LoRa 네트워크의 전송거리 성능개선에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 저 전력 광역통신기술(LPWA: Low-Power Wide-Area) 기반의 IoT망을 분석하였다. IoT망 중에서 LoRa를 이용하여 이동형 단말기, 고정형 단말기, 중계기, 게이트웨이를 설계하였다. 단말기에 사용된 안테나는 칩 안테나를 사용하였으며, 안테나의 이득은 0dBi이 크기를 갖도록 설계하였다. 중계기와 게이트웨이는 외장형 안테나를 사용하였으며, 안테나의 이득은 2dBi의 크기를 갖도록 설계하였다.
LoRa 네트워크의 전송거리 성능개선 결과에 대한 검증을 위하여 하타(Hata)모델을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 전파손실에 대한 하타(Hata)모델에서는 대도시, 중소도시 및 교외 지역에 대한 시뮬레이션 모델을 가지고 있지만, 산림지역에 대한 시뮬레이션 모델을 가지고 있지 않다. 따라서 시뮬레이션은 산림 IoT망에 대한 별도의 보정모델이 없어 교외 지역에 대한 시뮬레이션 모델을 가지고 시뮬레이션을 진행하였다. 결과를 검증하기 위하여 시뮬레이션 결과와 개발된 시스템을 통하여 실험한 결과를 비교하여 결과를 검증하였다.
우리나라에서 상용화된 LoRa 스펙을 보면 확산계수가 7인 경우 수신감도가 -123dBm이다. 시뮬레이션 결과 출력이 10dBm이고 수신 안테나의 높이가 2m인 경우 전송 거리가 500m이고, 개발된 시스템에 대한 전송 거리도 500m가 전송됨을 알 수 있었다.
하지만 산림지역의 환경을 고려할 때 확산계수가 7일 때 단말기의 전송 거리는 1,000m 이상 전송이 가능하여야 한다. 이러한 산림지역의 IoT망을 설계하기 위하여 고정형 단말기 및 이동형 단말기의 성능을 개선하여야 한다.
중계기(LoRa AP)의 수신 안테나의 설치 높이를 변경함으로써 망 자체에 대한 성능이 개선됨을 알 수 가 있었으나, 이동형 단말기가 제안한 송신 안테나의 높이(1m)보다 낮은 경우도 있으므로 단말기에 대한 성능 개선이 필요하다고 본다.
이동형 단말기, 고정형 단말기 및 중계기(LoRa AP)에 대한 성능 개선을 위하여 이동형 단말기 안테나 높이를 1m, 단말기의 출력을 14.98dBm, 중계기의 안테나 높이를 5m로 하여 하타(Hata) 모델을 적용한 시뮬레이션을 하였으며 시뮬레이션 결과 확산계수(Spreading Factor)가 7일 때 LoRa 스펙에 따른 전송 가능 거리가 1,000m가 됨을 알 수 있었다.
개발된 장비에 송신출력을 14.98dBm으로 하고 실험을 한 경우 같은 결과를 가지게 되었음을 알 수 있다.
고정형 단말기의 경우 안테나의 높이를 2m로 하고 중계기의 수신 안테나의 높이를 5m로 한 경우 단말기의 출력을 높이지 않아도 원하는 결과를 얻을 수 있었다.
따라서 산림 IoT망에 대한 성능을 개선하기 위하여 이동형 단말기는 단말기의 높이를 1m로 하고 단말기의 출력을 14.98dBm, 중계기(LoRa AP)의 안테나의 높이를 5m 이상으로 망을 설계 하여야 한다.
고정형 단말기는 안테나의 높이를 2m 이상으로 설치하고 중계기의 수신 안테나 높이는 5m 이상으로 하여야 한다.
또한 확산계수에 대한 적용은 전송하고자 하는 디바이스 및 데이터의 종류에 따라 선택을 달리할 수 있다. 데이터의 패킷 사이즈가 작은 디바이스는 확산계수를 작게 하여 망의 빠른 응답속도를 확보하고, 센서데이터와 같이 원거리에서 정보를 전송하는 것이 필요한 디바이스는 확산계수를 높게 하여야 한다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• 도표목차 ⅴ
• 그림목차 ⅵ
• 제1장 서론 1
• 제2장 IoT 통신기술 분석 2
• 제1절 근거리 무선 통신망 2
• 1. 블루투스 2
• 2. Zigbee 9
• 3. Z-Wave 11
• 4. Wi-Fi 14
• 제2절 LPWA를 이용한 장거리 통신망 17
• 1. 면허대역 저 전력 광역통신망(LPWA) 18
• 2. 비 면허대역 저 전력 광역통신망(LPWA) 24
• 제3장 LoRa 네트워크의 전송거리 성능개선 35
• 제1절 전파손실 모델 35
• 1. LoRa 디바이스의 확산계수에 따른 수신 감도 35
• 2. 자유공간에서의 전파손실 36
• 3. 하타(Hata)모델을 이용한 전파손실 분석 38
• 제2절 전송거리 개선을 위한 LoRa 설계 41
• 1. LoRa 전송거리 성능개선 41
• 2. LoRa 네트워크의 응답속도 42
• 3. LoRa 단말기 설계 44
• 4. LoRa 중계 장치(AP) 및 게이트웨이 설계 46
• 제4장 실험 및 고찰 49
• 제1절 실험 시스템의 구성 49
• 1. 실험 시스템의 구성 49
• 2. 개발 시스템의 하드웨어 구조 50
• 제2절 실험결과 및 고찰 55
• 1. 도심지역 및 교외지역에서의 전송거리 실험 55
• 2. LoRa 단말기 전송거리 성능 실험 57
• 제5장 결론 75
• 참고문헌 77
• 영문초록 80
• 감사의 글 83

참고문헌 (Reference)

1. “전파경로손실 예측 모델”, 목진담, 김채영, 구본희, 정보통신기술동향, Vol 11, No 2, pp17-29, July, , 1996

2. “국내 무선랜(WiFi)보안 운영 현황 및 정책방향”, 백종현, 박순태, 정보보호학회지, Vol. 21, No. 1, pp.44-50, Feb, , 2011

3. "Empirical fomula for propagation loss in land mobile radio service,", Hata, IEEE Trans, Vㅍ도, Technol.,Vol VT-29, no. 3, pp317-325, Aug, , 1980