[논문]산업현장의 LPWA 적용을 위한 건물 내부 통신 성능 측정

권혁; 진경복; 오창헌

doi:10.12673/jant.2019.23.1.90

초록
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LPWA는 넓은 커버리지를 통해 구축비용 및 시간이 절감되는 기술이다. 하지만 LPWA는 UHF 전파를 사용하는 ISM 대역으로 직진성이 강해 실내에서는 성능이 매우 떨어지지만 실내에서도 다른 통신에 비해 높은 성능을 낼 수 있는 가능성이 있기 때문에 본 논문에서는 LPWA 기술 중 LoRa를 적용하여 실내 통신 성능을 측정하는 연구를 진행하였다. 이를 위해 4층에 데이터 수신 모듈을 설치한 후 동일 층부터 1층까지 건물의 끝에 송신 모듈을배치한 후 데이터를 수집하였다. 실험결과 1층 송신 모듈의 데이터를 98~99% 확률로 수집 가능하였으며 최저 RSSI는 약 -116 dBm을 나타내었다. 따라서 확산인자가 12일 때 최대 수신감도 -136 dBm을 갖는 LoRa의 스펙을 고려할 경우 산업현장 건물 내부의 LPWA 적용을 충분히 고려할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

LPWA is a cost-effective and time-saving technology with wide coverage. However, the LPWA is an ISM band that uses UHF radio waves, and its performance is very poor indoors because of its strong linearity. But, because of the possibility of achieving high performance compared to other communication ...

LPWA is a cost-effective and time-saving technology with wide coverage. However, the LPWA is an ISM band that uses UHF radio waves, and its performance is very poor indoors because of its strong linearity. But, because of the possibility of achieving high performance compared to other communication in the room, this paper has studied the indoor communication performance by applying LoRa in LPWA technologies. After installing the data receiving module on the 4th floor, the transmission module was placed at the end of the building from the same floor to the 1st floor, and the data was collected. As a results, it installed on the 1st floor can be collected data with 98 ~ 99% probability, and the lowest RSSI is about -116dBm. Thus, considering the specification of LoRa with a maximum reception sensitivity -136dBm when the spreading factor is 12, the application of LPWA in the industrial field can be fully considered.

주제어

표/그림 (12)

표 표 1. 전파의 분류 Table 1. Classification of radio waves.
그림 그림 1. 실험에 사용된 Private LoRa 모듈 Fig. 1. The Private LoRa module used in the experiment.
표 표 2. LoRaWAN^TM 특징 Table 2. LoRaWAN^TM Features.
표 표 3. RF 설정 Parameter Table 3. RF Parameter Setting.
그림 그림 2. LoRa Class A의 동작 방식 Fig. 2. Behavior of LoRa class A.
그림 그림 3. LoRa Class B의 동작 방식 Fig. 3. Behavior of LoRa class B.
그림 그림 4. LoRa Class C의 동작 방식 Fig. 4. Behavior of LoRa class C.
그림 그림 5. 실험 건물 내부 구성도 및 모듈 배치 위치 Fig. 5. Structure of the experimental building and location of module placement.
그림 그림 6. 게이트웨이와 동일 층 실험 결과 Fig. 6. The same floor experiment results as the gateway.
그림 그림 7. 3층 실험 결과 Fig. 7. 3rd floor experiment result.
그림 그림 8. 2층 실험 결과 Fig. 8. 2nd floor experiment result.
그림 그림 9. 1층 실험 결과 Fig. 9. 1st floor experiment result.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LPWA 기술 중 비면허대역을 사용하는 LoRa를 산업 현장 건물 내부에 적용하기 위해 LoRa 기반 사설 통신망 구축 모듈을 제작하여 건물 내부에 송·수신기를 설치한 뒤수신 신호 강도 및 신호 대 잡음비, 데이터의 수신율을 통해LPWA의 건물 내부 통신 성능을 측정하였다.
본 논문에서는 산업현장에 LPWA를 적용하기 위해 개방형표준을 사용하는 LoRa의 C class를 적용한 private LoRa 모듈을 개발하고 건물 내부에서 UHF 전파의 특성으로 인해 발생되는 손실을 극복하고 LPWA 통신을 건물 내부에 적용시키기 위한 통신 성능을 측정하는 연구를 진행하였다. 4층 높이 건물 내부에 게이트웨이의 역할을 수행하는 수신 모듈을 부착한 후 동일층에서 가장 먼 4군데의 장소를 선정하여 각 층마다 데이터를수집하고 정리한 후 데이터를 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 산업현장에 LPWA를 적용하기 위해 개방형표준을 사용하는 LoRa의 C class를 적용한 private LoRa 모듈을 개발하고 건물 내부에서 UHF 전파의 특성으로 인해 발생되는 손실을 극복하고 LPWA 통신을 건물 내부에 적용시키기 위한 통신 성능을 측정하는 연구를 진행하였다. 4층 높이 건물 내부에 게이트웨이의 역할을 수행하는 수신 모듈을 부착한 후 동일층에서 가장 먼 4군데의 장소를 선정하여 각 층마다 데이터를수집하고 정리한 후 데이터를 분석하였다. 실험결과 4층 높이의 건물에서는 벽과 계단, 유리 등의 방해물이 존재해도 1층 지역까지 모두 통신이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 거리가 멀어질수록 확산인자가 낮을 때보다 높을 때 전파의 전달이 더 잘되는 것을 확인할 수 있었다.
LPWA 기술 중 개방성을 특징으로 하는 LoRaWAN의 기술을 산업현장에 적용시키기 위해 private LoRa 모듈을 개발하였다. Private LoRa 통신 모듈의 RF 칩은 Semtech사의 sx1276을사용하였으며, 제어 모듈의 MCU는 ST마이크로일렉트로닉스사의 STM32L125RE를 사용하였다.
건물 내부 환경에서 LPWA의 성능을 측정하기 위해 LPWA 통신 모듈을 제작하여, 송신 모듈과 수신 모듈에 대한 프로그램을 개발하여 삽입하였다. 건물 내부 통신 시 확산인자(SF: spreading factor) 설정의 영향을 확인하기 위해 확산인자가 낮아가장 빠르게 데이터를 전송할 수 있는 SF7과 확산인자가 높아데이터가 느리게 전송되는 대신 안정적이고, 가장 멀리 데이터를 전송할 수 있는 SF12로 실험을 진행하였다. 건물 4층 중간에 수신 모듈을 배치하고, 건물의 끝에 수신모듈을 배치하여, 4층에서부터 1층까지 실험을 진행하였다.
건물 내부 환경에서 LPWA의 성능을 측정하기 위해 LPWA 통신 모듈을 제작하여, 송신 모듈과 수신 모듈에 대한 프로그램을 개발하여 삽입하였다. 건물 내부 통신 시 확산인자(SF: spreading factor) 설정의 영향을 확인하기 위해 확산인자가 낮아가장 빠르게 데이터를 전송할 수 있는 SF7과 확산인자가 높아데이터가 느리게 전송되는 대신 안정적이고, 가장 멀리 데이터를 전송할 수 있는 SF12로 실험을 진행하였다.
본 실험에서는 산업 환경에서 충분한 전력이 공급되는 상황을 고려하여, C class로 동작하도록 프로그래밍 하였다.

대상 데이터

LPWA 기술 중 개방성을 특징으로 하는 LoRaWAN의 기술을 산업현장에 적용시키기 위해 private LoRa 모듈을 개발하였다. Private LoRa 통신 모듈의 RF 칩은 Semtech사의 sx1276을사용하였으며, 제어 모듈의 MCU는 ST마이크로일렉트로닉스사의 STM32L125RE를 사용하였다. 전원부는 배터리를 통해전원을 공급하고 배터리를 충전하는 역할을 수행한다.
건물 내부 실험은 한국기술교육대학교 1공학관에서 실험을 진행하였다. 데이터를 수집하는 게이트웨이의 역할을 하는 노드는 그림 건물 중간 복도 위 2 m 높이에 설치하였으며, 수신한 데이터를 저장하기 위해 노트북과 연결을 시킨 후 데이터 저장 프로그램과 연동을 시켰다.
데이터를 수집한 위치는 게이트웨이로부터 가장 먼 장소를 선택하여 각 층의 끝 모서리 지점에 배치한 후 총 100개의 데이터를 시퀸스 번호와 함께 수집하였다.

이론/모형

SigFox가 개발한 통신 기술로써, UNB(ultra narrow band)통신 기술을 사용한다. 통신 속도는 0.

성능/효과

Sx1276 데이터 시트에서 대단위 전송 모드로 대역폭이 125 Khz를 가지는 통신에서 확산인자가 7일 경우 최대 수신감도는 –123 dBm이며, 확산인자가 12일 때 –136 dBm으로 이번 실험을 통해 복잡한 구조를 가진 건물에서 확산 인자가 7일 때와 12일때 모두 4층 이상의 커버리지를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한 UHF 전파의 특성 상 거대한 공동이 존재하는 건물 내부일경우에는 가시거리를 가질 수 있기 때문에 더 넓은 커버리지를 가질 수 있을 것으로 사료된다.
또한 UHF 전파의 특성 상 거대한 공동이 존재하는 건물 내부일경우에는 가시거리를 가질 수 있기 때문에 더 넓은 커버리지를 가질 수 있을 것으로 사료된다. 데이터 전송 성공률 또한 평균적으로 확산인자가 7일 때 98.75%였으며, 12일 때 99.75%로 산업현장 건물 내부에서 데이터 수신율이 극악하게 낮지 않으며, 매우 높은 수신 확률을 가지는 것을 확인할 수 있다.
꺽은선 그래프중 위의 그래프가 신호대잡음비(SNR: signal to noise ratio)를나타내며, 아래의 그래프가 수신신호세기(RSSI: receive signal strength indicator)를 나타내고, 막대그래프가 데이터 전송 오율을 나타낸 것이다. 동일한 층에서 실험한 결과 확산인자가 7일때 신호 수신세기는 각 위치마다 평균 -78 dBm ~ -107 dBm으로 나타났으며, 신호대잡음비는 20 dB ~ 26 dB로 나타났다. 확산인자가 12일 때 수신신호세기는 각 위치마다 -81 dBm ~ -110 dBm, 신호대잡음비는 21 dB ~ 33 dB으로 SF7보다 낮은 수치를 보였지만, 데이터 전송 성공률은 SF7이 전체 적으로 평균 98%인것에 반해 SF12는 99.
확산인자가 12일 때 수신신호세기는 각 위치마다 -86 dBm ~ -105 dBm, 신호대잡음비는 29 dB ~ 32 dB으로 신호 전달에 방해요소가 많아지며, 동일층 실험 결과와 비교 했을 때 SF7 보다 적게 줄어들며, 안정적으로 신호가전달되는 것을 알 수 있다. 또한 데이터 전송 성공률은 SF7이전체 적으로 평균 98.25%이며, SF12는 99.5%로 SF7의 경우는좋아졌지만, SF12는 약간 낮아진 것을 확인할 수 있다.
4층 높이 건물 내부에 게이트웨이의 역할을 수행하는 수신 모듈을 부착한 후 동일층에서 가장 먼 4군데의 장소를 선정하여 각 층마다 데이터를수집하고 정리한 후 데이터를 분석하였다. 실험결과 4층 높이의 건물에서는 벽과 계단, 유리 등의 방해물이 존재해도 1층 지역까지 모두 통신이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 거리가 멀어질수록 확산인자가 낮을 때보다 높을 때 전파의 전달이 더 잘되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 더 높은 건물에서의 실험을 통해 최대 도달 거리에 대한 실험과 전송 데이터 길이의 변화에 대한 실험을 진행하고 최종적으로 LPWA를 산업현장에 도입하기 위해 데이터 전송 속도를 높이는 방안으로 LoRa에서 반응속도가 빠른 Class C의 통신 방법을 개선하는 알고리즘을 설계하여 산업현장에 적용하기 위한 방안을 마련할 것이다.

후속연구

Sx1276 데이터 시트에서 대단위 전송 모드로 대역폭이 125 Khz를 가지는 통신에서 확산인자가 7일 경우 최대 수신감도는 –123 dBm이며, 확산인자가 12일 때 –136 dBm으로 이번 실험을 통해 복잡한 구조를 가진 건물에서 확산 인자가 7일 때와 12일때 모두 4층 이상의 커버리지를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한 UHF 전파의 특성 상 거대한 공동이 존재하는 건물 내부일경우에는 가시거리를 가질 수 있기 때문에 더 넓은 커버리지를 가질 수 있을 것으로 사료된다. 데이터 전송 성공률 또한 평균적으로 확산인자가 7일 때 98.
실험결과 4층 높이의 건물에서는 벽과 계단, 유리 등의 방해물이 존재해도 1층 지역까지 모두 통신이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 거리가 멀어질수록 확산인자가 낮을 때보다 높을 때 전파의 전달이 더 잘되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 더 높은 건물에서의 실험을 통해 최대 도달 거리에 대한 실험과 전송 데이터 길이의 변화에 대한 실험을 진행하고 최종적으로 LPWA를 산업현장에 도입하기 위해 데이터 전송 속도를 높이는 방안으로 LoRa에서 반응속도가 빠른 Class C의 통신 방법을 개선하는 알고리즘을 설계하여 산업현장에 적용하기 위한 방안을 마련할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPWA란?	LPWA는 넓은 커버리지를 통해 구축비용 및 시간이 절감되는 기술이다. 하지만 LPWA는 UHF 전파를 사용하는 ISM 대역으로 직진성이 강해 실내에서는 성능이 매우 떨어지지만 실내에서도 다른 통신에 비해 높은 성능을 낼 수 있는 가능성이 있기 때문에 본 논문에서는 LPWA 기술 중 LoRa를 적용하여 실내 통신 성능을 측정하는 연구를 진행하였다.
	Industry 4.0의 목표는?	Industry 4.0은 독일 산업 부흥 정책인 ‘High-Tech Strategy 2020 Action Plan’의 일환으로 추진하는 전략 중 하나로, 자동차, 기계 등 제조업에 ICT를 접목하는 모든 생산 공정, 조달 및물류, 서비스까지 통합적으로 관리하는 스마트 팩토리 (smart factory) 구축을 목표로 한다. 이러한 Industry 4.
	공장생산관리 서비스에 IoT환경구축이 더딘 이유는?	공장생산관리 서비스에서도 이러한 방향에 맞추어 현장에 다양한 장비에 부착된 센서들이 네트워크를 통해 실시간으로 현장 정보를 서버로 전송하고 서버에서 처리하여 명령을 다시 장비로 전송하는 과정이 자동으로 진행되는 IoT 환경으로 진화하고 있다. 하지만 산업현장에서IoT 환경을 구축하기 위한 비용과 시간은 생산성을 저하시키고, 구축비용으로 인한 손실이 부담이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 IoT 환경 구축 시간을 최소화하고, 비용을 최대한으로 절감하는 방안을 강구해야한다[1]-[6].

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