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주파수 스케쥴링

DL/UL에 대한 스케쥴링 결정은 기지국(gNB)이 한다. DL은 DownLink로 기지국에서 단말로 신호를 보내는 것을 의미하고, UL은 UpLink로 단말기에서 기지국으로 신호를 보내는 것을 의미한다. 여기서 스케쥴링이란 주파수 자원을 누구한테 나누어 줄 것인가를 의미한다. 스케쥴링 방법에는 크게 2가지로, Opportunistic Scheduling과 Proportional Fair Scheduling이 있다.

Opportunistic Scheduling

Opportunstic Scheduling의 개념은 채널 컨디션이 좋은 유저에게 몰아주면 그만큼 data-rate가 높아지면서 좋은 채널을 유지할 수 있다는 것이다. 이러한 Opportunistic Scheduling이 만들어지게 된 배경으로는 1990년대 2G 시절에 wireless 채널을 어떻게 극복할지가 문제였기 때문이다. wireless 채널로 전송을 하게 되면 받은 signal의 변화가 컸고, 대체적으로 성능은 worst에 의해 결정되었는데 기본적으로 좋지 않은 것들이 많았다. 따라서 채널이 나쁘면 signal을 빠르고 많이 전송하고, 채널이 좋아지면 power를 적게 써서 궁극적으로, 받은 signal을 잘 유지해서 power control할 필요성이 있었다. 채널이 좋다면 received signal이 커서 에러가 작을테니 결국 redundancy를 많이 보내지 않아도 되기 때문에 사용되었던 스케쥴링 방식이다. 하지만 이러한 스케쥴링 방식에는 채널 컨디션이 좋은 유저에게만 몰아주기 때문에 전체적인 네트워크 차원에서 채널 컨디션이 좋지 않은 유저는 signal을 전송 받기 어렵다는 단점이 있었다. 극단적으로 가면 채널 컨디션이 좋은 유저만 고르기 때문에 평균적인 throughput은 좋지만 채널이 좋지 않은(cell-edge) 유저는 무시한다는 것이다. 때문에 이를 보완하고자 나온 스케쥴링 방식이 Proportional Fair Scheduling이다.

Proportional Fair Scheduling

spectral efficiency와 fairness를 고려해서 만든 스케쥴러이다. spectral efficiency는 채널의 data-rate를 높이는 것이고 fairness는 data-rate가 낮은 하위권(cell-edge) 유저 또한 함께 고려하자는 것이다. 구현하는 방법은 CQI (Channel Quality Information)의 히스토리를 모아 평균적으로 어느 정도의 data-rate를 가지는지 확인하고 평균에 비해 좋은 유저들에게 signal을 주파수를 할당하는 방식이다.

OFDM이란?

OFDM은 주파수(frequency)를 직교성(orthogonality)을 이용해서 각 신호를 구분하는 방식이다. 정식 명칭으로는 직교 주파수 분할 다중 방식이라 한다. 여기서 orthogonality는 사용자가 동시에 주파수를 사용하게 되었을 때, 특정한 유저가 선택하여 주파수를 수신할 수 있도록 하는 기술이다. OFDM의 궁극적인 목표는 기지국에서 보낸 정보를 각각의 단말들이 여러 사람의 신호에 영향을 받지 않고 각 단말들이 필요로 하는 정보만 추출할 수 있도록 하는 것이다. 결국  OFDM은 orthogonality를 이용해서 기지국(DL, Down Link)이 여러 단말에 정보를 한꺼번에 보내지만 각각의 단말(UL, Up Link)은 기지국이 자신에게만 이야기하는 것처럼 느끼게 할 수 있다.

OFDM을 사용하는 핵심 이유는 기존에 존재하던 multipath 문제를 해결하기 위함이다. orthogonality가 잘 되지 않는 일반적인 이유는 wave form을 잘 설계하지 않으면 multipath로 인해 orthogonality가 다 깨지게 된다. 이를 해결하기 위한 방법이 OFDM이다. 아래는 5G까지의 신호 구분 방식에 대한 변화이다.

1G → Analog

2G → TDMA

3G → CMDA

4G → OFDM

5G → OFDM

6G → OFDM (예상)

2G에서 사용한 TDMA 방식과 3G에서 사용한 CDMA 방식도 multipath fading으로 들어왔을 때 원래 생각했던 orthogonality가 깨져서 이를 극복하기 위해 equalizer라고 하는 advanced receiver를 이용해서 어느정도 보완했다. 하지만 그럼에도 불구하고 불안정하다는 것이 특징이다. 4G에서 OFDM 방식이 도입되면서 sinusodial(사인파)를 이용해서 multipath에도 orthogonality를 유지하고 있다. 5G 또한 OFDM을 사용하며 5G를 도입하기 이전에 중요하게 언급되었던 문제는 orthogonality를 어떻게 보장할 것이냐 였다. 6G 도입이전에도 마찬가지로 OFDM와 관련한 논의가 이루어질 것으로 예상된다. 

OFDM의 장점은 TDMA 방식이나 CDMA 방식보다 좋다는 것이다. multipath가 있더라도 orthogonality를 유지할 수 있고 기존에 도입되었던 equalizer 또한 필요가 없다. 반면 가장 많이 언급되는 단점으로는 High Peak-to-Average Power Radio (PAPR) 문제이다. 이는 variation이 큰 amplitude를 가지는 특징이 있고, amplifier 디자인이 어렵고 전력 손실이 많다는 특징도 있다.

여담이지만, 1G-5G를 정의하는 대표적인 기준은 Multiple Access 기술이다. 주어진 주파수에 얼마나 많은 사용자들이 사용할 수 있는가를 의미하는 것으로 주파수 공유 방식이 핵심이라 할 수 있다. 앞서 설명했던 바와 같이, 사용자들이 시간을 쪼개거나 코드를 쪼개거나 직교하는 주파수를 사용하자는 형식으로 발전해왔다. 먼저 나왔던 CMDA 방식 구현이 OFDM 보다 구현하기 어렵다. 하지만 더 어려운 CDMA 방법이 먼저 나온 이유는 CDMA로 사업을 하고자 했던 퀄컴이 1985년에 먼저 나왔기 때문이다.