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Research

6G 네트워크 환경에서 에너지와 전송지연을 획기적으로 감소시키는 ‘빔과 사용자 협력 스케줄링 기술’개발

  • 조회. 227
  • 등록일. 2021.11.11
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 곽정호 교수팀, 6G 협력 빔포밍 네트워크에서 기지국 에너지를 절약하고 사용자

경험을 향상시키는 BEANS 알고리즘 제안

미래 6G시대의 클라우드랜 (C-RAN) 기반 아키텍처에서 피드백 양과 구현 복잡도를 줄인

현실적인 네트워크 기술 개발이 기대돼

 

[관련사진1. DGIST 정보통신융합전공 안수영 석사과정생, 교수 곽정호]

 

 DGIST(총장 국양) 정보통신융합전공 곽정호 교수팀은 6G 네트워크의 기지국 전력 소모와 서비스지연을 획기적으로 감소시키는 빔과 사용자 협력 스케줄링 기술을 개발했다. 향후 방대한 양의 데이터 처리가 필수적인 6G 시대의 다양한 네트워크 구조 및 표준화에 적용이 될 것으로 기대된다.

 5G, 6G와 같은 네트워크 시스템은 각 안테나로 공급되는 신호의 진폭, 위상을 변화시켜 특정한 방향으로 신호를 송수신하는 빔 형성을 활용하여 빔과 사용자를 스케줄링 하는 기술을 기반으로 운영된다. 현재 5G 네트워크 환경에서 상용화 되어있는 빔과 사용자 스케줄링 기술은 복잡도가 높을 뿐만 아니라 기지국 전력을 많이 사용하고, 전송지연이 높다는 단점이 있다. 하지만 향후 개발될 6G 기반의 VR/AR 서비스나 자율주행 서비스는 방대한 양의 데이터 처리가 필수이기에 현재의 기술로는 6G 서비스의 요구사항을 만족시키기 어렵다.

 곽정호 교수팀은 이를 해결하기 위해 현재 빔과 사용자 스케줄링 기술의 계산 복잡도를 해결하는 것에 중점을 두었다. 그 결과 곽 교수팀은 협력 빔포밍 네트워크에서 피드백의 양과 구현 복잡도를 줄이면서 현재기술 대비 최대 기지국 전력을 66%를 절약하고, 전송지연을 68%을 줄이는 빔과 사용자 스케줄링 알고리즘인 ‘BEANS’를 새로이 제안했다.

 곽 교수팀이 개발한 BEANS 알고리즘은 수학적으로 지금까지 연구에서 다루어지지 않았던 ‘negative submodular objective function’‘non-matroid constraints’의 최적화 문제에서 최초로 제안 알고리즘이 에너지와 전송지연 관련 대기열의 길이에 대한 상한을 보장하는 것을 수학적으로 증명하였을 뿐만 아니라, 제안한 알고리즘이 수학적으로 시스템이 처리할 수 있는 최대한의 처리요구량의 1/4을 무조건 보장한다는 것을 증명하였다.

 또한 곽 교수팀은 실제 셀룰러 기지국 토폴로지와 실제 5G 파라미터를 사용하여 시뮬레이션을 진행, 개발한 BEANS 알고리즘이 기존에 사용 중이던 알고리즘 대비 동일한 전송지연 성능에서 66%의 기지국 전력 절감을 보이고, 동일한 기지국 전력에서 68%의 평균 전송지연 관련 대기열을 절감한다는 것을 확인했다.

 DGIST 정보통신융합전공 곽정호 교수는 이번 연구는 새로운 최적화 문제를 6G 네트워크 환경에서 풀어내었다는 수학적 기여 측면과 기존 알고리즘 대비 알고리즘의 복잡도를 줄이고 클라우드랜의 피드백 양을 줄였다는 현실적 기여 측면 모두를 만족하는 연구라며 향후 6G 시대에 극단적으로 낮은 전송지연을 요구하는 AR/VR이나 자율주행 서비스를 위한 네트워크 인프라를 제공한다는 측면에서 의미가 있다고 말했다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 정보통신융합전공 안수영 석사과정생을 비롯한 인하대 김영진 교수팀, KAIST 정송 교수팀이 참여했다. 연구 결과는 관련 분야 TOP 8% 국제학술지인 ‘IEEE Transactions on Wireless Communications’101() 온라인 게재됐다.

 

 

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연구결과개요

Energy and Delay Guaranteed Joint Beam and User Scheduling Policy in 5G CoMP Networks

(Yeongjin Kim (Inha University), Jaehwan Jeong (Samsung Electronics), Suyoung Ahn (DGIST), Jeongho Kwak (DGIST) and Song Chong (KAIST))

(IEEE Transactions on Wireless Communications, on-line published on Oct., 1st, 2021)

 

C-RAN(Cloud-RAN) 아키텍처의 MIMO(Massive Multi-Input Multi-Output) CoMP(Coordinated MultiPoint) 기술은 고화질 비디오 등의 트래픽 집약적인 차세대 모바일 애플리케이션의 등장으로 인해 등장하게 되었다. 본 논문에서는 직교 랜덤 빔포밍 기법(ORBF)을 활용한 대규모 MIMOCoMP를 사용하는 5G 셀룰러 네트워크에서 실시간 빔 활성화 및 사용자 스케줄링 문제를 연구하였다. 이 논문은 동적 클라우드랜(C-RAN) 아키텍처에서 전체 RRH(Remote Radio Heads), 즉 기지국 에너지 소비를 최소화하는 동시에 모든 사용자 트래픽 요구에 대해 유한한 서비스 시간을 보장하는 것을 목표로 한다. 우리는 기존의 시간평균 문제를 실시간으로 해결하는 문제로 변환하기 위해 Lyapunov drift-plus-penalty 프레임워크를 활용한다. 제공된 실시간 문제는 조합 및 비선형 최적화 문제이기 때문에 최적 해법을 찾기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 전력과 전송지연의 성능을 동시에 보장하는 협력 빔 및 사용자 스케줄링 알고리즘을 개발하기 위해 Greedy 알고리즘으로부터 영감을 얻었다. 제안된 BEANSCapacity region과 모든 전력-전송지연 트레이드오프 매개변수의 일정한 비율 내에서 모든 트래픽 요구량에 대한 평균 RRH 에너지 소비 및 평균 대기열의 유한 상한을 보장한다는 것을 증명하였다. 이러한 증명은 잠재적으로 음의 하위 모듈 목적 함수(negative submodular objective function)와 비 행렬 제약 (non-matroid constraints)으로 구성된 프레임워크에서 전력 및 대기열 경계의 보장을 이론적으로 입증하려는 첫 번째 시도이다. 마지막으로, 광범위한 시뮬레이션을 통해 BEANS의 용량 영역 및 전력-대기열의 트레이드오프를 최적 및 기존 알고리즘과 비교하였고, 제안한 BEANS가 기존 알고리즘과 비교하여 동일한 평균 대기열에 대해 최대 66%의 전력 절약을 달성함을 보여주었다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

지금까지의 연구에서는 협력 빔포밍 네트워크에서 빔과 사용자 스케줄링 알고리즘들이 계산복잡도가 높거나 클라우드랜과 많은 피드백 정보들을 필요로 했다. 뿐만 아니라 계산복잡도가 높기 때문에 최적화 문제의 최적값을 보장하지 않는 직관적인 알고리즘들만이 제안되었었다. 하지만 본 연구에서는 주어진 네트워크의 최적화 문제의 최적성을 보장하는 것을 증명하면서도 계산복잡도와 피드백 양을 낮추는 알고리즘을 최초로 제안했다는 점에서 기존 연구와 다르다고 할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

현재 상용 5G 네트워크의 코어망은 기존 기술들에 기반하여 설계가 되었다. 하지만 아직 상용화되지 않은 미래 6G 네트워크에는 현재 표준화가 진행되고 있기 때문에 네트워크의 표준화 기술에 제안한 알고리즘이 적용될 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 실제 6G 네트워크의 킬러 어플리케이션이 AR/VR이나 자율주행차 등은 극단적으로 낮은 전송지연을 요구할 것이기 때문에 현실적이고 전송지연을 낮추는 알고리즘이 적용될 가능성이 높다고 볼 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 6G 네트워크는 2028년경 상용화될 것으로 예상되고 있는데 그 전에 6G 표준화에 본 연구에서 제안한 기술들이 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해 코어 6G 기술을 선점하기 위한 국가차원에서의 지원이 필요할 것으로 예상된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구팀은 셀룰러 네트워크에서 전송전력 제어 및 사용자 스케줄링과 셀룰러 네트워크의 전력 절약에 대해 오랫동안 연구를 진행해 왔다. 이번에 처음으로 여러 안테나가 있는 상황에서의 빔포밍과 사용자 스케줄링을 동시에 제어하는 문제를 풀어보았는데 기존 문제 대비 구현복잡도가 굉장히 높다는 점을 발견하고, 이점을 해결하는데 중점을 두었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

앞으로 6G 네트워크 시대에 킬러 어플리케이션이 될 것으로 예상되는 AR/VR 서비스나 자율주행 서비스의 경우 극단적으로 낮은 전송지연이 필수가 될 것으로 예상되는데 이러한 환경에서 제안한 빔 및 사용자 스케줄링 기법이 낮은 전송지연을 보장하는 기술로 사용될 수 있다는 점에서 의미가 크다고 볼 수 있고, 수학적으로도 새로운 문제에 대한 최적성을 보이는 증명을 했다는 점에서 의미가 있다고 할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

제안한 빔 및 사용자 스케줄링 기술을 미래 6G 네트워크에 적용하여 대한민국 기술의 국제표준화에 기여하고 싶다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 5G CoMP 네트워크를 위한 빔과 사용자 스케줄링의 프레임워크


(그림설명) 
위의 그림은 제안한 빔과 사용자 스케줄링이 5G CoMP (협력 빔포밍 네트워크)의 프레임워크 하에서 어떤 식으로 동작하는지를 설명하고 있다. BBU (Baseband Unit)와 RRH가 적은 피드백을 주고받는 것을 확인할 수 있고, 오른쪽 대기열 그림은 주어진 트래픽 요구량에 대해서 제안한 BEANS가 전송지연과 기지국 전력을 동시에 최소화하도록 빔과 사용자 스케줄링을 하는 모습을 보여주고 있다.
 
 
 

 
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