[논문 리뷰] Mitigating Inter-network Interference in LoRa Networks

Thiemo Voigt, Martin Bor외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 02.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LoRa 네트워크에서 상호 네트워크 간 간섭을 완화하기 위한 두 가지 실용적 방법—방향성 안테나와 다수의 기지국—을 평가한다. 실제 캘리브레이션된 시뮬레이션을 통해, 다수의 기지국을 도입하는 것이 방향성 안테나를 사용하는 것보다 현저히 뛰어나다는 것을 입증한다. 중간 간섭 조건에서 데이터 추출률(Data Extraction Rate, DER)은 0.24에서 0.56으로 증가하는 반면, 방향성 안테나의 경우 단지 0.32에 그친다.

ABSTRACT

Long Range (LoRa) is a popular technology used to construct Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) networks. Given the popularity of LoRa it is likely that multiple independent LoRa networks are deployed in close proximity. In this situation, neighbouring networks interfere and methods have to be found to combat this interference. In this paper we investigate the use of directional antennae and the use of multiple base stations as methods of dealing with inter-network interference. Directional antennae increase signal strength at receivers without increasing transmission energy cost. Thus, the probability of successfully decoding the message in an interference situation is improved. Multiple base stations can alternatively be used to improve the probability of receiving a message in a noisy environment. We compare the effectiveness of these two approaches via simulation. Our findings show that both methods are able to improve LoRa network performance in interference settings. However, the results show that the use of multiple base stations clearly outperforms the use of directional antennae. For example, in a setting where data is collected from 600 nodes which are interfered by four networks with 600 nodes each, using three base stations improves the Data Extraction Rate (DER) from 0.24 to 0.56 while the use of directional antennae provides an increase to only 0.32.

연구 동기 및 목표

• 실제 구현에서 상호 네트워크 간 간섭이 LoRa 네트워크 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 방향성 안테나와 다수의 기지국이 상호 네트워크 간 간섭 완화 전략으로서의 효과성을 평가하기 위해.
• 캘리브레이션된 시뮬레이션을 통해 현실적인 간섭 조건에서 두 전략의 성능 향상을 비교하기 위해.
• 공치(공동 위치)된, 상호 협력하지 않는 LoRa 네트워크에서 네트워크 신뢰성을 향상시키는 데 있어 방향성 안테나와 다수의 기지국 중 어느 것이 더 효율적인지 결정하기 위해.

제안 방법

• 실제 LoRa 테스트베드 실험을 기반으로 캘리브레이션된 고유의 시뮬레이션 환경을 개발하여 실제 전파 및 간섭을 정확히 모델링한다.
• 각각 600개의 노드를 포함하고, 네 개의 간섭 네트워크를 수반하는 LoRa 네트워크를 시뮬레이션하여 현실적인 간섭 상황에서의 성능을 평가한다.
• 수신기에서 송신 전력 증가 없이 신호 강도를 증가시켜 링크 신뢰성을 향상시키는 방식으로 방향성 안테나를 평가한다.
• 공간 다중성과 포착 이득을 통해 메시지 수신 성공 확률을 높이는 방식으로 다수의 기지국을 평가한다.
• 엔드 노드로부터 성공적으로 수거된 패킷의 비율을 반영하는 지표인 데이터 추출률(Data Extraction Rate, DER)을 성능 측정 지표로 사용한다.
• 기지국 간 거리와 구성에 따라 변동하는 조건에서 비교 시뮬레이션을 수행하여 확장성과 내구성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공치된, 상호 협력하지 않는 LoRa 네트워크에서 상호 네트워크 간 간섭은 성능에 어떻게 악영향을 미치는가?
• RQ2 방향성 안테나는 간섭 제한 조건에서 LoRa 네트워크의 패킷 수신을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다수의 기지국을 도입할 경우 상호 네트워크 간 간섭 조건에서 데이터 추출률(Data Extraction Rate, DER)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 간섭 조건 하에서 방향성 안테나와 다수의 기지국 중 어느 것이 DER 측면에서 더 뛰어난 성능을 보이는가?

주요 결과

• 600개의 노드를 각각 가진 네 개의 공치된, 상호 협력하지 않는 LoRa 네트워크에서 발생하는 상호 네트워크 간 간섭으로 인해, 단일 기지국 설정에서 데이터 추출률(Data Extraction Rate, DER)은 0.24로 감소한다.
• 세 대의 기지국을 도입하면 동일한 간섭 조건에서 DER가 0.56으로 증가하여 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 동일한 조건에서 방향성 안테나를 사용할 경우 DER는 0.32로 향상되며, 이는 상당한 향상이지만 다수의 기지국을 사용할 경우에 비해 크게 낮은 성능 향상이다.
• 다수의 기지국에서 얻는 성능 향상은 거리가 긴 경우(예: 97 m)에서 가장 두드러지며, 공간 다중성을 통해 모든 노드가 수신 가능 범위 내에 유지됨을 보장한다.
• 다수의 기지국은 간섭이 없는 상황에서도 방향성 안테나를 능가하는 성능을 보이며, 이는 더 넓은 확장성 이점이 있음을 시사한다.
• 두 방법을 병합하는 것은 이론적으로 가능하지만, 설치 복잡성과 비용 증가로 인해 실용적이지 않다고 판단된다.