KR20230037274A - LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법은, (a) 단말의 이동 여부에 따라 상기 단말에게 자원을 할당하는 단계; 및 (b) 상기 할당된 자원에 기반하여 상기 단말로부터 게이트웨이를 통해 상향링크 신호를 수신하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치{A method and apparatus for assigning resource based on mobility of terminal in LoRaWAN}
본 발명은 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)는 장거리, 에너지 효율적, 낮은 데이터 전송률 통신을 필요로 하는 사물 인터넷(IoT) 어플리케이션을 위한 성장하는 기술을 구성할 수 있다.
LPWAN 기술은 LTE-M, SigFox, 장거리 광역 네트워크(LoRaWAN) 및 협대역(NB)-IoT와 같은 라이선스 및 비면허 시장에서 증가했다.
LPWAN 기술 중 LoRaWAN과 NB-IoT가 주요 성장 기술로, NB-IoT에 비해 LoRaWAN의 장점이 존재할 수 있다. LoRaWAN은 MAC(Medium Access Control) 프로토콜의 개요를 설명한다.
최근 LoRaWAN에 관심을 갖고 있는 이유는 LoRaWAN이 대용량 ED(Massive End Device)와 장거리, 저전력, 저비용, 개방형 비즈니스 모델, IoT 환경에서의 적합성을 지원하기 때문이다.
따라서 LoRaWAN은 광범위한 신흥 수직 산업 및 IoT 어플리케이션에 서비스를 제공할 수 있는 잠재적인 후보이나, 이에 대한 연구는 미흡한 상황이다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-2120062호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법은, (a) 단말의 이동 여부에 따라 상기 단말에게 자원을 할당하는 단계; 및 (b) 상기 할당된 자원에 기반하여 상기 단말로부터 게이트웨이를 통해 상향링크 신호를 수신하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 (a) 단계는, 상기 게이트웨이에 의해 상기 단말로부터 수신한 상향링크 신호의 세기에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하는 단계; 상기 단말이 이동하는 경우, 상기 단말에게 상기 자원을 재할당하는 단계; 및 상기 단말이 이동하지 않은 경우, 상기 단말에게 이전에 할당된 자원을 사용하도록 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 (a) 단계는, 상기 상향링크 신호의 세기의 변화량에 기반하여 상기 단말의 이동 거리를 결정하는 단계; 및 상기 단말의 이동 거리에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 (a) 단계는, 상기 단말이 이동하는 경우, 상기 상향링크 신호의 세기가 상기 게이트웨이의 수신 민감도보다 큰 경우에 해당하는 적어도 하나의 자원 중 가장 작은 자원을 재할당하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 재할당하는 단계는, 상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 작은 경우, 상기 가장 작은 자원을 상기 단말에게 재할당하는 단계; 및 상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 자원 중 상기 상향링크 신호의 패킷 길이를 지원 가능한 가장 큰 자원을 상기 단말에게 재할당하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 자원은, 상기 단말에 대한 SF(Spreading Factor) 및 TP(Transmit Power) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시에에서, LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치는, 단말의 이동 여부에 따라 상기 단말에게 자원을 할당하는 제어부; 및 상기 할당된 자원에 기반하여 상기 단말로부터 게이트웨이를 통해 상향링크 신호를 수신하는 통신부;를 포함할 수 있다.
실시에에서, 상기 제어부는, 상기 게이트웨이에 의해 상기 단말로부터 수신한 상향링크 신호의 세기에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하고, 상기 단말이 이동하는 경우, 상기 단말에게 상기 자원을 재할당하고, 상기 단말이 이동하지 않는 경우, 상기 단말에게 이전에 할당된 자원을 사용하도록 제어할 수 있다.
실시에에서, 상기 제어부는, 상기 상향링크 신호의 세기의 변화량에 기반하여 상기 단말의 이동 거리를 결정하고, 상기 단말의 이동 거리에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정할 수 있다.
실시에에서, 상기 제어부는, 상기 단말이 이동하는 경우, 상기 상향링크 신호의 세기가 상기 게이트웨이의 수신 민감도보다 큰 경우에 해당하는 적어도 하나의 자원 중 가장 작은 자원을 재할당할 수 있다.
실시에에서, 상기 제어부는, 상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 작은 경우, 상기 가장 작은 자원을 상기 단말에게 재할당하고, 상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 자원 중 상기 상향링크 신호의 패킷 길이를 지원 가능한 가장 큰 자원을 상기 단말에게 재할당할 수 있다.
실시에에서, 상기 자원은, 상기 단말에 대한 SF(Spreading Factor) 및 TP(Transmit Power) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 간섭, 재전송 및 패킷 손실의 영향을 크게 줄임으로써 패킷 성공률(packet success ratio)을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 케이스를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 궤적 그래프을 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이의 수신 전력 그래프을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 검출을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSRCON 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSRUNC 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLR-I 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR-S 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR 및 PLR 분석 그래프를 도시한 도면이다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 에너지 소비 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 시나리오의 평균 PSR 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 시나리오의 평균 에너지 소비 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법 및 장치를 설명한다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하는 방식은 M-ASFA(mobility-aware SF assignment) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다.
도 1은 본` 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, LoRaWAN 시스템(100)은 단말(110), 게이트웨이(gateway, GW)(120) 및 서버(130)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 단말(110)은 ED(end device) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다. 또한, 서버(130)는 NS(network server) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다.
서버(130)는 게이트웨이(120)가 단말(110)로부터 수신하는 상향링크(uplink, UL) 신호의 세기를 고려하여, 각 상향링크 전송에서 이동형 단말(110)에 최상의 SF(spreading factor)를 할당할 수 있다.
본 발명에 따르면, SF가 단말(110)의 이동성에 능동적으로 대응하여 이동형 단말(110)에 할당될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 LoRaWAN 기반 ADR(adaptive data rate)과 비교할 때 간섭, 재전송 및 패킷 손실의 영향을 크게 줄임으로써 패킷 성공률(packet success ratio)을 향상시킵니다.
LoRaWAN 시스템(100)은 적어도 하나의 단말(110)이 적어도 하나의 게이트웨이(120)에 연결되는 star-of-star 토폴로지를 기반으로 구성될 수 있다.
단말(110)은 게이트웨이(120)로의 상향링크(uplink, UL) 전송을 수행할 수 있다. 게이트웨이(120)는 단말(110)로부터 수신된 패킷을 서버(130)로 전달할 수 있다. 여기서, 패킷은 상향링크 신호를 포함할 수 있다.
서버(130)는 게이트웨이(120)를 통해 단말(110)에게 제어 메시지(예:, ACK(acknowledgment) 또는 MAC(medium access control) 명령)를 송신할 수 있다.
일 실시예에서, 클래스 A 네트워크에서 단말(110)은 ALOHA 채널 액세스 메커니즘으로 일련의 SF(spreading factor)(7-12)를 사용하여 상향링크 신호를 확인(confirmed) 또는 확인되지 않은(unconfirmed) 상태로 전송할 수 있다.
확인된(confirmed) 상향링크 신호는 상향링크에서 사용된 것과 동일한 SF를 갖는 수신 윈도우(RX 1)에서 서버(130)로부터 ACK(acknowledgment)을 수신하는데 사용될 수 있다.
RX 1에서 ACK가 수신되지 않으면 단말(110)은 SF 12 및 869.525MHz 채널을 사용하는 두 번째 수신 윈도우(RX 2)를 활성화할 수 있다.
단말(110)이 두 윈도우 모두에서 ACK를 놓친 경우, 추가 충돌을 방지하기 위해 재전송 전에 임의 지연 ACK_TIMEOUT(1-3초)이 추가될 수 있다.
단말(110)의 이동성(mobility)은 LoRaWAN 시스템(100)의 토폴로지의 빈번한 변경을 유발하여 단말(110)과 게이트웨이(120) 간의 신호 강도에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에 따르면, 서버(130)는 트래픽 이종성(traffic heterogeneity)을 고려하여 초기 구축 시 게이트웨이(120)의 수신 민감도를 기반으로 고정형(static) 단말(110) 및 이동형(mobile) 단말(110) 모두에 SF를 자원으로 할당할 수 있다. 여기서, 게이트웨이(120)의 수신 민감도는 게이트웨이(120)가 단말(110)로부터 상향링크 신호에 대한 최소한의 수신 전력을 의미할 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 자원의 할당은 ToA(time-on-air)와 충돌 가능성을 모두 줄일 수 있다.
또한, 이동형 단말(110)의 통신 중에 SF는 본 발명에 따라 리스케줄링(re-scheduling)되는 반면, 고정형 단말(110)의 SF는 리스케줄링되지 않을 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 서버(130)는 단말(110)의 이동성에 능동적으로 대응하고, 상향링크 신호의 전송 이전에 게이트웨이(120)에서 수신한 신호의 세기를 기반으로 SF를 재스케줄링할 수 있다. 이에, 재전송 횟수와 패킷 손실을 크게 줄여 패킷 성공률을 높일 수 있다.
종래의 ADR은 시간 소모적인 SF 매개변수 적응으로 인해 패킷 성공률 측면에서 이동성 기반 응용 프로그램 요구 사항을 충족하지 못하는 반면, 본 발명에 따르면, IoT 지원 모바일 어플리케이션의 최소 패킷 성공률 요구 사항을 충족시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 케이스를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 단말(110)은 고정형이거나 이동형일 수 있다. 서버(130)는 최적의 자원(즉, SF)을 도 2와 같이 이동형 단말(110)에 할당할 수 있다.
따라서, 이동형 단말(110)의 이동 방식은 세 가지 경우로 설명될 수 있다. 여기에서 전파 환경이 근본적으로 바뀔 수 있다.
이동 후 이전 위치에서 사용된 링크 버짓(link budget)은 더 이상 유효하지 않을 수 있다. 따라서 이러한 단말(110)은 수신된 신호 강도 변화로 인해 SF를 변경해야 할 수 있다.
제1 실시예(case 1)에서, 단말(110) Ni가 게이트웨이(120) 주변의 초기 위치(x1, y1)에서 시간 t0에 위치(x2, y2)로 이동하고, 시간 tn에 위치(xn, yn)으로 더 이동할 수 있다.
예를 들어, (x2, y2)에서의 상향링크 신호의 신호 세기는 게이트웨이(120)로부터의 거리가 멀어질수록 감소하지만, 단말(110) Ni는 (x2, y2)에서 SF 8을 사용할 수 있다.
위치(x2, y2)에서 SF 8을 사용하여 Ni에서 패킷이 전송되는 경우, 낮은 신호 강도로 인해 패킷이 손실될 수 있다.
SF 8로 전송된 패킷은 게이트웨이(120)의 수신 민감도에 따라 게이트웨이(120)에 수신될 수 있으므로, 서버(130)는 패킷을 올바르게 전달하려면 위치(x2, y2)에 적절한 SF(예: SF 9)를 재할당할 수 있다. 예를 들어, SF 10은 위치(xn, yn)에서 재할당되는 것이 가장 효과적일 수 있다.
제2 실시예(case 2)에서, 단말(110) Ni는 각각 시간 t0 및 tn에서 게이트웨이(120) 주변의 위치(x1, y1)에서 위치(x2, y2)로 위치(x2, y2)에서 위치(xn, yn)으로 이동할 수 있다.
이 경우, 단말(110) Ni는 위치(x1, y1)에서 SF 11을 사용하는 반면, 위치(x2, y2) 및 (xn, yn)에서 전송된 패킷은 여전히 동일한 SF를 사용하여 게이트웨이(120)에 도달할 수 있다. 따라서 성공적으로 디코딩되고 올바르게 수신될 수 있다.
그러나, 위치(x2, y2) 및 (xn, yn)에서 SF 11과 함께 전송된 패킷은 ToA를 증가시켜 높은 간섭을 초래할 수 있다. 더 높은 SF는 높은 ToA로 인해 간섭에 매우 취약하기 때문에 통신 채널의 용량에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서 LoRaWAN 네트워크에서 동일하거나 다른 SF 간섭으로 인한 패킷 간의 충돌 영향을 완화하기 위해 적절한 SF가 위치(x2, y2) 및 (xn, yn)에서 단말(110) Ni에 재할당될 수 있다.
제3 실시예(case 3)에서, 단말(110) Ni는 현재 위치 (x1, y1)에서 (xn, yn)까지 동일한 SF에 해당하는 SF 영역에서 이동할 수 있다. 일 실시예에서, 동일한 SF에 해당하는 SF 영역은 게이트웨이(120)로부터의 거리에 따라 결정될 수 있다.
이 경우, 게이트웨이(120)에서 수신된 신호 강도가 최소 변동을 나타낼 수 있기 때문에 SF에 미미한 영향을 미칠 수 있다.
예를 들어, 수신된 신호의 세기는 단말(110) Ni가 건물 내부로 이동할 때 달라지며, 건물 침투 손실과 섀도잉 영향으로 인해 신호 강도가 크게 저하될 수 있다.
따라서, 신호가 여전히 동일한 SF 10으로 게이트웨이(120)에 도달할 수 있으므로 추가 SF 재할당이 수행되지 않을 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 궤적 그래프을 도시한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이의 수신 전력 그래프을 도시한 도면이다.
도 3a을 참고하면, 상향링크 전송 간격이 1시간(h)인 시뮬레이션 시간의 하루 동안 단말(110)의 이동 궤적(x축 및 y축 위치)을 확인할 수 있다.
예를 들어, 단말(110)의 이동은 단말(110)이 전송한 상향링크 패킷 수를 기준으로 1에서 24까지 번호가 지정될 수 있다.
단말(110)은 초기 SF 12로 할당되었으며, 1에서 5m/s 사이에서 임의의 속도를 선택할 수 있다(예: 실외 위치 지정에 2m/s를 사용함).
또한, 도 3b를 참고하면, 상향링크 패킷이 전송될 때마다 단말(110)에 대한 수신 전력(Prx)를 확인할 수 있다.
도 3a에서 검정, 빨강 및 녹색 화살표는 단말(110) 움직임을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 단말(110)이 위치 5에서 위치 6으로 이동할 때 단말(110)은 본 발명에에 따라 SF를 7에서 12로 변경할 수 있다(제1 실시예).
또한, 단말(110)이 게이트웨이(120) 주변의 위치 6에서 위치 7로 이동할 때 Prx의 증가가 관찰되어 SF가 9로 변경될 수 있다(제2 실시예).
제3 실시예에서, 단말(110)은 현재 위치 17에서 위치 18로 이동하고 Prx가 SF의 동일한 범위에 있기 때문에 SF는 SF 7에 고정될 수 있다.
일 실시예에서, Prx는 단말(110)과 게이트웨이(120) 사이의 거리가 변하면 변경될 수 있다. 또한, Prx는 간섭 및 섀도잉 효과에 의해 변경될 수 있다.
종래의 ADR은 이러한 환경 변화로 인해 안정적이고 에너지 효율적인 통신 상태에 적응할 수 없다. ADR은 단말(110)의 SF를 변경하는데 오랜 시간이 걸리므로 패킷 손실이 크다. ADR로 인한 이러한 높은 패킷 손실은 단말(110)을 재전송하도록 강제하여 간섭을 초래할 수 있다.
본 발명에 따른 서버(130)는 종래의 ADR과 달리, 단말(110) 이동성에 능동적으로 반응하여 상향링크 패킷을 전송하기 전에 적절한 SF를 할당할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 이동 검출을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 서버(130)는 트래픽 이종성(traffic heterogeneity)을 갖는 초기 SF를 할당하고, 이동형 단말(110)에 대한 최적의 SF를 할당하는 두 단계를 수행할 수 있다.
1단계에서, 단말(110)은 트래픽 이종성에 기반하여 게이트웨이(120)의 수신 민감도에 따라 적절한 SF를 할당받을 수 있다.
2단계에서, 서버(130)는 이동형 단말(110)이 상향링크 패킷을 전송할 때마다 새로운 SF를 이동형 단말(110)에 할당할 수 있다.
일 실시예에서, 서버(130)는 트래픽 이종성이 있는 초기 SF 할당에 있어서, 첫째, 시간 독립적이고 대칭적인 링크를 가정하여 게이트웨이(120)에서 각 상향링크 전송에 대한 Prx를 산출할 수 있다. 여기서 채널은 상향링크 및 하향링크(downlink, DL) 전송 모두에 대해 동일한 경로 손실 모델을 사용할 수 있다.
둘째, 서버(130)는 게이트웨이(120)의 수신 민감도(Sg)보다 높은 Prx를 기반으로 가장 낮은 SF를 단말(110)에 할당할 수 있다.
예를 들어, 각 SF에 대한 Sg 값은 아래 <표 1>과 같이 나타낼 수 있다.
SF GW sensitivity (Sg) ED sensitivity (Se) PLth [bytes]
12 -142.5 -137.0 51
11 -140.0 -135.0 51
10 -137.5 -133.0 51
9 -135.0 -130.0 115
8 -132.5 -127.0 222
7 -130.0 -124.0 222
본 발명에 따른 방법은 ToA를 최소화하고 충돌 가능성을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 편향된 SF 할당을 PL을 기반으로 하는 세 번째 단계(즉, 트래픽 이종성)가 추가될 수 있다.
일 실시예에서, 단말(110)이 전송하고자 하는 신호의 패킷 길이(PLNi)가 <표 1>의 패킷 길이 임계값(PLth)보다 작은 경우(즉, PLNi < PLth), 단말(110)은 지정된 패킷 길이로 상향링크 패킷을 전송할 수 있다.
단말(110)이 전송하고자 하는 신호의 패킷 길이(PLNi)가 <표 1>의 패킷 길이 임계값(PLth)보다 큰 경우, 서버(130)는 지정된 패킷 길이를 지원할 수 있는 적절한 SF를 할당할 수 있다. 본 발명에 따른 구체적인 절차는 하기 <표 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Input : Sg = GW-sensitivity for each SF, SF = 7∼12, EDs = i∼N
Output : Assignment of SF to static and mobile EDs
for i
Figure pat00001
0 to N do
Prx(i) = getRxPower()
Figure pat00002
Prx at GW (i.e., a GW would receive from ED)
if(Prx(i) > Sg ) then
i = getSpreadingFactor()
PLi = getPacketLength()
if(PLi< PLth ) then
No variation in SF of ED I
else
i = getHighestSpreadingFactor()
Figure pat00003
highest permissible SF, which can still support the specfied PL
end
else
i = SF 12
Figure pat00004
EDs are out of range
end
end
일 실시예에서, 이동성 인식 SF 할당 계획에 있어서, 초기 할당 후 두 번째 단계에서, 서버(130)는 이동형 단말(110)에 대한 채널 적응형 자원 할당을 숴행할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 구체적인 절차는 하기 <표 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Input : Sg = GW-sensitivity for each SF, SF = 7∼12
Output : Allocating new SF to mobile EDs before transmission and retransmission
At each uplink packet
compute d0
if (d0 ≥ α) then
Figure pat00005
ED i is mobile
compute Prx at GW for each transmitting ED
Prx(i) = getRxPower()
if(Prx(i) > Sg) then
i = getSpreadingFactor()
PLi = getPacketLength()
if(PLi< PLth ) then
No variation in SF of ED I
else
i = getHighestSpreadingFactor()
end
else
i = SF 12
end
else
No variation in SF of ED i
Figure pat00006
ED i is static
end
getRandomChannel()
Figure pat00007
ED i obtains a random channel from among R
R = number of available channels
Figure pat00008
R = 3 (default channels in the EU region)
channels = [1,. . . ,R]
Figure pat00009
shuffle channels
transmitPacket()
Figure pat00010
ED i transmits UL packet
서버(130)는 단말(110)의 이전 위치 (x1 , y1)와 현재 위치 (x2 , y2) 사이의 거리(즉, d0)에 따라 단말(110)의 상태, 즉, 단말(110)이 이동형인지 고정형인지 여부를 결정할 수 있다.
이후, 서버(130)는 d0를 미리 정의된 임계값(α)(예: α = 10미터)과 비교할 수 있다. 예를 들어, 수신 신호 강도가 40m까지 변경되지 않은 상태로 유지되기 때문에 α는 10m로 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 조건 1(d0 ≥ α)의 경우, 서버(130)는 단말(110)을 이동형으로 결정할 수 있다.
이후, 서버(130)는 게이트웨이(120)에서의 Prx가 Sg보다 크고, 새로 할당된 SF가 지정된 PL을 지원할 수 있도록 SF를 단말(110)에게 할당할 수 있다.
SF 선택 후 단말(110)은 EU 지역에서 사용 가능한 세 개의 채널 중에서 임의의 채널을 선택하고 상향링크 신호(확인 또는 미확인)를 송신할 수 있다.
예를 들어, 단말(110)에 대한 게이트웨이(120)는 -136dBm의 전력을 갖는 신호를 수신할 수 있다.
이 경우, <표 1>과 같은 Sg를 고려하면, 게이트웨이(120)가 상향링크 패킷을 성공적으로 디코딩하기 위해서는 SF = 9가 부적절할 수 있다.
그러나 게이트웨이(120)는 SF 10, 11 및 12와 함께 전송될 때 단말(110)의 상향링크 패킷을 계속 수신할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, ToA를 최소화하고 상향링크 패킷의 성공적인 전달을 위해 SF는 10으로 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 조건 2(d0 < α)의 경우, 서버(130)는 단말(110)을 고정형으로 결정할 수 있다. 따라서 고정형 단말(110)은 이전에 할당된 SF와 함께 상향링크 신호를 전송할 수 있다.
시뮬레이션 실험에서 본 발명에 따른 상향링크 전송 성능은 종래의 ADR과 비교하여 종합적으로 평가될 수 있다.
본 발명에 따른 상향링크 전송 성능은 주로 각 상향링크 패킷 전송 전에 SF의 선택에 따라 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 상향링크 전송 성능은 이동형 단말(110)에 대한 SF 할당을 통해 향상됨을 확인할 수 있다.
대조적으로, 종래의 ADR 방식의 성능은 단말(110)의 이동성을 고려하지 않기 때문에 이동성으로 인한 링크 품질에 대한 열악한 적응에 의해 실질적으로 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 시뮬레이션에서는 초기에 SF가 할당된 N 개의 단말(110)이 반경 5km 내에 무작위로 배치될 수 있다. 시뮬레이션 시나리오는 각 단말(110)이 고정 게이트웨이(120) 주위에서 임의의 속도로 이동하는 로그 거리 전파 및 섀도잉 모델이 사용될 수 있다. 단말(110)의 이동성 이동은 랜덤 워크 2-D 이동성 모델을 기반으로 수행될 수 있다. 각 단말(110)은 48시간의 시뮬레이션 시간 동안 λ 패킷을 전송할 수 있다. 결과는 다른 시드를 사용하여 10회 시뮬레이션의 평균으로 결정될 수 있다. 또한, 예를 들어, 시뮬레이션 매개변수는 <표 4>와 같이 나타낼 수 있다.
parameter value
simulation time 48h
Figure pat00011
 G1=8, G2=48, and G3=100
Number of GWs 1
Mobile EDs 50%
PL [bytes] G1=100, G2 and G3 = 50
Maximum UL packet transmission limit 8
GW Duty cycle ON
Transmission/Reception priority at GW Transmission (ACK) priority
RX2 SF SF 12
Reception paths at GW 8
GW antenna height [m] 15
ED antenna height [m] 1.2
Path loss exponent 3.76
Path loss model log-distance
Shadowing de-correlation distance = 100m and variance = 6dB
ED speed [m] minimum = 0.5, maximum = 1.5
Transmit power [dBm] 14 (M-ASFA) and 2~14 (ADR)
Initial SF assignment to ED (in case of ADR scheme) 12
Initial SF assignment to ED (in case of M-ASFA scheme) 표 2 참조
본 발명에 따른 PSR, PLR 및 에너지 소비의 성능 분석을 확인할 수 있다.
1) 패킷 성공률(PACKET SUCCESS RATIO, PSR)의 경우 아래와 같은 항목이 설명될 수 있다.
PSRCON(CONfirmed PSR)는 전송 시도 (확인된(confirmed) 트래픽의 경우 8) 중 상향링크 및 해당 DL ACK 패킷이 모두 성공적으로 수신될 확률을 의미할 수 있다.
PSRUNC(UNConfirmed PSR)는 게이트웨이(120)에서 상향링크 패킷이 성공적으로 수신될 확률(미확인 트래픽에 대해 1회만 시도)을 의미할 수 있다.
2) 패킷 손실률(PACKET LOSS RATIO, PLR)의 경우 아래와 같은 항목이 설명될 수 있다.
민감도(sensitivity) 미만으로 도착하는 패킷으로 인한 PLR(PLR-S)는 패킷이 게이트웨이(120)에서 민감도 미만으로 도착하는 경우(표 1과 같이 Sg 값보다 낮은 전력으로) 발생할 수 있다.
간섭(interference)에 의한 PLR(PLR-I)는 신호 직교성을 방해할 만큼 충분한 전력을 가진 중첩 패킷의 간섭으로 인해 패킷 수신이 실패한 경우 발생할 수 있다.
게이트웨이(120) 전송 우선 순위(transmission priority)에 의한 PLR(PLR-T)는 하향링크 패킷(ACK) 전송 우선 순위로 인해 게이트웨이(120)에서 진행 중인 패킷 수신이 중단되는 경우 발생할 수 있다.
포화 수신기(saturated receiver)로 인한 PLR(PLR-R)는 사용 가능한 모든 병렬 수신 경로가 다른 수신 패킷을 수신하는데 이미 사용 중인 경우 발생할 수 있다.
에너지 소비 [J] 측면에서, 줄(J) 단위의 성공적인 전송당 평균 에너지 소비는 소비된 총 단말(110) 에너지를 성공적으로 수신된 총 패킷 수로 나눈 값으로 계산될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c를 참고하면, 저속(LOW-VELOCITY) 시나리오는 <표 5>에 나와 있는 서로 다른 구성을 가진 세 가지 어플리케이션 그룹을 대상으로 할 수 있다.
application Group
Figure pat00012
 Packet
length		 Coverage Mobility Communication PSR requirement
Assisted living/Medical G1 8 100bytes Indoor/outdoor Yes Bi-directional 90%
Pet tracking G2 48 50bytes Indoor/outdoor Yes Bi-directional 90%
Agriculture-livestock tracking G3 100 50bytes Indoor/outdoor Yes Bi-directional 90%
패킷 성공률의 경우, 종래의 ADR과 본 발명에 따른 M-ASFA 방식의 평균 PSR 비교한 결과를 확인할 수 있다.
일 실시예에서, 도 5a는 PL=100B와
Figure pat00013
=8packets/day일 때의 G1 케이스, 도 5b는 PL=50B와
Figure pat00014
=48packets/day일 때의 G2 케이스, 도 5c는 PL=50B와
Figure pat00015
=100packets/day일 때의 G3 케이스에 대한 분석 결과를 확인할 수 있다.
<표 5>에 나와 있는 서로 다른 구성을 가진 세 그룹에 대해 제공된 트래픽이 증가할 때 PSR이 일반적으로 어떻게 변하는지 확인할 수 있다.
확인 모드(Confirmed Mode)에서(CON), ADR의 경우 본 발명에 따른 M-ASFA 방식에 비해 3가지 시나리오(G1, G2, G3) 모두에서 성능이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
서버(130)는 게이트웨이(120)의 듀티 사이클 제약 때문에 듀 타임(due time)에 게이트웨이(120)에 의한 상향링크 패킷의 성공적인 수신을 확인하지 않을 수 있다.
또한, 도 5a, 5b 및 5c에서, ADR CON 경우 미확인 패킷으로 인한 극심한 병목 현상으로 인해 발생할 수 있다. 따라서 PSRCON이 감소할 수 있다.
확인되지 않은(unconfirmed) 패킷은 단말(110)에서 상향링크 전송 트래픽 부하를 증가시켜 대규모 재전송을 유발할 수 있다.
ACK 실패로 인해 상향링크 패킷을 전송하려면 더 많은 재전송이 필요하며, 이는 상당한 간섭을 유발할 수 있다.
ACK는 게이트웨이(120)의 전송 우선 순위로 인해 상향링크 패킷 수신보다 우선하므로 상향링크 패킷 손실이 발생하여 PSRCON이 감소할 수 있다.
한편, ADR의 PSRUNC는 확인 모드(PSRCON)에서 ADR의 PSRUNC보다 높을 수 있다.
미확인 모드는 게이트웨이(120)로부터 DL ACK 응답을 요구하지 않기 때문에 하향링크 용량은 반이중 게이트웨이(120)를 사용하여 절약될 수 있다. 이것은 개선된 PSRUNC를 달성할 수 있다.
그러나 ADR에서 확인되지 않은 패킷을 사용하는 단말(110)은 상향링크 프레임의 헤더에 ADRACKReq 비트를 설정하여 64개의 상향링크 패킷 이후에 게이트웨이(120)로부터 주기적으로 DL ACK 응답을 수신할 수 있다.
이 확인 응답은 일반적으로 단말(110)이 게이트웨이(120)와의 연결을 검증하기 위해 획득될 수 있다.
단말(110)이 64개의 상향링크 패킷 전송을 완료하고 하향링크 응답을 수신하지 않으면 단말(110)은 다음 32개 패킷에 대해 ADRACKReq를 활성화할 수 있다.
서버(130)로부터의 ACK 응답이 없는 경우, 단말(110) 측의 ADR은 SF를 증가시키기 위해 트리거될 수 있다(즉, SF<12).
그러나 PSRUNC 측면에서 도 5a, 5b 및 5c의 감소 추세는 이동성 때문일 수 있다.
이러한 이동성은 신호 강도를 감소시킬 수 있다. 따라서 많은 단말(110)이 불리한 채널 조건으로 인해 게이트웨이(120)에 도달하지 못하여 높은 패킷 손실이 발생할 수 있다.
이러한 단말(110)은 활성 상태를 유지하고 인근 단말(110)에 간섭을 일으켜 LoRaWAN 확장성을 제한할 수 있다.
CON(Confirmed Mode) M-ASFA의 경우 제공되는 트래픽의 증가로 인해 PSRCON도 감소할 수 있다.
그럼에도 불구하고 90%의 만족스러운 PSRCON은 10,000패킷/일의 제공 트래픽으로 달성될 수 있다.
제공된 트래픽의 증가와 함께 PSRCON의 감소 추세(도 5a, 5b 및 5c)는 단말(110)과 게이트웨이(120)의 듀티 사이클 제약으로 인해 발생할 수 있다.
또한 게이트웨이(120)에서 ACK의 전송 우선 순위로 인해 게이트웨이(120)에 도착한 단말(110)의 상향링크 패킷이 손실될 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 M-ASFA 방식은 단말(110) 이동성에 능동적으로 대응하고 SF를 적응적으로 적용하여 PSRCON을 개선함을 확인할 수 있다.
종래의 ADR과 달리 미확인 모드의 M-ASFA 방식은 가장 높은 PSRUNC를 달성할 수 있다. M-ASFA 방식은 이동성 인식 접근 방식을 채택하여 모든 어플리케이션의 PSR 요구 사항을 충족할 수 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSRCON 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 6c를 참고하면, M-ASFA와 ADR 모두에 대해 3,168(일일 패킷)개의 제공된 트래픽에서 시간당 PSRCON의 또 다른 시나리오를 확인할 수 있다.
즉, 제공된 트래픽 (O) [packets/day] = N x
Figure pat00016
의 확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA와 종래의 ADR의 per-hour PSRCON을 확인할 수 있으며, 도 6a는 PL=100B와
Figure pat00017
=8packets/day일 때의 G1 케이스, 도 6b는 PL=50B와
Figure pat00018
=48packets/day일 때의 G2 케이스, 도 6c는 PL=50B와
Figure pat00019
=100packets/day일 때의 G3 케이스에 대한 분석 결과를 확인할 수 있다.
도 6a에서 M-ASFA는 최소 PSRCON 요구 사항을 충족하는 반면, ADR은 유사한 요구 사항을 충족하지 못함을 확인할 수 있다.
도 6b 및 6c에서 ADR은 SF 할당 측면에서 안정적인 상태로 수렴하는데 각각 16시간 및 10시간(검은색 점선으로 표시)이 필요함을 알 수 있다. 이는 종래의 ADR 기능을 확인할 수 있다.
이 수렴 기간의 주된 이유는 M개의 상향링크 패킷(즉, M = 20)을 모니터링하는 서버(130)에 의해 요구되는 시간일 수 있다. 그러나 PSRCON은 수렴 기간 이후에도 시간에 따라 변동할 수 있다. 이는 ADR이 가변 채널 및 이동성 조건에 적응할 수 없기 때문일 수 있다.
반대로, 본 발명에 따른 M-ASFA는 PSRCON과 유사한 경향을 따르기 때문에, 도 6a와 같이 수렴 시간이 필요하지 않을 수 있다.
이는, M-ASFA가 상향링크 패킷 전송 전에 최적의 SF를 적응적으로 할당하기 때문일 수 있다. 따라서 M-ASFA는 ADR에 비해 더 높은 PSRCON을 달성할 수 있다.
도 6b 및 도 6c을 참고하면, ADR 수렴의 또 다른 특징을 나타낸다. 즉, 하루 패킷 수가 증가하면 수렴 시간이 단축될 수 있다. 이는 ADR이 M개의 패킷을 빠르게 수신하여 SF와 TP를 최적으로 구성할 수 있기 때문일 수 있다.
그러나 이동성으로 인해 SF와 TP의 이러한 ADR 구성은 PSR 및 안정성 측면에서 모바일 어플리케이션 요구 사항의 충족을 보장하지 않을 수 있다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSRUNC 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 7a 내지 7c를 참고하면, M-ASFA와 ADR 모두에 대해 3,168(일일 패킷)의 제공된 트래픽에서 시간당 PSRUNC를 확인할 수 있다.
즉, 제공된 트래픽 (O) [packets/day] = N x
Figure pat00020
의 미확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA와 종래의 ADR의 per-hour PSRUNC를 확인할 수 있으며, 도 7a는 PL=100B와
Figure pat00021
=8packets/day일 때의 G1 케이스, 도 7b는 PL=50B와
Figure pat00022
=48packets/day일 때의 G2 케이스, 도 7c는 PL=50B와
Figure pat00023
=100packets/day일 때의 G3 케이스에 대한 분석 결과를 확인할 수 있다.
도 7에 나타난 ADR의 PSRUNC는 도 6보다 높을 수 있다. 이는 단말(110)이 미확인 모드에서 게이트웨이(120)로부터 ACK를 요구하지 않기 때문일 수 있다.
도 7c에서 ADR은 게이트웨이(120)와 단말(110) 사이의 채널 변화에 영향을 미치는 이동성 요인으로 인해 12시간의 높은 수렴 시간을 겪을 수 있다. 결과적으로 종래의 ADR은 안정적이고 에너지 효율적인 상태에 적응하지 못한다.
한편, 본 발명의 경우, 도 7a 및 7b에서 ADR의 PSRUNC와 비교할 때, G1, G2 및 G3 어플리케이션의 최소 PSR 요구사항을 만족하고 크게 나타나는 것으로 나타나고, M-ASFA가 채널 적응형 SF를 단말(110)에 할당하기 때문에 수렴 기간이 관찰되지 않음을 확인할 수 있다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLR-I 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 8a 내지 8c를 참고하면, 패킷 손실에 대한 간섭 영향을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 M-ASFA와 종래의 ADR의 평균 PLR-I를 확인할 수 있다.
즉, 간섭에 의해 유발되는 미확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA와 종래의 ADR의 평균 PLR-I를 확인할 수 있으며, 도 8a는 PL=100B와
Figure pat00024
=8packets/day일 때의 G1 케이스, 도 8b는 PL=50B와
Figure pat00025
=48packets/day일 때의 G2 케이스, 도 8c는 PL=50B와
Figure pat00026
=100packets/day일 때의 G3 케이스에 대한 분석 결과를 확인할 수 있다.
확인 모드에서 ADR의 경우 양방향 통신으로 인한 트래픽 부하가 증가함에 따라 PLR-I가 증가할 수 있다. 패킷 손실로 인해 간섭이 증가하는 재전송이 발생하기 때문에 이것은 스노우볼 효과를 발생시킬 수 있다.
또한, 재전송 횟수가 많을수록 일반적으로 ADR의 간섭으로 인해 손실되는 패킷 수가 많음을 확인할 수 있다.
또한 대규모 LoRaWAN 네트워크에서 ADR은 대부분의 단말(110)이 충돌 가능성을 최대화하는 가장 높은 SF로 전환되는 시나리오를 얻을 수 있다.
즉, 재전송 횟수가 많을수록 상향링크 방향의 혼잡이 불필요하게 증가하고, 높은 SF가 높은 ToA로 인해 가장 높은 수준의 충돌을 일으킬 수 있기 때문에 상당한 충돌을 초래할 수 있다.
이에 반해 본 발명에 따른 M-ASFA 방식은 상향링크 패킷 전송 전에 단말(110)에 SF를 할당하여 패킷 수신 가능성을 높일 수 있다. M-ASFA의 이러한 사전 예방적 동작은 간섭의 영향을 낮추어 재전송을 줄일 수 있다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR-S 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 9a 내지 9c를 참고하면, 패킷 손실에 대한 민감도 영향을 확인할 수 있다. 즉, M-ASFA와 ADR의 평균 PLR-S를 확인할 수 있다.
즉, 게이트웨이(120)의 수신 민감도 하에서 도착하는 패킷에 의해 유발되는 확인 모드 및 미확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA와 종래의 ADR의 평균 PLR-S를 확인할 수 있으며, 도 9a는 PL=100B와
Figure pat00027
=8packets/day일 때의 G1 케이스, 도 9b는 PL=50B와
Figure pat00028
=48packets/day일 때의 G2 케이스, 도 9c는 PL=50B와
Figure pat00029
=100packets/day일 때의 G3 케이스에 대한 분석 결과를 확인할 수 있다.
이 경우, 섀도잉 및 이동성으로 인한 낮은 SNR로 인해 패킷이 손실될 수 있다.
이러한 영향은 ADR(도 9a, 9b 및 9c의 곡선)의 경우 SF가 자주 변경되지 않고 서버(130)가 M 패킷을 기다려야 하기 때문에 볼 수 있다.
M개의 패킷이 서버(130)에서 수신된 후 ADR은 다음 전송을 위해 단말(110)의 SF를 다시 예약할 수 있다. 그러나 이 SF는 전파 시나리오가 크게 변경될 수 있으므로 성공적인 상향링크 수신을 보장하지 않을 수 있다. 따라서 현재 할당된 SF 및 링크 버짓은 단말(110) 이동성으로 인해 더 이상 유효하지 않을 수 있다.
이에 반해 본 발명에 따른 M-ASFA는 게이트웨이(120)의 수신 민감도를 기반으로 상향링크 전송 전에 항상 적절한 SF를 사전에 할당할 수 있다.
따라서 이동형 단말(110)에 대한 할당된 SF의 감도는 패킷을 게이트웨이에 성공적으로 전달하는데 필요한 감도보다 여전히 높을 수 있다.
즉, M-ASFA는 단말(110)에 대한 최적의 SF 할당에서 ADR을 능가하고 패킷 손실을 크게 줄일 수 잇다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSR 및 PLR 분석 그래프를 도시한 도면이다.
도 10a 내지 10d를 참고하면, 패킷 손실에 대한 게이트웨이(120) 전송(ACK) 및 포화 수신기 영향을 확인할 수 있다. 즉, PLR-T와 PLR-R의 영향을 확인할 수 있다.
PL=100B와
Figure pat00030
=8packets/day일 때의 G1 케이스에 대한 PSR과 PLR 분석을 확인할 수 있으며, 도 10a는 확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA, 도 10b는 확인 모드에서의 종래의 ADR, 도 10c는 미확인 모드에서의 본 발명에 따른 M-ASFA, 도 10d는 미확인 모드에서의 종래의 ADR의 분석 결과를 확인할 수 있다.
확인 모드에서 모든 단말(110)은 각 상향링크 패킷 이후에 DL ACK를 예상할 수 있다. 따라서 양방향으로 제공되는 트래픽이 증가할 수 있다.
결과적으로 PLR-T는 도 10a 및 10b와 같이 M-ASFA와 ADR 방식 모두에서 중요할 수 있다.
반면, 미확인 모드에서는 모든 단말(110)이 64개의 상향링크 패킷 이후에 하향링크 패킷을 예상하기 때문에 PLR-T는 확인 모드에 비해 상대적으로 낮을 수 있다(도 10d).
반면, PLR-R은 사용 가능한 모든 병렬 수신 경로가 다른 수신 패킷을 수신하는데 이미 사용 중일 때 발생할 수 있다.
그러나 단말(110)이 SF와 TP를 사용하여 전송한 패킷은 충분한 전력으로 게이트웨이(120)에 도달할 수 있다.
그러나 게이트웨이(120)는 최대 8개의 패킷을 동시에 복조할 수 있다.
따라서, 도10a, 10b 및 10d와 같이, 패킷이 특정 채널에 도착하고 사용 가능한 수신 경로가 없는 경우 패킷이 손실될 수 있다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 에너지 소비 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 11a 및 11b를 참고하면, 에너지 소비 측면에서, 성공적인 전송당 평균 에너지 소비를 줄(J) 단위로 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 도 11a는 확인 모드에서의 평균 에너지 소비 비교, 도 11b는 미확인 모드에서 평균 에너지 소비 비교를 확인할 수 있다.
이 경우, 에너지 소비를 모델링하는 상태 기반 에너지 소비자 모듈을 가정할 수 있다.
에너지 소비는 LoRa 무선이 특정 상태에서 소비한 시간에 따라 크게 달라질 수 있다.
이러한 상태는 송신, 수신, 대기(standby) 및 슬립(sleep)으로 분류되며, 송신 상태의 에너지 소비는 주로 송신 전력 레벨 및 확산 계수(spreading factor)에 기반할 수 있다.
도 11a 및 11b는 통신의 확인 및 미확인 모드에서 각각 M-ASFA 및 ADR의 에너지 소비를 나타낼 수 있다.
본 발명의 M-ASFA의 에너지 소비는 재전송 횟수가 적기 때문에 ADR보다 낮음을 확인할 수 있다. 이 경우, M-ASFA의 낮은 에너지 소비의 또 다른 원인은 높은 PSR일 수 있다.
그러나 ADR(도 11a)의 경우, 이동형 단말(110)이 서버(130)로부터 SF 및/또는 TP의 새로운 구성을 포함하는 ADR 명령을 수신할 때 전파 환경이 크게 변경되었을 수 있다. 따라서 새 구성이 유효하지 않아 패킷이 손실될 수 있다. 이 상황은 대규모 재전송을 일으켜 게이트웨이(120)에서 병목 현상을 일으킬 수 있다.
패킷이 높은 SF와 TP로 여러 번 재전송되면 결국 도 11a와 같이 에너지 소비가 증가할 수 있다. 패킷이 더 높은 SF로 전송되면 높은 간섭이 발생할 수 있다.
더 높은 SF는 도 11b와 같이 에너지 소비에 부정적인 영향을 줄 수 있는 높은 ToA로 인한 간섭에 매우 민감할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 시나리오의 평균 PSR 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 12를 참고하면, 예를 들어, 고속 시나리오는 무인항공기(unmanned aerial vehicle)에 대한 참고자료로 볼 수 있다.
패킷 성공률 측면에서, 고속 시나리오에 대한 확인 및 미확인 모드에서 M-ASFA 및 ADR의 평균 PSR을 확인할 수 있다.
예를 들어, 최소 속도 50[m/s]와 최대 속도 60[m/s]의 고속 시나리오의 확인 모드와 미확인 모드에서의 평균 PSR 비교를 확인할 수 있다.
이 경우, 확인 모드에서 단말(110)의 수가 증가함에 따라 PSRCON에서 감소하는 경향을 보여줍니다.
PSRCON의 감소 경향은 SF 간의 높은 간섭이나 높은 이동성으로 인한 게이트웨이(120)의 도달 불가능성 때문일 수 있다.
높은 이동성은 ADR의 PSRCON에 강력한 영향을 미칠 수 있다. 단말(110)이 새로운 SF와 TP 또는 둘 다를 수신할 때 전파 시나리오가 심각하게 변경되었을 수 있기 때문일 수 있다.
따라서 이러한 매개변수는 더 이상 유용하지 않을 수 있으며 게이트웨이(120)에 도달하지 않기 때문에 막대한 패킷 손실이 발생할 수 있다.
또한, ADR의 PSRCON은 단말(110)의 신호 세기가 증가하거나 감소할 때 게이트웨이(120)로부터 거리가 감소하거나 증가함에 따라 각각 점진적으로 감소할 수 있다.
단말(110)에 의해 적용된 새로운 매개변수를 사용하면 상향링크 패킷은 성공적이지만 ACK는 손실될 수 있다.
따라서 이 단말(110)에서 재전송이 증가하여 상당한 혼잡을 일으키고 막대한 패킷 손실이 발생할 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 M-ASFA 방식의 경우 각 상향링크 이전에 SF를 할당하는 것은 수신기 감도를 기반으로 하므로 PSRCON이 향상될 수 있다.
대조적으로, ADR은 배포 단계에서 TP=14와 함께 SF=12를 사용하기 때문에 ADR의 PSRUNC는 M-ASFA의 PSRUNC와 비교할 때 더 낮을 수 있다. 상위(higher) SF는 간섭에 매우 취약하므로 패킷 손실이 발생하여 PSRUNC가 감소할 수 있다.
그러나 M-ASFA는 고속 시나리오에서 M-ASFA가 언제 어떤 SF가 패킷을 성공적으로 전달할 수 있는지 항상 알고 있기 때문에 M-ASFA 방식은 PSRUNC 측면에서 ADR을 능가할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 시나리오의 평균 에너지 소비 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 13을 참고하면, 에너지 소비 측면에서, 단말(110)의 수를 달리하여 고속 시나리오에서 확인 모드(confirmed mode)와 미확인 모드(unconfirmed mode)에서 M-ASFA 및 ADR에 대한 평균 에너지 소비를 확인할 수 있다.
예를 들어, 최소 속도 50[m/s]와 최대 속도 60[m/s]의 고속 시나리오의 확인 모드와 미확인 모드에서의 평균 에너지 소비 비교를 확인할 수 있다.
확인 모드에서 M-ASFA와 ADR의 에너지 소비는 단말(110)의 수가 증가할수록 증가함을 확인할 수 있다.
그러나, ADR(CON)에서는, 단말(110)의 수가 증가함에 따라 에너지 소비가 빠르게 증가할 수 있다.
초기에 단말(110)의 수는 SF=12 및 TP=14인 높은 매개변수로 패킷을 전송할 수 있다.
증가된 간섭으로 인해 최대 패킷이 손실되고, 이로 인해 단말(110)이 더 높은 매개변수로 패킷을 재전송할 수 있다.
따라서 전송 에너지 소비가 주로 SF, TP 및 ToA 값을 기반으로 하기 때문에 이 경우 높은 에너지 소비를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 M-ASFA 기법은 ADR 방식과 달리 상향링크 패킷 전송 전에 단말(110)의 이동성을 사전에 모니터링하고 최적의 자원(SF)을 할당함으로써 최소 PSR 요구사항을 달성할 수 있다.
또한, M-ASFA 방식의 경우 재전송을 줄임으로써 SF를 최적의 자원으로 적응적으로 할당하고 PSR을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, M-ASFA 방식의 경우 높은 에너지 소비 없이 높은 PSR과 신뢰성을 요구하는 IoT 기반 모바일 어플리케이션에 매우 적합할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법을 도시한 도면이다. 일 실시예에서, 도 14의 각 단계는 도 1의 서버(130)에 의해 수행될 수 있다.
도 14를 참고하면, S1401 단계는, 단말(110)의 이동 여부에 따라 단말(110)에게 자원을 할당하는 단계이다. 예를 들어, 자원은 단말(110)에 대한 SF(Spreading Factor) 및 TP(Transmit Power) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 게이트웨이(120)에 의해 단말(110)로부터 수신한 상향링크 신호의 세기에 기반하여 단말(110)의 이동 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 단말(110)의 GPS(Global Positioning System)에 기반하여 단말(110)의 이동 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 단말(110)에 대한 TDOA((Time Difference of Arrival) 위치 측정 기능을 이용하여 단말(110)의 이동 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상향링크 신호의 세기의 변화량에 기반하여 단말(110)의 이동 거리를 결정하고, 단말(110)의 이동 거리에 기반하여 단말(110)의 이동 여부를 결정할 수 있다.
이 경우, 단말(110)이 이동하는 경우, 단말(110)에게 자원을 재할당할 수 있다.
일 실시예에서, 단말(110)이 이동하는 경우, 상향링크 신호의 세기가 게이트웨이(120)의 수신 민감도보다 큰 경우에 해당하는 적어도 하나의 자원 중 가장 작은 자원을 재할당할 수 있다.
일 실시예에서, 상향링크 신호의 패킷 길이가 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 작은 경우, 가장 작은 자원을 단말(110)에게 재할당하고, 상향링크 신호의 패킷 길이가 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 큰 경우, 적어도 하나의 자원 중 상향링크 신호의 패킷 길이를 지원 가능한 가장 큰 자원을 단말(110)에게 재할당할 수 있다.
반면, 단말(110)이 이동하지 않는 경우, 단말(110)에게 이전에 할당된 자원을 사용하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상향링크 신호의 세기를 측정하고, 측정된 신호의 세기가 제1 임계값보다 작은 경우, 단말(110)이 위치한 SF 영역에 존재하는 다른 단말들의 수(number)를 산출할 수 있다.
이후, 다른 단말들의 수가 제2 임계값보다 큰 경우, 신호의 세기가 간섭에 의해 감소한 것으로 판단하고, 자원 중 SF를 단말(110)에게 재할당할 수 있다. 일 실시예에서, 단말(110)에게 할당된 SF와 동일한 SF를 사용하는 다른 단말들의 수를 제2 임계값과 비교할 수 있다.
반면, 다른 단말들의 수가 제2 임계값보다 작은 경우, 신호의 세기가 섀도잉에 의해 감소한 것으로 판단하고, 자원 중 TF를 단말(110)에게 재할당할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 섀도잉은 단말(110)이 건물 내부로 이동하거나 장애물 등에 의해 가려지는 것을 의미할 수 있다.
S1403 단계는, 상기 할당된 자원에 기반하여 단말(110)로부터 게이트웨이(120)를 통해 상향링크 신호를 수신하는 단계이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 자원 할당 장치(1500)의 기능적 구성을 도시한 도면이다. 일 실시예에서, 도 15의 자원 할당 장치(1500)는 도 1의 서버(130)를 포함할 수 있다.
도 15를 참고하면, 자원 할당 장치(1500)는 제어부(1510), 통신부(1520) 및 저장부(1530)를 포함할 수 있다.
제어부(1510)는 단말(110)의 이동 여부에 따라 단말(110)에게 자원을 할당할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(1510)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 제어부(1510)는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 제어부(1510)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 자원 할당 장치(1500)의 동작을 제어할 수 있다.
통신부(1520)는 상기 할당된 자원에 기반하여 단말(110)로부터 게이트웨이(120)를 통해 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 통신부(1520)는 유선 통신 모듈 및 무선 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 통신부(1520)의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부(transceiver)'로 지칭될 수 있다.
저장부(1530)는 단말(110)의 이동성 여부에 대한 정보를 저장할 수 있다.
일 실시예에서, 저장부(1530)는 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부(1530)는 제어부(1510)의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공할 수 있다.
도 15를 참고하면, 자원 할당 장치(1500)는 제어부(1510), 통신부(1520) 및 저장부(1530)를 포함할 수 있다.본 발명의 다양한 실시 예들에서 자원 할당 장치(1500)는 도 15에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 15에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: LoRaWAN 시스템
110: 단말
120: 게이트웨이
130: 서버
1500: 자원 할당 장치
1510: 제어부
1520: 통신부
1530: 저장부

Claims (12)

  1. (a) 단말의 이동 여부에 따라 상기 단말에게 자원을 할당하는 단계; 및
    (b) 상기 할당된 자원에 기반하여 상기 단말로부터 게이트웨이를 통해 상향링크 신호를 수신하는 단계;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 게이트웨이에 의해 상기 단말로부터 수신한 상향링크 신호의 세기에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하는 단계;
    상기 단말이 이동하는 경우, 상기 단말에게 상기 자원을 재할당하는 단계; 및
    상기 단말이 이동하지 않은 경우, 상기 단말에게 이전에 할당된 자원을 사용하도록 제어하는 단계;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 상향링크 신호의 세기의 변화량에 기반하여 상기 단말의 이동 거리를 결정하는 단계; 및
    상기 단말의 이동 거리에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 단말이 이동하는 경우, 상기 상향링크 신호의 세기가 상기 게이트웨이의 수신 민감도보다 큰 경우에 해당하는 적어도 하나의 자원 중 가장 작은 자원을 재할당하는 단계;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재할당하는 단계는,
    상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 작은 경우, 상기 가장 작은 자원을 상기 단말에게 재할당하는 단계; 및
    상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 자원 중 상기 상향링크 신호의 패킷 길이를 지원 가능한 가장 큰 자원을 상기 단말에게 재할당하는 단계;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자원은, 상기 단말에 대한 SF(Spreading Factor) 및 TP(Transmit Power) 중 적어도 하나를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 방법.
  7. 단말의 이동 여부에 따라 상기 단말에게 자원을 할당하는 제어부; 및
    상기 할당된 자원에 기반하여 상기 단말로부터 게이트웨이를 통해 상향링크 신호를 수신하는 통신부;
    를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 게이트웨이에 의해 상기 단말로부터 수신한 상향링크 신호의 세기에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하고,
    상기 단말이 이동하는 경우, 상기 단말에게 상기 자원을 재할당하고,
    상기 단말이 이동하지 않는 경우, 상기 단말에게 이전에 할당된 자원을 사용하도록 제어하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상향링크 신호의 세기의 변화량에 기반하여 상기 단말의 이동 거리를 결정하고,
    상기 단말의 이동 거리에 기반하여 상기 단말의 이동 여부를 결정하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단말이 이동하는 경우, 상기 상향링크 신호의 세기가 상기 게이트웨이의 수신 민감도보다 큰 경우에 해당하는 적어도 하나의 자원 중 가장 작은 자원을 재할당하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 작은 경우, 상기 가장 작은 자원을 상기 단말에게 재할당하고,
    상기 상향링크 신호의 패킷 길이가 상기 가장 작은 자원에 대응하는 패킷 길이 임계값보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 자원 중 상기 상향링크 신호의 패킷 길이를 지원 가능한 가장 큰 자원을 상기 단말에게 재할당하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 자원은, 상기 단말에 대한 SF(Spreading Factor) 및 TP(Transmit Power) 중 적어도 하나를 포함하는,
    LoRaWAN에서 단말의 이동성에 기반하여 자원을 할당하기 위한 장치.
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