Wi‑Fi와 LTE‑DC 공존을 위한 분석·시뮬레이션·공정성 평가

본 논문은 5 GHz 대역에서 Wi‑Fi와 비면허 LTE‑U(LTE‑DC) 간의 공존 메커니즘을 체계적으로 분석하고, 공정성을 확보하기 위한 듀티 사이클 조정 방안을 제시한다. 서론에서는 라이선스와 비면허 스펙트럼 사용 방식의 차이, Wi‑Fi의 CSMA/CA와 LTE‑U의 듀티 사이클 기반 TDMA 접근 차이를 설명한다. 기존 산업계와 학계의 연구들을 검토하면서, 대부분이 실험·시뮬레이션에 의존하고 투명한 분석 모델이 부족함을 지적한다. 본 연구의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 포화 트래픽 상황을 가정하고, Wi‑Fi DCF의 백오프 과정을 2‑차원 마코프 체인으로 모델링한다. 여기서 상태 (s, b)는 백오프 단계와 카운터 값을 나타내며, LTE‑DC의 ON 구간이 도입되면 Wi‑Fi는 전송을 중단하고 OFF 구간에만 전송을 시도한다. 이를 통해 Wi‑Fi 전송 확률 τ_w, 충돌 확률 P_c,w, 그리고 LTE‑DC에 의한 추가 충돌 확률 P_c,w‑l을 도출한다. 둘째, 이러한 확률들을 이용해 Wi‑Fi와 LTE‑DC 각각의 평균 스루풋 T_put_w, T_put_l을 구하는 닫힌 형태의 식을 제시한다. 셋째, ns‑3 시뮬레이터에 새로운 공존 스택을 구현하고, 동일 파라미터(채널 대역폭 20 MHz, 슬롯 시간 9 µs, DIFS, SIFS 등)로 시뮬레이션을 수행해 모델의 정확성을 검증한다. 시뮬레이션 결과는 분석식과 거의 일치하여 모델이 현실적인 채널 접근 현상을 잘 포착함을 보여준다. 공정성 분석에서는 세 가지 정의를 사용한다. (1) 에어타임 공정성: Wi‑Fi와 LTE‑DC가 차지하는 평균 ON/OFF 시간 비율이 동일해야 함. (2) 스루풋 공정성: 두 시스템의 평균 스루풋 비율이 사전에 정의된 목표(예: 1:1)와 일치해야 함. (3) 지연 공정성: 평균 패킷 전송 지연이 일정 수준 이하이어야 함. 각 정의에 대해 듀티 사이클 α를 변수로 두고 최적 α 값을 탐색한다. 결과적으로, α≈0.5(즉, 50 % 듀티 사이클)가 대부분의 경우 에어타임과 스루풋 공정성을 동시에 만족시키며, 특히 Wi‑Fi 노드 수가 증가할수록 Wi‑Fi 전체 스루풋이 Wi‑Fi 전용 네트워크보다 높아지는 현상이 관찰된다. 이는 LTE‑DC가 일정 비율의 OFF 구간을 제공함으로써 Wi‑Fi가 충돌을 피하고 효율적인 채널 접근을 할 수 있기 때문이다. 논문의 제한점으로는 (i) 포화 트래픽 가정으로 인해 실제 트래픽 변동성을 반영하지 못함, (ii) 레이트 어댑테이션, 숨겨진 종단, 상향 전송은 라이선스 대역에서만 이루어진다는 가정으로 실제 LTE‑U 구현과 차이가 있을 수 있음, (iii) 고정 듀티 사이클을 사용했으나 실제 LTE‑U는 CSAT와 같이 동적으로 듀티를 조정한다는 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 비포화 트래픽, 동적 듀티 조정, 그리고 다중 셀 환경을 고려한 확장 모델이 필요하다. 결론적으로, 본 연구는 LTE‑DC와 Wi‑Fi의 공존을 수학적으로 정량화하고, 듀티 사이클을 통한 공정성 확보 방안을 제시함으로써, 정책 입안자와 표준화 기구가 실증적인 근거를 바탕으로 스펙트럼 공유 정책을 설계하는 데 기여한다. 특히, 50 % 듀티 사이클이 대부분의 시나리오에서 균형 잡힌 성능을 제공한다는 결과는 향후 LTE‑U 표준화와 상용화에 중요한 참고 자료가 될 것이다.