[논문 리뷰] Long-Range Communications in Unlicensed Bands: the Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios

Marco Centenaro, Lorenzo Vangelista외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 02.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 무선 하이퍼파라미터 대역의 비허가된 sub-GHz 대역에서 장거리, 저데이터 전송 속도 통신을 활용하여 IoT 및 스마트 시티 응용 분야에 혁신적인 솔루션으로서 저전력 광역망(LPWANs)을 소개한다. LoRa™를 사례 연구로 삼아, 도시 환경에서 단일 게이트웨이가 최대 1.2 km의 범위를 커버할 수 있음을 입증하였으며, 이는 이탈리아 파도바에서 도시 전역 커버리지 구현을 위해 단지 30개의 게이트웨이로 가능하고, 인구 1인당 최대 6~7대의 장치를 지원하며 확장 가능한 용량을 제공한다.

ABSTRACT

Connectivity is probably the most basic building block of the Internet of Things (IoT) paradigm. Up to know, the two main approaches to provide data access to the \emph{things} have been based either on multi-hop mesh networks using short-range communication technologies in the unlicensed spectrum, or on long-range, legacy cellular technologies, mainly 2G/GSM, operating in the corresponding licensed frequency bands. Recently, these reference models have been challenged by a new type of wireless connectivity, characterized by low-rate, long-range transmission technologies in the unlicensed sub-GHz frequency bands, used to realize access networks with star topology which are referred to a \emph{Low-Power Wide Area Networks} (LPWANs). In this paper, we introduce this new approach to provide connectivity in the IoT scenario, discussing its advantages over the established paradigms in terms of efficiency, effectiveness, and architectural design, in particular for the typical Smart Cities applications.

연구 동기 및 목표

• 도시 환경에서 기존의 근거리 및 셀룰러 IoT 패러다임에 대한 보완적인 솔루션으로서 LPWAN의 실현 가능성을 분석하는 것.
• 특히 시야 내 및 시야 외 조건에서 도전적인 도시 환경에서 LoRa™의 실제 커버리지 성능을 평가하는 것.
• 스마트 시티 응용 분야를 중심으로 게이트웨이 밀도 및 장치 용량에 초점을 맞춰 LPWAN 구축의 확장성과 비용 효율성을 평가하는 것.
• 에너지 효율성, 커버리지 및 아키텍처의 단순성 측면에서 기존 솔루션과 비교하여 LPWAN 기술(LoRa™, SIGFOX™, Ingenu™)을 평가하는 것.
• 비허가된 sub-GHz 대역을 활용한 스마트 시티에서의 즉시 사용 가능한 IoT 연결성의 실현 가능성을 경험적 근거로 제시하는 것.

제안 방법

• 이탈리아 파도바에서 실외 현장 시험을 수행하여, 고도가 높지 않은 2층 건물에 설치된 게이트웨이를 사용한 LoRa™ 기반 네트워크를 구축하였다.
• 그림자 효과 및 다중 경로 fading 등 악조건의 전파 조건 하에서 업링크 커버리지 측정을 통해 최소 신뢰성 있는 범위를 결정하였다.
• 링크 예산과 내구성을 극대화하기 위해 최저 비트레이트(가장 긴 스프레드 시퀀스)를 사용하여 세포의 가장자리 성능을 시뮬레이션하였다.
• 최악의 상황 결과를 바탕으로 간섭 및 페이딩 여유를 고려하여 보수적인 커버리지 반경 1.2 km를 추정하였다.
• 1.2 km 반경 추정치를 기반으로 파도바 전체 도시(100 km²)에 대한 커버리지 계획 작업을 수행하여 필요한 게이트웨이 수를 산정하였다.
• 현재 LoRa™ 게이트웨이 기능(15,000개 노드)과 방향성 안테나 적용으로 인한 향후 개선(용량 3배 증가 예상)을 바탕으로 게이트웨이당 장치 용량을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LoRa™와 같은 LPWAN 기술이 중점적인 전파 손실이 발생하는 밀집된 도시 환경에서 신뢰성 있고 장거리 연결성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최악의 조건에서 실생활 도시 환경에서의 LoRa™ 커버리지 반경은 얼마인가?
• RQ3 도시 전역 커버리지에 필요한 게이트웨이 수가 기존 셀룰러 네트워크와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 LPWAN은 스마트 시티 응용 분야에서 요구하는 막대한 장치 연결 수요를 어느 정도 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 LPWAN은 기존 IoT 연결 패러다임에 비해 비용 효율적이고 확장 가능하며 에너지 효율적인 대안을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 파도바에서 실시한 실생활 도시 테스트에서, LoRa™는 그림자 효과 및 다중 경로 페이딩을 포함한 최악의 전파 조건에서도 최소 신뢰성 커버리지 반경 1.2 km를 달성하였다.
• 파도바 전체 도시(100 km²)는 단지 30개의 LoRa™ 게이트웨이로 커버 가능하며, 이는 동일 지역에서 주요 이탈리아 셀룰러 사업자가 3G/4G 커버리지에 사용한 사이트 수의 절반 이하에 불과하다.
• 30개의 게이트웨이로 인구 1인당 약 7,000명의 주민을 커버할 수 있으며, 게이트웨이당 15,000개 노드의 용량을 고려하면 도시 전체 평균으로 1인당 6~7대의 장치를 지원할 수 있다.
• 향후 세대 게이트웨이에서는 다중 방향성 안테나를 사용하여 용량이 3배 증가할 것으로 예상되며, 장기적으로는 1인당 최대 18~21대의 장치까지 지원 가능할 전망이다.
• 실험 결과는 LPWAN이 스마트 시티 응용 분야에서 즉시 사용 가능한 연결성을 제공할 수 있음을 확인하였으며, 원활하고 저비용, 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.
• LPWAN은 기존 IoT 기술을 보완할 수 있는 위치에 있으며, 도시 IoT 환경에서 광역, 저전력, 저데이터 전송 속도 연결을 위한 실현 가능하고 비용 효율적인 솔루션으로서 유망하다.