저전력광대역 네트워크를 위한 LoRa: 개요 및 성능향상 기술

조웅 한국전자통신학회 2019 한국전자통신학회 논문지 Vol.14 No.2

저전력광대역 (LPWA: Low Power Wide Area) 네트워크는 기존의 무선통신 기술들에 비해 저전력으로 장거리 통신을 가능하게 하여 사물인터넷의 여러 응용분야에서 적용될 수 있는 기술 중 하나로 고려되어지고 있다. 본 논문에서는 저전력광대역 네트워크의 대표적인 기술 중 하나인 LoRa (Long Range)에 대해 알아본다. 먼저 저전력광대역 네트워크의 일반적인 특징 및 관련기술에 대해 소개한다. 그리고, LoRa의 기술개요, 특징 및 장단점에 대해 소개한다. 마지막으로 LoRa의 성능분석 및 성능을 향상시키기 위해 필요한 기술들을 물리계층과 매체접근제어 계층에 중점을 두고 논의한다. LPWA (Low Power Wide Area) networks have been considered as one of technologies which can be implemented in IoT (Internet of Things) applications by providing less power and longer communication range compared with existing wireless technologies. In this paper, we investigate LoRa which is one of representative technologies for LPWA networks. First, we present general properties and several technologies of LPWA networks. Then, the technical specification, properties, and pros/cons of LoRa are studied. Finally, we discuss LoRa’s performance analysis and its performance enhancement technologies by focusing on physical layer and MAC (Medium Access Control) layer.

CPLD를 고려한 RTL 바인딩과 저전력 기술 매핑

김재진(Jae-Jin Kim),이관형(Kwan-Houng Lee) 한국컴퓨터정보학회 2006 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.11 No.2

본 논문에서는 CPLD를 고려한 RTL 바인딩과 저전력 기술 매핑 알고리즘에 대해 제안하였다. HDL로 기술된 회로에 대해 스케쥴링을 수행한 후 모듈 연산 간격을 고려하여 합당한 모듈을 선택하여 할당을 수행한다. 할당을 수행한 후 회로를 구현할 CPLD를 선택한다. 할당된 결과의 모듈을 CPLD 내부의 CLB의 맞도록 부울식을 분할하여야 한다. 이때 구현하고자 하는 CPLD를 구성하고 있는 CLB에 맞도록 저전력 기술 매핑 알고리즘을 수행하여 저전력의 회로를 구현할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 16 비트 FIR 필터로 실험한 결과 알고리즘을 적용하기 전보다 작은 크기의 CPLD로 회로 구현이 가능하였으며, 가산기의 경우 알고리즘을 적용하지 않았을 때 내부 사용율은 8.45%이었으나 알고리즘 적용한 결과 61.88%로 내부 사용율이 증가되었다. 소모 전력에서도 알고리즘을 적용한 후 에 소모 전력이 약 43% 감소되는 결과를 나타내었다. In this paper, a RTL binding technique and low power technology mapping consider CPLD is proposed. Allocation processing selected module consider the module calculation after scheduling process for circuit by HDL. Select CPLD for constrain after allocation. A Boolean equation is partitioned for CLB by allocated modules. The proposed binding algorithm is description using optimum CLB within a CPLD consider low power. The proposed algorithm is examined by using 16 bit FIR filter. In the case that applicate the algorithm, the experiments results show reduction in the power consumption by 43% comparing with that of non application algorithm.

해상 데이터 통신을 위한 저전력 전류모드 신호처리

김성권,조승일,조주필,양충모,차재상 한국인터넷방송통신학회 2008 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.8 No.4

해상통신에서 운용되는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)통신 단말기는 긴급재난시에도 동작하여야 하므로, 저전력으로 동작하여야 한다. 따라서 Digital Signal Processing (DSP) 동작하는 전압모드 Processor 보다 저전력 동작이 가능한 전류모드 FFT (Fast-Fourier-Transform) Processor 의 설계가 필요하게 되었다. IVC (Current-to-Voltage Converter)는 전류모드 FFT Processor의 출력 전류를 전압 신호로 바꾸는 디바이스로써, 저전력 OFDM 단말기 동작을 위해 IVC의 전력 손실은 낮아야 하고, FFT의 출력 전류가 전압신호에 대응이 될 수 있도록 넓은 선형적인 동작구간을 가져야 하며, 향후, FFT LSI와 IVC가 한 개의 칩으로 결합되는 것을 고려하면, 작은 크기의 chip size로 설계되어야 한다. 본 논문에서는 선형 동작 구간이 넓은 새로운 IVC를 제안한다. 시뮬레이션 결과, 제안된 IVC는 전류모드 FFT Processor의 출력 범위인 -100 ~100[uA]에서 0.85V~1.4V의 선형동작구간을 갖게 됨을 확인하였다. 제안된 IVC는 전류모드 FFT Processor 와 더불어 OFDM을 이용한 저전력 해상 데이터통신 실현을 위한 선도 기술로 유용할 것이다.

회로 구현 디바이스에 따른 저전력 알고리즘 연구

김재진(Jae-Jin Kim),강경식(Kyung-Sik Kang) 한국컴퓨터정보학회 2013 한국컴퓨터정보학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

본 논문에서는 회로 구현 디바이스에 따른 저전력 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘은 회로를 구현할 디바이스의 면적과 동작 주파수를 고려하여 저전력의 회로를 구현할 수 있는 방법이다. 저전력의 회로를 구현하기 위해 우선 구현하고자 하는 회로를 구성하고 있는 라이브러리들 중에서 최소의 면적을 가지고 있는 라이브러리들을 선택한다. 선택된 라이브러리들의 면적과 지연시간을 이용하여 회로 구현 대상 소자의 면적에 따라 필수 라이브러리들의 면적을 제외한 나머지 면적에 대해 복제가 가능한 라이브러리들의 수를 구한다. 최대의 지연시간을 가지고 있는 라이브러리부터 면적에 따라 차례로 복제를 수행하여 회로 전체의 수행시간을 감소시킨다. 회로 구현의 라이브러리들과 수가 결정되면 회로 동작이 허용하는 범위내에서 주파수를 조절하여 최소의 소모 전력을 갖는 회로를 구현한다. 본 논문에서는 제안한 알고리즘의 효율성을 입증하기 위해 RT 라이브러리를 이용하여 회로를 구현하여 비교 실험을 수행하였다. 실험결과 8.3%의 소모 전력이 감소된 결과를 나타내어 제안한 알고리즘의 우수성이 입증되었다.

다중전원 SoC용 저전력 단일전원 Level-Up/Down Shifter

우영미(Young-Mi Woo),김두환(Doo-Hwan Kim),조경록(Kyoung-Rok Cho) 한국콘텐츠학회 2008 한국콘텐츠학회논문지 Vol.8 No.3

본 논문은 다중전원공급 SoC(System-on-Chip)에 사용될 저전력 단일전원 level-up/down shifter를 제안한다. 제안된 회로는 다양한 전원을 사용하는 IP간의 신호의 인터페이스 회로로 사용할 수 있으며, 단일전원을 사용함으로써 저전력으로 동작하고 시스템의 전원배선과 레이아웃의 복잡도 및 지연시간이 감소하는 장점을 가지고 있다. 제안된 level-up/down shifter는 각각 IP간에 신호들이 level-up 일 때 는 500㎒ 입력 주파수에서 동작하고 level-down일 때는 1㎓에서 동작하도록 설계했다. I/O 회로에 level-up/down shifter를 사용하면 시스템 간의 신호를 연결할 때 잡음에 강하다는 사실도 검증했다. 시뮬레이션 결과는 0.18㎛ CMOS 공정에서 각각 1.8V, 2.5V, 3.3V의 전원을 사용하여 검증했다. We propose a low power level-up/down shifter with single supply that can be used at SoC with multiple supply. The proposed circuit interfaces IPs which are operated on the different supply voltages. The circuit is designed with a single supply that decreases the low power consumption and the complexity of supply routing and layout. The proposed circuit operated at 500㎒ for level-up and at 1㎓ for level-down. The level-up/down shifter improves noise immunity of the system at I/O circuit. The circuit is evaluated for 1.8V, 2.5V, 3.3V supply with 0.18㎛ CMOS technology, respectively.

이퀄라이저 적응기를 포함한 12.5-Gb/s 저전력 수신단 설계

강정명(Jung-Myung Kang),정우철(Woo-Chul Jung),권기원(Kee-Won Kwon),전정훈(Jung-Hoon Chun) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.12

Wireless PAN기반의 근거리 해상통신용 OFDM 송수신회로에 관한 연구

조승일(Seung-Il Cho),차재상(Jae-Sang Cha),박계각(Gye-Kack Park),양충모(Chung-Mo Yang),김성권(Seong-Kweon Kim) 한국지능시스템학회 2009 한국지능시스템학회논문지 Vol.19 No.1

유비쿼터스 네트워크의 실현을 위한 4세대 통신방식의 유력한 후보로 부상하는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신방식이 육상에서 주목받고 있으며, 고속 데이터 전송을 위한 Wireless LAN의 표준기술로 확정되어 있다. 해상통신의 경우에서도 OFDM 통신방식은 VHF 대역을 이용한 데이터 전송방식으로 제안되고 있으며, ITU (International Telecommunication Union)는 해상통신에서 32-point FFT (Fast Fourier Transform)를 사용하도록 권고하고 있다. 해상 통신에서는 해양사고 및 조난 시에도 통신이 이루어져야 하는 한계상황을 고려하면, OFDM 통신시스템의 중요 디바이스인 FFT는 저전력으로 동작되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 OFDM 방식의 중요 디바이스인 32-point FFT를 저전력으로 동작시키기 위해 radix-2와 radix-4를 이용하여 저전력 32-point FFT 알고리즘을 제안한다. 최적화된 설계로 32-point FFT를 저전력 동작이 가능하도록 설계하였으며, 제안한 알고리즘은 VHDL (VHSIC hardware description language)로 구현하고 FPGA (field-programmable gate array) Spartan3 board에 장착하여 Matlab의 이론값과 비교, 검증하였다. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been focused on as 4th generation communication method for realization of Ubiquitous Network in land mobile communications services, and has been a standard technology of Wireless Local Area Network (WLAN) for a High Date Rate communication. And in maritime data communication using high frequency (HF) band, 32-point FIT OFDM system is recommended by International Telecommunication Union (ITU). Maritime communication should be kept on connecting when maritime accident or the maritime disaster happen. Therefore, main device FFT should be operated with low power consumption. In this paper we propose a low power 32-point FFT algorithm using radix-2 and radix-4 for low power operation. The proposed algorithm was designed using VHSIC hardware description language (VHDL), and it was confirmed that the output value of Spartan-3 field-programmable gate array (FPGA) board corresponded to the output value calculated using Matlab. The proposed 32-point FFT algorithm will be useful as a leading technology in a HF maritime data communication

저전력 서버 클러스터를 위한 모델 기반 자율 동적 전력 관리 기법

강동오,이형직,정준영,최장호,배창석 한국차세대컴퓨팅학회 2014 한국차세대컴퓨팅학회 논문지 Vol.10 No.3

근래 인터넷의 발달로 서버 운용에서 전력 소비가 증가함에 따라 서버 클러스터에 대한 저전력의 전력 관리 기법이 요구되고 있다. 본 논문에서는 서버 클러스터에서 효과적인 저전력 서버 운영을 위한 모델 기반의 자율 동적 전력 관리 기법을 제안한다. 단일 서비스를 제공하는 서버에 대한 전력 소비 모델과 서비스 모델을 유도하고, 요청 부하에 대한 서버들의 전력 소비량 및 응답 시간을 계산한다. 그리고, 이를 이용하여 부하 분배기 상의 클러스터 전체 요청 부하에 따라 서버들의 On/Off 상태를 결정하는 자율 동적 전력 관리 정책을 설계하는 기법을 제안한다. 본 논문에서는 제안한 방법의 유효성과 우수성을 시뮬레이션을 통해 시간 기반 전력 관리 정책과 비교하여 검증하였다.

저전력을 소모하는 난수발생기의 성능 평가

윤정민,김지홍,김진효 한국통계학회 2003 응용통계연구 Vol.16 No.2

휴대전화, PDA와 같은 이동 단말기와 무선 통신의 발전으로 인하여, 이동 단말기를 이용한 전자 메일, 게임, 주식거래 등이 가능하게 되었다. 무선 단말기를 통한 주식거래나 게임 등을 위하여서는 난수발생기(Random Number Generator)의 사용이 필수적이다. 그런데 최근까지의 난수발생기는 우수한 난수성에 중점을 두어 개발되었으며, 이동 단말기에서의 에너지 소비량에 대한 연구는 없었다. 이동 단말기는 무게 및 크기의 한계 때문에 배터리의 용량에 제한이 있게되므로, 되도록 에너지 소비량을 줄여서 주어진 배터리를 오랫 동안 사용하기를 원하게 된다. 본 논문에서는 이동 단말기에서 많이 사용되는 여러 난수발생기들을 살펴보고, 저전력 에너지 측정도구인 SES(SNU Energy Scanner)를 이용하여 각 난수발생기의 에너지 소비량을 측정하여 이들을 비교한다. 이를 바탕으로 이동 단말기 환경에서 저전력을 소모하는 난수발생기를 제안하였다. Many mobile applications, such as games, security software and mathematical applications, use a random number generator(RNG). Since mobile devices operate under a limited battery capacity, the low energy consumption is one of key system requirements. For mobile applications based on an RNG, it is important to use low-power RNGs. In this article, we evaluate the energy efficiency of several well-known RNG algorithms and suggest guidelines for selecting RNGs suitable for mobile application.

밀 디지털재배를 위한 노지 환경 전용 무선 네트워크 구조 설계

김태현 ( Taehyun Kim ),백정현 ( Junghyun Baek ),박성진 ( Seongjin Park ),임동혁 ( Donghyeok Lim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

「밀산업 육성법」 시행으로 국산밀 산업 종합 지원 법적 근거 확보되었고, 2025년까지 자급률 5%를 목표로 하고 있지만, 현재 국산밀 생산량은 3만톤으로 자급률은 1.2%에 불과하다. 자급률 향상 및 수입밀 대비 가격과 품질 경쟁력 향상을 위해 국산밀 수량 증진을 위한 생육단계별 토양수분의 체계적인 관리를 통한 수량구성 요소 변화 및 증수 요인 구명이 필요하고, 국산밀 품질 균일성 증진을 통한 산업체 소비 진작을 위해서는 양분 관리를 통한 지역별·연차별 및 토양 상태에 따른 성분의 변화량을 추적 관찰하는 것이 중요하다. 그러나 대부분 필지가 지역 외곽에 위치한 노지 농업 환경 특성상 통신 시스템 구축 및 전원부 공급이 원활하지 않으며 장비관리도 어렵다. 환경 변화에 민감한 노지 작물은 재배 적기가 짧고 특히 밀의 경우 밀 전문 재배지가 적고 휴작기 기간에 타작물 재배를 고려해야 하기 때문에 토양센서 등의 모니터링 시스템의 운용이 불가능한 경우가 많다. 본 연구에서는 재배 시기에 상관 없이 쉽게 구축 가능한 구조의 저비용 고효율의 노지 전용 농업 통신 네트워크 구조를 설계 하였다. 일반적으로 필지가 넓은 노지 환경 특성을 고려하여 센싱 네트워크는 저전력ㆍ저비용의 LPWA 네트워크(비면허대역: 로컬 Lora + Lorawan, 면허대역: NBIoT)를 사용하되 필지 구역 별로 센서 정보 구분이 가능하도록 원하는 주기로 GPS 탐지가 가능한 형태로 설계하였다. 각 센서는 블록체인 기반의 사물DID 기술로 위치 별 정보 및 상태가 위변조 불가능한 무결성 데이터 처리 게이트웨이를 거쳐 클라우드 기반 사물DID 인증 정보 관리가 가능한 형태로 구성하였으며, 기존 방식과 다른점은 센서 정보를 특정 필지를 기준으로 구성되는 것이 아니라 대규모 농원의 다중 센싱 네트워크를 어떻게 구성하더라도 위치 별 정보를 관리자(생성자) 정보를 포함해 관리할 수 있도록 LWM2M 기반의 표준 IoT 프로토콜과 사물DID 보안 기술을 활용해 구성하였다. 센싱 네트워크는 커버리지를 고려하여 저전력 광대역망으로 구성하였으며, 모든 센싱 네트워크 장비는 배터리 기반으로 저전력 데이터 송신을 위해 센서의 평균적인 데이터 전송 정보, 거리에 따른 데이터 전송률 고려, 게이트웨이 성능을 고려한 대역폭 가변 조절 등을 위치 기반 정보와 등록 정보 등 선행 정보를 활용해 센서 별로 데이터를 능동 관리 가능하도록 설계하였다.