지리공정한 다중운영자 LEO 스펙트럼 공유를 위한 FairShare 설계

본 논문은 저궤도(LEO) 위성 메가컨스텔레이션이 공유하는 Ka‑밴드 스펙트럼에서 발생하는 지리적 불공정 문제를 체계적으로 조사하고, 이를 해결하기 위한 알고리즘을 제안한다. 서론에서는 현재 ITU·FCC 등 국제·국내 규제가 주로 간섭 억제에 초점을 맞추고 있어, 도시와 농촌 사용자 간의 서비스 격차를 간과하고 있음을 지적한다. 특히 LEO 시스템에서는 위성 고도각과 슬랜트 거리가 사용자 SNR에 직접적인 영향을 미치며, 이는 도시‑농촌 간 구조적 차이를 만든다. 기존의 Jain’s Index·Gini·α‑fairness와 같은 전통적 공정성 지표는 정적·지상 기반 네트워크에 맞춰 설계돼, 동적인 위성 채널 특성을 반영하지 못한다는 한계가 있다. 시스템 모델에서는 세 개의 실제 콘스텔레이션(Starlink, OneWeb, Kuiper)의 궤도 파라미터를 그대로 사용한다. Keplerian 궤도 전파 모델을 통해 20개의 스냅샷(30 s 간격, 총 10 분) 동안 위성 위치와 사용자‑위성 고도각을 실시간 계산한다. 각 위성은 7개의 헥사곤형 스팟빔을 갖고, 4색 주파수 재사용을 적용해 인접 빔 간 간섭을 최소화한다. 채널 모델은 3GPP TR 38.811을 기반으로 고도‑의존 자유공간 손실, 클러터 손실, 로그‑정규 그림자 페이딩, 대기 손실을 모두 포함한다. 사용자들은 도시·교외·농촌으로 구분되며, 농촌 사용자는 빔 중심에서 멀어져 빔 이득 감소와 고도각 감소로 인해 평균 5–10 dB의 SNR 불리함을 가진다. 공정성 지표로는 지리별 할당 비율 ρ_ℓ와 그 비율의 도시‑농촌 대비값 Δ_geo = ρ_urban / ρ_rural을 정의한다. Δ_geo = 1이면 완전 공정, 1보다 크면 도시 편향, 1보다 작으면 농촌 편향을 의미한다. 또한 평균 SINR, Jain’s Index 등을 보조 지표로 사용한다. 기존 DSS 정책을 두 가지 시뮬레이션한다. 첫 번째는 SNR‑우선 스케줄링으로, 높은 SNR을 보이는 도시 사용자를 먼저 할당한다. 두 번째는 수요 비례 할당으로, 트래픽 요구량에 비례해 대역폭을 배분한다. 결과는 SNR‑우선 정책이 평균 Δ_geo = 1.84를 기록하고, 특정 인터페이스 상황에서는 3.9까지 급증한다는 점을 보여준다. 수요 비례 정책도 여전히 1.31의 편향을 보이며, 대역폭을 확대해도 편향이 감소하지 않는다. 이는 고도‑의존 손실이 대역폭 확대에 비례해 보정되지 않기 때문이다. 흥미롭게도 Jain’s Index는 거의 1에 가까워 전반적인 효율성은 높지만, 지리적 불균형을 숨긴다. 공정성을 보장하기 위해 제안된 FairShare는 할당 쿼터(12b)를 명시적으로 도입한다. 구현은 중앙 조정자가 각 지리 구역에 최소 할당 비율 q_ℓ·W를 보장하고, 그 안에서 기존의 sum‑rate 최적화를 수행하는 두 단계 구조다. 이 방식은 알고리즘 복잡도를 크게 늘리지 않으며, 실제 시뮬레이션에서 스케줄러 실행 시간이 평균 3.3% 감소하고, Δ_geo가 0.68으로 역전되며 변동성이 0이 되는 것을 확인했다. 또한 전체 스펙트럼 효율은 기존 정책 대비 1~2% 미만의 손실만을 보이며, 공정성 확보와 효율성 사이에 실질적인 트레이드오프가 없음을 입증한다. 규제적 시사점으로는 Δ_geo를 “감사 가능 지표”로 제시하고, FCC·ITU가 스펙트럼 라이선스 발급 시 최소 공정성 기준(예: Δ_geo ≤ 1.5)을 명문화하도록 권고한다. 중앙 조정자(SAS) 기반의 할당 메커니즘을 도입하면, 실시간으로 Δ_geo를 모니터링하고 정책 위반 시 자동 재조정이 가능하다. 결론적으로, 본 연구는 LEO 다중 운영자 스펙트럼 공유에서 지리적 불공정이 물리적 채널 특성에 기인함을 최초로 정량화하고, 경량 쿼터 기반 프레임워크인 FairShare를 통해 공정성을 확보하면서도 시스템 효율성을 유지할 수 있음을 입증한다. 이는 차세대 NTN 표준에 공정성 제어 메커니즘을 삽입하는 데 중요한 설계 지침을 제공한다.