너지를 의도적으로 넓은 주파수 대역에 걸쳐 분산시킨다. 이로 인해 신호의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density)가 낮아져 마치 배경 잡음(Noise)처럼 보이게 된다. 수신기는 전송된 처프와 동일한 패턴의 신호를 사용하여 상호 상관(Cross-correlation)을 수행함으로써, 신호 에너지를 다시 한 점으로 모으는 과정을 거친다. 이 과정에서 잡음은 분산된 채로 남아있고 신호는 증폭되어, 신호가 잡음 레벨(Noise Floor)보다 훨씬 아래(−20dB 수준)에 있더라도 수신기가 이를 성공적으로 감지하고 복조할 수 있게 된다.6 이는 링크 버짓(Link Budget)을 극대화하여 통신 거리를 획기적으로 늘리는 핵심 원리다.

둘째, 이러한 특성 덕분에 LoRa 시스템은 간섭(Interference)에 매우 강한 내성을 보인다. LoRa 수신기는 간섭 신호의 전력이 유효 신호보다 최대 20dB 더 강한 열악한 환경에서도 통신을 유지할 수 있다. 이는 동일한 비면허 ISM 대역을 사용하는 다른 통신 시스템(Wi-Fi, Zigbee 등)과의 간섭을 효과적으로 회피하고 안정적인 통신 품질을 보장하는 데 기여한다.6 또한, 처프 신호는 주파수 오프셋(Frequency Offset)과 도플러 효과(Doppler Effect)에도 강한 특성을 보여, 저가의 부정확한 크리스탈 발진기를 사용하더라도 안정적인 통신이 가능하게 하여 엔드 디바이스의 제조 비용을 낮추는 데 기여한다.

2.2 핵심 파라미터: 확산 계수(Spreading Factor, SF)

2.2.1 SF와 데이터 전송률, 통신 거리, 배터리 수명의 상관관계

확산 계수(Spreading Factor, SF)는 하나의 처프 심볼이 얼마나 많은 비트를 인코딩하며, 얼마나 긴 시간 동안 전송되는지를 결정하는 LoRa 통신의 가장 중요한 파라미터이다.9 SF 값은 7부터 12까지의 정수 값을 가지며, SF 값이 1 증가할 때마다 심볼을 구성하는 칩(Chip)의 수가 두 배로 늘어나고, 결과적으로 공중 점유 시간(Time on Air) 역시 약 두 배로 길어진다.15 SF는 데이터 전송률, 통신 거리, 배터리 수명 간의 상충 관계(Trade-off)를 조절하는 핵심 변수이다.

• 높은 SF (예: SF12): 심볼당 더 많은 칩을 사용하므로 전송 시간이 길어진다. 이로 인해 데이터 전송률(Bitrate)은 크게 감소한다. 하지만 더 긴 시간 동안 신호 에너지를 축적할 수 있어 수신 감도(Receiver Sensitivity)가 향상되고, 더 약한 신호도 감지할 수 있게 되어 통신 거리가 늘어난다. 반면, 공중 점유 시간이 길어지므로 전송에 더 많은 에너지를 소모하게 되어 배터리 수명에는 불리하며, 채널을 오래 점유하여 전체 네트워크 용량에 부담을 준다.14
• 낮은 SF (예: SF7): 심볼당 더 적은 칩을 사용하므로 전송 시간이 짧아진다. 이는 높은 데이터 전송률로 이어진다. 공중 점유 시간이 짧아 에너지 소모가 적고 배터리 수명에 유리하며, 채널을 빠르게 비워주므로 네트워크 용량 확보에 유리하다. 하지만 수신 감도가 낮아져 통신 거리가 짧아지는 단점이 있다.14

이러한 SF의 특성은 LoRa 기술의 핵심 경쟁력으로 작용한다. LoRa는 단일 기술로 고정된 성능을 제공하는 것이 아니라, 하나의 네트워크 내에서 다양한 거리와 데이터 요구사항을 가진 이기종 디바이스들을 동시에 효율적으로 수용할 수 있는 ’적응형 네트워크’의 기반을 제공한다. 예를 들어, 게이트웨이와 가까운 스마트 빌딩의 온도 센서는 SF7로 빠르게 데이터를 전송하고, 수 킬로미터 떨어진 곳의 자산 추적기는 SF12로 느리지만 안정적으로 위치 정보를 전송할 수 있다.

더 나아가, 서로 다른 SF를 사용하여 변조된 신호들은 서로 준-직교성(Quasi-Orthogonal)을 가진다. 이는 동일한 주파수 채널에서 다른 SF를 사용하는 여러 개의 패킷이 동시에 전송되더라도 게이트웨이가 이를 충돌로 처리하지 않고 각각 독립적으로 수신 및 복조할 수 있음을 의미한다.16 이 특징은 LoRa 네트워크의 전체 용량을 물리적으로 증대시키는 매우 중요한 역할을 한다.

표 1: 확산 계수(SF)에 따른 성능 지표 비교 (125kHz 대역폭, CR 4/5, 10-byte 페이로드 기준) 15

2.2.2 적응형 데이터 속도(Adaptive Data Rate, ADR)

적응형 데이터 속도(Adaptive Data Rate, ADR)는 LoRaWAN 네트워크 서버가 개별 엔드 디바이스의 무선 통신 환경을 지속적으로 모니터링하여, 최적의 SF와 송신 출력(TX Power)을 동적으로 할당하는 핵심 메커니즘이다.1 엔드 디바이스는 업링크 메시지에 신호 대 잡음비(SNR)와 수신 신호 강도 지표(RSSI)와 같은 링크 품질 정보를 포함하여 네트워크 서버에 보고한다.

네트워크 서버는 이 정보를 분석하여 다음과 같이 동작한다.

1. 게이트웨이와 가까워 신호 품질이 매우 좋은 디바이스에는 더 낮은 SF(더 빠른 속도)와 더 낮은 송신 출력을 할당하도록 명령한다.
2. 게이트웨이와 멀리 떨어져 있어 신호가 약하거나 패킷 손실이 발생하는 디바이스에는 더 높은 SF(더 긴 도달 거리)와 더 높은 송신 출력을 할당하도록 명령한다.

이러한 동적 조정을 통해 ADR은 두 가지 중요한 목표를 달성한다. 첫째, 각 디바이스가 통신에 필요한 최소한의 전력과 공중 점유 시간만을 사용하도록 하여 배터리 수명을 극대화한다.1 둘째, 불필요하게 낮은 데이터 전송률을 사용하는 디바이스를 줄여 무선 자원을 효율적으로 사용하고, 전체 네트워크의 용량을 최적화한다.19 이처럼 ADR은 LoRaWAN이 대규모 디바이스를 안정적이고 효율적으로 관리할 수 있게 하는 지능적인 네트워크 관리 기술의 핵심이다.

3. LoRaWAN 네트워크 아키텍처 및 프로토콜

3.1 LoRa와 LoRaWAN의 관계 정의

LoRa와 LoRaWAN은 종종 혼용되지만, 명확히 구분되는 개념이다. LoRa는 앞서 설명한 바와 같이 처프 확산 스펙트럼(CSS) 변조 기술을 사용하는 물리 계층(Physical Layer, PHY)을 지칭한다. 이는 무선 신호를 어떻게 생성하고 전송할지에 대한 ’방법’에 해당한다.9

반면, LoRaWAN은 LoRa 물리 계층 위에서 동작하는 상위 계층 프로토콜 및 시스템 아키텍처 전반을 의미한다. LoRaWAN은 미디어 접근 제어(Media Access Control, MAC) 계층을 정의하며, 디바이스가 네트워크에 가입하는 절차, 데이터 패킷의 형식, 양방향 통신 방식, 데이터 암호화 및 보안, 네트워크 관리 등 통신을 위한 포괄적인 ’규칙과 구조’를 표준화한다.1 LoRa Alliance에 의해 관리되는 개방형 표준인 LoRaWAN 덕분에 서로 다른 제조사의 디바이스와 게이트웨이, 서버가 상호 운용성을 확보할 수 있다. 요약하면, LoRa는 통신의 기반 기술이며, LoRaWAN은 그 기술을 활용하여 완전한 IoT 네트워크를 구축하고 운영하기 위한 표준 프로토콜이다.

3.2 스타-오브-스타(Star-of-Stars) 토폴로지 분석

LoRaWAN은 ‘스타-오브-스타(Star-of-Stars)’ 토폴로지를 채택하고 있다.20 이 구조의 기본 단위는 다수의 엔드 디바이스가 하나 이상의 게이트웨이에 직접 연결되는 ‘스타(Star)’ 형태이다. 엔드 디바이스는 다른 디바이스를 거치지 않고 항상 게이트웨이와 직접 통신한다. 그리고 여러 개의 게이트웨이들이 다시 하나의 중앙 네트워크 서버에 연결되는 또 다른 ‘스타’ 형태를 이루기 때문에, 전체 구조를 스타-오브-스타 토폴로지라고 부른다.

이 구조는 메시(Mesh) 네트워크와 비교했을 때 다음과 같은 장점을 가진다.

• 저전력 구현 용이: 엔드 디바이스는 다른 노드의 데이터를 중계할 필요 없이 자신의 데이터만 전송하면 되므로, 통신 부하가 적고 대부분의 시간을 절전 모드(Sleep Mode)로 유지할 수 있다. 이는 배터리 수명을 극대화하는 데 결정적인 역할을 한다.22
• 네트워크 단순성 및 확장성: 네트워크 구조가 단순하여 관리 및 확장이 용이하다. 새로운 게이트웨이를 추가하기만 하면 손쉽게 커버리지를 넓힐 수 있다.

반면, 모든 통신이 게이트웨이를 거쳐야 하므로 게이트웨이의 커버리지가 미치지 않는 음영 지역에서는 통신이 불가능하다는 단점이 있다.

3.3 네트워크 구성 요소별 역할 및 데이터 흐름

LoRaWAN 네트워크는 크게 네 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있으며, 데이터는 이들 사이를 순차적으로 흐른다.9

3.3.1 엔드 디바이스 (End Device)

엔드 디바이스는 네트워크의 가장 끝단에 위치하며, 실제 데이터를 수집하거나 물리적 제어를 수행하는 주체다. 온도 센서, GPS 추적기, 스마트 미터기, 액추에이터 등이 이에 해당한다. 엔드 디바이스는 센서 데이터를 수집하여 LoRaWAN 패킷 형식으로 만든 후, 애플리케이션 세션 키(AppSKey)로 페이로드를 암호화하고 네트워크 세션 키(NwkSKey)로 메시지 무결성 코드(MIC)를 생성한다. 이후, 범위 내에 있는 모든 게이트웨이를 향해 암호화된 패킷을 무선으로 전송(Uplink)한다. 대부분 배터리로 구동되며, 수년간 동작하는 것을 목표로 설계된다.

3.3.2 게이트웨이 (Gateway)

게이트웨이는 엔드 디바이스가 보낸 LoRa 무선 패킷을 수신하여 표준 IP 네트워크(이더넷, 셀룰러, Wi-Fi 등)를 통해 네트워크 서버로 전달하는 역할을 한다. 게이트웨이는 ’투명한 브리지(Transparent Bridge)’로서, 수신한 LoRa 패킷의 내용을 해독하거나 해석하지 않고 단순히 IP 패킷으로 캡슐화하여 전달만 한다.9 하나의 엔드 디바이스가 보낸 패킷은 여러 게이트웨이에 의해 동시에 수신될 수 있다.

3.3.3 네트워크 서버 (Network Server)

네트워크 서버는 LoRaWAN 네트워크의 중앙 제어 타워이자 핵심 두뇌이다. 주요 역할은 다음과 같다.

• 디바이스 인증 및 관리: 네트워크에 접속하려는 디바이스를 인증하고 세션 키를 관리한다.
• 중복 패킷 제거: 여러 게이트웨이로부터 동일한 패킷을 수신했을 경우, 하나만 남기고 나머지는 제거한다.
• 데이터 라우팅: 수신된 패킷의 무결성을 검증한 후, 해당 디바이스가 속한 애플리케이션 서버로 데이터를 안전하게 전달한다.
• MAC 계층 관리: ADR 제어, 디바이스 클래스 관리, 다운링크 메시지 스케줄링 등 MAC 계층의 모든 동작을 관장한다.
• 다운링크 경로 최적화: 애플리케이션 서버로부터 다운링크 요청을 받으면, 해당 디바이스와의 통신에 가장 적합한 신호 품질을 가진 게이트웨이를 선택하여 메시지를 전송하도록 지시한다.

3.3.4 애플리케이션 서버 (Application Server)

애플리케이션 서버는 최종적으로 사용자에게 서비스를 제공하는 주체다. 네트워크 서버로부터 전달받은 암호화된 애플리케이션 페이로드를 AppSKey를 사용하여 복호화하고, 이를 분석하여 의미 있는 정보로 가공한다. 가공된 데이터는 대시보드에 시각화되거나, 다른 비즈니스 시스템과 연동되거나, 특정 조건에 따라 알림을 생성하는 데 사용된다. 또한, 엔드 디바이스를 제어하기 위한 다운링크 페이로드를 생성하여 네트워크 서버로 전송하는 역할도 수행한다.

3.4 디바이스 클래스(Class A, B, C) 비교 분석

LoRaWAN은 애플리케이션의 요구사항에 따라 다운링크 통신의 지연 시간과 디바이스의 전력 소모 간의 균형을 맞출 수 있도록 세 가지 디바이스 클래스를 정의한다.8 이는 단순한 센서 데이터 ’수집’을 넘어, 필요에 따라 디바이스를 원격으로 ’제어’할 수 있는 양방향 네트워크로서 LoRaWAN의 유연성을 보여주는 핵심적인 특징이다. IoT 환경에서 대부분의 디바이스는 배터리 수명이라는 절대적인 제약을 가지므로, Wi-Fi처럼 상시 수신 상태를 유지하는 것은 불가능하다. LoRaWAN의 클래스 구분은 이러한 현실적 제약과 양방향 통신 요구사항을 해결하기 위한 정교한 시스템 설계의 결과물이다.

• Class A (기본, All devices): 모든 LoRaWAN 디바이스가 의무적으로 지원해야 하는 기본 클래스다. Class A 디바이스는 통신이 필요할 때만 깨어나 업링크 메시지를 전송한다. 다운링크 메시지는 오직 이 업링크 전송 직후에 열리는 두 개의 짧은 수신 창(RX1, RX2)을 통해서만 수신할 수 있다.6 그 외의 시간에는 무선 수신기를 완전히 꺼 깊은 절전 상태를 유지하므로 전력 소모가 가장 적다. 이 방식은 다운링크 지연 시간이 길고 예측 불가능하다는 단점이 있지만, 배터리 수명을 극대화해야 하는 대부분의 센서 모니터링 애플리케이션에 가장 적합하다.
• Class B (Beacon): Class A의 기능에 더해, 정해진 시간에 주기적으로 추가 수신 창인 ’핑 슬롯(Ping Slot)’을 열어 다운링크를 수신한다.9 이 핑 슬롯의 시간 동기화를 위해, 게이트웨이는 주기적으로 비콘(Beacon) 신호를 방송한다. Class B 디바이스는 이 비콘 신호를 수신하여 자신의 내부 시계를 네트워크 시간과 동기화한다. 이를 통해 네트워크 서버는 디바이스가 깨어나는 시간을 예측하고 선제적으로 다운링크 메시지를 보낼 수 있다. Class A에 비해 다운링크 지연 시간이 짧고 예측 가능하지만, 비콘 수신과 핑 슬롯 대기를 위해 주기적으로 깨어나야 하므로 전력 소모는 더 많아진다.23
• Class C (Continuous): 업링크 메시지를 전송하는 아주 짧은 순간을 제외하고는 항상 수신 창을 열어두는 클래스다.6 따라서 네트워크 서버는 언제든지 디바이스로 다운링크 메시지를 보낼 수 있으며, 세 클래스 중 다운링크 지연 시간이 가장 짧다. 이는 가로등 제어나 밸브 잠금과 같이 즉각적인 제어가 필요한 액추에이터에 적합하다. 하지만 수신기가 거의 항상 켜져 있기 때문에 전력 소모가 매우 커서, 일반적으로 상시 전원이 공급되는 디바이스에만 적용 가능하다.23

이러한 클래스 시스템은 개발자와 네트워크 운영자가 애플리케이션의 특성과 비즈니스 요구사항에 맞춰 네트워크 동작을 정밀하게 조정할 수 있게 해준다. 예를 들어, 스마트 미터기는 평소에는 Class A로 동작하여 배터리를 아끼다가, 펌웨어 무선 업데이트(FUOTA)가 필요할 때만 일시적으로 Class C로 전환하여 대용량 파일을 수신하는 방식으로 효율적인 운영이 가능하다.24

표 2: LoRaWAN 디바이스 클래스(A, B, C) 특성 비교 8

4. 대한민국 900MHz LoRa 기술 규격 및 제도 (KR920-923)

4.1 국내 주파수 분배 현황 및 900MHz ISM 대역

대한민국 과학기술정보통신부는 4차 산업혁명 시대에 발맞춰 사물인터넷 서비스 활성화를 위한 주파수 공급 정책을 적극적으로 추진하고 있다. 특히 전파 특성이 우수하여 넓은 커버리지 확보에 유리한 1GHz 이하 대역에서, 기존에 다른 용도로 분배되었으나 활용도가 낮은 주파수를 IoT용으로 재분배하는 등 정책적 노력을 기울이고 있다.25 LoRa 통신은 이러한 정책 하에 할당된 여러 비면허 ISM 대역 중, 국내에서는 900MHz 대역을 주로 사용한다.28

4.2 KR920-923 기술 표준 상세

LoRaWAN 통신은 전 세계적으로 동일한 기술을 사용하지만, 각 국가 및 지역의 전파 법규를 준수하기 위해 LoRa Alliance는 ’Regional Parameters’라는 문서를 통해 지역별 기술 표준을 상세히 정의한다.29 대한민국을 위한 표준은 ’KR920-923’으로 명명되어 있으며, 국내에서 LoRaWAN 장비 및 서비스를 개발하고 운영하기 위해서는 이 표준을 반드시 준수해야 한다.31

4.2.1 채널 플랜 및 주파수 대역

KR920-923 표준에 따르면, 한국에서는 920.9MHz부터 923.3MHz까지의 주파수 대역을 사용한다.34 이 대역 내에서 LoRaWAN 통신을 위한 구체적인 채널 플랜이 정의되어 있다. 기본적으로 엔드 디바이스가 네트워크에 가입(Join)하거나 데이터를 전송(Uplink)할 때 사용하는 채널은 922.1MHz, 922.3MHz, 922.5MHz의 3개 채널이 기본으로 지정되어 있으며, 네트워크의 명령에 따라 923.3MHz까지 200kHz 간격으로 채널을 확장하여 사용할 수 있다.32 다운링크의 경우, 업링크 후 열리는 첫 번째 수신 창(RX1)은 업링크와 동일한 채널을 사용하며, 두 번째 수신 창(RX2)은 921.9MHz를 기본 주파수로 사용한다.32

4.2.2 송신 출력 제한 규정

국내 전파법 규정에 따라 KR920-923 표준은 주파수 대역에 따라 최대 등가등방복사전력(EIRP)을 차등적으로 제한하는 독특한 특징을 가진다.

• 920.9MHz ~ 922.0MHz 대역: 최대 송신 출력 10dBm (10mW)
• 922.0MHz 초과 ~ 923.5MHz 대역: 최대 송신 출력 14dBm (25mW)

이러한 차등 제한은 922.0MHz 이하 대역이 다른 민감한 무선 서비스와 인접해 있어 잠재적인 간섭을 최소화하기 위한 정책적 고려가 반영된 것으로 분석된다. LoRaWAN 네트워크의 주 업링크 채널이 위치한 922.0MHz 초과 대역에 더 높은 출력을 허용함으로써, 통신 성능과 전파 환경 보호 사이의 균형을 맞추고자 한 것이다.34 이는 디바이스 펌웨어와 네트워크 서버의 ADR 알고리즘 설계 시 반드시 고려해야 할 중요한 요소이다. 네트워크 서버는 디바이스에 채널 변경을 지시할 때, 해당 채널이 속한 대역의 출력 제한에 맞춰 송신 출력도 함께 조정하도록 명령해야 한다.

4.3 핵심 규제: LBT(Listen-Before-Talk)

4.3.1 LBT의 기술적 요구사항

유럽(EU868) 등 다수 지역이 채널을 점유할 수 있는 총 시간을 비율로 제한하는 듀티 사이클(Duty-Cycle) 방식을 채택한 것과 대조적으로, 대한민국(KR920-923)과 일본(AS923) 등은 LBT(Listen-Before-Talk) 방식을 의무화하고 있다.30 LBT는 일종의 충돌 회피 기술로, ’말하기 전에 먼저 듣는다’는 원칙에 따라 동작한다. 디바이스는 데이터를 전송하기 전에, 먼저 해당 채널에 다른 신호가 없는지 확인하는 채널 상태 평가(Clear Channel Assessment, CCA)를 수행한다. 만약 채널이 비어있다고 판단되면 즉시 전송을 시작하고, 만약 채널이 사용 중이라면 임의의 시간(Random Backoff) 동안 대기한 후 다시 CCA를 시도한다.39

4.3.2 Duty-Cycle 방식 대비 LBT의 장단점 및 네트워크에 미치는 영향

LBT 방식은 듀티 사이클 방식과 비교하여 뚜렷한 장단점을 가진다.

• 장점: 네트워크가 한산할 경우, 채널이 비어있기만 하다면 듀티 사이클 제한 없이 연속적인 데이터 전송이 가능하여 평균적인 전송 지연 시간을 줄이고 채널 사용 효율을 극대화할 수 있다.
• 단점: 반면, 네트워크에 디바이스 수가 많아져 혼잡해지면 CCA 실패가 빈번해지고, 이로 인한 대기 시간이 길어져 전송 지연이 예측 불가능하게 증가할 수 있다. 이는 고정된 시간 동안 전송을 제한하는 듀티 사이클 방식과는 다른 성능 저하 패턴을 보인다.

한국 규제 당국이 LBT를 의무화한 것은 900MHz ISM 대역이 LoRaWAN뿐만 아니라 다양한 기기들이 함께 사용하는 ’공용 자원’이 될 것을 예상하고, 동적으로 채널 충돌을 회피하는 ‘정중한(polite)’ 프로토콜을 통해 혼잡을 관리하려는 정책적 의도가 담겨있다. 이는 국내 LoRaWAN 네트워크의 용량 및 성능 분석 시, 단순한 ALOHA 모델이 아닌 CSMA(Carrier-Sense Multiple Access) 기반의 모델을 적용해야 함을 시사한다.

4.4 관련 법규 분석: 「신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선설비의 기술기준」

국내에서 사용되는 모든 LoRa 디바이스 및 게이트웨이는 국립전파연구원이 고시하는 「신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선설비의 기술기준」을 반드시 준수해야 한다.41 이 고시는 900MHz 대역을 사용하는 ’데이터전송용 특정소출력무선기기’에 대한 구체적인 기술 기준을 명시하고 있으며, 주요 내용은 다음과 같다.

• 송신 출력: 앞서 언급된 10dBm/14dBm 차등 제한을 포함한다.
• 점유주파수대역폭: LoRaWAN에서 사용하는 125kHz, 250kHz, 500kHz 대역폭에 대한 규정을 포함한다.
• 불요발사(Spurious Emission): 할당된 채널 대역 외에서 발생하는 불필요한 전파 방사의 허용치를 규정하여 다른 통신 시스템에 대한 간섭을 방지한다.
• 채널 접속 방식: LBT와 같은 채널 접속 방식을 규정한다.

모든 LoRaWAN 관련 제품은 이 기술 기준에 따라 적합성 평가를 통과하고 KC 인증을 획득해야만 국내에서 합법적으로 판매 및 사용할 수 있다.43

표 3: KR920-923 기술 표준 요약

5. 주요 LPWAN 기술 비교 분석: LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox

5.1 기술별 핵심 특성 비교

LPWAN 시장은 LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox라는 세 가지 주요 기술이 경쟁 및 보완하며 형성되어 있다. 각 기술은 고유한 특성과 장단점을 가지며, 이는 애플리케이션의 요구사항과 비즈니스 모델에 따라 적합성이 달라지는 결과를 낳는다.

• 주파수 대역: LoRaWAN과 Sigfox는 별도의 허가 없이 사용 가능한 비면허 ISM 대역에서 동작한다. 이는 주파수 사용료가 없어 네트워크 구축 비용을 낮추는 장점이 있지만, 다른 무선기기와의 전파 간섭 가능성에 노출된다.11 반면, NB-IoT는 이동통신 사업자가 독점적으로 사용하는 면허 LTE 대역을 활용한다. 이는 안정적이고 예측 가능한 통신 품질(QoS)을 보장하지만, 막대한 주파수 라이선스 비용이 통신 요금에 반영된다.10
• 네트워크 구조: LoRaWAN은 엔드 디바이스-게이트웨이-서버로 이어지는 스타-오브-스타 토폴로지를 기반으로 하며, 기업이나 개인이 독립적인 사설망을 유연하게 구축할 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다.10 NB-IoT는 기존의 방대한 셀룰러 기지국 인프라를 그대로 활용하며, 엔드 디바이스가 기지국을 통해 통신사 코어망 및 클라우드와 직접 통신하는 구조다. 이는 별도의 게이트웨이 설치 없이 즉시 전국적인 커버리지를 활용할 수 있는 장점이 있지만, 통신사가 제공하는 공용망 서비스에 종속된다.10
• 변조 방식: LoRaWAN은 CSS(처프 확산 스펙트럼)를 사용하여 장거리 통신과 노이즈 내성을 확보한다. NB-IoT는 LTE 기술에 기반한 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조를 사용하며, Sigfox는 신호를 매우 좁은 대역폭(100Hz)에 집중시키는 초협대역(Ultra-Narrowband, UNB) 기술과 DBPSK/GFSK 변조를 사용한다.4

5.2 성능 지표 비교

• 데이터 전송률: NB-IoT가 최대 250kbps로 가장 높은 전송 속도를 제공하여 펌웨어 업데이트 등 상대적으로 큰 데이터 전송에 유리하다. LoRaWAN은 SF 설정에 따라 0.3kbps에서 최대 50kbps까지 가변적인 속도를 제공한다. Sigfox는 업링크 100bps, 다운링크 600bps 수준의 매우 낮은 고정 속도를 가지며, 극소량의 데이터 전송에 특화되어 있다.4
• 통신 거리: 세 기술 모두 장거리 통신을 목표로 하며, 교외 지역 기준으로 10km 이상의 커버리지를 제공한다. LoRaWAN과 NB-IoT는 유사한 수준의 통신 거리를 보이며, 환경에 따라 최대 15-20km까지 도달 가능하다.6
• 배터리 수명: LoRaWAN과 Sigfox는 비동기(Asynchronous) 통신 방식을 사용한다. 즉, 디바이스는 전송할 데이터가 있을 때만 깨어나 통신하고 즉시 절전 모드로 전환한다. 반면, NB-IoT는 셀룰러 네트워크의 특성상 주기적으로 기지국과 동기화하며 네트워크에 등록된 상태를 유지해야 한다. 이러한 차이로 인해 일반적으로 LoRaWAN과 Sigfox가 NB-IoT보다 더 긴 배터리 수명을 제공하는 것으로 평가된다.10

5.3 비즈니스 모델 및 생태계 비교

기술적 특성의 차이는 각기 다른 비즈니스 모델과 생태계를 형성했다. LoRaWAN은 LoRa Alliance를 중심으로 개방형 표준 생태계를 구축하여 다양한 하드웨어 제조사와 솔루션 기업들이 참여하고 있다. 저렴한 게이트웨이를 기반으로 기업이 직접 필요에 따라 사설망을 구축하거나, 통신사가 제공하는 공용망 서비스를 선택하거나, 두 가지를 결합한 하이브리드 모델을 구성하는 등 매우 유연한 배포가 가능하다.10

반면, NB-IoT는 3GPP 표준을 따르며 기존 이동통신 사업자가 네트워크 구축과 운영, 서비스 품질 보증까지 책임지는 전형적인 구독 기반 서비스 모델을 따른다.10 Sigfox는 각 국가별로 단일 사업자(Sigfox Operator, SO)를 지정하여 해당 사업자가 전국망을 독점적으로 구축하고 연결 서비스를 판매하는 독특한 비즈니스 모델을 가졌다.

총 소유 비용(Total Cost of Ownership, TCO) 관점에서, 사설 LoRaWAN 네트워크는 게이트웨이와 서버 구축을 위한 초기 투자 비용(CAPEX)이 발생하지만, 디바이스 수 증가에 따른 추가적인 통신 요금이 없어 장기적인 운영 비용(OPEX) 측면에서 유리할 수 있다. NB-IoT는 초기 인프라 투자 없이 바로 서비스를 이용할 수 있지만, 디바이스마다 월별 또는 데이터 사용량 기반의 구독료가 지속적으로 발생한다. 모듈 가격 역시 대량 생산과 개방형 생태계의 영향으로 LoRaWAN 모듈이 NB-IoT 모듈의 약 절반 수준으로 저렴하다.10

5.4 적용 분야별 적합성 분석

이러한 기술적, 사업적 특성을 종합해 볼 때, 각 기술에 적합한 애플리케이션 영역은 다음과 같이 구분할 수 있다.

• LoRaWAN: 데이터 보안과 네트워크 제어권 확보가 중요하며 특정 지역에 디바이스가 밀집된 스마트 공장, 스마트 빌딩, 캠퍼스 등 사설망 애플리케이션에 매우 적합하다. 또한, 저렴한 모듈과 유연한 네트워크 구축 모델을 바탕으로 넓은 지역을 커버해야 하는 스마트 농업이나 저비용 자산 추적 분야에서도 강점을 보인다.8
• NB-IoT: 이동통신사의 안정적인 전국망 커버리지와 보장된 서비스 품질(QoS)이 필수적인 애플리케이션에 유리하다. 스마트 미터링(수도, 가스, 전기), 스마트 웨어러블 기기, 광역 자전거 공유 서비스와 같이 이동성이 있거나 전국 단위의 일관된 서비스가 필요한 분야에 적합하다.10
• Sigfox: 하루에 전송할 수 있는 메시지 수가 140개로 제한되고 페이로드 크기가 매우 작기 때문에(업링크 12바이트), 화재 경보기의 알람 신호, 버튼 클릭 이벤트 전송, 단순 자산의 존재 유무 확인 등 극소량의 데이터를 비정기적으로 전송하는 매우 간단한 센싱 애플리케이션에 적합하다.11

결론적으로 LoRaWAN과 NB-IoT는 단순히 우열을 가리는 경쟁 관계라기보다는, ’네트워크 제어권’과 ’서비스 품질 보증’이라는 두 가지 중요한 축을 기준으로 시장을 분할하는 상호보완적 관계에 가깝다고 볼 수 있다. 애플리케이션이 요구하는 기술적 사양뿐만 아니라, 해당 비즈니스가 추구하는 소유권 모델과 운영 전략에 따라 최적의 기술이 달라진다. LoRaWAN이 가진 사설망과 공용망을 모두 지원하는 유연성은 다른 기술이 제공하지 못하는 독보적인 장점이며, 이는 다양한 기업 주도형 맞춤 IoT 솔루션의 확산을 가능하게 한다.

표 4: LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox 기술 비교 4

6. LoRaWAN 네트워크 성능 및 확장성 심층 분석

6.1 네트워크 용량에 영향을 미치는 요인

LoRaWAN 네트워크의 용량, 즉 하나의 게이트웨이가 수용할 수 있는 엔드 디바이스의 수는 단일 요인이 아닌 여러 변수가 복합적으로 작용하여 결정된다. 주요 요인으로는 사용 가능한 주파수 채널의 수, 각 디바이스에 할당된 확산 계수(SF)의 분포, 전송하는 패킷의 길이(Payload Size), 그리고 데이터 전송 주기 등이 있다. 특히 LoRaWAN은 누구나 사용 가능한 비면허 ISM 대역에서 동작하므로, 동일 지역 내 다른 LoRaWAN 네트워크나 다른 무선 기술로부터 발생하는 외부 간섭이 네트워크 성능에 중대한 영향을 미칠 수 있다.48

6.2 간섭 문제: 동일 확산 계수(Co-SF) 간섭의 영향 및 완화 방안

이론적으로 서로 다른 SF를 사용하는 신호는 준-직교성을 가져 동시에 수신될 수 있지만, 동일한 주파수 채널에서 동일한 SF를 사용하는 두 개 이상의 패킷이 시간적으로 겹쳐 게이트웨이에 도달하면 충돌(Collision)이 발생하여 패킷 손실로 이어진다. 이를 ’동일 확산 계수(Co-SF) 간섭’이라 하며, 네트워크에 연결된 디바이스의 밀도가 높아질수록 심각한 확장성(Scalability) 저하의 주요 원인이 된다.48

특히 SF11, SF12와 같이 높은 SF 값은 공중 점유 시간(Time on Air)이 매우 길기 때문에, 낮은 SF에 비해 패킷이 공중에 머무는 동안 다른 패킷과 충돌할 확률이 기하급수적으로 증가한다. 따라서 높은 SF를 사용하는 디바이스가 많아질수록 Co-SF 간섭 문제는 더욱 심각해진다.48

이러한 Co-SF 간섭 문제를 완화하기 위해 여러 기술적 방안이 제안 및 적용되고 있다. 앞서 언급된 LBT(Listen-Before-Talk)는 전송 전 채널을 확인하여 충돌을 사전에 회피하는 효과적인 방법이다. 또한, 모든 디바이스가 정해진 시간 슬롯의 시작점에서만 전송을 시작하도록 동기화하는 Slotted ALOHA 방식, 네트워크 상황에 맞춰 동적으로 SF와 송신 출력을 조절하는 ADR, 그리고 중요한 데이터에 우선순위를 부여하는 QoS(Quality of Service) 구현 등이 Co-SF 간섭을 줄이고 네트워크 확장성을 향상시키는 방안으로 연구되고 있다.48

6.3 대규모 네트워크 확장(Scalability) 시의 기술적 과제

수천, 수만 개의 디바이스가 하나의 게이트웨이 영역 내에서 통신하는 대규모 네트워크 환경에서는 LoRaWAN의 근본적인 MAC 프로토콜 특성에서 비롯되는 기술적 과제들이 드러난다. LoRaWAN의 MAC은 기본적으로 디바이스가 채널 상태를 확인하지 않고 데이터를 보내는 Pure-ALOHA 방식을 기반으로 한다. 이 방식은 디바이스 구현이 단순하고 저전력에 유리하지만, 디바이스 수가 증가하면 충돌 확률이 급격히 높아져 전체 네트워크의 패킷 성공률(Packet Success Rate)을 저하시킨다.50

특히 다운링크 트래픽은 확장성의 주요 병목 지점으로 작용한다. Class A 디바이스는 업링크 후에만 다운링크를 수신할 수 있으며, 게이트웨이는 듀티 사이클이나 LBT와 같은 규제로 인해 다운링크 전송 기회가 제한된다. 이로 인해 확인된 업링크(Confirmed Uplink) 메시지에 대한 확인응답(ACK) 전송이나 원격 제어 명령과 같은 다운링크 트래픽이 많아질수록 게이트웨이에 병목 현상이 발생하고, 이는 전체 네트워크의 성능 저하로 이어진다.51 이러한 문제를 완화하기 위해 게이트웨이 밀도를 높여 각 게이트웨이가 담당하는 디바이스 수를 줄이는 방법이 있지만, 이는 근본적인 프로토콜의 제약을 완전히 해소하지는 못한다.

이러한 복잡한 상호작용 때문에, 대규모 LoRaWAN 네트워크의 성능을 정확히 예측하고 최적화하기 위해서는 단순한 링크 버짓 계산을 넘어, ns-3, LoRaSim, OMNeT++와 같은 전문적인 네트워크 시뮬레이터를 활용하여 MAC 계층에서의 충돌과 프로토콜 동작을 정밀하게 모델링하는 것이 필수적이다.51

6.4 전파 음영 지역 해소를 위한 릴레이(Relay) 기술

LoRaWAN의 스타 토폴로지는 구조가 단순하고 저전력에 유리하지만, 게이트웨이의 신호가 직접 도달하지 않는 건물 내부 깊숙한 곳, 지하 공간, 산간 지역 등에서는 통신이 불가능한 전파 음영 지역이 발생한다는 명백한 한계를 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 LoRa Alliance는 ‘릴레이(Relay)’ 기술 표준(TS011-1.0.0)을 공식 발표했다.55

릴레이는 엔드 디바이스와 게이트웨이 사이에 위치하여 양방향으로 메시지를 중계해주는 저전력 장치다.56 릴레이는 하드웨어적으로 일반 엔드 디바이스와 동일하며, 네트워크 서버 관점에서도 하나의 엔드 디바이스처럼 보인다. 음영 지역의 엔드 디바이스는 릴레이를 통해 게이트웨이와 통신함으로써 연결성을 확보할 수 있다. 다수의 음영 지역 디바이스를 위해 고가의 게이트웨이를 추가로 설치하는 대신, 저렴한 릴레이 장치를 배치함으로써 비용 효율적으로 커버리지를 확장할 수 있는 효과적인 솔루션이다.55 LoRaWAN 릴레이 표준에 따르면, 하나의 릴레이는 최대 16개의 엔드 디바이스를 지원할 수 있으며, 게이트웨이 하드웨어나 펌웨어 변경 없이 기존 인프라에 적용할 수 있다.55

이러한 확장성 관련 과제들은 LoRaWAN 기술이 초기 소규모 배포 단계를 넘어 대규모 고밀도 네트워크로 진화하면서 직면한 필연적인 성장통이라 할 수 있다. 물리 계층(PHY)의 우수성(SF 직교성 등)에 비해 상대적으로 단순하게 설계된 MAC 계층의 한계가 네트워크가 고밀도화되면서 Co-SF 간섭과 다운링크 병목 현상이라는 형태로 발현되는 것이다. 이는 LoRaWAN 기술의 발전 방향이 물리 계층의 혁신보다는 ADR, LBT, 릴레이와 같이 MAC 계층에 지능과 조정 능력을 부여하는 방향으로 나아갈 수밖에 없는 이유를 명확히 보여준다.

7. LoRaWAN 보안: 취약점 분석 및 강화 방안

7.1 LoRaWAN 보안 아키텍처: 종단 간 암호화(AES-128)

LoRaWAN은 저전력, 저비용 IoT 환경을 고려하면서도 강력한 보안을 제공하도록 설계되었다. 보안 아키텍처의 핵심은 두 개의 독립적인 암호화 계층을 통해 종단 간 보안(End-to-End Security)을 구현하는 것이다.57

1. 네트워크 계층 보안: 엔드 디바이스와 네트워크 서버 간의 통신을 보호한다. 이 계층에서는 메시지의 발신지를 인증하고, 데이터의 위변조를 방지하며, MAC 명령어를 암호화한다.
2. 애플리케이션 계층 보안: 엔드 디바이스와 최종 애플리케이션 서버 간의 통신을 보호한다. 이 계층에서는 센서 데이터와 같은 실제 페이로드를 종단 간 암호화하여, 중간의 게이트웨이나 네트워크 서버 운영자조차 데이터의 내용을 볼 수 없도록 보장한다.

이 모든 암호화 및 무결성 검증 과정에는 국제 표준 암호화 알고리즘인 AES-128이 사용되어 높은 수준의 보안 강도를 제공한다.57

7.2 키 관리 메커니즘 (AppKey, NwkSKey, AppSKey) 및 활성화 절차(OTAA/ABP)

LoRaWAN의 강력한 보안은 정교한 키 관리 메커니즘에 기반한다.

• 루트 키 (Root Key): AppKey는 각 엔드 디바이스에 고유하게 부여되는 128비트 마스터 키이다. 이 키는 디바이스 제조 과정에서 안전하게 주입되며, 네트워크 서버와 애플리케이션 서버에도 사전에 등록된다. AppKey는 직접 통신에 사용되지 않고, 아래의 세션 키를 생성하는 근원으로만 사용되므로 절대 외부에 노출되어서는 안 된다.57
• 세션 키 (Session Keys): 디바이스가 네트워크에 성공적으로 가입하면, AppKey로부터 두 개의 동적인 세션 키가 유도된다.
• NwkSKey (Network Session Key): 네트워크 세션 키는 엔드 디바이스와 네트워크 서버 간에 공유된다. 이 키는 전송되는 모든 메시지의 무결성을 보장하기 위한 메시지 무결성 코드(Message Integrity Code, MIC)를 계산하고 검증하는 데 사용된다. 또한, MAC 명령어를 암호화하는 데에도 사용된다.57
• AppSKey (Application Session Key): 애플리케이션 세션 키는 엔드 디바이스와 애플리케이션 서버 간에 종단 간에 공유된다. 실제 센서 데이터가 담긴 페이로드는 이 키를 사용하여 AES-128-CTR 모드로 암호화 및 복호화된다. 네트워크 서버는 이 키를 가지고 있지 않으므로 페이로드의 내용을 볼 수 없다.57

이러한 키들을 활성화하고 디바이스를 네트워크에 등록하는 절차는 두 가지 방식이 있다.

• OTAA (Over-The-Air Activation): 가장 안전하고 권장되는 방식이다. 디바이스는 AppKey를 사용하여 생성한 Join-Request 메시지를 네트워크에 전송한다. 네트워크 서버는 이 요청을 검증한 후, 동적으로 NwkSKey와 AppSKey를 생성하여 암호화된 Join-Accept 메시지를 통해 디바이스에 전달한다. 이 방식은 디바이스가 네트워크에 연결될 때마다 새로운 세션 키를 생성하므로 보안성이 매우 높다.61
• ABP (Activation by Personalization): 개발 및 테스트 편의를 위해 제공되는 방식으로, NwkSKey와 AppSKey를 포함한 모든 네트워크 정보를 디바이스에 미리 하드코딩한다. 별도의 Join 절차 없이 즉시 통신을 시작할 수 있지만, 세션 키가 고정되어 있어 키가 한번 유출되면 영구적인 보안 위협이 되므로 상용 환경에서는 권장되지 않는다.9

7.3 주요 보안 위협 및 공격 벡터

LoRaWAN은 강력한 보안 기능을 갖추고 있지만, 특정 조건 하에서 악용될 수 있는 잠재적 취약점들이 존재한다.

• 재전송 공격 (Replay Attack): 특히 LoRaWAN 1.0 버전의 ABP 모드에서 심각한 위협이 된다. 이 버전은 업링크/다운링크 패킷의 순서를 확인하는 프레임 카운터가 16비트로 제한되어 있어, 약 65,536번의 메시지 전송 후에는 카운터가 0으로 초기화(오버플로우)된다. 공격자는 과거에 전송된 유효한 패킷을 수집했다가, 해당 디바이스의 프레임 카운터가 오버플로우된 시점에 재전송함으로써 네트워크 서버를 속여 중복된 데이터를 처리하게 하거나, 프레임 카운터 불일치를 유발하여 정상적인 통신을 방해하는 서비스 거부(DoS) 공격을 수행할 수 있다.61
• 비트플리핑 공격 (Bit-Flipping Attack): LoRaWAN의 종단 간 암호화는 엔드 디바이스와 ‘애플리케이션 서버’ 사이에서 이루어진다. 반면, 메시지 무결성 검증은 ’네트워크 서버’에서 NwkSKey를 통해 수행되고 종료된다. 이 구조적 특징으로 인해, 네트워크 서버에서 복호화된 페이로드가 애플리케이션 서버로 전달되는 구간에서는 데이터가 평문 상태이거나 무결성 보호가 적용되지 않을 수 있다. 만약 공격자가 이 구간의 통신을 가로챌 수 있다면, 데이터를 임의로 변조(Bit-Flipping)하여 애플리케이션 서버에 잘못된 정보를 전달할 수 있다.61
• 재밍 공격 (Jamming Attack): 이는 물리 계층에 대한 공격으로, 공격자가 LoRa 주파수 대역에 고출력의 방해 전파를 지속적으로 방사하여 합법적인 디바이스의 통신을 물리적으로 불가능하게 만드는 것이다. LoRa의 CSS 변조 방식은 일반적인 잡음에 강하지만, 의도적이고 강력한 재밍 공격에는 취약할 수밖에 없다.66
• 기타 취약점: 이 외에도 제조사가 모든 디바이스에 동일한 기본 AppKey를 사용하는 경우, 키가 디바이스 외부에 노출되는 경우 등 부실한 키 관리로 인한 취약점이 발생할 수 있다. 또한, 펌웨어 변조, JTAG과 같은 디버그 포트 노출 등 일반적인 임베디드 시스템이 가진 보안 위협도 LoRaWAN 디바이스에 동일하게 적용된다.57

7.4 보안 강화 방안 및 최신 프로토콜 동향

이러한 위협에 대응하기 위해 다음과 같은 보안 강화 방안이 권장된다.

• 프로토콜 및 설정: 상용 환경에서는 반드시 OTAA 활성화 방식을 사용하고, 32비트 프레임 카운터를 지원하는 LoRaWAN 1.1 이상의 최신 버전을 사용해야 한다.
• 키 관리: 모든 디바이스에 대해 암호학적으로 안전하게 생성된 무작위 키를 사용하고, AppKey와 같은 루트 키는 하드웨어 보안 모듈(HSM)과 같은 안전한 저장소에 보관해야 한다. 또한, 키 관리 서버가 인터넷에 직접 노출되지 않도록 네트워크 접근을 철저히 통제해야 한다.61
• 네트워크 아키텍처: 네트워크 서버와 애플리케이션 서버 간의 통신 구간은 반드시 SSL/TLS와 같은 보안 프로토콜을 사용하여 암호화하고, 상호 인증을 통해 비트플리핑 공격을 방지해야 한다.61

LoRaWAN 보안은 정적인 상태가 아니며, Black Hat, DEF CON과 같은 세계적인 보안 컨퍼런스에서 지속적으로 새로운 취약점과 공격 기법이 발표되고 있다.60 이에 대응하여 LoRaWAN Auditing Framework(LAF)와 같은 보안 감사 도구가 개발되는 등 방어 기술 또한 함께 발전하고 있다.61 LoRaWAN의 보안 모델은 자원이 극도로 제한된 IoT 환경과 강력한 보안이라는 상충하는 목표 사이의 정교한 타협의 산물이다. 프로토콜 자체는 강력한 보안을 위한 도구를 제공하지만, 그 효과는 개발자와 네트워크 운영자가 얼마나 보안 원칙을 철저히 준수하여 시스템을 구현하고 운영하는지에 크게 좌우된다.

8. LoRaWAN 주요 응용 분야 및 국내외 구축 사례

LoRaWAN 기술은 저전력, 장거리, 저비용이라는 독보적인 특성을 바탕으로 기존 통신 기술로는 경제성이나 기술적 한계로 접근하기 어려웠던 다양한 산업 분야에 성공적으로 적용되고 있다.

8.1 스마트 시티: 원격 검침, 스마트 주차, 폐기물 관리

스마트 시티는 LoRaWAN 기술이 가장 활발하게 적용되는 분야 중 하나다. 도시 전역에 흩어져 있는 수많은 인프라를 효율적으로 관리하는 데 최적화되어 있기 때문이다.

• 원격 검침 (Advanced Metering Infrastructure, AMI): 도시가스, 수도, 전기 계량기에 LoRaWAN 통신 모듈을 장착하여 검침 데이터를 원격으로 자동 수집한다. 이를 통해 검침원의 방문에 따른 인건비를 절감하고, 검침 데이터의 정확성과 신뢰도를 높이며, 누수·누출과 같은 이상 상황을 조기에 감지할 수 있다. 국내에서는 SK E&S와 같은 도시가스 공급사들이 LoRaWAN 기반의 스마트 가스 미터기를 도입하여 운영 효율을 높이고 있다.9
• 스마트 주차: 공영 주차장이나 노상 주차 공간 바닥에 차량 감지 센서를 설치하고, LoRaWAN을 통해 실시간 주차 가능 여부 데이터를 중앙 관제 시스템으로 전송한다. 운전자는 모바일 앱을 통해 비어있는 주차 공간을 쉽게 찾을 수 있어 불필요한 배회 시간을 줄이고, 도심 교통 혼잡 완화에 기여한다.7
• 스마트 폐기물 관리: 공공 쓰레기통에 초음파 센서를 설치하여 적재량을 실시간으로 모니터링한다. 쓰레기통이 가득 찼을 때만 수거 차량에 알림을 보내 최적의 수거 경로를 동적으로 생성함으로써, 수거 효율을 극대화하고 유류비 및 인건비를 절감한다.7
• 환경 모니터링: 서울 서초구 사례와 같이, 지역 내 곳곳에 미세먼지, 소음, 온습도 등을 측정하는 간이 측정기를 촘촘하게 설치하고 LoRaWAN 자가망을 통해 데이터를 수집한다. 이를 통해 주민들은 자신의 생활권 주변 환경 정보를 실시간으로 확인하고, 지자체는 수집된 빅데이터를 환경 정책 수립에 활용할 수 있다.71

8.2 스마트 농업: 환경 모니터링, 가축 관리

광활하고 전원 및 통신 인프라가 열악한 농업 환경은 LoRaWAN 기술의 장점을 극대화할 수 있는 분야다.

• 정밀 농업 및 환경 모니터링: 넓은 농경지나 비닐하우스에 토양의 온도·습도·산성도(pH), 대기 중 온습도, 일조량 등을 측정하는 센서를 설치하고 LoRaWAN으로 데이터를 수집한다. 수집된 데이터를 분석하여 작물의 생육에 최적화된 시점에 필요한 만큼만 물과 비료를 자동으로 공급함으로써, 생산성을 높이고 자원 낭비를 줄인다. 국내에서도 넥스트스퀘어, 팜스큐브 등 다수의 기업이 LoRaWAN 기반 스마트팜 솔루션을 개발하여 농가에 보급하고 있다.9
• 가축 관리: 넓은 목초지에서 방목하는 소, 양과 같은 가축에 LoRaWAN 기반의 위치 추적기와 생체 센서(체온, 활동량 등)가 부착된 이어태그(Ear-tag)나 목걸이를 부착한다. 이를 통해 가축의 위치를 실시간으로 파악하여 유실을 방지하고, 질병이나 발정과 같은 이상 징후를 조기에 발견하여 생산성을 향상시킨다.8

8.3 물류 및 자산 추적: 위치 관제, 상태 모니터링

물류 및 공급망 관리 분야에서 자산의 위치와 상태를 실시간으로 추적하는 것은 운영 효율성과 직결되는 중요한 과제다.

• 자산 추적 (Asset Tracking): 물류 팔레트, 컨테이너, 고가의 산업 장비 등 추적이 필요한 자산에 LoRaWAN 기반 GPS 트래커를 부착한다. 이 트래커는 저전력으로 수년간 작동하며 주기적으로 위치 정보를 전송한다. 이를 통해 기업은 자산의 이동 경로를 실시간으로 파악하고, 도난이나 분실을 방지하며, 자산의 가동률을 높일 수 있다.78 국내에서는 SK텔레콤이 스파코사와 협력하여 LoRaWAN 기반 위치 추적 단말기 ’지퍼(Gper)’를 출시, 어린이 및 노약자 보호, 반려동물 위치 추적, 물류 차량 관제 등 다양한 서비스에 활용하고 있다.79
• 콜드체인 모니터링 (Cold Chain Monitoring): 백신, 의약품, 신선식품과 같이 운송 과정에서 특정 온도를 유지해야 하는 화물에 온도 센서가 내장된 LoRaWAN 트래커를 부착한다. 운송 중 설정된 온도 범위를 벗어나는 이상 상황이 발생하면 즉시 관리자에게 알림을 보내, 화물의 변질로 인한 손실을 사전에 방지한다.9

8.4 산업용 IoT (IIoT): 설비 예지보전, 안전 관리

스마트 팩토리 및 산업 현장에서는 LoRaWAN을 통해 생산 설비의 상태를 모니터링하고 작업자의 안전을 확보하는 데 활용된다.

• 예지보전 (Predictive Maintenance): 공장 내 주요 설비의 모터, 펌프 등에 진동, 온도, 소음 센서를 부착하고 LoRaWAN을 통해 데이터를 수집한다. 수집된 데이터를 인공지능(AI)으로 분석하여 설비의 고장 징후를 사전에 예측하고, 적시에 유지보수를 수행함으로써 갑작스러운 설비 중단으로 인한 생산 차질과 막대한 손실을 예방한다.9
• 작업자 안전 관리: 조선소, 건설 현장 등 위험한 작업 환경에서 작업자의 안전모나 안전 조끼에 LoRaWAN 기반의 위치 추적 및 비상호출 버튼, 유해가스 감지 센서 등을 부착한다. 이를 통해 작업자의 위치를 실시간으로 파악하고, 위험 구역 접근 시 경고하며, 비상 상황 발생 시 신속하게 대응하여 중대재해를 예방한다.79

9. LoRaWAN 기술의 미래 전망 및 발전 방향

LoRaWAN 기술은 성숙기에 접어들었지만, 여전히 진화하고 있으며 IoT 시장의 변화에 맞춰 새로운 기술적 과제에 직면하고 있다. 미래 LoRaWAN은 더 높은 신뢰성, 더 넓은 커버리지, 그리고 다른 기술과의 융합을 통해 그 적용 범위를 확장해 나갈 것으로 전망된다.

9.1 LoRa Alliance의 기술 로드맵과 표준화 동향

LoRa Alliance는 기술의 지속적인 발전을 위해 표준을 끊임없이 개선하고 새로운 기능을 추가하고 있다.

• 펌웨어 무선 업데이트 (Firmware Updates Over-the-Air, FUOTA): 이미 현장에 배포된 수백만 개의 디바이스 펌웨어를 원격으로 안전하게 업데이트하는 것은 IoT 시스템의 수명주기 관리에 필수적이다. LoRa Alliance는 이를 위해 파일 분할 전송, 원격 멀티캐스트 설정, 시간 동기화 등 관련된 여러 기술 사양(TS003, TS004, TS005, TS006 등)을 표준화하여 FUOTA를 지원한다.83 FUOTA는 버그 수정, 보안 패치, 신규 기능 추가 등을 가능하게 하여 디바이스의 수명을 연장하고 TCO를 절감하는 데 기여한다.86
• 릴레이(Relay) 및 위성 통신(Non-Terrestrial Networks, NTN): 지상 게이트웨이의 커버리지가 닿지 않는 해상, 산간, 사막 등 극한 환경에서의 연결성을 확보하기 위해 LoRaWAN 표준은 진화하고 있다. 앞서 언급된 릴레이 기술은 지상 네트워크의 음영 지역을 해소하는 역할을 하며, 더 나아가 저궤도(LEO) 위성을 게이트웨이로 활용하여 지구상 어디에서나 LoRaWAN 통신이 가능한 NTN 기술이 주목받고 있다.55 이는 글로벌 물류 추적, 해양 환경 모니터링, 재난 통신 등 새로운 시장을 열 잠재력을 가지고 있다.

9.2 AI 및 엣지 컴퓨팅과의 융합

IoT 기술의 미래는 단순히 데이터를 수집하는 것을 넘어, 수집된 데이터를 지능적으로 분석하고 실시간으로 대응하는 방향으로 나아가고 있다.

• AI 기반 네트워크 최적화: 네트워크 서버에 AI/ML 기술을 적용하여, 실시간 트래픽 패턴과 전파 환경을 학습하고, 이를 바탕으로 ADR 파라미터(SF, TX Power)와 채널 할당을 더욱 정교하게 최적화할 수 있다. 이는 네트워크 용량을 극대화하고 디바이스의 에너지 효율을 향상시키는 데 기여할 것이다.87
• 엣지 컴퓨팅: 모든 데이터를 클라우드로 보내는 대신, 게이트웨이나 릴레이와 같은 네트워크 엣지 단에서 데이터를 1차적으로 처리하고 분석하는 엣지 컴퓨팅 기술과의 융합이 가속화될 것이다. 이는 클라우드로 전송되는 데이터 양을 줄여 통신 비용을 절감하고, 더 빠른 응답 속도를 제공하여 실시간 제어가 필요한 애플리케이션에 적합하다.87

9.3 보안 및 확장성 문제 해결을 위한 지속적인 연구

LoRaWAN이 사회 기반 시설과 핵심 산업 분야에 깊숙이 적용되면서 보안의 중요성은 더욱 커지고 있다. 재밍, 재전송 공격 등 알려진 위협에 대응하기 위한 프로토콜 개선과 함께, 물리 계층에서의 신호 특성을 이용한 공격 탐지 및 방어 기술에 대한 연구가 활발히 진행될 것이다.66

또한, 도심 지역과 같이 디바이스 밀도가 극도로 높은 환경에서 수백만 개의 디바이스를 안정적으로 수용하기 위한 확장성 문제 해결은 여전히 중요한 과제다. Co-SF 간섭을 최소화하기 위한 지능적인 스케줄링 알고리즘, 동적 채널 할당, 그리고 다른 LPWAN 기술과의 공존을 위한 스펙트럼 공유 기술 등이 주요 연구 주제가 될 것이다.48

9.4 국내 생태계 및 커뮤니티 동향

국내에서는 SK텔레콤이 ThingPlug라는 IoT 플랫폼을 통해 LoRaWAN 공용망 서비스를 제공하며 초기 생태계를 주도했다.88 이와 더불어, The Things Network(TTN)와 같은 글로벌 오픈소스 커뮤니티를 중심으로 개발자들과 기업들이 자발적으로 게이트웨이를 설치하고 네트워크를 공유하는 움직임도 활발하다. 서울, 부산, 대전 등 주요 도시를 중심으로 TTN 커뮤니티가 형성되어 있으며, 이는 누구나 저렴하고 쉽게 LoRaWAN 기술을 테스트하고 새로운 서비스를 개발할 수 있는 기반을 제공한다.12 이러한 공용망 사업자와 개방형 커뮤니티의 공존은 국내 LoRaWAN 생태계의 다양성과 활력을 높이는 긍정적인 요소로 작용하고 있다.

10. 결론

본 안내서는 900MHz 대역을 중심으로 LoRa 및 LoRaWAN 통신 기술을 다각도로 심층 분석했다. 분석 결과를 종합하면, LoRaWAN은 사물 인터넷 시대의 핵심적인 연결 기술로서 명확한 강점과 뚜렷한 기술적 정체성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

LoRa 기술의 핵심 경쟁력은 처프 확산 스펙트럼(CSS) 변조 방식과 확산 계수(SF)라는 유연한 파라미터에서 비롯된다. 이를 통해 단일 네트워크 내에서 통신 거리, 데이터 전송률, 전력 소모 간의 상충 관계를 동적으로 최적화할 수 있는 ’적응형 네트워크’를 구현할 수 있다. 이는 고정된 성능을 제공하는 다른 통신 기술과 차별화되는 지점이며, 다양한 요구사항을 가진 이기종 IoT 디바이스들을 효율적으로 수용하는 기반이 된다.

LoRaWAN 프로토콜은 이러한 물리 계층의 장점을 바탕으로, 스타-오브-스타 토폴로지와 Class A, B, C로 구분되는 디바이스 클래스를 통해 저전력 특성을 극대화하면서도 필요에 따라 양방향 제어가 가능한 유연한 네트워크 아키텍처를 제공한다. 특히 비면허 ISM 대역을 사용함으로써 얻는 ’네트워크 소유권’의 확보 가능성은 LoRaWAN이 NB-IoT와 같은 셀룰러 IoT 기술과 시장을 양분하는 결정적인 요인으로 작용한다. 기업은 통신 사업자의 공용망에 의존하는 대신, 데이터 주권을 확보하고 통신 비용을 절감할 수 있는 사설망을 직접 구축할 수 있다.

대한민국의 KR920-923 표준은 LBT(Listen-Before-Talk) 의무화와 같은 독자적인 규제를 통해 국내 전파 환경의 특수성을 반영하고 있다. 이는 국내에서 LoRaWAN 솔루션을 개발하고 배포하는 데 있어 반드시 고려해야 할 중요한 기술적, 정책적 요소이며, 네트워크 성능 모델링에도 다른 지역과 차별화된 접근이 필요함을 시사한다.

물론, LoRaWAN은 확장성, 보안, 전파 음영 지역 등 해결해야 할 기술적 과제들을 안고 있다. 그러나 LoRa Alliance를 중심으로 FUOTA, 릴레이, 위성 통신 지원 등 표준이 지속적으로 발전하고 있으며, AI 및 엣지 컴퓨팅과의 융합을 통해 네트워크는 더욱 지능화될 것이다.

결론적으로, 900MHz LoRa 통신 기술은 단순히 저렴한 장거리 통신 수단을 넘어, 개방형 표준과 유연한 네트워크 모델을 통해 IoT 혁신을 촉진하는 핵심 인프라로서 그 가치가 입증되었다. 기술의 선택이 곧 비즈니스 모델의 선택이 되는 IoT 시장에서, LoRaWAN은 앞으로도 스마트 시티, 스마트 농업, 산업 IoT 등 다양한 분야에서 그 영향력을 확대해 나갈 것으로 전망된다.

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