WiFi, Bluetooth, BLE, Zigbee, Z-wave, WiSUN, LoRa, NBIoT 등 소출력 IOT 무선 기기(LPWAN)는 많아지고 있지만 실생활에서는 생각보다 전송거리가 짧거나, 음영지역의 발생으로 활용도가 떨어지는 경우가 발생하고 있습니다. 이글은 소출력 무선기기의 무선전송거리를 늘리기 위한 기본적인 방법을 설명하려고 합니다.
무선 전송거리 성능 항목 = {송신파워, 송신 안테나크기, 수신안테나크기, 수신기성능 ...}
몇십억광년 거리의 신호도 아주 큰 출력으로 송신하고, 아주 큰 안테나(Gain이 좋은) 와 좋은 수신기(NF 가 낮은 LNA 장착...?)가 있다면 측정이 가능합니다.
하지만 소출력 IOT무선기기의 출력과 안테나크기(Gain)은 사용상 제한이 있습니다. 그래서 다음과 같은 기본적인 사항을 고려하여 전송거리를 늘려야 합니다.
1. 안테나
무선기기의 안테나는 내장형안테나와 외장형 안테나로 구분됩니다..
그리고 일반적으로 쓰이는 안테나는 아래와 같은 다이폴안테나의 방사특성을 나타냅니다.
전방위적인 방사로 보이지만 사실 아래/위 방향의 방사특성은 가로방향에 비해서 약 10~100배 이상의 차이가 있고, 이러한 특성으로 안테나는 일자로 하늘을 바라보게 설치하는 것이 멀리 전송하는데 가장 좋습니다.
보내고 받는 방향으로 서로 총쏘듯이 ? 설치하면 최악의 상황임!^^
안테나를 교체 하려고 한다면 이런 방사특성을 확인하고, Peak Gain(안테나 크기) 뿐 아니라 Average Gain도 비교 하는 것이 좋습니다.
이것도 저것도 안된다면 설치위치를 바꿔야 합니다. (안방에서... 마루로 ?)
2. 주파수
전파의 감쇄 공식 free-space path loss (FSPL) formula
여기서 c는 빛의 속도, f는 주파수(hertz), d는 거리(meter)
즉 전송거리가 멀수록, 또 사용하는 주파수가 높은 주파수 일수록 크게(제곱) 전파는 감쇄 합니다. 반대로 전송거리가 가깝고 주파수가 낮을수록 무선성능이 향상됩니다.
아래 그림과 같이 높은 주파수는 직진성이 강해서 장애물이 있으면 넘어가기 어려우나 저주파는 장애물을 넘어(회절)갑니다.
예를 들면 WiFi 모듈의 경우도 2.4GHz 대역이 5GHz 보다 더 멀리 전송 되고, 또한 무선전화도 안터지는 산골에서 저주파 라디오는 수신이 원활한것을 생각하시면 됩니다.
동일한 송수신 조건이라면 전송거리는 400MHz > 900MHz > 2.4GHz > 5GHz 와 같이 됩니다.
하지만 한가지 고려할사항은 저주파일수록 전송대역폭이 제한되어... 많은데이터를 짧은 순간에 보내기 어렵습니다. 그래서 이동통신 5G는 넓은 대역폭을 주기위해서 높은 주파수로 할당되어 있습니다. (주파수가 높아서 잘 안터지나...)
3. Mesh (매쉬) 방식 사용
BLE, WiSUN, Zigbee 등 최근의 IOT 방식은 1대1(P2P) 통신 방식 이나 1대 다(Star)에서 Mesh 방식으로 진화 하였습니다.
Mesh 방식은 여러개의 Node를 사용하는 경우 전송거리를 효과적으로 늘릴수 있으며, 음영지역을 줄일수 있는 최적의 방식이고, 고장이 발생한 경우에도 무선 Path를 자동 변경하여 망을 안정적으로 유지시킬수 있는 방식입니다.
Hunature BN-02(BLE), SO9(WiSUN) 모듈을 이용한 Mesh 망 구성도
WiSUN 및 Z-wave 등 1GHz 이하의 주파수의 Mesh 방식이 전송거리 측면에서 주목을 받고 있다.
IOT 전파가 잘 안터질때 해볼수 있는 것을 정리하면,
- 좋은 안테나(커다란!)를 쓰고, 좋은 위치에 다이폴 안테나 방향은 하늘을 바라보게 하자(아니면 땅방향이라도)
- 주파수가 낮은 대역이나 통신방식을 사용하자, 높은 주파수는 직진만한다!
- Receiver sensitivity 가 좋은 모듈, 통신방식을 쓰자! (안되면 LNA라도)
- 송신 출력을 증가시킨다... (아이들에게 좋진 않음)
- 수신방향 VSWR 은 좋은지 확인해보자.
- WiSUN, Z-Wave 등 1GHz 이하의 무선 Mesh 방식을 쓰자.
PS. 드론 등 일부 경우는 지향성안테나를 쓰는것이 더 효과가 있으며 (방향이 정해진 경우) 이때는 특정방향의 Antenna Gain 과 Beamwidth가 주요 고려사항이다. 때로는 Antenna 여러개를 사용해서 방향에 따라 잘 접속되는것을 선택적으로 사용하기도 한다.
[출처] IoT 무선 전송거리 증가 방법|작성자 휴네이처
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