다중 숫자 체계 5G NR에서 공정성 기반 스케줄링

초록

본 논문은 5G New Radio(NR)의 다중 숫자 체계에서 발생하는 인터‑숫자 체계 간 간섭(INI)으로 인한 사용자 간 공정성 문제를 해결하고자 두 가지 새로운 스케줄링 알고리즘을 제안한다. 제안 알고리즘은 가장자리 사용자들의 전력 차이를 최소화하고, 전체 SIR 분산을 감소시켜 공정성을 향상시킨다. 시뮬레이션 결과, 제안 방법이 무작위 스케줄링에 비해 가장자리 및 내부 사용자 모두에서 SIR 변동성을 크게 줄이며, 스펙트럼 효율성을 유지함을 확인하였다.

상세 분석

5G NR은 다양한 서비스 요구를 만족시키기 위해 서브캐리어 간격(Δf)과 사이클 프리픽스(CP) 길이를 자유롭게 조정할 수 있는 다중 숫자 체계(multi‑numerology) 방식을 채택한다. 그러나 서로 다른 Δf를 갖는 블록이 인접할 경우, 각 블록의 OFDM 파형이 갖는 큰 사이드로브 때문에 인접 블록 간에 인터‑숫자 체계 간 간섭(INI)이 발생한다. 특히 가장자리 서브캐리어에서 INI가 집중되며, 전력 차이(power offset)가 큰 경우 SIR이 급격히 저하되어 가장자리 사용자에게 불공정이 초래된다.

논문은 이러한 현상을 두 가지 관점에서 접근한다. 첫 번째는 “가장자리 사용자 공정성”에 초점을 맞추어, 서로 다른 숫자 체계에 속한 가장자리 사용자 쌍(u₁ₛ, u₂ₜ) 사이의 전력 차이 |p₁ₛ−p₂ₜ| 를 최소화하도록 스케줄링한다. 이를 위해 모든 가능한 (s, t) 조합에 대해 전력 차이를 계산하고, 식(1)·(2)에서 최소값을 찾은 뒤 해당 사용자들을 각 숫자 체계의 가장자리 위치에 배치한다.

두 번째 알고리즘은 “전체 공정성”을 목표로 한다. 여기서는 전력 차이뿐 아니라 각 사용자들의 절대 전력 수준도 고려한다. 전력 차이 임계값 THₚ = r·PO(s*,t*) (식 3)를 설정하고, r≥1 인 경우 더 많은 사용자 쌍을 후보군 H에 포함한다. 후보군 내 각 쌍에 대해 평균 전력값을 구해 PL 벡터를 만든 뒤, 최소 PL 값을 갖는 쌍을 최종 선택한다(식 4). 이렇게 하면 가장자리 사용자들의 전력 차이뿐 아니라 전체 시스템의 전력 균형도 동시에 개선된다.

시뮬레이션에서는 두 숫자 체계(NUM‑1: Δf=15 kHz, NUM‑2: Δf=30 kHz)를 사용하고, 각 체계에 3명의 UE를 배치하였다. 전력 오프셋은 0 dB, 3 dB, 6 dB를 순차적으로 변동시키며 1,000회 Monte‑Carlo 테스트를 수행했다. 결과는 SIR이 가장자리 UE에서 최소 7 dB 차이로 감소하는 경우가 빈번함을 보여, 기존 무작위 스케줄링이 공정성을 크게 해침을 확인했다. 제안 알고리즘을 적용하면 가장자리 UE의 SIR 분산이 크게 감소하고, 특히 알고리즘 2는 내부 UE까지 고려해 전체 SIR 분포를 균일하게 만든다. CDF 분석에서 두 알고리즘 모두 무작위 스케줄링에 비해 0.2~0.3 dB 수준의 SIR 향상을 보였으며, 알고리즘 2는 약간의 가장자리 공정성 손실을 감수하고 내부 UE의 공정성을 약간 더 개선한다는 트레이드오프가 존재한다.

또한 논문은 고정된 가드 밴드(guard band) 하에서 전력 오프셋을 최소화함으로써 스펙트럼 효율성을 유지하면서도 INI를 억제할 수 있음을 강조한다. 이는 3GPP 표준에 쉽게 적용 가능한 저복잡도 알고리즘이며, 실제 기지국 스케줄러에 구현하기 위한 실용성을 갖춘다.