수많은 사물들을 인터넷으로 연결한 IoT 서비스들은 생산의 지능화, 효율화를 목적으로 산업 환경으로 그 영역을 넓혀가고 있다. 기존 IoT 서비스에서 장치와 네트워크의 오류가 단순히 사용자의 불편함을 초래하는 정도의 문제를 가지는 것과 달리, 산업 영역에서 발생하는 오류는 적게는 기업의 생산성과 이윤의 하락에서 크게는 수많은 작업자의 생명을 위협하는 결과를 가져올 수 있다. 때문에 산업 IoT 관련 기술들은 일반적인 IoT 서비스보다 더 높은 수준의 성능이 요구된다. 이러한 성능 요구는 플랜트의 설비와 센서, 작업자를 연결해줄 저속 산업 IoT 무선 네트워크에도 동일하게 적용된다. IEEE802.15.4 TSCH MAC은 산업 영역에서 요구하는 특성을 제공하기 위해 개발된 무선 네트워크 기술이며, IETF의 다양한 워킹그룹에서 정의하는 6TiSCH, 6LoWPAN, RPL(Routing Protocol for LLN) 등의 기술과 함께 6TiSCH 네트워크 스택을 이루어 산업 IoT를 위한 핵심 무선 네트워크 기술로 주목받고 있다. 산업 IoT 서비스를 위한 무선 네트워크는 수많은 센서와 설비에서 발생하는 데이터를 효율적으로 전달할 수 있어야 하므로, 과중한 트래픽 부하 환경에서도 안정적인 성능을 제공할 수 있어야 한다. TSCH MAC 기술 자체는 산업 환경을 위한 성능을 제공하기 위한 특성을 모두 갖추고 있지만, 이에 관련된 기술들은 산업 환경을 위한 고려가 부족한 상황이다. 본 연구에서는 산업 환경의 6TiSCH 네트워크에서 발생할 수 있는 문제를 실험과 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 이러한 분석을 통해 과중한 트래픽 부하가 링크 스케줄링을 위한 인터페이스인 6TiSCH operational sub-layer Protocol(6P)과 네트워크 경로 생성 프로토콜인 RPL에서 TSCH의 대역폭 활용도를 저해하는 문제를 확인하였으며, 이를 해결하기 위한 향상된 6P 트랜잭션 기법과 가용 대역폭 기반 트래픽 인지 RPL 기법을 소개한다.

산업 IoT 환경에서 발생하는 과중한 트래픽은 TSCH 네트워크의 대역폭 할당을 위한 6P 트랜잭션을 과도하게 발생시킨다. 이때, 6P 트랜잭션은 특정 장치로 집중되는 경향을 가지며, 6P 트랜잭션 패킷의 충돌과 트랜잭션 실패는 TSCH 네트워크의 대역폭 할당을 방해한다. TSCH MAC의 신뢰성 확보를 위해 수많은 링크 스케줄링 기법이 연구되었으나 대부분 6P 트랜잭션은 전제로 남겨져 있기 때문에, 산업 환경의 불안정한 6P 트랜잭션 성능은 기존 링크 스케줄링 연구의 근본을 위협한다. 향상된 6P 트랜잭션 기법은 효율적인 대역폭 요구량 전달 메커니즘을 정의하며, 이를 활용하는 역방향 6P 트랜잭션 기법은 과중한 트래픽 부하 상황에서도 조율된 트랜잭션을 통해 6P 요청의 충돌을 효율적으로 예방한다. 향상된 6P 트랜잭션 기법은 과중한 트래픽 상황에서도 95% 이상의 트랜잭션 성공률을 보장하여 TSCH의 안정적인 대역폭 확보를 가능하게 한다.

TSCH 링크 스케줄링은 RPL에 의해 생성된 경로에 대해 대역폭을 예약하여 장치간의 조율된 통신을 가능하게 한다. 각 장치는 각기 다른 대역폭 한계를 가지고 있으며, 한계를 넘어서는 트래픽은 정상적으로 전송될 수 없다. 따라서 경로 생성 기법은 트래픽을 적절하게 분산하여 대역폭 한계를 넘어서는 트래픽이 집중되지 않는 경로를 생성해야 하지만, 기존의 RPL 기술은 이를 처리할 수 없다. 가용 대역폭 기반 트래픽 인지 RPL은 TSCH의 가용 대역폭을 메트릭으로 사용하며, 6TiSCH 네트워크의 대역폭 한계 특성에 기반하여 경로 비용을 계산하고, 효과적으로 트래픽 부하를 분산하여 TSCH MAC의 대역폭 활용도를 극대화하는 경로를 생성하게 한다. 트래픽 인지 RPL은 기존 기법 대비 데이터 패킷 전송률을 최대 31% 향상시켰으며, 대역폭 활용도를 약 12% 향상시켰다. 제안 기법들은 오픈소스 하드웨어/펌웨어 플랫폼을 활용한 실험과 오픈소스 시뮬레이터에 기반한 시뮬레이션을 통해 그 성능을 입증하였다.