SCMA 기반 V2X 통신 자원 할당 알고리즘

본 논문은 차량‑to‑Everything(V2X) 통신에서 기존 LTE‑based D2D 방식이 안고 있는 자원 재사용에 따른 간섭 문제를 해결하고, 차세대 비정통 다중접속(NOMA) 기술인 Sparse Code Multiple Access(SCMA)를 활용해 시스템 용량과 스루풋을 동시에 향상시키는 새로운 자원 할당 알고리즘을 제안한다. 1) **연구 배경 및 동기** V2X 서비스는 저지연·고신뢰성을 요구하지만, 차량 밀집도와 빠른 이동성으로 인해 기지국이 완전한 채널 상태 정보를 획득하기 어렵다. 기존 IEEE 802.11p와 LTE‑based D2D는 각각 스펙트럼 효율과 간섭 관리 측면에서 한계를 보인다. 특히 D2D가 C‑UE와 동일 자원을 재사용할 경우, C‑UE‑Tx↔V‑UE‑Rx, V‑UE‑Tx↔BS 등 복합적인 간섭이 발생한다. 2) **시스템 모델** 단일 셀 하이브리드 네트워크를 가정한다. C‑UE는 기지국(BS)과의 업링크를 통해 V2I(Vehicle‑to‑Infrastructure) 통신을 수행하고, V‑UE는 V2V(Vehicle‑to‑Vehicle) 직접 통신을 수행한다. C‑UE는 SCMA 기반 다중접속을 사용하며, 각 UE는 M‑차원 희소 코드워드를 통해 L개의 RB에 매핑된다. SCMA의 오버로드 팩터(OF = J/L)는 동일 RB에 여러 UE가 동시에 전송하도록 허용한다. V‑UE는 간섭을 최소화하기 위해 정형화된 OMA 방식을 사용한다. 3) **간섭 및 최적화 문제 정의** K개의 V2V 페어와 N개의 C‑UE가 동일 RB를 재사용한다고 가정한다. 각 사용자 i, j에 대해 SINR을 정의하고, 최소 SINR 요구조건(γ_min)과 최대 전송 전력(P_max)을 제약식에 포함한다. 목표는 전체 셀의 합률 R_total = ∑_i log₂(1+SINR_i) 를 최대화하는 정수 비선형 최적화 문제를 수식화한다. 직접적인 전역 최적화는 NP‑hard이므로, 실용적인 휴리스틱 접근이 필요하다. 4) **제안 알고리즘** - **그래프 색칠 기반 클러스터링**: V‑UE 페어를 그래프의 노드로, 간섭 관계를 에지로 표현한다. 인접 노드가 동일 색을 가질 수 없도록 최소 색(클러스터) 수를 찾는다. 색칠 순서는 간섭 정도가 높은 노드부터 진행해 색 사용 효율을 극대화한다. - **SINR 기반 자원 할당**: 클러스터링이 완료되면 C‑UE를 SINR이 높은 순으로 정렬한다. 각 C‑UE의 RB를 차례로 클러스터에 할당하고, 할당 후 클러스터 내 모든 V‑UE가 최소 SINR 요구조건을 만족하는지 검증한다. 만족하지 못하면 다음 C‑UE로 이동해 재시도한다. 이 과정을 모든 클러스터가 할당될 때까지 반복한다. 5) **시뮬레이션 설정** 시뮬레이션은 셀 반경 250 m, 2 GHz 대역, 20 MHz 시스템 대역폭, C‑UE 전송 전력 20 dBm, V‑UE 전송 전력 17 dBm, 잡음 전력 스펙트럼 밀도 –174 dBm/Hz, V2V 링크 거리 25 m 등을 사용하였다. SCMA 파라미터는 L = 4, M_c = 2, J = 6으로 설정해 오버로드 팩터 1.5를 구현하였다. 6) **주요 결과** - **SCMA vs OFDMA**: 동일 RB 수에서 SCMA는 코드북 오버로드 덕분에 더 많은 C‑UE를 동시에 서비스할 수 있어 평균 스루풋이 OFDMA 대비 현저히 높다. - **클러스터링 효과**: 그래프 색칠을 통해 V‑UE 간 간섭을 최소화함으로써, V‑UE 재사용으로 인한 C‑UE 총 스루풋 감소를 억제한다. - **전체 시스템 합률**: V‑UE 페어 수가 증가하면 초기에는 V‑UE 스루풋이 상승하고 전체 합률도 증가하지만, 간섭이 포화점에 도달하면 감소하는 경향을 보인다. 제안 알고리즘은 적절한 클러스터 크기와 재사용 한계를 자동으로 조절해 최적점 근처에서 운영된다. 7) **논문의 의의와 한계** 본 연구는 SCMA와 그래프 이론을 결합해 V2X 환경에서 자원 재사용과 간섭 관리 문제를 동시에 해결한 최초의 시도 중 하나이다. 단일 셀, 완전 CSI 가정, V‑UE가 동일 셀 내에 제한된 점 등 현실적인 제약을 완전히 반영하지 못했으며, 다셀 협조, 동적 트래픽, 지연 민감도 등을 고려한 확장 연구가 필요하다. 또한 제안 알고리즘의 복잡도와 실제 5G NR 구현 시 프로토콜 오버헤드에 대한 정량적 평가가 추가된다면 실용성 검증이 강화될 것이다.