2.1 LoRa 기술

LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)은 Semtech社와 IBM 리서치가 공동으로 개발한 LPWAN 기술로 저 전력, 광역 통신망 응용분야를 대상으로 하며, 비면허 주파수 대역을 사용하는 저전력 장거리 무선통신 중에 하나이다. 그림. 2와 같이 LoRa는 SSM(Spread Spectrum Modulation)방식 기반의 CCS(Chirp Spreading Spectrum) 변조를 사용하는데 이는 기본신호를 더 높은 주파수 시퀀스로 인코딩함으로 인해 기본신호를 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시켜 전력소비를 줄이고 전자기 간섭에 대한 내성을 향상 시킨다. CSS는 낮은 전력 소비를 요구하는 저 데이터 전송률( < 1Mb/s) 응용 제품에 매우 적합하다. CSS는 여러 해 동안 군사 및 우주 응용 분야에서 장거리의 강력한 통신을 제공하는 데 사용되어 왔지만 LoRa는 상업용으로 구현된 최초의 저가형 기술이다. 또한 LoRa는 ADR(Adaptive Data Rates)를 사용하는데 이는 PER(Packet Error Rate) 및 SNR(Signal to Noise Ratio), RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 분석하여 IoT장치 별로 데이터 전송률과 송신파워를 조절하는 기술이다.

그림. 2. 로라 확산 스펙스럼^[10]

Fig. 2. A spread spectrum system of LoRa^[10]

확산인자가 커지면 비트 전송률이 낮아지고 전송 시간이 늘어나며 전력소모가 많아지는 대신 통신의 안정성은 높아지고 멀리 전송이 가능 하다. 대역폭(BW : Bandwith)은 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 크기를 의미하고 대역폭이 높을 수록 전송속도는 높아진다. 확산인자, 대역폭, 그리고 비트전송률의 관계식은 다음과 같다.

LoRa의 확산인자는 7부터 12까지 6개의 확산 인자를 가지고 있으며 폭125kHz, 250kHz, 500kHz의 3개 대역폭을 사용한다. 허용되는 확산 인자 및 대역폭은 해당 지역의 기관에 의해 정의된다. 확산 스펙트럼 기술로 인해, 데이터 전송률이 다른 메시지가 직교하며 서로 간섭하지 않기 때문에 게이트웨이 용량을 증가시킬 수 있다.

2.2 LoRa 주파수 및 채널

비면허 대역을 이용하는 대표적인 LPWAN은 LoRa, Sigfox, NB-IoT가 있으며 저 전력 중장거리 데이터 전송에 적합하도록 설계되었다. LoRa의 ISM 주파수 할당과 요구사항 등은 지역에 따라 다르다. 표 1은 지역 또는 나라별 LoRa 사양을 나타낸다. 유럽과 중국을 제외하고 대부분 900MHz 대역을 이용하고 있다. 유럽은 863~879MHz대역 및 433MHz을 사용하고, 125kHz 대역폭, 0.3~5kbps 비트 전송률을 가진다. 미국은 상향링크와 하향링크를 포함하여 총 80개의 채널을 사용한다. 중국은 779~787MHz 주파수 대역에서는 10dBm 방사전력의 6개의 채널을 가진다. 470~510MHz 대역의 주파수에서는 17dBm 방사전력의 144개의 채널을 운영하고 도심 미터링 응용서비스에 활용되고 있다. 또한 아시아 지역의 일본, 홍콩, 대만, 싱가포르, 태국, 베트남 등 중국을 제외한 대부분의 나라들이 900MHz 대역을 이용하고 있다. 우리나라는 920~923MHz를 사용하고 대역폭의 크기는 125kHz이며 1%이하의 Duty Cycle을 사용한다. 우리나라의 지정채널 중 920.9~921.0MHz사이의 대역에서는 10dBm을 922.1~ 923.3MHz사이는 14dBm의 방사전력을 사용한다. 또한 게이트웨이의 방사전력은 23dBm을 사용한다. 이와 같이 LoRa는 비교적 낮은 대역 주파수를 사용함으로써 고대역에 비해 회절성이 높아 중장거리 통신에 유리하며 도시에서 10km, 농촌에서는 대 20km 이상까지도 통신이 가능하고 최소 수신감도는 –134dBm까지 허용된다.

2.3 LoRaWAN s네트워크와 IoT 노드 분류

LoRaWAN은 LPWAN을 위한 매체접근제어 계층을 정의함으로서 네트워크 계층의 프로토콜이 포함되어 있다. LoRaWAN 네트워크의 구성은 별형 토폴로지를 사용하며 노드들은 네트워크 서버와 통신하는 여러 게이트웨이와 데이터를 주고받는다. IoT 노드들은 소모 전력의 최적화를 위해 A,B,C의 클래스를 지정해서 사용한다. 세 가지의 클래스 모두 일반적으로 양방향 통신이 가능하다. 데이터를 송신하는 것은 모두 동일하며 수신되는 서버 메시지를 허용하는 과정에서 다르게 동작한다. A 클래스 장치는 Up-link 전송 이후 잠시 개방되는 두 개의 짧은 수신 윈도우 동안 서버로부터의 통신을 허용한다. 그 이외의 시간에 서버에서 수신되는 메시지는 예정된 다음 Up-link 시간까지 대기한다. 따라서 A 클래스 장치는 비동기식이며 최소 전력을 소비한다. 보낼 데이터가 있을 때마다 전송을 시작하고 사전 설정된 시간 동안 대기한 후 응답을 수신한다. B Class 장치는 A Class 동작의 바탕 위에 추가적인 수신 윈도우를 개방한다. 네트워크와의 동기화를 위해 B Class 장치는 128초마다 게이트웨이에서 시간과 동기화된 비콘을 수신한다. C Class 장치는 거의 연속적인 개방 수신 윈도우를 제공한다. 해당 윈도우는 End-Point 전송 동안에만 수신이 중지 된다. C Class 장치는 수신되는 데이터 크기가 전송되는 데이터 크기보다 큰 경우에 적합하며 지연속도가 가장 낮은 반면 소모 전력이 가장 높다.

3.1 하드웨어 구성

그림. 3은 전기안전 IoT장치와 LoRa 데이터 전송 모듈 그리고 게이트웨이를 나타낸다. 전기안전 IoT 장치는 센서를 통해서 전압, 전류를 측정하고 연산을 수행하여 누설전류, 절연저항 등을 실시간으로 계산한다. 장치에서 보내는 출력은 전압, 부하전류, 저항성 누설전류, 용량성 누설전류, 전력, 고장코드 등이 있다. LoRa 통신에 대한 특허권은 Semtech社에서 소유하고 있지만 통신 모듈은 다양한 업체에서 제작된다. 실험에 사용된 LoRa 통신 모듈은 HOPERF ELECTRONIC사의 RFM95W이다. RFM95W Transceiver는 3.3V의 전원을 사용한다. 아두이노 Pro Mini는 RFM95W 에 3.3V의 전원을 공급해주고 SPI 시리얼 통신으로 연결하여 하였고 전기안전 IoT 장치로부터 UART 시리얼 통신을 사용하여 데이터를 전송받을 수 있도록 구성하였다. 게이트웨이는 라즈베리파이3 B모델을 사용하였고 RFM95W을 SPI 시리얼 통신을 통해 연결하였다. 안테나는 최소 요구조건인 2dBi의 이득을 가지는 제품을 사용하였다.

그림. 3. 로라통신을 위한 송수신 하드웨어 구성

Fig. 3. A Transmitter and Gateway for LoRa Data Packets.

3.2 소프트웨어 구성

소프트웨어는 오픈소스를 사용하여 구성하였다. LoRa 무선망을 구성하기 위한 대표적인 오픈소스 라이브러리는 RadioHead와 WaspSX1272가 있다. 본 논문에서 사용한 라이브러리는 Librlium에서 제공하는 WaspSX1272.h를 사용하여 송신부와 수신부를 프로그래밍 하였다. 또한 라이브러리에 정의된 무선 주파수 채널과 LoRa 모드는 우리나라의 현황에 맞게 수정하였다. 채널은 전송파워를 14dBm까지 사용할 수 있는 지정채널 7개를 정의하였다.

LoRa 데이터 전송모듈의 노트 타입은 C Class로, 전송모듈에 부착된 컨트롤러인 아두이노가 전기안전 IoT장치로부터 전송할 데이터를 건네받으면, 암호화하고 LoRaWAN 메시지 포맷을 구성하여 게이트웨이로 메시지를 전송한다. 장치는 메시지를 전송한 후 다운링크를 기다린다. 또한 페이로드를 암호화하기 위해 Gerben Den Hartog의 AES라이브러리를 사용한다. AppKey를 사용하여 페이로드를 암호화 한 다음 LoRaWAN프레임에 넣고 NwKSKey를 사용하여 전체 프레임에서 4바이트 MIC를 계산하였다.

메시지 수신부인 게이트웨이는 통신모듈로부터 데이터를 전송 받고 패킷정보를 Node-red를 이용해 서버로 전송하도록 구성하였다. 전송 받은 데이터는 텍스트 파일 형식으로 저장되고 노드레드에서 JSON 파일로 변환 후, MQTT프로토콜을 사용하여 Mosquito 브로커로 보내진 후 서버로 전송 된다. 또한 게이트웨이 프로그램은 주기적으로 다운링크파일을 확인한다. 노드에 전송할 메시지가 있으면 IoT장치로부터 메시지를 받은 직후 다운링크 메시지를 전송한다.

4.1 단거리 성능 및 유효 통신 범위 실험

짧은 거리에서 수행하는 실험의 비교기준을 위해 LoS 상태에서 단거리 실험을 하였다. 장해물이 없는 운동장에서 100미터 거리를 5미터씩 이동하며 RSSI와 SNR을 측정하였다. 그림. 4와 그림. 5는 각각 LoS 상태에서의 단거리 실험 결과를 보여준다. 20미터 지점까지는 수신신호감도가 급격하게 줄어들고 이후에는 점점 더 완만한 기울기를 가진다. 5미터 지점에서 RSSI는 평균 -60dBm을 나타냈으며 25미터 지점에서는 -76dBm으로 100미터 까지 구간 중 상대적으로 수신신호감도가 급감하였다. 100미터 지점에서는 -86dBm신호 대비 잡음비인 SNR은 거리가 멀어질수록 잡음의 양이 늘어남을 보였지만 100미터 전 구간에서 신호의 세기가 잡음보다 우위에 있는 상태로 나타났다.

그림. 4. 단거리 성능 실험의 RSSI 측정 결과

Fig. 4. RSSI result of Short-range Experiment

그림. 5. 단거리 성능 실험의 SNR 측정 결과

Fig. 5. SNR result of Short-range Experiment

그림. 6는 통신이 가능한 유효 범위를 측정하기 위한 실험 수행 지역을 보여준다. 이 지역은 전북혁신도시 내의 상가들과 아파트 단지가 밀집된 지역을 가로지르는 NLoS(None Line of Sight)지역이다. LoRa 게이트웨이는 전북혁신도시 내에 위치한 한국전기안전공사 전기안전연구원 4층 창가에 설치하였다. 실험은 3km 지점까지 500 미터 단위로 이동하며 실외에서 수행 하였다. 각 지점에서 패킷을 10초단위로 1000회 전송하였고 측정값을 평균하였다. 그림. 7과 그림. 8은 각 지점에서 측정한 RSSI와 SNR값을 보여준다. 게이트웨이를 4층에 설치하고 지상 1층으로 내려가서 측정한 RSSI와 SNR은 각각 -67dBm과 6dB를 나타내었다. 이 값은 단거리 LoS에서 10미터에서 측정한 것과 비슷한 값으로 4층에 위치한 게이트웨이와의 거리가 대략 10미터 인 것을 감안하면 예상할 수 있는 수치이다. 전체적으로 거리에 따라 수신신호가 감쇠하는 경향을 보이고 있으며 2km 부근에서는 RSSI와 SNR값이 비교적 더 낮게 측정되었는데 그림. 6에서 3km 지점에 위치한 방송국의 영향으로 추정된다. 3km 지점에서는 패킷이 수신되지 않았다. SNR의 값은 500미터 지점에서 0의 값을 갖는데 이는 수신신호와 잡음의 비율이 같음을 나타낸다. 500미터 이후부터는 잡음의 비가 상대적으로 더 높게 수신된다는 것을 알 수 있다.

그림. 6. 로라 통신범위 측정 실험

Fig. 6. A Communication Coverage Test Area

그림. 7. 로라 통신범위 측정 실험에서 SNR 측정 결과

Fig. 7. A RSSI result of Communication Coverage Test

그림. 8. 로라 통신범위 측정 실험에서 RSSI 측정 결과

Fig. 8. A SNR result of Communication Coverage Test

4.2 투과 성능 실험

그림. 9는 실험에 사용된 분전함을 보여주며 일반적으로 가장 많이 사용되고 있다. 전기안전 IoT 장치의 특성상 분전함 내부에 설치되는 경우가 많으므로 분전함에 의한 신호수신감도의 변화에 관해 실험하였다. 분전함 1 외함의 재질은 약 1.6mm의 철판으로 이루어져 있으며 덮개는 약 1mm의 두께로 얇은 철판과 마감재로 이루어져 있다. 분전함 2는 두께 2mm의 플라스틱 재질이고 분전함 3은 전부 1.6mm의 철판으로 이루어져 있다. 실험 구성은 3미터의 거리에서 게이트 분전함의 덮개를 개방했을 때와 닫았을 때 각각 1000개의 패킷을 전송하여 RSSI와 SNR을 측정하였다. 표 3은 분전함 투과 성능 실험의 결과를 나타낸다. SNR의 값은 분점함 덮개를 개방했을 때와 닫았을 때 거의 차이가 나지 않는 것으로 보아 잡음에는 영향을 미치지 않는 것으로 볼 수 있다. 실험에서 분전함 1, 2, 3은 덮개를 개방하였을 때 RSSI값이 -53~-54dBm으로 측정되었는데 단거리 LoS 측정 결과의 5미터 지점의 측정값보다 낮은 수치이다. 덮개를 닫고 한 실험에서는 분전함 1, 2, 3이 각각 -60, -57, -63dBm으로 RSSI값의 하락 수치가 상이하게 측정되었다. 플라스틱 재질은 분전함 2는 덮개를 닫았을 때 RSSI의 값이 -57dBm으로 덮개를 열고 측정했을 때 보다 3dBm 만큼 더 감쇠하였는데 철판의 외함을 가지는 분전함 1, 3보다 수신신호감도의 세기가 비교적 소폭 감소하였다. 외함의 두께에서는 플라스틱 재질이 가장 두꺼움에도 불구하고 가장 낮은 감쇠정도를 보였다. 분전함 1과 3은 같은 재질이나 감소정도의 차이가 생겼다. 분전함 1은 덮개를 닫았을 때 6dBm이 감소하였고 분전함 3은 10dBm이 감소하였다. LoRa의 RSSI의 감소 정도는 분전함마다 다르지만 분전함의 재질에 따라 다르게 감소하였으며 같은 재질이라 하더라도 두께에 따라 감소정도가 다르다는 것을 알 수 있다.

그림. 9. 투과성능실험을 위한 분전함

Fig. 9. Distributors for Permeation performance test

그림. 10는 층간 투과 성능시험을 진행한 건물과 게이트웨이 및 IoT장치의 배치도를 나타낸다. 건물의 구조와 벽면의 두께 및 재질은 각 건물마다 다양하므로 지하 1층을 가지는 임의의 4층 건물에서 층간 감쇠정도를 측정하였다. 게이트웨이는 건물의 4층 중앙 복도에 설치하였고 지하 1층까지 한 층씩 내려가며 1000개의 패킷을 전송하였다. 표 4는 층간 투과 성능 실험의 결과를 나타낸다. 같은 4층 복도에서 3미터 거리를 두고 측정한 값은 -54dBm이고 분전함 실험에서 측정값과 같다. 3층에서 보낸 패킷의 수신신호 감도는 -90dBm으로 36dBm만큼 큰 폭으로 하강하였다. 2층의 RSSI과 SNR의 값은 각각 -104dBm, -9dB로 3층과 비교했을 때 RSSI값은 14dBm, SNR 값은 13dB 감소하였다. 1층과 지하 1층의 RSS값은 -112dBm으로 같은 값을 나타냈으며 1층의 SNR값은 -17dB로 지하 1층의 -11dB보다 더 낮게 측정되었다. 단거리 실험에서 송신기와 게이트웨이의 거리가 짧을수록 거리에 의한 감쇠정도가 심해지는 것을 감안했을 때 심한 장애 요인이 없다면 층이 증가함에 따라 감쇠 기울기가 줄어드는 것을 예상할 수 있었다. 또한 층이 증가할수록 감쇠 기울기는 감소하였지만 벽 또는 장애물에 의한 회절로 감쇠의 폭은 더 크게 나타남을 측정값을 통해 확인할 수 있었다. 특이한 점은 지하 1층 보다 1층의 SNR값이 더 낮은 수치를 나타냈다. 또한 1층은 다른 층과 다르게 수신율 1000개의 패킷 중 73개이 패킷을 수신하지 못하였는데 수신오류를 분석한 결과 SNR의 수치가 높아 수신 오류가 발생한 것이 그 원인으로 1층에서의 고압실험 등으로 인한 잡음이 많이 발생한 것으로 예상된다.

그림. 10. 로라 통신범위 측정 실험에서 RSSI 측정 결과

Fig. 10. Experiment configuration for Permeation performance test

4.3 실측 데이터 전송 실험

실측 데이터를 전송하고 모니터링하기 위해 임의의 공업사 분전함에 전기안전 IoT 장치와 LoRa 모듈을 설치하였다. 그림. 11은 설치 장소를 보여주고 그림. 12는 모니터링 데이터를 나타낸다. 야외에 위치한 분전함에 전기안전 IoT장치와 LoRa데이터 전송 모듈을 설치하고 건물 안에 게이트웨이를 설치하였다. 게이트웨이는 Wi-fi를 이용해 서버로 데이터를 전송하였다. 게이트웨이는 LoRa로 받은 데이터를 Node-red를 이용하여 MQTT 프로토콜로 서버에 전송한다. 송신부와 수신부의 직선거리는 약 3미터였으며 전송한 데이터의 RSSI의 평균값은 -79dBm이고 SNR의 평균값은 7dB을 나타내었다. 앞의 거리에 따른 성능 실험, 투과 성능 실험과 비교해 보면 3미터 거리와 분전함, 건물외벽이 존재하더라도 충분히 통신이 가능한 상태임을 알 수 있고 송수신 상태도 양호한 것으로 나타났다. 그림. 12는 전기안전 IoT장치로 20일간 측정한 데이터를 보여준다. 3상의 전압, 전류, 전력 및 누설전류의 측정값을 5분 간격으로 전송하였다. 20일간의 데이터의 로그를 분석한 결과 총 5682개의 패킷을 전송하였으며 수신한 패킷의 수는 5677개로 수신율은 99% 이상으로 확인되었다.

그림. 11. (a) 로라 송신 모듈 및 전기안전 IoT 장치 설치 장소, (b) 로라 자가망 게이트 웨이 설치 장소

Fig. 11. (a) Electrical safety IoT devices installation point with LoRa transmit module, (b) LoRa Gateway installation point

그림. 12. 자가망 로라 통신을 사용한 전기안전 IoT 장치 모니터링 데이터

Fig. 12. Electric safety IoT device monitoring data using LoRa communication