LoRaWAN은 LoRa 얼라이언스에서 시작됐으며 장거리 무선 네트워크를 위한 비교적 새로운 무선 기술이다. 빠르게 성장하고 있는 이 기술은 다양한 IoT 애플리케이션을 매우 매력적으로 만들 수 있는 강력한 성능을 가지고 있으며, 이런 강력한 성능은 LoRaWAN 기기가 10년 또는 그 이상의 기간 동안 기술 제공을 보장하기 위해 중요한 테스트 요구 사항들이 필요하다.
개요
LoRaWAN은 sub-GHz 지역 ISM과 약한 면허 대역에서 Chirp Spread Spectrum(CSS) 변조를 사용하는 양방향, 종단과 종단 간 암호화된 프로토콜이다.
LoRaWAN 연합은 IBM, Cisco, Orange, Renesas, Semtech, Arduino, Microchip, ST Microelectronics 그리고 ARM을 포함하여 500개 이상의 멤버들로 구성된 공개 비영리 단체이다.
이렇게 넓은 산업계의 지원은 이 기술이 전 세계적인 지원을 받고 있다는 것을 의미하며, 이미 350개 이상의 설치 및 시범 사용이 진행 중이다.
주요 특징
oRaWAN 기술은 빌딩, 지하실 그리고 건물 내부 주차장에 적용하는데 매우 좋은 내부 통신 전달 특성과 25~50km 외부 장거리 통신을 지원한다. 클라이언트 디바이스에는 센서들이 포함되는데, 이것들은 낮은 가격, 낮은 데이터 속도의 기기들로 배터리 수명은 보통 10년 이상이며 어떤 경우 20년까지 사용한다.
LoRaWAN은 셀룰러 기술과 같은 다른 기술들과 비교해 상대적으로 낮은 기반시설을 갖는 개인 및 공공 사용 모델 모두를 지원하는 매우 확장성 있는 기술이다. 여기에는 하드웨어 및 관련 디자인을 포함하며, 일부는 오픈 소스 소프트웨어를 포함한다. 또한, 위성 위치확인 시스템(GPS)에 의존하지 않는 지리적 위치 확인 옵션 기능을 포함한다.
GPS가 없는 지리적 위치 확인 기능은 중요하다. 왜냐하면 GPS 회로가 상당히 많은 배터리 소모를 가져올 수 있기 때문이다. LoRaWAN의 지리적 위치 확인 기능은 GPS만큼 정밀하지 않다. 이는 가장 가까운 도시 블록까지 위치를 결정할 수 있는 차별화된 도착시간 알고리즘에 기초한다.
낮은 파워
LoRaWAN의 CSS 변조 방식 사용은 게이트웨이에서 복원 가능한 간섭 신호들의 파워 레벨 아래로 최대 25dB까지의 동작이 가능하게 한다. LoRaWAN 프로토콜은 가변 데이터 속도 알고리즘을 사용하는데 이는 게이트웨이로부터의 거리에 기초한 종단 노드의 데이터 속도를 조정하여 공중(air)에서의 시간을 최적화한다. 이런 기능들 모두 LoRaWAN 가치 제안의 중요 요소가 되는 종단 노드의 배터리 수명에 기여한다.
테스트 목적
LoRaWAN의 많은 가치 제안들이 정교한 무선 기술과 기기의 긴 배터리 수명에 기초하기 때문에 R&D, 검증 및 제조 테스트에서 장비들을 정밀하게 테스트하는 것이 매우 중요하다. 종단 기기들의 저렴한 가격은 많은 센서를 갖는 응용기술에서 LoRaWAN을 더 인기 있게 만든다.
센서들을 설치하는 비용은 훨씬 초과할 수 있으며, 고객들은 장기적인 적용 성공을 위해 긴 보장 기간을 요구할 수 있다. 충전된 배터리를 과도하게 소비하게 되는 종단 장비에서의 펌웨어 결점 또는 하드웨어 결함은 한 프로젝트의 경제성을 파괴할 수도 있다.
그러므로 LoRaWAN 장비들은 이하의 테스트 목적에 맞도록 하는 것이 매우 중요하다.
·관련 RF 규정 준수
·RF 송신 능력
·RF 수신 능력
·배터리 소모 분석
·관련 RF 규정 준수
모든 무선은 다양한 정부 규제를 준수해야만 한다. 그리고 미국에서 LoRaWAN의 CSS 사용은 FCC Part 15.247을 따라야 한다. FCC Part 15.247은 비면허 무선들이 갖는 특징인 호핑(hopped) 및 스프레딩(spreading) 스펙트럼 송신 주파수에 적용된다.
여러분은 LoRaWAN 기기들을 디지털 변조 모드, 확산 스펙트럼 모드 그리고 디지털 변조와 확산 스펙트럼 모두의 특징을 사용하는 하이브리드 모드에서 테스트해야만 한다. LoRaWAN 하드웨어의 제공자이자 프로모터인 Semtech은 디자이너들과 제조업자들이 FCC 규정에 맞추는 것을 돕기 위해 많은 기술 문서들을 만든다.
RF송신 능력
기기의 송신 품질은 긴 배터리 수명을 보장하기 위해 중요하다. 만약 데이터 패킷을 받지 못했다면 다시 전송되어야만 하며, 이는 수신 및 송신 기기들 모두의 배터리 소모를 가져온다.
특정한 테스트 시퀀스로 DUT(Device Under Test)를 구동하는 소프트웨어를 사용하는 상대적으로 단순한 셋업과 DUT에서 송신된 신호를 측정하고 분석하는 신호 분석기가 필요하다.
신호 분석기는 Keysight N9020B(그림 1)과 같은 단독형 X-시리즈 신호 분석기 또는 PXI 형태의 신호 분석기일 수 있다. 또한, 여러분은 변조도(Modulation Quality) 측정을 할 수 있는 소프트웨어를 신호 분석기에 추가할 수도 있다.
FCC part 15.247의 LoRaWAN에 대한 주요 테스트들은 아래와 같다.
·배출(Emission) 출력 파워 <= 30dBm
·6dB 대역폭> 500kHz (디지털 변조 모드에서)
·전도(Conducted) 출력 스펙트럼 밀도 <= 8dBm (모든 3kHz 밴드에서)
·20dB 대역폭 <= 500kHz (호핑(hopped) 채널 주파수에 대해서)
·Tx 기생(Spurious) 출력 <= -43dBm (10MHz부터 송신 주파수의 10번째 고조파까지)
·FSK 모드에서 Tx 변조 특성(주파수 변이 및 캐리어 주파수 오차를 기초로)
RF 수신 능력
LoRaWAN이 낮은 출력 신호를 사용하기 때문에 수신자의 감도가 정확히 설정되고 수신 기기가 적절하게 신호를 복조하고 동일 채널 및 이웃 채널 간섭을 포함하여 모든 종류의 간섭이 차단된다는 것을 확인하는 것이 중요하다. 이를 위해서 신호 발생기를 제어하고 LoRaWAN 신호를 생성하는 Signal Studio 소프트웨어를 사용한다. 다시 한 번, 이는 Keysight N5182A(그림 2)와 같은 단독형 장비이거나 PXI 모듈이 될 수 있다. 다른 경우, 신호는 매우 낮은 출력으로 약화되고 LoRaWAN 기기로 전송된다.
이 LoRaWAN DUT(Device Under Test)는 일반적으로 Semtech이 제공하는 테스트 소프트웨어와 같이 동작될 것이다. 이 소프트웨어는 신호 발생기에서 오는 임의의 반복적인 파형에 대해 동작하며 패킷들이 정확하게 수신되었는지 또는 에러를 갖고 수신되었는지를 계산한다.
여러 스프레드(spread) 요인들에서 수신기 민감도를 테스트하고 이 민감도 레벨이 간섭 신호가 있을 때 3dB이상 증가할 필요가 없다는 것을 확인하는 것은 LoRaWAN에 있어서 중요하다.
DC 파워 분석기에서 배터리 소모 측정
많은 LoRaWAN 적용에 있어서 긴 배터리 수명이 사업적으로 중요한 부분이기 때문에 정확하고 정밀한 전류 소비를 측정하는 것이 중요하다. 더 나아가, LoRaWAN 기기의 여러 가지의 작동에서 얼마나 많은 전지 소모가 있었는지를 아는 것이 중요하다. 그렇게 되면 기기 펌웨어를 사용할 때 적절한 교환(Trade-off)을 만들 수 있다.
LoRaWAN 종단 기기는 낮은 출력 상태(Sleep, Idle, Hibernate and so on)와 동작 모드 (수신, 송신, 프로세싱) 사이의 몇 가지 크기 순서로 정해진 다양한 전류레벨을 가질 확률이 높기 때문에 범위 변화와 관련된 작은 결함도 없는 넓은 동적 영역 (Dynamic Range)에 걸쳐 측정할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
예를 들어 만약 여러분의 기기 또는 기기 내 부품의 가장 높은 동작 전류가 가장 낮은 동면(hibernate) 상태 모드보다 250,000배 크다면, 동적 영역에 대응하기 위해 18비트가 필요하다. 만약 1%의 정밀도가 필요하면 여러분은 추가 7bit가 필요해서 총 25bit가 필요하게 된다.
대부분의 장비들은 단일한 측정 범위에서 이런 종류의 응용 요구조건을 보장할 수 없다. 그래서 Keysight N6781A 또는 N6785A 소스-측정 유닛(SMU)을 갖는 Keysight N6705C DC 파워 분석기(그림3)와 같은 끊김 없는 범위를 갖는 장비를 찾는 것이 가장 좋다. N6705C의 끊김 없는 범위는 범위 변화와 관련된 작은 결함 없이 28bit의 동적 영역을 제공한다.
LoRaWAN 기기에서 전류 소비를 분석하기 위한 유용한 분석 툴은 부가적인 누적 분배 기능(CCDF, 그림 4에서 보여짐)이다. CCDF는 여러분의 LoRaWAN 기기가 얼마나 자주 다양한 전류 레벨에서 작동하는지를 보여주는 완벽한 XY 그래프를 제공한다.
디바이스 전류 파형 분석기에서 배터리 소모 측정하기
LoRaWAN 기기의 배터리 소진을 측정하기 위한 유용한 장비는 (아래 보여진) Keysight CX3300 시리즈와 같은 디바이스 전류 파형 분석기이다. 이 장비들은 최대 140MHz와 최소 100pA까지의 전류를 측정할 수 있다. 디바이스 전류 파형 분석기의 높은 대역폭은 빠른 펄스를 확인하는 데 이상적이다.
디바이스 전류 파형 분석기는 CCDF 디스플레이가 가능하며, 추가로 자동적인 전류 프로파일러를 갖는다. 이 툴은 자동으로 전류 파형을 전류 레벨에 기초해서 세그먼트로 나누고 각각의 세그먼트에 대해 다양한 통계를 계산한다. 여러분은 자동으로 제공되는 것들 이상으로 사용자 지정 측정 및 통계를 얻기 위해 세그먼트 마커들을 더하고, 지우고 움직일 수 있다.
요약
LoRaWAN은 강한 간섭 면역력, 장거리 범위 및 긴 배터리 수명을 위해 낮은 데이터 속도를 상쇄하는 정교한 낮은 출력 광대역 네트워크(LPWAN) 기술이다. 여러분의 LoRaWAN 응용 기술이 경제적으로 성공할 수 있도록 송신 및 수신 특성이 FCC Part 15.247을 준수하고 배터리 수명이 십 년 또는 그 이상이 돼야 하는 고객의 기대를 확실히 맞추기 위해 LoRaWAN 기기를 엄격히 테스트해야만 한다.
추가 정보를 위해서는 http://www.semtech.com/images/datasheet/an1200.26.pdf에 있는 FCC Part 15.247 측정 애플리케이션 노트와 www.keysight.com/find/lpwa에 있는 낮은 출력 광역 네트워크상의 정보가 있는 웹 페이지를 확인하면 된다.
글 Brad Jolly 키사이트
