코딩도상국

안녕하세요.

국내 LoRa Specification을 관련해서 찾아보던 중 SKT 홈페이지에서 LoRa 관련 사업을 보게 되었습니다. 

그 중 하나가 Smart [지킴이] 입니다. 

ED에 GPS를 장착해 위치를 GW/NS 로 보내고 AS에서 공공기관으로 Integration 하는 방식인 것 같습니다. ( 일반적인 LoRaWAN이므로, 당연한 이야기입니다. )

저전력, 장거리 통신인 LoRa를 이용한 가장 기본적으로 생각해볼 수 있는 아이디어 인 것 같습니다. 

ED : End Device
GW : Gateway
NS : Network Server
AS : Application

이 사업을 보면서 들었던 생각은 과연 SF 결정은 어떻게 하는지 의문이 들었습니다. 

SF를 결정하는 Typcial ADR(Chirpstack 방식, TTN 방식)은 Static으로 즉, 움직이지 않는 ED를 대상으로 SF를 결정하므로, 움직이는 ED에는 적합하지 않습니다. 

https://coding-yoon.tistory.com/164?category=952690 

그래서 지킴이 사업 같은 경우는 GPS가 탑재된 ED를 착용한 사람은 움직이기 때문에 Mobility를 위한 ADR이 필요합니다.

Semtech방식의 Blind ADR을 소개하려고 합니다. 

https://lora-developers.semtech.com/uploads/documents/files/LoRaWAN_Mobile_Apps-Blind_ADR_Downloadable.pdf

기본적으로 Typical ADR은 SNR Margin을 계산하여 SF를 GW에서 다운링크로 주고 ED에서 다운링크를 받고 SF를 결정하는 방식입니다. 나중에 시간이 된다면, Chirpstack Opensource를 이용해 자세히 봐보겠습니다.

하지만, 채널 조건이 급격하게 변하는 모바일 어플리케이션의 경우엔 Typical ADR은 사용할 수 없어 Semtech은 Blind ADR을 제시합니다. 

Blind ADR은 생각보다 간단합니다. 이동체를 예측할 수 없기 때문에, 다운링크를 주는 방식이 아닌 ED에서 일정 주기를 가지고 SF를 규칙적으로 변경하는 것입니다. 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.

한 시간에 SF12로 한 번, SF10로 두 번, SF7로 세 번 씩, 위와 같이 변경하면서 전송하는 방식입니다. 

이 Semtech 방식의 간단한 Blind ADR은 애완 동물 추적 같은 응용 프로그램에서 낮은 전력 소비를 유지할 수 있었다고 합니다. 

지킴이 대상인 어르신, 어린이 같은 몸이 약한 사람이 애완 동물보다 빨라 봐야 얼마나 빠르겠습니까. 그래서 Semtech 방식의 Blind ADR을 쓰지 않았을까 조심스럽게 예상해봅니다.

https://coding-yoon.tistory.com/163

이전 글에서 Chirp Spread Spectrum에 대해 이야기했습니다. 

LoRa는 Chirp기반 확산 스펙트럼 변조로, Symbol은 Chirp입니다.

아래의 하나의 블록 이미지를 Chirp이라 하였고, 주파수의 변화에 따라 Up-Chrip, Down-Chirp로 구별할 수 있습니다.

전 글에서는 세로폭에 대해 제대로 짚고 넘어가지 않았습니다. 

세로 폭은 SF((orthogonal)Spreading Factor; (직교)확산계수, 초당 데이터 비트, 시간 단위당 변조되는 기호), DR(Data Rate, 데이터 속도) 입니다. 

ToA : Time on Air; 통신 시간 (SF7~SF12)
SF : Spreading Factor; 확산 계수
DR : Data Rate; 데이터 속도 (DR5~DR0)

전에 LoRa 장거리 통신을 위해 세로 폭을 늘리게 되면, ToA가 늘어나게 됩니다.  SF는 시간 단위당 변조되는 기호로, 기본적으로 SF가 높을수록 통신이 느려집니다. 

SF는 두가지 값을 알 수 있습니다. 

1. 각 기호에 포함된 chip의 수는 2^SF
2. 해당 기호로 인코딩할 수 있는 원시 비트 수는 SF입니다. 

그러므로 SF가 커지면,

1. 통신 거리가 증가한다.
2. ToA가 늘어난다.
3. 전력 소모가 증가한다.
4. DR은 감소한다.

그렇다면 큰 SF가 좋은가? 그렇지 않습니다. 

SF가 크면 통신 거리는 증가하는 반면, DR이 줄어, ToA가 늘어나며, 전력 소모가 증가하는 문제점이 생기기 때문에, 적절한 SF와 DR을 골라야 합니다. 

참고 SF, 주파수, 대역폭을 알면 ToA를 계산할 수 있다. 
계산기 : https://www.thethingsnetwork.org/airtime-calculator
공식 : https://www.rfwireless-world.com/calculators/LoRaWAN-Airtime-calculator.html

기본적으로 LoRa 통신은 Class A 방식으로, End Device가 Up-Link를 해야만, Gateway가 Down-Link를 할 수 있습니다. 여기서 가장 최신의 20개 Up-Link를 이용해 정적인(움직이지 않는) End Device(EN)에서 가장 적절한 DR 혹은 SF를 고를 수 있는데, 그것이 ADR(Adaptive Date Rate)입니다.

ADR을 통해 DR을 변경하면, End Device의 수명을 늘리고 링크 품질 최적화를 시킬 수 있습니다.

Mac Layer에서 Mac Command가 있습니다. Mac Command를 이용해 4가지 파라미터(SF, Channel Mask, Tx Power, Retransmission)를 설정할 수 있다. 위 파라미터를 이용해 만든 알고리즘이 ADR이다. 기본적으로 ADR은 Typical ADR을 말하며, TTN, Chirp Stack, SKT 등에서 Typical ADR 알고리즘을 사용한다.

https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/adaptive-data-rate/

ChirpStack Github에 Go Language로 구현.

https://github.com/brocaar/chirpstack-network-server/blob/master/internal/adr/default.go