무상태·전송보장 기하 라우팅을 위한 스패닝 경로 가상 좌표계

본 논문은 무선 다중 홉 네트워크에서 기존의 지리적 라우팅이 겪는 물리적 빈(void)과 위치 오차 문제를 극복하기 위해 가상 좌표계(VCS)를 활용한 라우팅을 연구한다. 서론에서는 AODV와 같은 전통적인 라우팅 프로토콜 대비 지리적 라우팅이 오버헤드가 낮고 로컬 정보를 활용한다는 장점을 소개하지만, Greedy Forwarding 단계에서 빈이 발생하면 복잡한 주변 라우팅(perimeter routing)이 필요하고, 위치 오차에 취약하다는 단점을 지적한다. 이러한 문제를 해결하고자 VCS가 제안되었으나, VCS 역시 가상 빈, 좌표 중복, 양자화 오류 등 ‘가상 이상’에 노출된다. 관련 연구에서는 VCAP, LCR, BVR 등 다양한 VCS 기반 라우팅이 소개되지만, 대부분이 다차원 앵커를 많이 사용하거나 백트래킹·플러딩을 보조적으로 적용해 무상태성을 잃거나 전송 보장을 제공하지 못한다는 공통된 한계가 있다. 또한 기존 연구는 가상 이상의 원인을 정량적으로 분석하지 못하고, 차원 수와 네트워크 연결성 사이의 관계를 간과한다. 제 3 장에서는 가상 이상의 근본 원인을 ‘그래프 연결성 제한’이라는 관점에서 체계적으로 분석한다. 네트워크가 k‑연결(0≤k≤n)일 때, 앵커 수를 늘려도 좌표 고유성은 k에 의해 제한된다. 예를 들어 2‑연결 그래프에 4개의 앵커를 배치해도 중간 노드들은 동일한 좌표를 공유하게 되며, 이는 Greedy Forwarding이 실패하는 가상 빈을 초래한다. 이러한 현상을 ‘차원 퇴화(Dimension Degradation)’라 명명하고, 차원 수와 네트워크 연결성 사이의 최적 매칭을 도출한다. 제 4 장에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 좌표계인 스패닝‑패스 가상 좌표계(SPVCS)를 제안한다. SPVCS는 네트워크가 최소 1‑연결임을 가정하고, 각 노드가 부모‑자식 관계를 통해 트리 형태의 스패닝‑패스를 형성한다. 이때 각 노드에 부여되는 정수 ID는 트리 깊이와 순서를 조합해 전역적으로 유일하게 보장된다. SPVCS는 좌표 계산이 단순히 정수 차이이므로 메모리와 연산 비용이 거의 없으며, 좌표 충돌이 전혀 발생하지 않는다. SPVCS 위에서 동작하는 스패닝‑패스 기하 라우팅(SPGR) 알고리즘은 두 단계로 구성된다. 첫 번째 Greedy 단계에서는 기존에 제안된 정렬 가상 좌표계(A‑VCS)를 이용해 목적지에 가장 가까운 이웃으로 패킷을 전달한다. Greedy가 빈에 부딪히면 두 번째 단계에서 SPVCS의 스패닝‑패스를 따라 목적지까지 이동한다. 이 과정은 트리 구조를 따라 진행되므로 루프가 발생하지 않으며, 별도의 상태 정보를 유지할 필요가 없으므로 무상태 라우팅이 실현된다. SPVCS의 기본 형태는 경로 스트레치가 다소 커질 수 있다는 점을 보완하기 위해 최적화된 OSPVCS(Optimized SPVCS)를 설계한다. OSPVCS는 트리 재배치를 통해 부모‑자식 간 거리 차이를 최소화하고, 불필요한 홉을 제거한다. 이를 적용한 SPGR은 평균 경로 길이가 기존 SPGR 대비 15%~20% 감소한다. 제 5 장에서는 제안된 SPVCS와 SPGR, 그리고 AVCS와 결합한 정렬‑그리디·스패닝‑패스(AGSP) 프로토콜을 다양한 시나리오에서 시뮬레이션한다. 실험 설정은 노드 수 200~500, 다양한 네트워크 밀도, 랜덤 및 격자 배치, 그리고 위치 오차 0%~30%를 포함한다. 결과는 다음과 같다. (1) 전송 성공률 측면에서 AGSP는 GPSR/GFG, LCR, BVR 등 기존 프로토콜보다 5%~12% 높은 성공률을 보인다. (2) 평균 경로 스트레치는 GPSR 대비 1.2~1.4배 수준으로, 특히 빈이 빈번히 발생하는 고밀도 환경에서 큰 이점을 가진다. (3) 위치 오차가 20% 이상일 때에도 AVCS의 정렬 과정이 좌표 왜곡을 효과적으로 보정해, 물리적 좌표 기반 라우팅보다 안정적인 성능을 유지한다. 마지막으로 제 6 장에서는 연구의 의의와 한계를 논의한다. SPVCS는 무상태·전송보장을 동시에 만족시키는 최초의 VCS 기반 라우팅 프레임워크이며, 차원‑연결성 관계에 대한 이론적 분석이 향후 VCS 설계에 중요한 지침을 제공한다. 다만 현재 구현은 정적 네트워크를 전제로 하며, 동적 토폴로지 변화에 대한 재구성 비용이 남아 있다. 향후 연구에서는 이동성 지원을 위한 동적 SPVCS 업데이트 메커니즘과, 실제 무선 환경에서의 에너지 효율성을 평가할 계획이다.