LoRa 네트워크의 전송거리 개선에 관한 연구

2.1 하타(Hata)모델을 이용한 전파손실 분석

하타모델이란 오쿠무라(Okumura) 모델의 측정값을 수치해석이 쉽도록 수식화한 모델이며 다음 3가지 사항을 가정하였다. 첫째, 송수신 안테나 이득은 0dB인 등방형 안테나 사이의 전파손실을 계산하고, 둘째, 지형은 평탄하게 가정하며, 셋째, 도심지역의 전파경로 손실을 기본으로 하고 다른 지역에 대한 보정을 하도록 하였다. 도심지역의 정의는 건물의 평균 높이는 15m이며 주파수 범위는 150~1500MHz인 경우를 기준으로 정의하여 모델링하였으며 그 이상의 주파수는 COST231 하타모델을 사용한다. 도심지역 및 교외 지역에서의 전파손실 예측모델은 하타모델을 이용하여 전파손실을 계산한다.

본 논문에서 사용하는 주파수의 범위는 923MHz 대역의 LoRa대역을 사용함으로 하타모델을 이용하여 전파 손실을 계산하면 된다. 하타모델을 적용한 전파손실을 보면 대도시, 중소도시 및 교외 지역으로 구분하여 전파 손실에 대한 보정 알고리즘을 제안하였다. 하타모델에서 제안하는 전파손실은 다음과 같은 식으로 구성된다[5]-[11].

여기서 f는 LoRa 주파수, h_b는 LoRa 중계기 안테나의 높이, h_m은 LoRa 단말기 안테나의 높이, d는 적용 가능한 거리를 말하며 a(h_m)은 송수신 시스템이 적용되는 지역에 대한 단말기에 적용될 안테나 높이에 대한 보정인자를 말한다. 식 (2)는 도심 지역 중 대도시에 대한 이동형 단말기 안테나 보정을 위한 적용 모델을 보여주고 있다.

식 (3)은 도심지역중 중소도시 및 교외지역에 대한 이동형 단말기 안테나 보정을 위한 적용 모델을 보여주고 있다.

본 논문에서는 산림지역 등 교외지역의 적용을 위하여, 하타모델중 “중소도시 및 교외지역에 대한 안테나 보정 모델” 즉 식 (1)과 (3)을 이용하였다. [11]. 수신감도는 송신출력(장비출력-안테나의 이득) - 전파손실을 말한다. 전파손실은 식 (1)에 의해서 구할 수 있으며 교외 지역에 대한 단말기 안테나 높이에 대한 보정은 식 (3)에서 구할 수 있다.

표 3은 하타모델을 통해 교외 지역에 대한 전파의 수신 감도를 거리에 따라 계산한 것으로서 주파수 925MHz, 중계기 안테나의 높이 2m, 단말기의 높이 1m, 송신 출력 10dB(안테나 이득 0dBi)인 조건에서 거리를 변경하면서 수신감도를 구한 것이다.

Table 3.

Sensitivity by distance’s variation of suburban

표 3에서 수신감도가 -122.7dBm이며 수신감도에 대응하는 전송 거리를 보면 500m까지 전송할 수 있는 것을 알 수 있다. 표 2에서 보면 확산계수가 7인 경우 수신감도가 -123dBm을 가지는 것을 알 수 있으며 이에 대응하는 시뮬레이션 결과이다.

또한 표 2에서 확산계수가 12인 경우에 수신감도가 -136dBm을 가지는 것을 알 수 있으며 이에 대응하는 시뮬레이션 결과를 보면 표 3에서 수신감도가 -135.78dBm이며 수신감도에 대응하는 전송 거리를 보면 1Km까지 전송이 가능하다는 것을 알 수 있다.

2.2 전송거리 개선을 위한 LoRa 설계

중소 및 교외지역을 고려하는 이동형 단말기에 대한 최대 전송 거리는 중계기를 설치한다고 하더라도 최소 1,000m 이상 전송이 가능하도록 설계되어야 한다.

본 논문에서는 확산계수를 7로 하여, 송‧수신안테나의 높이와 단말기 송신출력의 변화를 이용하여 1,000m 이상 전송이 가능한 IoT망을 설계하려고 한다. 확산계수를 7로 하는 이유는 응답시간이 가장 빠르며 전송할 수 있는 데이터의 양이 가장 많으며 이 기준을 통과하면 확산계수를 크게 가지고 가더라도 모든 데이터 전송이 가능하며, 수신감도가 안 좋은 경우 확산계수를 조절하여 송‧수신할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 일반적으로 중소 및 교외지역에서 요구하는 IoT 센싱정보는 간헐적으로 요구되는 정보와 실시간으로 요구되는 정보로 나눌 수 있다. 간헐적으로 요구되는 정보는 고정형 단말기를 통하여 전송하고, 장거리 전송이 가능하여야 하며, 배터리는 오랜 시간 사용이 가능하여야 하며, 장치의 가격도 저렴하여야 한다. 실시간으로 데이터를 전송하는 경우에는 이동형 단말기를 통하여 전송하고, 장거리 전송이 가능하여야 하며, 배터리는 오랜 시간 사용이 가능하여야 한다.

본 논문에서는 단말기의 출력과 중계기 안테나의 높이를 변경하면서 시뮬레이션 하여 적합한 조건을 찾았다. 먼저, 이동형 단말기 출력 10dBm, 중계기 안테나 3m 환경에서 이동형 단말기의 경우 사용자가 휴대하고 다니는 장치이므로 보정 파라미터 중 하나인 단말기 안테나의 높이는 1m, 단말기의 안테나의 이득은 0dBi로 고정하고 송신기의 출력을 10dBm으로 고정한 후 LoRa 중계기 안테나 높이를 3m로 하여 식 (1)과 식 (3)을 이용하여 하타모델에 대한 시뮬레이션을 하면 표 4와 같다. 표 4는 주파수 925MHz, 중계기 안테나의 높이 3m, 단말기의 높이 1m, 송신 출력 10dB 인 조건에서 거리를 변경하면서 수신감도를 구한 것이다.

Table 4.

Sensitivity by variation of device output and antenna height

표 4의 시뮬레이션 결과를 보면 표 2에서 LoRa 스펙의 확산계수가 7일 때 수신감도는 -123dBm이므로 하타모델에 대한 시뮬레이션 결과를 LoRa 스펙에 맞춰보면 수신감도 -123dBm일 때 600m를 전송할 수 있다는 것을 알 수 있다.

마찬가지로 이동형 단말기 출력 14.98dBm, 중계기 안테나 5m 환경에서 시뮬레이션 결과, LoRa 스펙의 확산계수가 7일 때 수신감도는 -123dBm이므로 하타모델에 대한 시뮬레이션 결과를 LoRa 스펙에 맞춰보면 수신감도 -123dBm일 때 1,000m를 전송할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한 확산계수 가 12일 때 수신감도는 -136dBm이므로 2,000m 전송할 수 있음을 알 수 있다. 상기 실험결과에서 이동형 단말기에 대한 송신출력은 약 14.98dBm으로 하고 중계기(LoRa AP)의 안테나의 높이를 5m로 하는 경우가 교외지역을 위한 LoRa망에 적합한 설계 파라미터라고 할 수 있다.

3.1 실험시스템의 구성

본 논문에서는 제안된 시스템에 대한 성능을 검증하기 위하여, 구현된 LoRa 단말기, AP 그리고 게이트웨이를 가지고 테스트 환경을 구축하고 장비의 성능을 검증하였다. 실험은 LoRa 단말기와 LoRa 중계기 간 산림지역에 대한 전파전송을 위한 패킷의 사이즈 및 확산계수를 변화시키면서 단말기와 LoRa 중계기의 응답속도를 측정하였으며 패킷 사이즈를 32 bytes 고정하여 확산계수의 변화에 따른 전송거리 측정하였다. 실험시스템의 구성은 그림 2와 같다.

Fig. 2.

Experimental system

3.2 실험결과 및 고찰

그림 3은 LoRa의 기본 스펙만을 적용하여, 이동형 단말기와 LoRa 중계기에 대하여 확산계수를 변경하면서 전송 거리를 측정하는 시스템 구성이다. 이때 이동형 단말기의 송신출력은 10dBm, LoRa 중계 장치의 수신 안테나의 높이는 2m, 송신하는 패킷의 데이터 사이즈는 32 bytes로 설정하고 테스트 하였다.

Fig. 3.

Experimental system for transmission distance

그림 4는 도보로 이동하면서 데이터가 송신이 안 되는 경우 확산계수를 변경하면서 전송 거리를 측정한 결과이다.

Fig. 4.

Transmission distance by spread factor’s variation

그림 4에서 볼 수 있듯이 확산계수가 7인 경우 전송 거리가 500m이며 확산계수가 12인 경우 전송 거리가 1,300m임을 알 수 가 있다. 또한 확산계수의 크기에 따라 수신감도(Receiver Sensitivity)가 좋아지게 되며 데이터의 전송 거리가 개선된다는 것을 알 수 있다. 위의 시험 장소가 도심지역의 하천변이므로 단말기에 대한 안테나 높이에 대한 보정을 하타모델로 비교하여 보면, “도심지역의 중소도시 및 교외지역”을 적용한다. 하타모델의 시뮬레이션 값 표 2를 비교하여 보면 LoRa를 이용하여 데이터를 송수신 하는 경우 확산계수가 7인 경우에 수신 감도가 -123dB까지 데이터 송수신이 가능하다. 실험결과를 보면 확산계수가 7일 때 전송된 거리가 500m가 전송됨을 알 수 있다. 확산계수가 12일 때 LoRa 스펙을 보면 수신 레벨이 -136dB이며 하타모델에 따른 수신 레벨에 따른 거리를 계산하여 보면 1Km를 전송함을 알 수 있다.

실험에서는 확산계수가 12인 경우 1,300m까지 데이터가 전송되었다. 따라서 하타모델을 “중소 도심지 또는 교외 지역”으로 모델링하여 시뮬레이션 된 결과와 실험을 통한 결과가 거의 유사한 결과를 가짐을 알 수 있다.

그림 5는 개발된 이동형 단말기와 중계기를 활용하여 실험한 것으로서 단말기의 송신 출력은 10dBm에서 14.59dBm으로 출력을 높였으며 중계기의 수신기의 안테나의 높이는 2m에서 5m로 보정하여 실험을 진행하였다.

Fig. 5.

Transmission distance by spread factor’s variation after correction

실험결과, 이동형 단말기에 대한 송신출력은 약 14.98dBm으로 하고 중계기(LoRa AP)의 안테나의 높이를 5m로 하는 경우에 원하는 전송거리를 확보할 수 있음을 알 수 있다.