최근 Wi-Fi Alliance는 1km 반경에 존재하는 8000개 이상의 단말장치가 하나의 AP에 접속되는 대규모 중앙집중식 Sub-1GHz대역 사물인터넷(IoT) 통신을 위해 IEEE 802.11ah를 제안하였다. 하지만 Sub-1GHz 대역을 이용한 무선통신은 전송 속도가 625bps~4Mbps로 제한되며, IEEE 802.11ah는 CSMA 기반 다중 접속 제어를 사용하므로 구간내 단말장치간 과도한 경쟁으로 인해 전체 네트워크 성능이 저하된다. 이로 인해 대규모 IoT환경에서 AP와 스테이션 간의 보다 효율적인 통신을 위한 MAC 프로토콜이 필요하다.
대규모 중앙집중식 IoT 환경에서 IEEE 802.11ah의 문제점을 보완하기 위해 최근 HSCT (Hybrid Slotted-CSMA/CA?TDMA) 기법이 제안되었다. 이 기법은 각 단말장치들이 채널 접근 과정에서 CSMA/CA 구간을 슬롯화 하여 접근하도록 하여 경쟁을 완화한다. CSMA/CA구간을 통해 자원할당을 요청 받은 AP는 비경쟁 TDMA 슬롯을 각 장치에 할당하여 남은 등록절차를 안정적인 환경에서 수행할 수 있도록 개선했다. 이 기법은NS-3 환경에서 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 8000개의 단말장치를 등록하는데 50초 미만의 시간이 소요됐다.
본 논문은 Hybrid Slotted-CSMA/CA?TDMA 기법을 CC1310 Sub-1GHz RF 모듈에 HardMAC방식으로 구현하였으며, 실제 IoT 환경에서 실험하였다. 또한 CC1310 RF모듈을 응용 프로그램 계층에서 제어하기 위해 리눅스 운영체제에서 사용할 수 있는 디바이스 드라이버를 개발해 함께 실험하였다.
이 과정을 통해 세가지의 새로운 기법을 제안하였다. 첫번째, 단말장치에 의해 전송되는 프레임 크기와 상관없이 AP가 매번 고정된 크기의 TDMA 슬롯 할당을 하게 되면 상대적으로 작은 크기의 프레임이 전송될 때 채널자원이 낭비된다. 따라서 프레임의 크기와 전송속도에 따라 가변적으로 TDMA 슬롯 크기를 조절하여 할당하는 기법을 제안하였다. 두번째, AP에 접속되는 단말장치들의 전송속도는 환경에 따라 각각 다르게 설정될 수 있다. 따라서 각 단말장치들과 보다 효율적으로 통신을 하기 위해 AP의 무선 채널 설정 변경을 최소화하는 TDMA 슬롯 재배치 기법을 제안하였다. 세번째, AP와 단말장치 간의 등록과정에서 AP는 단말장치의 주기성 데이터 (Periodic Data) 정보를 함께 수집하여 매 데이터 주기마다 고정적인 TDMA 슬롯을 미리 할당하도록 개선하였다. 이를 통해 주기성 데이터를 전송하는 장치는 CSMA 경쟁구간에 참여하지 않아도 되며, 경쟁구간에서의 불필요한 경쟁을 줄여 전체 채널 처리량을 높이는 기법을 제안하였다.
성능 실험은 비주기성 데이터와 주기성 데이터에 대한 실험을 나누어 진행하였고, 10개의 단말장치와 하나의 AP로 구성하였다. 비주기성 데이터에 대한 실험에서 각 구간별 전송속도는 TDMA 구간에서 500Kbps로 설정하였으며, CSMA 구간은 50Kbps와 200Kbps로 설정된 경우를 나누어서 분석하였다. 실험결과, CSMA 구간을 50Kbps로 설정하였을 때 전체 채널 처리량은 140Kbps이였다. 그리고 200Kbps로 설정한 경우에는 230Kbps로 약 60% 향상되었다. 주기성 데이터를 포함한 실험은 200Kbps로 설정된 CSMA 구간을 이용해 진행되었다. 이 실험에서는 하나의 단말 장치가 10개의 가상 노드로 동작할 수 있도록 구성하여, 총 100개의 가상 노드에 대해 실험을 진행했다. 이 경우 최대 51개의 장치가 하나의 TDMA 구간에서 통신 할 수 있었고, 전체 채널 처리량은 306Kbps로 비주기성 데이터에 대한 실험에 비해 채널 처리량이 30% 향상되었다.

Recently, the Wi-Fi Alliance proposed IEEE 802.11ah targeting mainly the IoT (Internet of Things) and M2M (Machine to Machine communications) systems. Therefore, IEEE 802.11ah that has been operated in Sub-1GHz band to support more than 8000 devices in a radius of 1km with a single AP. The IEEE 802.11ah has inherited the CSMA/CA (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance) mechanism from legacy IEEE 802.11 to access the channel. In the light network, the CSMA/CA provides high flexibility, scalability, and robustness, the congestion level increases as the network grows. Hence, the CSMA/CA is not efficient enough when huge numbers of M2M devices try to access a single centralized AP. Therefore, an efficient MAC protocol is required in large-scale IoT environments.
In order to reduce the limitations of the IEEE 802.11ah network, the strength of CSMA/CA can be combined with that of TDMA (Time-Division Multiple Access) to enhance the channel access performance in wireless networks. In this scheme, whenever a device needs a TDMA slot for data transmission, the device sends a reservation request to AP using CSMA/CA mechanism, after that the AP allocates the contention-free TDMA slot, therefore, the Hybrid Slotted-CSMA/CA-TDMA scheme achieves a desire channel access performance.
In this paper, we implement Hybrid Slotted-CSMA/CA-TDMA scheme as HardMAC in TI CC1310 Sub-1GHz RF module and tested under real-IoT environment. We also developed a device driver routine that can be used in the Linux operating system to make it easier to configure the CC1310 RF module.
We propose three techniques confirmed through experiments. Firstly, we propose a dynamic size allocation scheme of TDMA slot based on frame size and transmission rate to avoid the resource wastage of the utilization of fixed-size TDMA slot allocation Secondly, the transmission rate of the devices connected to the AP may be set differently according to the environment. Therefore, we propose a reordering technique of TDMA slot that can minimize the number of change in radio configuration of AP for efficient communication with each device. Finally, the AP can collect the information about the type of the traffic (i.e., periodic, non-periodic etc.) of the devices during the registration process and assign the fixed TDMA slots. Through these contributions, the proposed scheme increases channel utilization by reducing unnecessary competition in Slotted-CSMA/CA period.
The performance evaluation is conducted using 10 devices and a AP. In the experiment on non-periodic data, the frames in Beacon period and the CSMA period have been transmitted using 50Kbps and 200Kbps, respectively, while the TDMA period allowed a fixed transmission rate of 500Kbps. Experimental results show that the different transmission rates 50Kbps and 200Kbps provides the aggregate throughput of 140Kbps and 230Kbps, respectively. In the experiment considering periodic data, 10 devices are configured to shown as 10 virtual nodes in TDMA period. The frames in Beacon period and the CSMA period have been transmitted using 200Kbps, while the TDMA period allowed a fixed transmission rate of 500Kbps. In this case, it is confirmed that 51 devices can operate in a TDMA period. In this case, the total channel throughput was 306Kbps, a 30% improvement over the experiment for non-periodic data.