LoRaWAN 환경에서 네트워크 서버에 의한 전송 속도와 전송 파워의 초기 할당 방식

Abstract

사물인터넷에 대한 관심은 꾸준히 증가해 왔고, 앞으로 사물인터넷 산업은 급속도로 성장할 것으로 예상된다. 그러나, 사물인터넷의 어플리케이션은 다양하기 때문에 기존의 셀룰러 통신 혹은 WiFi 등의 통신 기술로는 사물인터넷 어플리케이션의 다양한 요구사항을 충족시킬 수 없다.

LPWA(Low Power Wide Area) 네트워크는 네트워크 내에 있는 단말 장치들이 저전력, 장거리로 통신이 가능하게 함으로써 기존의 통신 기술들로는 충족시키기 어려웠던 사물인터넷 어플리케이션들의 요구사항을 충족시켰다. LoRaWAN은 LPWAN의 대표적인 기술 중 하나이다.

본 논문에서는 LoRaWAN 환경에서 원근 문제(near far problem)와 전송된 패킷 간에 충돌의 증가로 인한 단말 노드의 배터리 소모가 증가하는 문제를 해결하고자 하였다. 이를 위해, 네트워크 서버에서 단말 노드의 전송 파워를 적절하게 조절함으로써 원근 문제 해결을 목표로 하였다. 또한, 단말 노드에게 확산 인자(spreading factor)를 적절하게 할당함으로써 패킷 간 발생할 수 있는 충돌 확률과 단말 장치의 소모 전력을 줄이는 것을 목표로 했다.

본 논문에서는 실제 LoRaWAN 환경에서 어플리케이션이 다양하다는 점과 어플리케이션마다 전송 주기, 전송 패킷 사이즈가 다르다는 것에 착안하여 트래픽 로드(traffic load)라는 개념을 정의하였다. 트래픽 로드는 어플리케이션 별로 단위 시간당 네트워크에 주는 로드(load)가 다르다는 것을 반영하기 위해 정의하였다. 한 단말 노드의 트래픽 로드는 어플리케이션이 가지는 패킷 전송 주기와 ToA(Time on Air)의 곱으로 정의되며, ToA는 단말 노드가 사용하는 확산 인자, 그리고 패킷 사이즈, 대역폭 등에 의해 결정된다. 네트워크 서버는 트래픽 로드에 기반하여 단말 노드들에게 확산인자를 할당함으로써 전송 패킷 간 충돌 확률을 줄일 뿐 아니라 가능한 높은 트래픽 로드를 갖는 단말 노드에게 낮은 확산인자, 즉 높은 전송 속도를 할당함으로써 단말 노드의 소모 전력을 줄이고자 했다. 또한, 네트워크 서버는 서로 다른 확산 인자를 사용하는 단말 노드간 발생할 수 있는 간섭 문제, 원근 문제 등을 해결하기 위해 게이트웨이에서 단말 노드가 전송한 패킷의 RSSI((Received Signal Strength Indication) 값이 가능한 한 같아지도록 단말 노드의 전송 파워를 조절하였다.

본 논문에서는 제안한 기법을 사용했을 때 LoRaWAN 환경에서 단말 노드의 전송 파워와 확산 인자를 조절하는 기존 연구에 비해 충돌 확률, 단말 노드의 소모 전력이 줄어드는 것을 모의 실험을 통해 확인했다.