[국내논문]LoS 및 NLoS 환경에서의 경로 손실을 고려한 LoRa의 모의실험 및 실측 결과 분석 Analysis of Computer Simulated and Field Experimental Results of LoRa Considering Path Loss under LoS and NLoS Environment원문보기
최근 사물인터넷 (IoT; Internet-of-things)의 필요성이 급격하게 대두됨에 따라 Low Power Wide Area (LPWA) 표준에 대한 관심이 커지고 있다. 이 논문에서는 LPWA의 표준 중의 하나인 LoRa 기술에 대한 성능을 실측 데이터에 기반하여 분석한다. 특히, Line-of-sight (LoS) 및 Non-line-of-Sight (NLoS) 환경에서 수신 신호의 Received Signal Strength Indication (RSSI) 값을 측정하여 이론적인 경로손실 모형을 적용한 RSSI 값과 비교한다. 이를 위해 다양한 경로손실 모형 중에서 Log-distance 및 Two-ray 모형 그리고 실측 데이터에 기반한 통계적 모형인 Okumura-Hata 모형을 적용한다. 그 결과, LoS 및 NLoS 환경 모두에서 Okumura-Hata 모형이 RSSI 실측 데이터와 가장 근접한 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 LoRa를 이용하여 네트워크를 구성할 때 최적의 노드 배치를 위한 기준을 제공하는데 활용될 수 있을 것이다.
최근 사물인터넷 (IoT; Internet-of-things)의 필요성이 급격하게 대두됨에 따라 Low Power Wide Area (LPWA) 표준에 대한 관심이 커지고 있다. 이 논문에서는 LPWA의 표준 중의 하나인 LoRa 기술에 대한 성능을 실측 데이터에 기반하여 분석한다. 특히, Line-of-sight (LoS) 및 Non-line-of-Sight (NLoS) 환경에서 수신 신호의 Received Signal Strength Indication (RSSI) 값을 측정하여 이론적인 경로손실 모형을 적용한 RSSI 값과 비교한다. 이를 위해 다양한 경로손실 모형 중에서 Log-distance 및 Two-ray 모형 그리고 실측 데이터에 기반한 통계적 모형인 Okumura-Hata 모형을 적용한다. 그 결과, LoS 및 NLoS 환경 모두에서 Okumura-Hata 모형이 RSSI 실측 데이터와 가장 근접한 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 LoRa를 이용하여 네트워크를 구성할 때 최적의 노드 배치를 위한 기준을 제공하는데 활용될 수 있을 것이다.
Recently, a demand of Internet-of-things (IoT) rises dramatically and an interest in Low Power Wide Area (LPWA) grows larger accordingly. In this paper, performance in LoRa which is included in LPWA standard is analyzed. Particularly, after measuring Received Signal Strength Indication (RSSI) of rec...
Recently, a demand of Internet-of-things (IoT) rises dramatically and an interest in Low Power Wide Area (LPWA) grows larger accordingly. In this paper, performance in LoRa which is included in LPWA standard is analyzed. Particularly, after measuring Received Signal Strength Indication (RSSI) of received signal on Line-of-sight (LoS) and Non-line-of-sight (NLoS) environment and it is compared with RSSI which theoretical path loss model is applied to. Among many path loss models, the simulation for theoretical RSSI use Log-distance, Two-ray model and Okumura-Hata model that is based on the test database. Consequently, the result of Okumura-Hata model is the most similar with the measured RSSI. When a network based on LoRa is built, this result can used to decide optimal node arrangement.
Recently, a demand of Internet-of-things (IoT) rises dramatically and an interest in Low Power Wide Area (LPWA) grows larger accordingly. In this paper, performance in LoRa which is included in LPWA standard is analyzed. Particularly, after measuring Received Signal Strength Indication (RSSI) of received signal on Line-of-sight (LoS) and Non-line-of-sight (NLoS) environment and it is compared with RSSI which theoretical path loss model is applied to. Among many path loss models, the simulation for theoretical RSSI use Log-distance, Two-ray model and Okumura-Hata model that is based on the test database. Consequently, the result of Okumura-Hata model is the most similar with the measured RSSI. When a network based on LoRa is built, this result can used to decide optimal node arrangement.
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제안 방법
또한 좁은 도로를 따라 좌우로 건물이 빈틈없이 들어선 환경이 많으므로 Line-of-sight (LoS)가잘 보장되지 않는다. 따라서 본 논문에서는 부산을 테스트 베드로 하여 LoS가 보장되는 해안가뿐만이 아니라 Non-line-of-sight (NLoS) 환경인 도심 지역에서도LoRa 성능을 측정하여 해당 환경의 이론값과 비교한다. 이번 장에서는 LoRa의 등장 배경을 언급하였고, 2장에서는 이론적 예상 성능을 도출하기 위해 Link Budget의 개념을 설명하고 분석에 사용한 경로 손실모형을 소개한다.
이 논문에서는 거리에 따른 LoRa의 성능 변화를LoS 및 NLoS 환경에서 측정하여 경로손실 모형을 통해 산출한 RSSI 이론값과 비교하였다. 그 결과 도심에서 측정한 자료를 통계적으로 모형화한Okumura-Hata 모형이 실제 도심 측정값과 가장 유사하였고, SF의 차이에 따른 성능 차이 또한 확인하였다.
마지막으로 M은 기타 요인으로 인한 손실로 편파 불일치로 인한 페이딩 등이 이에 해당한다[4]. 이 논문에서는 안테나 이득과 경로 손실 외의 요인의 영향이 미약하기 때문에 이를 반영하여 수신 전력 모형을 간략화하였다. 이 때 채널상의 경로 손실을 PL CH, 안테나 이득을 GANT라고 하면 수신기의 수신 전력은 다음과같이 나타낼 수 있다.
대상 데이터
LoS 환경에서의 측정은 부산광역시 해안가 지역에서 진행하였다. 한 지점이 고정된 상태에서 1km씩 간격을 증가시키며 측정하기는 어려워 두 개의 LoRa 모듈이 같이 이동하면서 측정하였다.
한 지점이 고정된 상태에서 1km씩 간격을 증가시키며 측정하기는 어려워 두 개의 LoRa 모듈이 같이 이동하면서 측정하였다. NLoS 환경에서의 측정은 부산광역시 금정구 구서동, 장전동 일대에서 진행하였다. 위치가 고정된 모듈은 부산대학교 제 9공학관 옥상에서 장전동 주택가 방향의 난간에 설치하고, 측정 지점은 다음과 같은 기준으로 선정하였다.
[표 5]에서 200mW 이하 출력은 실외 고정형 점대 다점 무선기기에만 해당하며 이는 AP (Gateway)를 지칭한다. 따라서 주파수는 25mW이하의 출력을 사용할 수 있는 26∼32채널 중 26번 채널을 선택하였다. 대역폭은 LoRaWAN에서주로 사용하는 125kHz, 250kHz, 500kHz 중에서 125kHz를 설정하였는데[11], [표 4]의 허용된 채널 간격이 200kHz 미만이기 때문이다.
NLoS 환경에서의 측정은 부산광역시 금정구 구서동, 장전동 일대에서 진행하였다. 위치가 고정된 모듈은 부산대학교 제 9공학관 옥상에서 장전동 주택가 방향의 난간에 설치하고, 측정 지점은 다음과 같은 기준으로 선정하였다.
하드웨어는 Semtech의 SX1276MB1MAS LoRa모듈과 ST의 Nucleo-L152RE MCU 2쌍을 각각 송수신기로 구성하여 1:1 통신으로 측정하였는데, LoRa모듈의 주요 사양은 [표 3]과 같다. LoRa의 SF, 대역폭, 주파수 등의 설정은 미래창조과학부 무선설비규칙[13]을 참조하였다.
이론/모형
하드웨어는 Semtech의 SX1276MB1MAS LoRa모듈과 ST의 Nucleo-L152RE MCU 2쌍을 각각 송수신기로 구성하여 1:1 통신으로 측정하였는데, LoRa모듈의 주요 사양은 [표 3]과 같다. LoRa의 SF, 대역폭, 주파수 등의 설정은 미래창조과학부 무선설비규칙[13]을 참조하였다. [표 4], [표 5]는 무선설비규칙에서 규정한 IoT망 용도로 허용된 채널 별 주파수와 각 채널에 허용된 출력이다.
우선 NLoS환경에서 바닥 반사는 영향이 미미하므로 Two-ray 모형은 비교에서 제외하였다. 구서동, 장전동은 주택, 상가 등 장애물이 존재하는 전형적인 도심 환경이므로 Log-distance 모형은 [표 1]를 참조하여 경로손실계수γ에 3.5를 적용하였고, Okumura-Hata 모형은 세 가지 중에서 Urban Area 모형을 적용하였는데 송수신안테나의 높이는 LoS환경 측정에서 사용한 경로 손실모형에서의 높이와 동일하다. 그 결과 Log-distance 모형은 실측치와 약 30dBm의 차이를 보이는 반면에Okumura-Hata 모형은 실제 측정한 RSSI와 흡사한 수치임을 확인하였다.
성능/효과
측정 결과를 종합적으로 정리하면 [그림 5], [그림6]을 통해 도심 측정 모형인 Okumura-Hata 모형이 가장 흡사하고 예측에 적합한 모형이라는 것을 확인할 수 있다. 그리고 [표 8]과 [표 9]의 I, J, K, L 지점을 보면 비슷한 SNR임에도 불구하고 PER이 SF가 12일 때 훨씬 낮음을 볼 수 있다.
그리고 Okumura-Hata 모형 세 가지 중 Open Area 모형은 Two-ray 모형과 송신 및 수신 안테나 높이를 동일하게 가정하고 비교 시 전반적으로 실측치에 가장 근접함을 알 수 있다. 결과적으로 세 가지 모형 중 Okumura-Hata 모형이 실측데이터와 가장 흡사하다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과의 원인을 살펴보면 첫 번째로 Log-distance 모형은 거리에 따른 손실과 환경에 따른 경로 손실만을 반영하였기 때문에 바다 표면 반사에 의한 다중경로 페이딩 등을 반영하지 못한다.
5를 적용하였고, Okumura-Hata 모형은 세 가지 중에서 Urban Area 모형을 적용하였는데 송수신안테나의 높이는 LoS환경 측정에서 사용한 경로 손실모형에서의 높이와 동일하다. 그 결과 Log-distance 모형은 실측치와 약 30dBm의 차이를 보이는 반면에Okumura-Hata 모형은 실제 측정한 RSSI와 흡사한 수치임을 확인하였다. [그림 6]의 결과에 대한 이유는[그림 5]과 함께 언급했던 분석과 동일하다.
이 논문에서는 거리에 따른 LoRa의 성능 변화를LoS 및 NLoS 환경에서 측정하여 경로손실 모형을 통해 산출한 RSSI 이론값과 비교하였다. 그 결과 도심에서 측정한 자료를 통계적으로 모형화한Okumura-Hata 모형이 실제 도심 측정값과 가장 유사하였고, SF의 차이에 따른 성능 차이 또한 확인하였다. 거기에 LoRa 성능에 대한 실측 데이터 연구는 유럽지역에 편중되어 있는 경향이 있는데 이와 같은 결과는 국내 도심 형태에서 측정한 것이기에 한국형LoRa IoT 네트워크 구현에 있어서 보다 더 의의가 있다고 볼 수 있다.
Two-ray 모형은 송신 및 수신 안테나 높이를 각각 20m와 1m로 가정했을 때 실측 데이터와 약 5∼10dB의 차이로 Log-distance 모형 대비 실측치와 더 가까워짐을 알 수 있다. 그리고 Okumura-Hata 모형 세 가지 중 Open Area 모형은 Two-ray 모형과 송신 및 수신 안테나 높이를 동일하게 가정하고 비교 시 전반적으로 실측치에 가장 근접함을 알 수 있다. 결과적으로 세 가지 모형 중 Okumura-Hata 모형이 실측데이터와 가장 흡사하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
그리고 LoS 측정 테스트 베드가 부산시였기 때문에 일반 도심지뿐만이 아니라 부산항만시설 및 해안 관광지 등에서 측정이 가능했다. 따라서 해양에 특화된 모니터링용 LoRa 기반 IoT망 구축 시 최적화 된 노드 배치를 위한 기반 데이터로도 활용 가능하다. 또한 향후 도심의 음영지역을 보완하기 위한 중계기능이 추가될 것이다.
따라서 해양에 특화된 모니터링용 LoRa 기반 IoT망 구축 시 최적화 된 노드 배치를 위한 기반 데이터로도 활용 가능하다. 또한 향후 도심의 음영지역을 보완하기 위한 중계기능이 추가될 것이다. 이렇게 중계기를 사용한다면 망 전체 소비 전력은 필연적으로 증가할 것이기 때문에 중계 경로 내 노드에 대한 성능 및 전력 효율을 분석하는 연구가 병행되어야 할 것이다.
또한 향후 도심의 음영지역을 보완하기 위한 중계기능이 추가될 것이다. 이렇게 중계기를 사용한다면 망 전체 소비 전력은 필연적으로 증가할 것이기 때문에 중계 경로 내 노드에 대한 성능 및 전력 효율을 분석하는 연구가 병행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LPWA의 대표적인 기술로는 무엇이 있는가?
이와 같은 단점을 극복하기 위해 최근 Low Power Wide Area (LPWA) 기술이 각광받고 있는데, 저전력 장거리 통신이 가능하여 광범위 센서 네트워크 구축이 가능한 것이 특징이다. 대표적인 기술로는 LoRa, Sigfox, LTE-M, NB-IoT 등이 있는데 현재 국내 시장에서 SKT는 LoRa와 LTE-M,KT는 LTE-M과 NB-IoT, LG U+는 NB-IoT 기반으로 전국망을 구축중이다.
Bluetooth, Zigbee의 통신방식의 단점은 무엇인가?
최근 원격 모니터링 및 장비 자동 제어를 위해 사물인터넷 (IoT; Internet-of-things)을 여러 분야에서 적용하고 있는데[1-3], 많은 무선통신 방식 중에 Bluetooth, Zigbee 등은 저전력의 무선통신 방식으로써 이미 가정용 및 산업용으로 많이 사용 중이기 때문에 IoT용도로 사용할 수 있다. 하지만 위 언급한 두 가지 통신방식은 통신 가능거리가 짧기 때문에 모니터링 범위가 넓은 경우에는 Mesh형태의 노드 배치로 중계를 하여야 한다. 따라서 센서 노드와 Gateway의 추가적인 설치가 수반되기 때문에 설치 및 관리 비용의 증가가 불가피하다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 최근 Low Power Wide Area (LPWA) 기술이 각광받고 있는데, 저전력 장거리 통신이 가능하여 광범위 센서 네트워크 구축이 가능한 것이 특징이다.
Low Power Wide Area의 특징은 무엇인가?
따라서 센서 노드와 Gateway의 추가적인 설치가 수반되기 때문에 설치 및 관리 비용의 증가가 불가피하다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 최근 Low Power Wide Area (LPWA) 기술이 각광받고 있는데, 저전력 장거리 통신이 가능하여 광범위 센서 네트워크 구축이 가능한 것이 특징이다. 대표적인 기술로는 LoRa, Sigfox, LTE-M, NB-IoT 등이 있는데 현재 국내 시장에서 SKT는 LoRa와 LTE-M,KT는 LTE-M과 NB-IoT, LG U+는 NB-IoT 기반으로 전국망을 구축중이다.
참고문헌 (14)
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