LPWA는 한번에 전송할 수 있는 데이터양은 적지만 매우 넓은 범위의 정보를 수집할 수 있어 아파트 계량기의 정보를 수집하거나, 산업현장에서 간헐적으로 보내는 데이터 등을 수집하는데 적합하다. 하지만 LPWA에 대한 대부분의 응용 연구는 실외, 특히 LOS(line of sight) 환경에 대해 한정되어 있어 아파트 및 산업현장에 적용하기 위한 정보를 수집할 경우 힘든 문제가 발생한다. 본 논문에서는 LPWA 통신이 아파트 및 산업현장에 적용될 수 있도록 NLOS(non line of sight) 환경인 건물 내부에서 통신 커버리지를 측정하였다. 실험을 위해 sx1276 디바이스를 이용해 LoRa모듈을 제작하고 Class A를 적용한 후 확산인자 7과 12에 대해서 각 층마다 데이터를 수집하였다. 실험결과, 확산인자가 낮은 7의 경우 7층에서부터 수신되는 데이터의 에러와 Loss가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 확산인자가 높은 12는 9층까지도 Loss 없이 데이터가 수신되는 것을 확인할 수 있었다.
LPWA는 한번에 전송할 수 있는 데이터양은 적지만 매우 넓은 범위의 정보를 수집할 수 있어 아파트 계량기의 정보를 수집하거나, 산업현장에서 간헐적으로 보내는 데이터 등을 수집하는데 적합하다. 하지만 LPWA에 대한 대부분의 응용 연구는 실외, 특히 LOS(line of sight) 환경에 대해 한정되어 있어 아파트 및 산업현장에 적용하기 위한 정보를 수집할 경우 힘든 문제가 발생한다. 본 논문에서는 LPWA 통신이 아파트 및 산업현장에 적용될 수 있도록 NLOS(non line of sight) 환경인 건물 내부에서 통신 커버리지를 측정하였다. 실험을 위해 sx1276 디바이스를 이용해 LoRa 모듈을 제작하고 Class A를 적용한 후 확산인자 7과 12에 대해서 각 층마다 데이터를 수집하였다. 실험결과, 확산인자가 낮은 7의 경우 7층에서부터 수신되는 데이터의 에러와 Loss가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 확산인자가 높은 12는 9층까지도 Loss 없이 데이터가 수신되는 것을 확인할 수 있었다.
LPWA has a small amount of data that can be transmitted at one time, but it can collect a very wide range of information, so it is suitable for gathering information of apartment meter or collecting data intermittently sent from industrial site. However, most of the application studies on LPWA are l...
LPWA has a small amount of data that can be transmitted at one time, but it can collect a very wide range of information, so it is suitable for gathering information of apartment meter or collecting data intermittently sent from industrial site. However, most of the application studies on LPWA are limited to outdoor, especially LOS environment, so it is difficult to collect information for application to apartment and industrial sites. In this paper, we have measured the communication coverage within the building, which is a NLOS environment, so that LPWA communication can be applied to apartments and industrial sites. For the experiment, LoRa module was created using sx1276, Class A was applied, and the spread factor was changed for each layer. As a result, in case of spreading factor 7 that shows increasing error and losses from the 7 floor, but the in case of spreading factor 12, the data could be seamlessly received even on the 9th floor without error and losses.
LPWA has a small amount of data that can be transmitted at one time, but it can collect a very wide range of information, so it is suitable for gathering information of apartment meter or collecting data intermittently sent from industrial site. However, most of the application studies on LPWA are limited to outdoor, especially LOS environment, so it is difficult to collect information for application to apartment and industrial sites. In this paper, we have measured the communication coverage within the building, which is a NLOS environment, so that LPWA communication can be applied to apartments and industrial sites. For the experiment, LoRa module was created using sx1276, Class A was applied, and the spread factor was changed for each layer. As a result, in case of spreading factor 7 that shows increasing error and losses from the 7 floor, but the in case of spreading factor 12, the data could be seamlessly received even on the 9th floor without error and losses.
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문제 정의
따라서 아파트 및 산업현장에 LPWA를 적용하기 위한 접근 방법을 찾는데 있어서 매우 어려운 난관에 부딪히게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 LPWA 통신이 건물 내부와 같이 극한의 NLOS 환경을 만났을 때의 성능을 제시하고자 통신이 가능한 최대 거리를 측정하는 실험을 진행하고 결과 데이터를 제시할 것이다.
하지만 기존의 연구들은 거리에만 중심을 두고 연구를 진행하여 실내에 대한 LPWA의 특징 및 성능을 알 수 없는 문제가 존재 하였다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 층수가 높은 건물에 LPWA 송신 및 수신 모듈을 배치하여 데이터를 수집하는 실험을 진행하였다. 9층 높이의 건물에 LPWA 모듈을 배치하여 NLOS 환경에서 데이터를 수집한 결과 확산인자가 7인 경우 6층까지는 데이터 수집이 비교적 수월하지만 7층에서부터 데이터의 수신이 힘들어지는 것을 확인하였으며, 확산인자가 12일 경우 9층까지도 데이터가 원활하게 수신되는 것을 확인할 수 있었으며, 신호 수신감도도 비교적 안정적인 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
예를 들어 한전에서는 최소의 비용으로 망을 구축하여 각 가정에 배치된 전력량계로부터 데이터들을 수집할 수 있으며, 산업현장에서는 건물 내부에 배치된 감지기로부터 데이터 등의 정보를 수집할 수 있다. 하지만 LPWA에 대한 기존의 연구 및 응용 제품들은 실외, 특히 LOS(line of sight) 환경만을 고려하여 실험을 진행하거나, NLOS라고 해도 대체적으로 광활한 환경을 고려한 상태에서 실험을 진행하였다[2-6]. 따라서 아파트 및 산업현장에 LPWA를 적용하기 위한 접근 방법을 찾는데 있어서 매우 어려운 난관에 부딪히게 된다.
대상 데이터
실험을 위한 통신 보드의 RF 모듈은 Semtech사의 sx1276을 이용하였으며, 제어를 위한 MCU 는 ST사의 STM32L 152RE를 이용하여 개발하였다. 통신 방식은 LoRa Class A를 적용하였다.
실험은 한국기술교육대학교 담헌 실학관 1층의 복도 중앙에 게이트웨이의 역할을 하는 보드를 배치한 후 각 층의 건물 끝에 device A와 B를 배치한 후 데이터 전송 실험을 진행하였다. 그림 3은 건물에 배치된 게이트웨이 역할의 보드와 각 층에 배치된 보드들의 모습을 보여주는 사진이다.
이론/모형
실험을 위한 통신 보드의 RF 모듈은 Semtech사의 sx1276을 이용하였으며, 제어를 위한 MCU 는 ST사의 STM32L 152RE를 이용하여 개발하였다. 통신 방식은 LoRa Class A를 적용하였다. LoRa의 Class A는 그림 1과 같이 End Node(LoRa Device)는 게이트웨이로 데이터를 전송하고 일정 시간만 수신대기를 한 상태에서 sleep 모드로 전환되어 에너지를 절약하는 방식의 통신 운영 방식이다[7].
성능/효과
실험 결과, 6층까지는 SF 7과 SF 12의 성능이 동일 한 것을 확인할 수 있으나, 7층 이후부터는 SF 12가 압도적으로 좋은 것을 확인할 수 있다. 이결과를 통해 SF 7은 6층 이하의 건물 혹은 건물 중간층에 배치될 경우 12층 가량의 건물에 적용하기 용이하며, SF 12의 경우 9층에서의 수신 신호 세기를 감안할 경우 12층까지 통신이 가능할 것으로 예상되며, SF 12역시 층의 중간에 배치될 경우약 25층 가량의 건물에도 적용이 가능할 것으로 사료된다.
실험 결과, 6층까지는 SF 7과 SF 12의 성능이 동일 한 것을 확인할 수 있으나, 7층 이후부터는 SF 12가 압도적으로 좋은 것을 확인할 수 있다. 이결과를 통해 SF 7은 6층 이하의 건물 혹은 건물 중간층에 배치될 경우 12층 가량의 건물에 적용하기 용이하며, SF 12의 경우 9층에서의 수신 신호 세기를 감안할 경우 12층까지 통신이 가능할 것으로 예상되며, SF 12역시 층의 중간에 배치될 경우약 25층 가량의 건물에도 적용이 가능할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 층수가 높은 건물에 LPWA 송신 및 수신 모듈을 배치하여 데이터를 수집하는 실험을 진행하였다. 9층 높이의 건물에 LPWA 모듈을 배치하여 NLOS 환경에서 데이터를 수집한 결과 확산인자가 7인 경우 6층까지는 데이터 수집이 비교적 수월하지만 7층에서부터 데이터의 수신이 힘들어지는 것을 확인하였으며, 확산인자가 12일 경우 9층까지도 데이터가 원활하게 수신되는 것을 확인할 수 있었으며, 신호 수신감도도 비교적 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 향후에는 본 논문에서 실험한 결과를 바탕으로 LPWA의 가장 큰 문제점인 속도를 개선하는 방안과 실내에서 빠른 속도로 넓은 범위의 데이터를 수집하는 방법에 대한 연구를 진행할 것이다.
후속연구
9층 높이의 건물에 LPWA 모듈을 배치하여 NLOS 환경에서 데이터를 수집한 결과 확산인자가 7인 경우 6층까지는 데이터 수집이 비교적 수월하지만 7층에서부터 데이터의 수신이 힘들어지는 것을 확인하였으며, 확산인자가 12일 경우 9층까지도 데이터가 원활하게 수신되는 것을 확인할 수 있었으며, 신호 수신감도도 비교적 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 향후에는 본 논문에서 실험한 결과를 바탕으로 LPWA의 가장 큰 문제점인 속도를 개선하는 방안과 실내에서 빠른 속도로 넓은 범위의 데이터를 수집하는 방법에 대한 연구를 진행할 것이다.
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