저전력 광역 네트워크(LPWAN, Low Power Wide Area Network)는 원격 측정, 원격 제어와 같이 작은 크기의 센서 데이터로 운용되는 사물인터넷 서비스를 위한 무선 통신 기술이다. LPWAN 기술은 에너지 제한(Energy-constrained)적인 단말이 적은 전력 소모만으로 장거리에 걸쳐 데이터 전송을 가능하게 한다. 그러나, 실제 환경에서 LPWAN 기술은 커버리지 축소 및 확장성 저하 문제에 직면했다. 본 논문은 비면허 대역 LPWAN의 대표 기술인 LoRa 기술을 기준으로 하여 커버리지 및 확장성 향상을 개별적인 네트워크 계층에서 시도하고, 계층 간 상호 보완을 통해 LoRa 네트워크의 성능 향상에 기여하였다.

네트워크 2계층 연구에서는 도심 지역 내 대규모 전송을 고려한 분산 큐잉(DQ, Distributed Queueing) 기반의 매체 접근 제어 프로토콜을 제안하였다. 경쟁 기반 임의 접근 제어 프로토콜의 일종인 DQ는 트래픽 부하와 무관하게 최적의 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나 DQ는 전이중(FDX, Full Duplex) 시스템인 Cable TV에서 작동하도록 설계되었기 때문에 무선 기술인 LoRa에 적합하지 않다. FDX 시스템에서 경쟁 부하는 무시할 수 있으나, LoRa 와 같은 반이중 시스템에서는 경쟁 부하로 인한 성능 저하가 상당하다. 또한 멀티채널 환경에서 불균형한 트래픽 부하로 인해 채널 효율의 저하가 발생한다. 제안하는 분산 조인트 큐잉(DQ-J) 프로토콜은 경쟁 오버헤드를 최소화하고 채널 간 로드 밸런싱을 통해 LoRa 네트워크의 확장성을 향상한다. 성능 평가 결과 제안 기술 DQ-J는 기존 DQ 대비 경쟁 오버헤드를 70% 감소시켰다. 또한, 트래픽의 부하와 무관하게 최적에 가까운 채널 처리율과 지연 성능을 보인다.

네트워크 1계층 연구에서는 도심 외곽 지역의 소규모 전송을 고려한 Cloud Radio Access Network(C-RAN) 기반의 신호 합성 및 충돌 구분 기법을 제안하였다. C-RAN 기반 네트워크에서는 분산된 기지국에서 수신된 위크 시그널을 클라우드 상에서 합성함으로써 다이버시티 이득을 기대할 수 있다. 하지만, 기존 LoRa 물리 계층 기술은 심볼 단위로 신호를 관찰하여 위크 시그널을 감지할 수 없다. 또한, 합성 신호 간의 전파 지연의 차로 인한 신호의 불일치 문제가 발생한다. 제안 기술 Scala는 충돌 위크 시그널에 대한 감지 기법과 선택적 코히어런트 합성을 통해 신호 합성 및 충돌 구분을 동시에 수행한다. 성능 평가 결과 Scala는 기지국 8대를 활용할 때 LoRa 대비 1.3배의 커버리지 증가와 최대 처리율 대비 75% 이상의 성능을 달성하였다.