Performance Evaluation of Low Power Communication Techniques Coverage for Internet of Things

IoT를 위한 저전력 통신 기술의 성능 평가

Abstract

Internet of Things(IoT) services have increased the demand for connectivity among electronics devices. As a result, various types of novel wireless communication technologies have been standardized and developed. In this paper, we evaluate the performance of low power wireless communication technologies such as Bluetooth, IEEE 802.15.4, DASH 7, IEEE 802.15.4g, LoRa, and SigFox in various environments. This is the first experiment evaluating various low power wireless communication technologies in real testbed. We expect that the evaluation results will be useful data to other researchers in applying the IoT technology in the future.

1. 서론

사물인터넷(IoT, Internet of Things)은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술, 즉 각종 사물을 무선 통신 기술을 이용해 인터넷에 연결하는 기술을 말한다. 여기서 말하는 사물이란 가전제품, 모바일 장치 및 웨어러블 장치와 같은 임베디드 시스템을 가리킨다. 사물인터넷에 연결된 사물은 자신을 구별하기 위한 고유 IP(Internet Protocol) 주소를 부여받아야 하고 외부 환경으로부터 데이터를 얻기 위한 센서가 내장되기도 한다. 이러한 형태의 IoT 기술은 현재의 생활양식에 혁명을 일으킬 수 있는 주요 기술이며, 지구가 직면한 인구 증가, 에너지 및 자원 고갈, 환경오염으로 인한 지구촌 문제를 극복하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 위와 같은 지구촌 문제를 해결하기 위한 방안으로 주목받고 있는 IoT의 장치 수는 지속적으로 이용자가 늘면서 2014년 약 37억 대였던 것이 2020년에는 약 250억대에 이를 것으로 예상된다[1]. 실제로 지난 2011년부터 상호 연결된 IoT 기기 수가 전 세계 인구를 넘어섰고, 교통·제조 등 기존 산업 시스템 운영에 큰 역할을 할 솔루션으로도 제시되고 있다. 예를 들어, 중장비 대여 업체는 대여 장비를 실시간으로 관리하거나 위치를 추적하기 위한 목적으로 IoT 기술을 사용한다. 또한 원격으로 특정 지점의 기후에 대한 데이터, 나아가 이를 효과적으로 관리할 수 있는 스마트 도시를 구축하고자 할 때 주요 방안으로 언급되며 이때 저전력, 값싼 설치 비용 등 IoT의 특성을 적극적으로 활용하고 있다. 최근 연구에서는 다양한 건물 내 재난 상황에서 IoT 기술과 장치가 제공하는 실시간 IoT 정보를 통해 피난 대책에 활용될 수 있는지에 대한 시뮬레이션 실험을 진행하였다. 해당 연구 결과실 시간 IoT 정보를 피난 경보 및 인명구조 상황 정보로 제공하여 전체적인 피난 시간을 단축하고 위험 수준이 높은 구역의 피난민들을 우선으로 피난시켜 안정성에 대한 효과를 입증하였다[2].

산업 분야의 종류가 매년 증가함에 따라 IoT 사용자 및 소비자들이 요구하는 통신 성능의 종류도 다양해지고 있지만, 그중에서도 저전력 특성은 필수적인 요소로 꼽힌다. 대표적인 저전력 IoT 무선 통신 기술을 거리에 따라 분류하면 다음과 같다. 짧은 범위 내에서 주로 사용되는 IoT 기술의 대표적인 기술에는 IEEE 802.15.4 표준의 PHY 및 MAC 계층을 기반으로 하는 ZigBee와 Bluetooth SIG(Special Interest Group)에서 관리하는 Bluetooth도 IoT 기술의 좋은 예시이다[3]. NB(Narrow Band)-IoT 및 LTE(Long Term Evolution) Cat.3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 M1도 IoT의 주요 기술 중 하나이다. 약 200 kHz의 대역폭을 통해, NB-IoT는 실내통신, 낮은 비용, 긴 배터리 수명에 장점을 두었다. LTE Cat(Category).M1은 NB-IoT에 비해 넓은 대역폭을 사용함으로써 상대적으로 높은 데이터 전송속도와 이동성에 특화되어 있다. Semtech의 LoRa (Long Range)는 장거리 통신에 적합한 기술이다. LoRa 변조를 통해 확산 계수를 조정하여 교외 지역에서 최대 20 km까지 통신 거리를 지원할 수 있다. 마지막으로 대형 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 안테나를 이용해 대역폭을 대폭 개선할 수 있는 타겟 빔과 첨단 신호 처리를 통한 데이터전송 능력을 갖춘 5G는 4차 산업혁명의 필수 요소로 꼽힌다.

많은 기존 연구[4,5]에서 이미 IoT 통신 기술을 분석하였으나 기술의 표준 문서에 기재되어 있는 이론적 통신 성능만을 제시하거나 시뮬레이션을 통해 성능을 평가하였다. Usman[4]에서는 IoT에서 주로 사용되는 저전력 광대역 무선 통신 기술(LPWA; Low Power Wide Area)들을 소개하고 IoT 장치들의 확장성과 관련된 도전 과제 및 연구 방향에 대해 기술했다. Yuang[5]에서는 네트워크 에뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션 과정을 통해 의료 환경에서 IoT 프로토콜 및 맞춤형 UDP(User Datagram Protocol) 기반 프로토콜의 성능을 평가하고 비교하였다. Kon-stantinos[6]에서는 IoT-Framework라는 컴퓨팅 미들웨어를 개발하여 IoT 장치에서 발생한 많은 양의 데이터 스트림을 관리하는데 필요한 복잡성을 줄였다. 본 논문에서는 ISM(Industry-Science-Medical) 대역을 활용하는 저전력 무선 통신 기술인 Bluetooth, 802.15.4, DASH 7, IEEE 802.15.4g, LoRa, SigFox에 대해 소개하고 실제 실험을 통해 LOS 환경 및 NLOS 환경에서 네트워크 커버리지 성능을 평가한다. 평가 결과, Bluetooth는 190 m, IEEE 802.15.4 는 185 m, DASH 7은 600 m, IEEE 802.15.4g는 860 m, LoRa는 4300 m, SigFox는 4300 m의 최대 네트워크 커버리지를 LOS(Line of Sight) 환경에서 달성했다. NLOS(Non-Line of Sight) 환경은 이론적 통신반경과 환경에 따라 큰 차이를 보여준다. 또한 송신기가 전송한 데이터 패킷을 각 송신기가 성공적으로 수신하지 못한 패킷 에러율을 측정한다. 본 논문은 IoT 서비스 개발사 혹은 사용자의 통신 기술 선정에 있어 중요한 지표가 될 것이다.

본 논문의 나머지 부분은 다음과 같이 구성되어있다. 2장에서는 본 논문에서 평가된 각 기술을 소개한다. 3장에서는 실험 환경을 설명한다. 4장에서는 직접 수행한 실험에 대한 결과를 산출했다. 5장에서는 결론을 도출한다.

2. 저전력 무선 통신 기술

IoT는 스마트 시티, 스마트 팩토리, 스마트 팜, 스마트 그리드 등 다양한 산업에서 활용될 것으로 기대되는 첨단 기술이다. IoT 서비스를 제공하기 위해서는 사물 간 연결이 가장 중요한 요건 중 하나로 고려된다. 인터넷에 연결되는 사물은 IP를 통해 식별이 가능해야 하고 통신 네트워크에 통합될 수 있는 물체나 기계로 정의되며 IoT 서비스 초기에는 사물 간 연결을 위해 셀룰러 통신과 같은 기존의 통신 기술이 고려되었다. 그러나 3G와 같은 기존의 통신 기술은 네트워크 커버리지, 보안, 전력 소비, 네트워크 비용 등과 같은 다양한 IoT 서비스 요건을 모두 충족시키기는 어렵다. 이에 따라 IoT를 위한 새로운 무선 통신 기술들이 다양한 사용 목적을 갖고 개발되었다. 본 장에서는 IoT에서 주로 사용되는 저전력 무선 통신 기술에 대해 소개한다.

2.1 Short Range Communication

블루투스는 10~100 m 거리에서 기기 간 단거리 무선 통신을 위한 표준이다[7]. 2.4 GHz 대역의 ISM 대역에서 UHF(Ultra High Frequency) 대역을 사용한다. 최대 데이터 전송 속도는 Bluetooth 4.2 기준 3.125 Mbps이다. 초기 블루투스는 IEEE 802.15.1 표준을 기반으로 설계되었지만, 최근 블루투스는 블루투스 SIG에 의해 관리되고 있다. 최근 SIG는 블루투스 5.0[8]을 공식 출시하여 통신 거리, 데이터 속도, 처리량을 개선하고 IPv6와 메쉬 네트워킹을 추가해 IoT 서비스를 지원하고 있다. 블루투스 장치는 일반적으로 1개의 마스터 노드와 1개 이상의 슬레이브 노드로 구성된 피코넷이라는 2~8개의 노드 그룹으로 구성된다. 피코넷 내의 장치는 각 장치가 공존하고 다른 ISM 대역을 사용하는 장치와 작동할 수 있도록 특정 주파수 호핑 패턴을 동기화한다. 주파수 호핑 기술은 간섭과 노이즈에 강하고 구현하는 과정에 있어서 저비용 및 저전력이라는 장점을 갖고 있다. 블루투스 기술은 현재 개인용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 액세서리 등 많은 스마트 기기에 사용되고 있으며, 다양한 IoT 애플리케이션으로 확대될 예정이다.

IEEE 802.15.4(ZigBee)[9]는 기기 간 근거리 통신을 통해 낮은 데이터 속도 및 낮은 에너지 소비량을 지원하는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN, Wireless Personal Area Network)를 위해 설계된 표준이다. IEEE 802.15.4는 전력과 같은 자원이 제한된 센서와 제어 장치를 위해 개발되었으며 IEEE 802.15.4 표준의 PHY(Physical) 및 MAC(Media Access Control) 계층을 기반으로 설계되었다. ZigBee[10], 6LoWPAN(Low-Power Wireless Personal Area Network)[11], Thread[12]와 같은 기술들은 IEEE 802.15.4 기반의 IoT 솔루션을 제공하기 위해 확장된 기술이다. IEEE 802.15.4는 Sub-1 GHz 대역과 2.4 GHz 대역을 사용하며 각각 20~40 kbps, 250 kbps의 데이터 속도를 제공하며 전송 전력에 따라 LOS 환경에서 10~100 m의 네트워크 커버리지를 갖는다. 하지만 네트워크 커버리지는 저전력 손실 네트워크의 라우팅 프로토콜인 ZigBee와 같은 멀티 홉 네트워크프로토콜을 활용할 경우 성능이 높아질 수 있다. 또한 사전에 비활성 슬롯을 설정하여 해당 기간 동안 네트워크 내의 모든 장치가 절전 모드로 전환되어 네트워크가 저전력으로 작동할 수 있다는 장점을 지닌다. IEEE 802.15.4는 스마트홈과 같은 실내 IoT 서비스에 적합한 통신 기술이 될 것으로 예상된다.

2.2 Medium Range Communications

DASH 7[13]은 무선 센서 및 액추에이터 네트워크프로토콜이다. DASH 7은 433 MHz 대역에서 동작하며 안테나 크기를 줄여 868 MHz, 915 MHz 대역으로 동작해 데이터 속도를 높일 수 있는 초저전력 무선 데이터 기술이며 사용하는 주파수에 따라 Slow, Normal, High의 세 가지 데이터 속도 모드를 지원한다. DASH 7은 2-FSK(Frequency Shift Keying), GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying), LoRa를 PHY로 지원하며 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) MAC 프로토콜을 사용한다. DASH 7에는 Push와 Pull의 두 가지 통신 모델이 있다. Pull은 태그에서 질문자로 데이터전송이 이루어지는 대부분의 RFID(Radio-Frequency Identification) 시스템에서 사용된다. 반대로 Push 모델은 질문자의 쿼리 없이 태그에서 질문자에게 데이터를 자동으로 전송한다. DASH 7은 두 가지 프레임 유형(Foreground 프레임과 Background 프레임) 도 정의하는데, Foreground 프레임은 데이터 또는 데이터 요청을 포함하는 일반적인 메시지이며 Background 프레임은 매우 짧은 브로드캐스트 전용 메시지이다. Background 프레임은 D7A(DASH 7 Alli-ance) 광고 프로토콜의 빠른 Ad-hoc 그룹 동기화를 위해 사용된다.

IEEE 802.15.4g[14]는 유틸리티, 기구 공급업체, 반도체 제조업체 및 연구 기관에서 개발한 표준이다. IEEE 802.15.4에서 제공하는 WPAN을 다양한 IoT 서비스를 위한 NAN(Neighborhood Area Network) 으로 확장한 버전이다. IEEE 802.15.4g는 IEEE 802.15.4보다 더 넓은 범위의 응용 프로그램과 네트워크 커버리지를 지원한다. 최소 40 kbps의 속도에서 최대 1 Mbps의 데이터 속도를 보장하고 Sub-1 GHz 대역 또는 2.4 GHz 대역에서 작동하는 다른 저전력 기술과의 안정적인 공존을 보장하며 MR-FSK (Multi-Regional Frequency Shift Keying), MR-OFDM(Multi-Regional Orthogonal Frequency Division), MR-OQPSK(Multi-Regional Offset Quadrature Phase Shift Keying)와 같은 세 가지 PHY 계층을 정의한다. IEEE 802.15.4g는 개인 영역 네트워크 코디네이터 역할을 하는 FFD(Full Function Device) 또는 온오프 스위치와 같은 비교적 간단한 기능을 수행하는 RFD(Reduced Function Device) 의두 가지 유형을 제공한다. 또한 IEEE 802.15.4g는 스타 토폴로지 및 피어 투 피어 토폴로지의 두 가지 네트워크 토폴로지를 지원한다.

2.3 Long Range Communications

LoRa Alliance의 LoRa[15]는 IoT 네트워크를 위한 저전력 광대역 무선 통신이다. LoRa는 100개 이상의 국가에서 9, 700만 대의 기기가 네트워크에 연결된 유망한 IoT 통신 기술이다. 스마트시티, 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 농업, 스마트 계측, 스마트 공급망, 물류 등 다양한 IoT 애플리케이션에 활용할 수 있다. 또한 LoRa는 제한된 전력으로도 기존 인프라에 연결하기가 쉽고 장시간 동안 장치를 사용할 수 있다. 다만 와이파이나 BLE(Bluetooth Low Energy) 기반 네트워크의 특징인 높은 대역폭, 높은 데이터 속도 등의 기술 격차를 메울 수 없고 제한된 범위와 실내 환경에서 성능이 제한적이라는 단점이 있다. LoRa는 LOS 환경에서 이론적으로 최대 20 km의 통신 거리를 지원할 수 있다. LoRa는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 변조 방식을 채택하여 간섭 및 다중 경로 페이딩에 대한 강력한 저항을 갖는다. CSS 변조 방식은 패킷의 각 심볼을 시간에 따라 증가하는 주파수인 처프(Chirp)로 변조하는 방식이다. LoRa는 이를 통해 각 노드의 변조 속도와 전송 전력을 개별적으로 설정할 수 있다. 또한 확산 계수의 값을 높이면 패킷 크기가 줄어듦에 따라 비트 전송률이 감소하여 데이터 속도가 느려지지만 채널과 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 제한에 대한 전력 및 네트워크 커버리지가 증가한다. 대부분의 LPWA 기술은 광대역 Sub-1 GHz 를 저전력 광역 통신의 가용 주파수로 설정한다. 1 GHz 미만의 주파수 대역을 사용하는 LoRa는 적은 비용과 예산으로 최대 20 km의 광범위한 네트워크 커버리지와 함께 견고성 및 신뢰성을 제공할 수 있다. LoRa는 에너지 효율적인 네트워크 형성을 위해 스타 토폴로지를 사용한다.

SigFox[16]는 공급망과 물류, 스마트 빌딩, 농업, 스마트 시티 시스템과 같은 저전력 객체를 연결하기 위한 무선 네트워크이다. SigFox는 UNB(Ultra Narrow Band)와 초경량 프로토콜을 활용해 에너지 소비와 비용을 대폭 절감했다. SigFox는 Sub-1 GHz ISM 대역에서 작동하며 100 Hz 이상의 대역폭을 통해 메시지를 전송한다. 따라서 신호는 저전력 및 광대역 무선 통신에 특화되어 있고 노이즈와 간섭에 매우 강한 특성을 지닌다. 또한 UNB 기술과 기지국의 공간 다이버시티 기술로 인해 총 20 dBm의 수신기 감도 이득을 달성하였다. SigFox는 업링크 메시지의 페이로드를 최대 12 byte로 제한함으로써 Sig Fox 프레임의 크기를 26 byte로 최소화하였고, 이로 인해 경량 프로토콜을 성공적으로 채택하였다. SigFox 장치는 앞서 언급한 장점을 지님에 따라 에너지 소비량이 크게 감소하여 배터리 수명이 매우 길어졌다. 기본적인 네트워크 아키텍처는 클라우드 기반 게이트웨이 및 센서와 같은 엔드 디바이스로 구성되며 스타 토폴로지 네트워크 구성 방법을 사용한다. 또 다른 특징은 D-BPSK(Differential Binary Phase Shift Keying) 변조 방법과 업링크 전송에서 1 kHz 미만의 주파수 대역폭을 사용함에 따라 높은 스펙트럼 효율성을 보이고 장치를 더 낮은 비용으로 구현할 수 있다는 장점이 있다.

3. 실험 환경

3장에서는 IoT 저전력 통신 기술의 성능을 평가하기 위한 LOS 및 NLOS 실험 환경에 대해 소개한다. LOS는 송신기와 수신기 사이에 장애물이 없는 환경에서 통신 성능을 평가하기 위한 것이다. Fig. 1의 (a)는 대한민국 군산시 새만금에 설치된 송신기의 위치를 보여주고 있다. 방파제 입구에 설치된 송신기는 매 60 ms마다 주기적으로 패킷을 전송한다. 수신기는 송신기가 전송한 데이터 패킷을 수신하고 사전에 지정한 지점마다 성능을 평가한다. 대한민국 충북대학교의 건물 옥상에서 NLOS 환경에서 장애물이 통신 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. Fig. 1(b)는 NLOS 환경에서의 성능 평가를 위한 송신기의 위치를 보여주고 있다. 건물 옥상에 있는 송신기는 매 60 ms마다 주기적으로 패킷을 전송한다.

Fig. 1. Experimental environments (a) LOS (b) NLOS.

Fig. 2는 NLOS 환경에서 각 기술의 네트워크 커버리지를 평가하기 위해 수집한 장소를 나타낸다. 비교적 근거리에 속하는 Bluetooth와 IEEE 802.15.4의 경우 Fig. 2의 (a)와 (b)처럼 약 200 m × 200 m 범위의 면적을 실험 범위로 설정하였고 가로 및 세로를 약 40 m의 간격으로 나누어 총 25개의 셀을 지정하였다. DASH 7은 Fig. 2의 (c)처럼 750 m × 750 m 범위의 면적을 실험 범위로 설정하였고 가로 및 세로를 약 150 m의 간격으로 나누어 총 25개의 셀을 지정하였다. IEEE 802.15.4g는 Fig. 2의 (d)처럼 1000 m × 1000 m 범위의 면적을 실험 범위로 설정하였고 가로 및 세로를 250 m의 간격으로 나누어 총 25개의 셀을 지정하였다. LoRa와 SigFox의 경우 Fig. 2의 (f)와 (e)처럼 3000 m × 3000 m 범위의 면적을 실험 범위로 설정하였고 가로 및 세로를 600 m의 간격으로 나누어 총 25개의 셀을 지정하였다. 수신기는 3행 3열에 위치한 셀을 제외한 각 셀의 중앙과 최대한 가까운 곳에 배치되었으며 해당 지점에 위치한 건물의 옥상에서 데이터 패킷을 수신하고 이에 대한 성능을 평가한다.

Fig. 2. Experimental environments setup in NLOS. (a) Bluetooth (b) IEEE 802.15.4 (c) DASH 7 (d) IEEE 802.15.4g (e) LoRa and (f) SigFox.

Table 1은 본 논문에서 성능을 평가할 각 기술에 대한 제원을 나타낸다.

Table 1. Specification of each technologies.

Fig. 3은 성능 평가에 사용된 각 기술에 대한 평가 보드를 나타낸다. TI의 CC2650 센서태그[17]는 블루투스 4.2와 IEEE 802.15.4의 PHY와 MAC을 지원하는 Arm Cortex-M3 기반의 멀티 표준 무선 마이크로 컨트롤러이며 GFSK, Q-PSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조 방식을 지원한다. 최대 송신 전력은 +5 dBm이고 수신기 감도는 각각 -97 dBm 및 -100 dBm이다. IEEE 802.15.4와 블루투스의 성능을 평가하기 위해 수신기는 50 m마다 배치되었다. 성능평가에 영향을 미치는 유일한 파라미터는 1~5 dBm 범위를 갖는 전송 전력이다. 또한, 블루투스는 2.4 GHz ISM 대역에서만 사용 가능하기 때문에, 블루투스 및 IEEE 802.15.4 실험은 2.4 GHz ISM 대역에서 진행되었다.

Fig. 3. Evaluation board of each technology.

Wizzilab의 SH2050 [18] SH2050은 2-FSK, GFSK, LoRa 변조의 세 가지 PHY를 지원하며 2-FSK 변조가 실험에 사용된다. SH2050의 최대 Tx(Transmission) 출력은 +14 dBm이고 수신기 감도는 사용된 주파수에 따라 -97 dBm, -102 dBm, -110 dBm이다. Tx 모드에서는 29~120 mA를 소비하고 Rx(Receive) 모드에서는 0.03~11 mA를 소비한다. 150 m마다 수신기를 배치하여 성능을 평가하였다. 성능 평가를 위한 변수 파라미터는 0~18 dBm 범위의 Tx 전력만 사용 가능하다. 실험에 사용된 주파수 대역은 지역 규정에 따라 915 MHz ISM 대역으로 설정되었다. 주파수 대역을 915 MHz ISM 대역으로 설정하면 최대 수신 감도는 -110 dBm이다.

IEEE 802.15.4g 실험은 TI의 CC1310 Launchpad [19] 사용하였다. CC1310 Launchpad는 Arm Cortex-M3를 기반으로 다양한 표준을 설정할 수 있는 무선마이크로 컨트롤러이다. IEEE 802.15.4g는 세 가지 PHY 변조 방법을 정의하지만 CC1310 Launchpad는 MR-FSK 변조 방식만 지원한다. Rx 모드 및 Tx 모드의 소비 전력은 각각 5.4 mA 및 13.4 mA이다. CC1310 Launch-pad의 최대 전송 전력은 +15 dBm 이고 수신기 감도는 -110 dBm이다. 802.15.4g의 성능을 평가하기 위해 수신기는 250 m 지점마다 배치되었다. 성능 평가에 영향을 미치는 파라미터의 전송전력 범위는 0~15 dBm이다. 실험에 사용된 주파수대역은 915 MHz ISM 대역이다.

Semtech LoRa 실험은 SX1272 모듈을 사용하여 Waspmote Development Board를 사용하여 수행되었다[20]. SX1272의 전력 소비량은 Rx 모드에서 9.7 ~12 mA이고 Tx 모드에서는 18~28 mA이다. 최대전송 전력은 +14 dBm이고 수신기 감도는 -137 dBm 이다. LoRa의 성능을 평가하기 위해 수신기는 LOS 환경에서 500 m마다 배치되었다. 성능 평가에 영향을 미치는 파라미터 중에서 확산 계수는 6~12이며, 대역폭은 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz, 코드 레이트는 1~4, 전송 전력 범위는 0~14 dBm이다. 또한 실험에 사용된 주파수 대역은 915 MHz ISM 대역이다.

SigFox 실험은 TI CC1120 Development Kit를 사용했다[21]. 대부분의 협대역 시스템을 지원하는 CC1120은 FSK, GFSK, MSK(Minimum Shift Keying), OOK(On-Off Keying) 변조 방식을 지원한다. 본 논문에서는 2-FSK 변조를 사용했다. Rx 모드에서 2 ~22 mA의 전력을 소비한다. TI CC1120을 사용하여 통신할 때 14 dBm 기준으로 Tx 모드에서 45 mA 를 소비한다. CC1120의 최대 전송 전력은 +14 dBm 이고 수신기 감도는 -147 dBm이다. SigFox의 성능을 평가하기 위해 수신기는 LOS 환경에서 500 m 지점마다, NLOS 환경에서 250 m 지점마다 배치되었다. 성능 평가에 영향을 미치는 파라미터는 0~14 dBm 범위의 전송 전력이다. 실험에 사용된 주파수대역은 915 MHz ISM 대역이다.

4. 성능 평가

본 장에서는 무선 통신 기술의 통신 품질 및 최대네트워크 커버리지를 평가한다. 통신 품질을 확인하기 위해 각 수신기 배치 지점마다 RSSI 값을 측정하였으며 송신 전력에 따른 최대 통신 거리를 실험으로 평가하였다. 모든 실험은 최대 네트워크 커버리지의 성능을 가진 파라미터 값을 구성하여 수행되었다. LOS 환경에 대한 결과 그림의 각 원의 중심에 있는 작은 노란색 점은 방파제 입구에 설치된 각 기술의 송신기 위치를 나타낸다. 또한 원의 색은 각 지점에서 수신기가 기록한 평균 RSSI 값을 나타낸다. 색상이 짙을수록 높은 RSSI를 의미하고 색상이 옅을수록 낮은 RSSI를 의미한다. NLOS 환경에 대한 결과 그림의 각 셀은 수신기가 측정한 RSSI값을 색으로 나타낸다. 색상이 짙을수록 높은 RSSI를 의미하고 색상이 옅을수록 낮은 RSSI를 의미한다.

4.1 Maximum Network Coverage Evaluation

첫 번째로, Fig. 4는 Bluetooth에 대한 최대 네트워크 커버리지이다. Bluetooth는 근거리에서 최대 성능을 보장하므로 선택 가능한 전송 전력의 값과 범위가 크지 않으며 전송 전력을 5 dBm으로 설정했을 경우 최대 네트워크 커버리지가 185 m임을 보여준다. 하지만 해당 실험 결과는 송신기와 수신기 사이에 장애물이나 건물이 없는 LOS 환경에서 나타난다. 이에 따라 NLOS 환경에서는 전송 전력이 최대 5 dBm으로 설정되었지만 140 m 이상 도달할 수 없었다. Fig. 4의 (b)에서 흰색으로 표시된 5행 5열 지점은 송신기의 전송 신호가 건물에 막혀 수신기가 수신하지 못한 것을 보여준다. 실험 결과에 따르면 Bluetooth는 매우 가깝거나 최대 25 m 거리 내에서만 안정적인 성능을 보장하며 이보다 더 먼 거리에 대한 각 실험의결과는 해당 기술을 사용하는 실외 사용자의 요구를 충족시킬 수 없다는 것을 보여준다. Fig. 5는 IEEE 802.15.4에 대한 최대 네트워크 커버리지를 나타낸다. LOS 환경에 대한 결과는 Bluetooth와 매우 비슷한 성능을 보였으나 NLOS 환경에서 차이가 존재했다. 수신기가 전송 신호를 정상적으로 수신한 2행 2 열부터 4행 4열 지점은 IEEE 802.15.4가 Bluetooth보다 조금 더 높은 RSSI를 기록했다. 또한 건물이나 나무와 같이 송신기의 위치보다 높은 길이의 건물이 장애물로 존재하는 경우 최대 수신기 감도에 도달해 수신기가 전송 신호를 디코딩하지 못했다.

Fig. 4. Maximum network coverage of bluetooth. (a) LOS and (b) NLOS.

Fig. 5. Maximum network coverage of IEEE 802.15.4. (a) LOS and (b) NLOS.

DASH 7의 최대 네트워크 커버리지 결과는 Fig. 6에 나타나 있다. DASH 7은 LOS 및 NLOS 환경에서 유사한 결과를 도출하였다. 장애물이 전혀 존재하지 않는 LOS 환경과 건물과 장애물이 존재하는 NLOS 환경에서도 600 m 범위의 네트워크 커버리지를 지원한다. 2행 3열 혹은 4행 2열과 같이 상대적으로 낮은 건물과 나무가 있는 지형은 LOS 환경처럼 더 나은 통신 품질을 보여주었다. 이는 DASH 7이 도시 지역임에도 불구하고 일정량의 LOS 환경을 이용할 수 있는 경우 최대한의 네트워크 커버리지를 지원할 수 있음을 의미한다. 하지만 Fig. 6의 (b) 와같이, 높은 건물과 나무가 빽빽하게 우거진 600 m에서는 최대 수신기 감도인 –110 dBm값이 기록된 데이터가 존재하며 데이터 패킷을 제대로 수신하지 못했다.

Fig. 6. Maximum network coverage of DASH 7. (a) LOS and (b) NLOS.

Fig. 7에서 볼 수 있듯이, IEEE 802.15.4g는 최대전송 전력으로 전송 신호를 송신했을 때 LOS 환경에서 최대 960 m를 기록하여 같은 분류군에 속한 DASH 7보다 더 좋은 네트워크 커버리지 성능을 보인다. 그러나 Fig. 7의 (b)는 IEEE 802.15.4 g가 NLOS 환경에서 약 760 m 정도의 네트워크 커버리지를 지원함을 보여준다. 또한 2행 2열, 2행 4열 및 4행 4열은 수신기의 위치가 나무가 우거진 숲에 위치하여 데이터 패킷을 제대로 수신하지 못했다. 이처럼 IEEE 802.15.4 g는 DASH 7과 비교했을 때 실험 결과에 비교적 큰 차이가 있는데, 이는 기술의 설계 목적에 그 이유가 있다. CC1310 Launchpad가 지원하는 MR-FSK 변조 방식은 IEEE 802.15.4 g의 세 가지 변조 방법 중 가장 낮은 비용으로 설계하는 데 초점을 맞추고 있기 때문에 위의 결과는 장애물 및 건물과 같은 외부 환경 요인에 매우 취약했음을 알 수 있다. 따라서 신뢰성 및 고속 전송 개선에 초점을 맞춘 MR-OFDM 변조 방식을 채택하였을 때의 실험 결과는 달라질 수 있다는 점에 유의해야 한다.

Fig. 7. Maximum network coverage of IEEE 802.15.4g. (a) LOS and (b) NLOS.

LoRa 및 SigFox의 최대 네트워크 커버리지 결과는 Fig. 8과 9에 표시되어 있다. 각각의 기술 사양에 따르면 LoRa와 SigFox는 교외의 LOS 환경에서 약 15~20 km의 사거리를 보장하지만, 실험 당시 4300 m 이후의 거리에 통신을 방해하는 장애물이 존재했다. 따라서 장거리 무선 통신 기술 실험은 4300 m 이후 거리에 대한 실험 데이터를 측정할 수 없었기 때문에 본 논문에서는 최대 4300 m 거리에 대한 실험데이터만 존재한다. 다만 장애물이 없다고 가정하면 LoRa와 SigFox의 LOS 환경 결과는 크게 달라진다. LoRa의 표준 문서에 따르면 LoRa의 최대 수신기 감도는 -137 dBm이며, 약 4300 m의 거리에서 측정된 평균 수신기 감도는 -126 dBm이다. 이는 4300 m 이후에 장애물이 존재하지 않았다면 LoRa의 최대 네트워크 커버리지가 더 크게 측정되었을 것을 의미한다. 마찬가지로 SigFox의 표준 문서상 최대 수신기 감도는 -147 dBm이며 4300 m의 거리에서 측정된 평균 수신기 감도는 -122 dBm이었다. 4300 m 이후의 장애물이 없는 환경에서 LoRa보다 수신 감도가 더 좋은 SigFox는 LoRa보다 더 먼 거리에서 최대네트워크 커버리지를 달성했을 것이다. 또한 NLOS 환경에서 SigFox는 일반적으로 평균 RSSI 값 부분에서 LoRa보다 약간 더 나은 성능을 보였다. SigFox가 1500 m에서 최대 -112 dBm을 기록한 반면, LoRa 는 -126 dBm을 기록했다. 마지막으로 LoRa와 Sig Fox 모두 NLOS 환경의 실험 결과 4행 4열부터 5행 5열까지 4개의 지점에서 데이터 패킷을 받지 못했는데, 그 이유는 송신기가 설치된 장소보다 높은 산이 있었기 때문이다.

Fig. 8. Maximum network coverage of LoRa. (a) LOS and (b) NLOS.

Fig. 9. Maximum network coverage of SigFox. (a) LOS and (b) NLOS.

Table 2는 LOS 및 NLOS 환경에 대한 각 기술들의 최대 네트워크 커버리지를 나타낸다. 송신기와 수신기 사이에 장애물이 존재하는 NLOS 환경에서 실험한 결과는 주변 환경에 따라 큰 차이가 있다는 것을 고려해야 한다.

Table 2. Maximum Network Coverage.

4.2 Packet Error Rate Evaluation

Fig. 10의 (a)는 Bluetooth와 IEEE 802.15.4의 거리별 패킷 에러율(PER, Packet Error Rate)을 나타낸 것이다. Bluetooth는 송신기와 수신기의 거리가 50 m 이상만 떨어져도 PER 수치가 급격하게 높아졌다. 특히 NLOS 환경의 경우 100 m 이상 떨어진 거리에서는 50%의 PER 수치를 기록하며 송신기와 수신기 사이의 통신이 거의 불가능했다. Bluetooth의 개발 목적은 매우 근접한 거리에서 PC와 주변기기 혹은 스마트폰과 가전기기 등을 무선으로 손쉽게 연결하여 빠른 데이터 속도를 통해 데이터를 주고받는 것에 있다. 또한 전력 소비량과 설계 비용을 낮추기 위해서도 전송 거리를 최소화했기 때문에 수 m 이내의 근접한 거리에서만 원활한 통신 성능을 보였다. IEEE 802.15.4는 100 m 이전까지의 거리에서는 Bluetooth 보다 LOS와 NLOS 환경에서 조금 더 나은 성능을 보였으나 100 m 이후의 거리에서부터는 원활한 데이터 통신이 불가능했다.

Fig. 10. Packet error rate. (a) Short range (b) Medium range and (c) Long ragne.

Fig. 10의 (b)는 DASH 7과 IEEE 802.15.4g의 거리별 패킷 에러율을 나타낸다. Bluetooth와 IEEE 802.15.4가 100 m의 거리만 벌어져도 PER 수치가 40%에 도달한 반면, DASH 7와 IEEE 802.15.4g는 0에 가까웠다. 하지만 DASH 7의 경우 200 m 이후의 거리에서부터 매우 급격한 한계를 보였다. Active RFID의 주목적은 무선으로 데이터를 송수신하여 상품 정보, 단말기의 정보 및 주변 환경 정보를 추적, 활용할 수 있는 무선 주파수 식별 확인이다. 이처럼 데이터의 속도를 높이는 대신 최대 네트워크 커버리지를 어느 정도 줄임으로써 개발에 성공한 것이 RFID 이며 DASH 7이 이러한 기술 중의 하나이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 약 250 m의 거리까지는 준수한 성능을 보인다. IEEE 802.15.4g는 DASH 7보다 훨씬 더 좋은 성능을 나타내었다. DASH 7이 500 m 거리에서 80% 이상의 PER 수치를 기록한 반면 IEEE 802.15.4g는 최대 25% 정도의 PER 수치를 보였다. IEEE 802.15.4g는 스마트 미터링 분야에서 빠른 데이터 속도를 필요로 하지 않는 사용자들의 요구에 맞추어 개발되었다. 비교적 대량의 데이터와 빠른 데이터 속도에 초점이 맞추어져 있는 DASH 7과는 달리 데이터 속도를 낮추더라도 네트워크 커버리지를 늘려 같은 Medium Range에 속하는 DASH 7보다 더 넓은 네트워크 커버리지를 자랑한다.

Fig. 10의 (c)는 LoRa와 SigFox의 거리별 패킷 에러율을 나타낸다. LOS 환경의 경우 1000 m 지점 이후 SigFox가 LoRa보다 상대적으로 PER 수치가 약 2배 정도 더 높게 측정되었는데, 이는 SigFox의 대역폭이 100 Hz로, 초협대역을 사용함에 따라 같은 주파수 대역을 사용하는 다른 기술에 대한 간섭에 대해 LoRa보다 더 취약하기 때문으로 보인다. 그에 반해 LoRa는 Pure Aloha를 MAC 프로토콜로써 사용함에도 불구하고 SigFox보다 PER 수치가 낮게 측정되었다. 이는 SigFox보다 넓은 범위의 대역폭을 사용하고 있기 때문으로 보인다. NLOS 환경에서는 LoRa 와 SigFox 모두 비슷한 성능을 보였다. NLOS 환경에서 1500 m 지점의 실험 결과에서 볼 수 있듯이 LoRa와 SigFox 모두 약 30% 정도의 PER 수치를 나타내고 있는데, 이는 곧 높은 건물이나 장애물이 많은 도심 지역의 NLOS 환경에서도 준수한 성능을 보인다는 의미이다. 이러한 결과는 장거리 무선 통신으로서 개발된 기술의 특성상 수신기 감도에 대한 링크 예산을 매우 높게 확보할 수 있게 고려하여 설계되었기 때문으로 보인다. 수신기 감도가 높으면 감쇠된 신호라도 정상적으로 디코딩하여 데이터를 수신할 수 있기 때문이다.

5. 결론

본 논문은 IoT 분야에서 주로 사용되는 기술 중저전력에 최적화된 기술을 간략히 살펴보고, 개발 보드를 활용한 실제 네트워크 커버리지 성능을 비교 및 분석하였다. 건물이나 장애물이 네트워크 커버리지와 신호의 강도에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 교외 및 도심과 같은 LOS와 NLOS 환경에서 각기 술의 성능을 비교하고 분석하는 실험을 수행했다. Long Range에 속하는 LoRa와 SigFox는 NLOS 환경에서 최대 약 1.5 km의 네트워크 커버리지를 지원했으며, 평균 RSSI 값은 수신기 감도 값과 비슷하거나 초과하지 않을 것으로 예상되므로 더 먼 거리에서 원활한 통신이 가능하다. LoRa와 SigFox의 LOS 환경 실험의 경우 장애물이 없는 4300 m 이후 장애물이 존재하여 4300 m 이상의 거리에 대한 데이터는 측정할 수 없었다. 그러나 장애물이 없다고 가정하면 더 멀리 떨어진 곳에서도 통신이 가능할 것으로 예상된다. 중거리인 802.15.4g와 DASH 7은 네트워크 커버리지 측면에서 뛰어난 성능을 보여주지 못했고 750 m 거리에서도 통신 성능이 좋지 않았지만 LOS와 NLOS 환경의 차이는 상대적으로 컸다. 대조적으로, DASH 7은 두 실험 환경에서 결과에 매우 작은 차이를 보였으며, 건물 및 장애물 같은 외부 환경 요인의 영향을 크게 받지 않고 사전 설정된 데이터 속도를 보장했다. 짧은 범위의 IEEE 802.15.4와 블루투스는 기술적 특성으로 인해 송신기와 수신기와의 거리가 100 m 이상일 경우 PER의 값이 90%까지 떨어질 정도로 성능이 저하되었지만, 근거리 이내에서는 다른 어떤 기술보다 데이터 속도 부분의 성능이 우수함을 보였다. 본 논문에서는 실험을 통해 IoT 분야에서 주로 사용되는 무선 통신 기술들에 대한 네트워크 커버리지를 LOS 및 NLOS 환경에서 실험하여 실제 상용화 단계에서 어느 정도의 성능을 기대할 수 있는가에 대한 결과를 제공하였다. 또한 측정 거리마다 수신기에서 성공적으로 수신하지 못한 패킷 에러율을 측정하였다. 향후 연구에서는 데이터 패킷에 대한 지연 시간과 각 기술마다 다양한 변수들을 고려하여 좀 더 구체적인 성능을 평가할 계획이다.