OFDM 및 Resource Allocation

Resource Allocation

Resource Allocation (자원할당)은 말 그대로 시스템 전체적으로 주어진 자원을 나누는 과정이다. 대표적인 자원으로는 주파수 자원, power 자원, 컴퓨팅 자원 등이 있다. 

 무선 통신은 주파수를 통해 메시지를 주고 받는데, 동시에 같은 주파수를 사용하면, 서로의 메시지에 간섭이 생겨서, Rx에서 decoding을 하지 못할 확률이 높아진다. 따라서 서로 다른 주파수를 사용하는 것이 일반적이고, 누가 주파수를 먼저, 얼마나 사용할지 등을 스케쥴링 하는 과정을 주파수 자원할당이라 한다. 

 이와 함께 파워 할당문제가 생긴다. 보통 강한 출력의 Power로 데이터를 전송하면 Throughput (전송속도)과 Coverage (전송거리)가 올라간다. 하지만, 먼 거리에서 같은 주파수 대역을 불가피하게 사용하고 있을 때, 내가 높은 파워를 보내게되면 다른 사람 입장에서는 간섭의 크기가 커져서 Rx에서 decoding을 성공할 확률이 낮아지게 된다. 따라서, 각자의 파워를 어떻게 할당해야할지도 하나의 이슈다. 

마지막으로 Computing 자원 할당은 주로, Multi-Access Edge Computing (MEC)라는 시스템에서 많이 사용된다. 요즘은 처리해야 할 Task를 UE에서 직접 처리하는 것이 아니라 좋은 컴퓨터를 가진 서버나 기지국에서 대신 처리하는 시스템이 구축되고 있다. 이 좋은 컴퓨터도 처리할 수 있는 Task에 한계가 있기 때문에, 여러 UE들이 각자가 가지고 있는 Task 중에 어느 정도의 비중을 떠넘길지에 대한 Computing 자원 할당 문제가 있다. 자신이 처리하기 힘든 Task를 남에게 넘겨주는 것을 ‘오프로딩 (Offloading)’이라 한다. 많은 논문에서 얼마나 TASK를 나눠서 서버에 전송하는 것이 Latency 측면에서 좋을지 최적화하는 주제가 많다.

 

Multi-Access Edge Computing (MEC)

위에서 말한 서버나 기지국에서 Task를 대신 처리해주는 시스템은 우리가 Cloud 시스템에서 많이 봤을 것이다. 하지만, 1ms 단위로 Latency를 고려하는 5G에서는 멀리 있는 서버까지 갔다오는 딜레이가 무시하지 못할 만큼 크다. 따라서, 이런 서버나 기지국을 짧게는 수십 미터안에 배치함 (Edge 에 배치)으로써 Latency를 줄여보자는 것이 MEC다.

 

SNR vs SINR

 Signal-to-Noise Ratio(SNR)과 Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR)은 둘다 내가 받아들이고 싶은 신호의 Power 대비 내가 받고 싶지 않은 신호의 Power다. 하지만 SINR은 받고 싶지 않은 신호에 같은 자원을 차지한 다른 UE의 Power인 Interference도 합쳐지게 된다. SNR, SINR이 높을 수록 decoding의 확률이 높아지게 된다. 따라서, 대부분의 Resource Allocation 논문들에서는, 다른 UE로의 Interference를 최소화하면서 자신의 SINR를 최대로 하기 위한 최적화가 이루어지게 된다. SINR이 높아지면 보통, 데이터의 전송속도 Throughput이 높아지게 된다. Channel의 상황이 좋아질 수록 더 높은 속도로 전송할 수 있다는 것은 이해하기 쉬울 것이라 생각한다.

 

 

Reliability / Latency / Throughput

Reliability는 Transmitter (Tx)에서 데이터가 전송되고, Receiver (Rx)가 데이터의 decoding에 성공할 확률이다. 거리가 멀리 떨어져 Rx에서 받아들인 power가 부족하거나, 다른 UE와의 간섭이 크다던지 등의 이유로 SINR이 낮으면, 데이터가 Rx에서 Decoding이 안 될 수 있다. Latency는 Tx에서 데이터가 전송되어서 Rx에서 Decoding을 할 때까지 걸리는 시간으로 URLLC에서 매우 중요하게 고려된다. Throughput (전송속도)은 1초에 보낼 수 있는 bit의 수로, 데이터를 고속으로 보낸다는 표현이 있으면 Throughput이 크다는 얘기다.

 

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

OFDM은 5G에서 처음 사용한 기술은 아니고 4G에서도 사용했다. OFDM은 데이터를 여러 개의 Orthogonal (직교)한 신호 (Sub-carrier)로 나눠서 보내는 방식이다. Orthogonal은 내적이 0이라는 뜻으로, 서로에 대한 성분이 없기 때문에, 나중에 각 신호를 분리해낼 수 있다. 예를 들면, 직교좌표계에서 (3, 4)는 x축성분 3, y축성분 4로 뽑아낼 수 있는 것과 같다. 

 주파수 대역을 쪼개서 전송하는 이유는, 고속 데이터를 안정적으로 전송하기 위해서다. 고속의 데이터를 전송하면, 전파가 건물이나 땅에 부딪혀서 생기는 반사파에 약해진다. 이런 반사파로 인한 간섭을 Inter-symbol Interface (ISI)라 하는데, 이런 고속 데이터의 ISI를 줄이기 위해 저속의 orthogonal한 신호 여러 개로 나눠서 보낸다. OFDM에서는 대역폭이 여러 개로 쪼개져서, 각각의 대역폭은 작기 때문에 전체 신호가 Channel의 특성에 따라서 왜곡될 가능성도 작아지고 전체 data가 문제가 생길 확률이 낮아진다. 여러개로 쪼개진 신호를 부반송파 (Sub-carrier)라고 하고, 5G에서는 Sub-carrier의 폭인 Sub-carrier Spacing (SCS)을 조절하면서, 자원을 할당한다.