[논문]LoRaWAN을 이용한 선박 내부 격벽통과 신호의 특성 및 거리에 따른 수신율 분석

박문수; 오정수

doi:10.9717/kmms.2020.23.2.255

LoRaWAN을 이용한 선박 내부 격벽통과 신호의 특성 및 거리에 따른 수신율 분석
Through-the-inner Bulkhead Signal Characteristics and Distance based Analysis on Receiving Rate using LoRaWAN 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.23 no.2, 2020년, pp.255 - 261

박문수 (FS R&T Inc.) , 오정수 (FS R&T Inc.)

Abstract ▼ AI-Helper

As the accidents of cargo and passenger carrying ships occur, the stress faced by the vessel users is increasing. The risk factors for accident deterioration in remote marine area are stronger than those in road accidents, and therefore the need for safety control is greatly emphasized. To overcome such issue, a lot of effort has been made in terms of conducting research and development of the passengers and freights location tracking system. However, the inner bulkhead structures are made of aluminum/steel which is a difficult material to transfer location information through. This study aims to measure the receiving rate of LoRaWAN signal inside the aluminum/steel bulkhead structures with variation in reception strength and distance. The test was taken place at platforms with 6T and 8T enclosures to reflect the same conditions found in fishery patrol boats. The receiving rate of through-the-wall communication at 10M distance turned out to be 86% in case of using two 6T enclosures, and 73% in case of using one 8T enclosure. The result showed that the receiving rate was more affected by the thickness rather than the number of enclosures.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Part of onboard arrangement.
그림 Fig. 2. LoRaWAN system configuration.
그림 Fig. 3. Communication structure of positioning data on the ship.
그림 Fig. 4. Implemented End-node Device module.
표 Table 1. End-node device configuration
그림 Fig. 5. To open the aluminum box (Left), closed the alu-minum box (Right).
그림 Fig. 6. Uplink timing diagram for confirmed data messages.
그림 Fig. 7. Collection of location data.
그림 Fig. 8. Attenuation level when passing through bulk-head.
그림 Fig. 9. LoRa data reception sensitivity, (a) 10 M inter-vals, (b) 20M intervals, and (c) 30M intervals.
표 Table 2. Success rate of transfer during bulkhead pen-etration
그림 Fig. 10. LoRa data reception rate, (a) 10M intervals, (b) 20M intervals, and (c) 30M intervals.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 해상에서뿐만 아니라 선박 내부에서도 무선 통신으로 사람의 위치를 찾기 위하여 저전력 장거리 통신을 이용한 알루미늄/철판 격벽 사이의 수신율을 확인하고자 하였다. 실제 선박에서는 격벽이 존재하더라도 산소가 통하는 공간과 통신이 우 회할 수 있는 경로가 존재하기 때문에 두께와 재질이 동일한 알루미늄 함체를 제작하여 완전히 차폐된 상태에서 테스트를 진행하였다.

가설 설정

8에 나타내었다. 그림의 Open은 개방된 환경에서의 RSSI이고, 선내에서 문이 열려있을 경우를 가정하여 6T 함체를 개방한 상태에 대한 RSSI도 수집하였다. 차폐된 환 경에서는 알루미늄 격벽이 한 개인 경우의 실험과 두 개 이상의 격벽을 통과하였을 때의 RSSI를 비교 하기 위하여 측정하였다.

제안 방법

End-node Device와 Gateway, 서버로 구성된 시 스템에서, End-node Device의 신호는 8초 간격으로 데이터를 전송하였다. End-node Device에서 Gateway로 전송되는 정보는 End-node Device의 ‘무선 /RF 수신 신호 세기’인 RSSI와 ‘신호 대 잡음비’인 SNR이다.
격벽을 통과한 LoRaWAN의 데이터가 어느 정도 거리까지 수신되는지 확인하기 위하여 10 m/20 m/30 m 간격으로 1시간 이상 데이터를 수신하였다. 개방된 환경에서 수신된 데이터의 CRC(cyclic redundancy check)는 BAD에 대한 데이터를 포함하였으나, LoRaWAN 재전송 기법에 의하여 모든 데이터가 정상 수신되었음을 확인할 수 있었다.
BRIDGE(조타실)이 알루미늄으로 제작된 선박을 고려하였다. 또한 Skylab 사의 Beacon 을 이용하여 차폐된 상태에서의 LoRaWAN 통신 거 리별 수신 감도에 따른 수신율을 확인하였다.
본 연구에서는 저전력 장거리 무선통신 기술 중 하나인 LoRa를 이용하여 알루미늄 격벽의 통신 특 성을 분석하였다.
선내 격벽 통과 실험은 완전한 차폐가 되도록, Fig. 5와 같이 개방된 공간에서의 테스트와 알루미늄 함체 안에 End-node Device를 넣고 뚜껑을 열은 채로 테스트, 알루미늄 함체 안에 End-node Device를 넣은 채로 봉인하여 6M 거리를 유지한 상태로 테스트 를 진행하였다. 크기는 30×30 cm의 6/8T와 50×50 cm의 6T로 총 3개의 함체를 제작하였고, F’CLE(선원 선실), NAV.
실제 선내에서 사용되는 알루미늄/철판을 이용하여 LoRaWAN 통신이 가능한지 실험해 보았다. 알루 미늄/철판으로 이루어진 함체를 오픈한 상태에서의 수신 세기는 개방된 공간에서 측정한 결과와 유사하였다.
본 연구에서는 해상에서뿐만 아니라 선박 내부에서도 무선 통신으로 사람의 위치를 찾기 위하여 저전력 장거리 통신을 이용한 알루미늄/철판 격벽 사이의 수신율을 확인하고자 하였다. 실제 선박에서는 격벽이 존재하더라도 산소가 통하는 공간과 통신이 우 회할 수 있는 경로가 존재하기 때문에 두께와 재질이 동일한 알루미늄 함체를 제작하여 완전히 차폐된 상태에서 테스트를 진행하였다.
차폐된 환 경에서는 알루미늄 격벽이 한 개인 경우의 실험과 두 개 이상의 격벽을 통과하였을 때의 RSSI를 비교 하기 위하여 측정하였다.
4GHz의 무선 주파수 대역을 사용 하지만 WiFi, Bluetooth와 동일한 주파수를 사용하 므로 간섭을 피하기 위하여 유럽에는 868MHz, 미국 에서는 915MHz 대역으로도 사용된다. 패킷은 10 byte의 데이터를 100개 송신하고 다른 Zigbee 수신기를 이용하여 수신율뿐만 아니라 RSSI(Received Signal Strength Indication)도 같이 측정하였다. 개방된 환경의 1m 거리에서는 98～100% 수신율을 보 였고, RSSI는 -27～30dBm이 측정되었다.

대상 데이터

크기는 30×30 cm의 6/8T와 50×50 cm의 6T로 총 3개의 함체를 제작하였고, F’CLE(선원 선실), NAV. BRIDGE(조타실)이 알루미늄으로 제작된 선박을 고려하였다. 또한 Skylab 사의 Beacon 을 이용하여 차폐된 상태에서의 LoRaWAN 통신 거 리별 수신 감도에 따른 수신율을 확인하였다.
서버는 LoRaWAN Specification에 따라 ADR(Adaptive Data Rate) 동작을 하며, Confirmed up 메시지가 2회 재전송하였음에도 불구하고 Acknowledge를 수신 받지 못한다면 Data Rate를 한 단계 낮춰 재전송한다. Data Rate 가 최소 단계에 도달하면 더 이상 낮춰지지 않으며, Confirmed UP 메시지의 재전송 횟수는 서비스 요구 사항에 따라 설정할 수 있으나, 기본적으로 설정되어 있는 최초 전송을 포함한 8회로 설정하였다.
개방된 공간에서 실험을 진행하였을 경우 Endnode Device가 LoRaWAN을 통하여 보낸 데이터를 Gateway가 모두 수신하였고, 수신 세기는 -67.29 dBm, 표준편차 2.89로 양호하였다. 알루미늄 함체의 뚜껑을 열고 실험한 경우 개방된 환경과 마찬가지로 데이터를 모두 수신하였고, 유사한 수신 세기와 표준 편차를 얻을 수 있었다.
크기는 30×30 cm의 6/8T와 50×50 cm의 6T로 총 3개의 함체를 제작하였고, F’CLE(선원 선실), NAV.

이론/모형

전송되는 LoRaWAN의 Power Level은 20 dBm, 신호의 확산 인자는 SF7, 주파수는 대한민국 무선설비 규칙에 따라 920∼922 Mhz로 설정하였다.

성능/효과

개방된 환경의 1m 거리에서는 98～100% 수신율을 보 였고, RSSI는 -27～30dBm이 측정되었다.
10을 보면 수신 감도가 -110 dBm 이하로 떨어 졌을 경우 수신율이 급격히 떨어지는 현상을 볼 수 있는데, -122 dBm 이하로 수신되는 데이터는 CRC 확인 여부에서 모두 BAD로 수신되었다. 30 M 거리 에서의 8T 함체는 511개의 데이터 중 29개만을 정상 수신하며 통신이 대부분 이루어지지 않음을 확인할 수 있었고, 8T(C)+6T(C)는 송신한 데이터 523개 중 CRC_BAD에 해당하는 데이터 47개를 수신하여 통신이 되지 않음을 확인할 수 있었다.
개방된 환경에서 수신된 데이터의 CRC(cyclic redundancy check)는 BAD에 대한 데이터를 포함하였으나, LoRaWAN 재전송 기법에 의하여 모든 데이터가 정상 수신되었음을 확인할 수 있었다.
6 m 거리에서 알루미늄/철판으로 이루어진 함체를 닫은 상태에서 측정한 경우 다소 낮은 수신 세기를 보였으나 90% 이상의 높은 수신율을 보였다. 반면 함체가 닫힌 상태에서 거리를 점차적으로 이격시켜 데이터를 측정한 경우 6T 함체는 20 m 지점까지 80%의 수신율을 보였으나 6T(C)+6T(C), 8T(C), 8T(C)+6T(C)의 함체는 20m 지점 이후에 수신율이 급격히 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다.
본 실험을 통하여 LoRaWAN을 이용한 통신이 선내 알루미늄 격벽을 투과하는 정도를 확인할 수 있었다. 선박 내부에서 장비의 설치는 공간과 비용적인 측면에서 매우 중요한 요소 중 하나다.
89로 양호하였다. 알루미늄 함체의 뚜껑을 열고 실험한 경우 개방된 환경과 마찬가지로 데이터를 모두 수신하였고, 유사한 수신 세기와 표준 편차를 얻을 수 있었다. 알루미늄 함체의 뚜껑을 닫고 측정하였을 때는 수신 세기가 -90 dBm 이하로 낮게 측정되고, 8T + 6T 함체의 경우 Table 2의 결과 와 같이 96.
개방된 환경에서 수신된 데이터의 CRC(cyclic redundancy check)는 BAD에 대한 데이터를 포함하였으나, LoRaWAN 재전송 기법에 의하여 모든 데이터가 정상 수신되었음을 확인할 수 있었다. 하지만 6 m 거리에서 100% 수신율을 보인 6T(C)와 6T(C)+6T(C)의 경우 거리가 멀어짐에 따라 RSSI와 상관없이 수신율이 급격히 떨어지는 현상을 볼 수 있었고, 8T 함체는 10 m 이상 멀어지면 통신이 제대로 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.

후속연구

선박 내부에서 장비의 설치는 공간과 비용적인 측면에서 매우 중요한 요소 중 하나다. 정확도가 높은 실내 위치 측위 기술을 융합하여 선내에 적용한다 면 효율적인 위치 측위가 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인명과 화물을 관리하기 위하여 실내 위치를 측위 하기 위한 대표적인 무선 통신 기반 측위 기술로 무엇이 있는가?	인명과 화물을 관리하기 위하여 실내 위치를 측위 하기 위한 여러 가지 기술들이 있는데 대표적인 무선 통신 기반 측위 기술로는 Zigbee, Wi-Fi(Wireless Fidelity), BLE(Bluetooth Low Energy), UWB(Ultra Wde-Band), RFID(Radio Frequency Identification) 등을 이용한 다양한 기술과 알고리즘이 존재한다[4, 5]. 통신이 잘되지 않는 장애 영역 또는 통신 불량 지점을 우회하는 바이패스 기술 또한 존재한다[6].
	기존 선박의 EPIRB는 어떤 단점이 있는가?	기존의 선박에서는 EPIRB(Emergency Position Indicating Radio Beacon)가 존재하지만, 최대 45분의 경고 지연 문제가 있고, GPS(Global Positioning System)가 없는 기본형 EPIRB는 위치의 오차가 5km나 되며, 사고 당한 선박의 위치를 찾기 위한 용도로 사용된다[3]. 사고 발생 시 스마트폰과의 연동 없이 자체적으로 GPS 위치를 받아 장거리까지 조난 신호를 보낼 수 있는 저전력 장거리 디바이스와 조난 신호를 받아 수색 구조를 빠르게 진행할 수 있게 도와주는 신호 스캐너가 도입되면 해난사고 발생 시 골든타임을 크게 확보할 수 있다.
	선내 위치 기반 서비스를 위한 다양한 무선통신 기술들의 단점은 무엇인가?	선내 위치 기반 서비스를 위한 다양한 무선통신 기술이 적용되어왔다. 대표적인 근거리 무선통신 기 술로는 RFID와 WiFi, UWB 등이 있으나, 통신 거리가 짧기 때문에 다수의 수신기를 설치해야 하고, 다른 무선통신에 방해를 줄 수 있는 단점이 있다.

참고문헌 (10)

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S.G. Kim, A Study on Configuration of Communication Network for Coast Station and Operation Improvement According to Instruction of GMDSS, Master's Thesis of Korea Maritime and Ocean University, 2002.
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B.K. Kim and W.G. Hong, "Location Positioning System Based on K-NN for Sensor Networks," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 15, No. 9, pp. 1112-1125, 2012.

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H.I. Jun, H.S. Kim, K.S. Jung, and K.R. Sohn, "Development of Bypass Unit for Ship Area Network Based on Legacy-line Communication," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 3, pp. 292-297, 2015.

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B.G. Paik, S.R. Cho, B.J. Park, I.S. Cho, D.L. Lee, J.H. Yun, et al., "Experimental Tests on the Wireless Sensor Network and the Power-line Communication in a Real Ship and Laboratory," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 45, No. 3, pp. 329-336, 2008.

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S.B. Lee, D.H. Kang, J.H. Lee, J.C. Lee, Y.H. Kim, S.S. Lee, et al., "Positioning Testbed Implementation for Performance Evaluation of Ship Wireless Network," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 41, No. 4, pp. 353-361, 2017.

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T. Joel, N.E. Rachkidy, and A. Guitton, "Performance Analysis of the on the Air Activation in LoRaWAN," Proceeding of 2016 IEEE 7th Annual Information Technology, Electronics and Mobile Communication Conference, pp. 1-7, 2016.
F. Adelantado, X. Vilajosana, P.T. Peiro, B. Martinez, J.M. Segui, T. Watteyne, et al., "Understanding the Limits of LoRaWAN," IEEE Communications Magazine, Vol. 55, No. 9, pp. 34-40, 2017.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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