다중채널 전이중 인지무선망을 위한 최적화 MAC 프로토콜 및 부하 균형 설계

본 논문은 전이중(FD) 이차 사용자(SU)가 동시에 스펙트럼 감지와 데이터 전송을 수행할 수 있는 다중채널 MAC 프로토콜(MFDC‑MAC)을 제안하고, 그 성능을 수식적으로 분석한 뒤 최적화 방안을 제시한다. 연구 배경으로는 기존 절반이중(HD) 기반 인지무선(CR) MAC이 감지와 전송을 순차적으로 수행해야 하며, PU와의 동기화가 어려워 효율이 낮다는 점을 들었다. 전이중 트랜시버는 자기간섭(self‑interference) 문제를 안고 있지만, 이를 적절히 관리하면 감지와 전송을 병행해 스루풋을 크게 향상시킬 수 있다. 시스템 모델은 M개의 채널에 N개의 SU 쌍이 존재하고, 각 SU는 전이중 트랜시버를 장착한다. 채널 j에서의 평균 자기간섭 전력은 I_j = ζ·(P_sen,j)^ξ 로 모델링되며, ζ와 ξ는 자기간섭 억제 수준을 나타낸다. PU의 활동은 독립적인 온·오프 프로세스로, 채널 j의 idle·busy 확률은 P_H0_j와 P_H1_j 로 정의된다. PU 보호를 위해 SU는 전송 중 PU가 활성화되면 최대 T_eva 시간 이내에 채널을 비워야 한다. 프로토콜 설계는 크게 두 단계로 구성된다. 첫 번째는 무작위 채널 선택 단계로, 각 SU는 사전에 정의된 확률 p_sec_j 에 따라 채널을 선택한다. 이 확률은 장기적으로 부하를 균등하게 분산시키기 위해 최적화 대상이 된다. 두 번째는 선택된 채널 내에서의 CSMA 단계이다. p‑persistent CSMA를 적용해 각 SU는 슬롯마다 전송 확률 p 로 채널에 접근하고, 성공적인 접근을 위해 RTS/CTS 4‑way 핸드셰이크를 수행한다. 성공적으로 채널을 예약한 SU는 데이터 전송 단계에 진입한다. 데이터 전송 단계는 FD 감지 스테이지(T_S,j)와 전송 스테이지(T_j−T_S,j) 두 부분으로 나뉜다. 감지 스테이지에서는 SU가 전송 파워 P_sen,j 로 송신하면서 동시에 PU 존재 여부를 감지한다. 감지 결과가 ‘채널이 비어 있음’이면 전송 스테이지에서 전송 파워 P_dat 로 데이터를 전송한다. 감지 결과가 ‘PU가 활성화됨’이면 남은 시간 동안 전송을 중단한다. 이 구조는 PU 보호를 위한 탈출 지연 T_eva 를 초과하지 않도록 설계되었다. 스루풋 분석에서는 채널별 사용자 선택 수 n_k,j 를 포함한 모든 가능한 사용자-채널 매핑 집합 Ω 를 정의하고, 각 매핑의 발생 확률 Q(·)와 멀티노미얼 계수를 이용해 전체 네트워크 스루풋 N_T 를 도출한다. 컨텐션 오버헤드 T_cont,j 는 성공적인 RTS/CTS 교환 전까지 발생하는 충돌·공백·성공 슬롯을 고려해 기하분포 기반으로 계산된다. 데이터 단계에서는 PU가 감지·전송 스테이지 중 최대 한 번 상태 전이를 가정하고, (h_00,h_00), (h_00,h_01), (h_01,h_11) 세 경우로 나누어 평균 전송 비트 B_j 를 구한다. 최종 스루풋은 오버헤드와 전송 비트의 비율로 표현된다. 최적화는 두 단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 각 채널별로 전송 확률 p, 감지 시간 T_S,j, 감지 전송 파워 P_sen,j 를 조정해 해당 채널의 스루풋을 최대화한다. 여기서는 자기간섭 파라미터 ζ, ξ 와 PU 활동 통계 τ_ac, τ_id 를 고려한다. 두 번째 단계는 전체 네트워크 차원에서 채널 선택 확률 p_sec_j 를 최적화해 부하 균형과 전체 스루풋을 동시에 극대화한다. 라그랑주 승수법과 수치 탐색을 결합해 전역 최적해를 찾는다. 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. (1) 감지 시간 T_S,j 를 적절히 늘리면 자기간섭에 의한 오탐률이 감소해 스루풋이 상승하지만, 과도한 T_S,j 는 데이터 전송 시간을 감소시켜 효율이 떨어진다. (2) 감지 전송 파워 P_sen,j 를 최적화하면 자기간섭과 감지 정확도 사이의 균형을 맞출 수 있다. (3) 채널 선택 확률을 최적화하면 트래픽이 집중된 채널의 충돌을 완화하고, 전체 네트워크 스루풋이 약 30%~50% 향상된다. 특히, 제안된 MFDC‑MAC 은 전통적인 절반이중 기반 다중채널 MAC 대비 동일 조건에서 평균 스루풋이 2배 이상 증가함을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 전이중 인지무선망에서 실시간 PU 보호와 고효율 스펙트럼 활용을 동시에 달성하기 위한 설계 원칙을 제시한다. 제안된 무작위 채널 선택과 p‑persistent CSMA 기반 부하 균형, 그리고 감지·전송 파라미터의 이중 단계 최적화는 실제 하드웨어 구현 시 자기간섭 억제 기술과 동적 채널 선택 알고리즘을 연계하는 데 중요한 토대를 제공한다. 향후 연구는 다중안테나(MIMO) 전이중, 비동기 PU 모델, 그리고 머신러닝 기반 채널 선택 전략을 통합해 더욱 현실적인 환경에서의 성능을 검증하는 방향으로 진행될 수 있다.