[논문 리뷰] Fairness-Aware Scheduling in Multi-Numerology Based 5G New Radio

Ahmet Yazar, Hüseyin Arslan|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 11.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 넘머롤로지 5G 뉴 라디오(NR) 시스템에서 상호 넘머롤로지 간섭(INI)을 완화하고 귀두 사용자에 대한 공정성을 향상시키기 위해 두 가지 공정성 인지 스케줄링 알고리즘을 제안한다. 전력 수준과 서브케이너 위치를 기반으로 사용자를 전략적으로 스케줄링하여 SIR 변동성을 감소시키고 스펙트럼 효율성을 훼손하지 않으면서도, 무작위 스케줄링 대비 귀두 UE에서 최대 10 dB의 SIR 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Multi-numerology waveform based 5G New Radio (NR) systems offer great flexibility for different requirements of users and services. Providing fairness between users is not an easy task due to inter-numerology interference (INI) between multiple numerologies. This paper proposes two novel scheduling algorithms to provide fairness for all users, especially at the edges of numerologies. Signal-to-noise ratio (SIR) results for multi-numerology systems are obtained through computer simulations.

연구 동기 및 목표

• 다중 넘머롤로지 5G NR에서 상호 넘머롤로지 간섭(INI)과 넘머롤로지 경계에서의 전력 오프셋 영향으로 인한 공정성 저하 문제를 해결한다.
• 이웃 넘머롤로지에서 유래하는 고전력 오프셋과 INI로 인해 발생하는 귀두 사용자에 대한 신호 대 간섭비(SIR) 저하를 완화한다.
• 고정된 가드밴드 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 유지하면서 공정성을 향상시키는 구현 가능한 스케줄링 알고리즘을 개발한다.
• 다양한 서브케이너 간격을 가진 여러 넘머롤로지 간에 귀두 사용자와 내부 사용자 간의 공정성을 균형 잡는다.
• 적응형이며 저복잡도인 스케줄링 전략을 통해 3GPP 표준에 실용적으로 구현 가능한 방법을 제공한다.

제안 방법

• 전력 수준과 서브케이너 위치를 기반으로 서로 다른 넘머롤로지의 귀두 사용자를 우선순위에 따라 스케줄링하는 두 가지 새로운 스케줄링 알고리즘을 제안하여 INI 영향을 최소화한다.
• 한 넘머롤로지의 귀두 사용자에게 높은 전력 수준을 할당하지 않도록 전력 오프셋 기반 스케줄링 전략을 적용하여 다른 넘머롤로지의 귀두 사용자에 대한 간섭을 방지한다.
• 1,000회 반복하는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 전력 오프셋 조건(0–10 dB)에서 서브케이너 전체에 걸쳐 평균 SIR 및 INI를 추정한다.
• OFDM 기반 다중 넘머롤로지 시스템에서 정확한 SIR 및 INI 추정을 위해 N_ref = 4096점의 푸리에 변환과 CP 비율 1/16을 적용한다.
• 무작위 스케줄링과 비교하기 위해 귀두 사용자 및 내부 사용자의 SIR 누적분포함수(CDF) 곡선을 사용한다.
• 사용자 간 SIR 변동성을 최소화함으로써 안정적인 성능과 장기적인 공정성을 확보하기 위해 스케줄링을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 넘머롤로지 5G NR 시스템에서 상호 넘머롤로지 간섭(INI)은 귀두 사용자의 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 넘머롤로지 간 전력 오프셋은 귀두 사용자의 SIR 저하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가드밴드 요구사항을 증가시키지 않으면서도 스케줄링 전략이 SIR 변동성을 줄이고 공정성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 다른 넘머롤로지의 귀두 사용자와 내부 사용자는 INI 존재 하에서 전력 수준 변화에 어떻게 반응하는가?
• RQ5 다중 넘머롤로지 5G NR에서 공정성 인지 스케줄링은 무작위 스케줄링 대비 어느 정도 뛰어난 성능을 보이는가?

주요 결과

• 무작위 스케줄링에서는 동일한 넘머롤로지의 귀두 사용자 간 최소 7 dB의 SIR 차이를 경험하여 본질적인 불공정성이 존재함을 시사한다.
• NUM-2 귀두 UE에서 3 dB 전력 오프셋이 발생하면 NUM-1 귀두 UE의 SIR가 5.7 dB 감소함으로써 심각한 간섭 영향을 입증한다.
• NUM-2 내부 UE에서 3 dB 전력 오프셋이 발생하면 NUM-1 귀두 UE의 SIR는 2.8 dB 감소에 그치며, 이는 귀두 대 귀두 전력 증가보다 교차 간섭이 덜한 것을 보여준다.
• 양쪽 넘머롤로지에서 대칭적으로 전력 증가가 발생하면 귀두 UE의 SIR는 약간 향상되지만, 내부 UE에 대한 간섭은 비례적으로 증가한다.
• 제안된 공정성 인지 알고리즘은 무작위 스케줄링 대비 SIR 변동성을 크게 감소시켜, 귀두 사용자의 CDF 곡선이 더 평탄한 것으로 나타났다.
• 특히 귀두 UE의 대역폭이 넓어질 경우, 알고리즘 2는 알고리즘 1보다 내부 사용자에 대해 약간 더 높은 공정성을 확보하며, 부가적 띠성 간섭 감소로 인해 성능 향상이 이루어진다.