6G LEO 위성군에서 듀얼 커넥티비티 최적화: 패킷 복제·스플리팅·네트워크 코딩 분석

초록

본 논문은 6G 시대 LEO 위성군을 활용한 듀얼 커넥티비티(DC) 환경에서 발생하는 지연 차이와 패킷 재정렬 문제를 해결하기 위해 패킷 복제(PD), 패킷 스플리팅(PS), 그리고 랜덤 선형 네트워크 코딩(RLNC)을 수학적으로 모델링한다. 이산 마코프 체인 기반 손실 모델을 이용해 각 기법의 평균 종단‑간 패킷 손실률을 도출하고, 최적 정책을 설계할 수 있는 근거를 제공한다.

상세 분석

논문은 먼저 5G‑6G 전환기에 NT(NON‑TERRESTRIAL) 네트워크가 도입되면서 발생하는 ‘스냅샷’ 현상과 위성 가시성 주기의 짧음, 그리고 GEO와 LEO 위성 간 RTT 차이로 인한 지연 편차를 상세히 설명한다. 이러한 지연 편차는 TCP·QUIC·RTP 등 전송 계층 프로토콜에서 패킷 재정렬을 야기하고, 재정렬이 일정 임계값을 초과하면 재전송 타임아웃(RTO) 혹은 플러그인 윈도우 축소 등으로 전송 효율이 급격히 저하된다.

이를 완화하기 위한 3가지 기술을 제시한다. 첫째, 패킷 복제(PD)는 동일 패킷을 두 경로에 동시에 전송해 어느 한 경로가 손실되더라도 복제본을 통해 복구한다. 수식 (2)는 두 경로의 독립 손실 확률 p₁·p₂ 로 전체 손실률을 계산한다. 그러나 복제는 대역폭을 2배 사용하므로 효율성 저하가 불가피하다.

둘째, 패킷 스플리팅(PS)은 트래픽을 두 경로에 비율 w₁, w₂ 로 분할 전송한다. 손실 확률은 각 서브플로우의 손실 확률을 조합한 (6) 식으로 표현되며, 여기서 w₁·N 과 w₂·N 의 정해진 할당이 핵심 변수이다. 스플리팅은 대역폭을 효율적으로 활용하지만, 경로 간 지연 차이로 인한 재정렬 위험이 남는다.

셋째, 랜덤 선형 네트워크 코딩(RLNC)은 K개의 원본 패킷을 N개의 코딩 패킷으로 변환해 전송한다. 수식 (7)‑(9)에서 보듯, 최소 K개의 코딩 패킷이 성공적으로 도착하면 원본 복구가 가능하므로 손실에 대한 내성이 크게 향상된다. 다만, 코딩·디코딩 연산 비용과 필드 크기 q 에 따른 복잡도가 추가된다.

핵심 기여는 위 세 가지 기법을 동일한 마코프 체인 손실 모델에 통합해 평균 종단‑간 패킷 손실률을 정량화한 점이다. 특히, 손실 확률 pᵢ = π_B,i 로 정의하고, 상태 전이 행렬 T =