In this paper, we focus on technologies that are suitable for low power wide area(LPWA) Internet of Things(IoT) and propose a performance improvement methods. Two important issues in LPWA IoT systems are massive connectivity and low power consumption.
The first study deals with improving the connectivity of LoRa (Long Range). Among the various LPWA IoT technologies, LoRa designed for the unlicensed band uses the CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation in the PHY (Physical) layer. As the spreading factor of the CSS increases, the probability that a packet will be successfully arrived and processed in a gateway increases, realizing the long distance communication. However, a packet air time is also prolonged. Thus, it is not a good strategy where all sensors transmit with the highest spreading factor only for packet stability for the entire system’s profit. In this paper, we propose a sub-optimal spreading factor allocation method for each transmit node according to the distance from the receiving gateway for maximizing the connectivity of the whole system. Through the numerical analysis and simulation, we confirmed that the proposed method has advantages over the conventional system.
In the second study, for the shake of extending the communication distance and reducing the power consumption of nodes, we propose the introduction of untrusted relays with the help of energy harvesting. The relay can help reduce the transmit power consumption of the sensor nodes since nodes can transmit their packet to the nearest relay other than the gateway. Untrusted relays are those relays that want to help in transferring node’s packets but are not allowed to know the information. Under heterogeneous networks, devices that do not belong to the IoT network can be candidates for untrusted relays. In order to maintain information security from the relay, the gateway can emit a jamming signal, which is called
physical layer security communication. The relay can use the jamming signal and the received signal of the sensor nodes for energy harvesting, which contributes to reduce the power consumption of the relay. Reception of the jamming signal from the gateway and reception of packets from the sensor node are performed in the same phase, but signal transmission from the relay to the gateway is performed on the other phase. Since there is a time difference between the two phases, when the gateway transmits the jamming signal and when the jamming signal is removed from the received signal in a gateway, a residual jamming signal due to a time-varying channel exists. We propose an optimal security communication method in terms of the ergodic secrecy rate and the outage probability through the derivation of those expressions and verify it through numerical simulations.
본 논문에서는 사물 인터넷(Internet of Things) 중에서도 저전력 광역(Low Power Wide Area) 환경에 맞춘 기술들을 중점적으로 다루고 그들의 성능 개선 방법에 대하여 제안한다. 저전력 광역 사물인터넷에서 중요한 화두는 방대한 연결성(Massive Connectivity)와 저전력소비(Low power consumption)이다. 본 논문에서는 각 화두의 향상 방안에 대한 내용이다.
첫번째 연구에서는 LoRa (Long Range)의 연결성 개선 방법에 대해 다룬다. 여러 LPWA IoT 기술들 중에서도 비면허대역을 이용하는 LoRa는 PHY(Physical) 계층에서 CSS(Chirp Spread Spectrum) 방식을 이용한다. CSS는 그 특징상 확산 계수(Spreading Factor)가 높아짐에 따라 수신기에서 성공적으로 패킷을 전송 받을 확률이 높아져 장거리 전송이 유리하지만, 패킷의 공중 전송시간이 길어지는 특징을 가지고 있다. 이는 다른 패킷들 간의 충돌 확률을 높이는 결과를 나타낸다. 따라서, 모든 송신 노드들이 패킷의 안정성만을
위해 높은 확산 계수로 보내는 것은 전체 시스템 관점에서 혜안이 아니다. 본 논문에서는 전체 시스템의 이득 관점에서 송신 노드들에 대한 준최적 확산계수 할당 방법을 제안한다. 수식전개와 시뮬레이션을 통해 제안 방법이 종래의 방법에 비해 전체 시스템의 연결성 관점에서 이득을 가짐을 확인하였다.
두번째 연구에서는, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)의 도움을 받는 비신뢰 릴레이 도입을 제안한 다. 릴레이의 도입은 송신 노드들의 전력 감소에 도움을 줄수 있고 게이트웨이의 영역 밖에 있는 노드들의 통신도 도울 수가 있다. 비신뢰 릴레이란 노드들의 신호 전달에 도움을 주지만 그 정보에 있어서는 열람이 허락되지 않는 릴레이들을 말한다. 이종망이 혼용된 환경 하에서, IoT 망에 속하지 않는 장치들이 비신뢰 릴레이의 후보가 될 수 있다. 릴레이로 부터의 정보 보안을 유지하기 위해 게이트 웨이는 PHY 계층의 방해 신호를 방사할 수 있는데 이를 PHY계층 보안 통신이라 한다. 더불어, 릴레이는 방해신호와 노드들의 송신 신호를 에너지 하베스팅에 이용하여 릴레이에서 발생하는 전달 전력 소모 감소에 이용할 수 있다. 게이트 웨이로 부터의 방해 신호 수신과 노드로부터의 패킷 수신은 동(同) 상(Phase)에서 이루어지지만, 릴레이로 부터 게이트웨이로의 신호 송신은 이들과 다른 상에서 이루어진다. 두 상은 시간 차이가 존재하기 때문에 게이트웨이가 수신한 신호에서 송신했던 방해 전파를 제거(Canceling)할 때, 채널의 시간 변화에 의한 잔류 방해 신호(Residual Jamming Signal)가 존재하게 된다. 수식전개를 통해 게이트웨이로의 보안 정보 전달 (Secrecy Rate)과 신호 단절 확률(Outage Probability) 측면에서 최적 보안 통신 방안을 제안하고 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다.
