LTE‑A 업링크 다중사용자 MIMO 스케줄링의 최적화와 근사 알고리즘

본 논문은 3GPP LTE‑Advanced( LTE‑A) 업링크에서 다중사용자 MIMO(MU‑MIMO) 스케줄링을 다루며, 최신 4G 시스템이 제공하는 프리코딩된 다중 스트림 전송과 유연한 다중 사용자 할당 기능을 실용적인 제약조건 하에서 최적화한다. 1. **시스템 모델 및 제약조건** - 단일 셀에 K명의 사용자와 N개의 RB가 존재하고, 각 사용자는 N_t 안테나와 전력 제한 P_k를 가진다. - 사용자는 사전 정의된 프리코더 집합 W에서 하나를 선택하고, 할당된 모든 RB에 동일한 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 적용한다(‘one precoder, one power level per user’ 제약). - 3GPP LTE‑A 규격에 따라 각 사용자는 최대 두 개의 비연속 RB 청크(at‑most‑two‑chunks)만을 사용할 수 있다. 이는 제어채널 오버헤드와 PAPR 제한을 만족시키기 위한 설계이다. - 제어채널 용량, 인터셀 간섭 제한, 그리고 사용자 버퍼(Q_k) 크기 등도 제약으로 포함된다. 2. **문제 정의와 복잡도** - 목표는 가중합률 ∑_{k=1}^K α_k r_k 를 최대화하는 것이며, 여기서 r_k는 사용자 k에 할당된 전송률(비트/초)이다. - 이상적인 가우시안 코드를 가정하고 베이스스테이션이 최적 수신기를 사용할 때, 선택된 3‑튜플 집합 U⊆E에 대해 전송률 영역 P(U,f) 를 폴리매트로이드로 정의한다. - 버퍼 제약을 반영한 박스 B(U)와 제어채널·청크·전력 제약을 각각 매트로이드와 다중 배낭(knapsack) 제약으로 모델링한다. - 따라서 최종 최적화 문제는 “단일 매트로이드와 다중 배낭 제약 하의 단조·부분모듈러 집합함수 최대화” 형태가 되며, 이는 NP‑hard임을 논문은 증명한다. 3. **알고리즘 설계** - **무작위 상수‑팩터 근사**: 최근 연구