기회주의적 공간 직교화와 인지 라디오 네트워크의 새로운 전송 이득

** 본 논문은 인지 라디오(Cognitive Radio, CR) 시스템에서 1차 사용자(Primary User, PU)가 모든 주파수 대역을 지속적으로 점유하고 있는 상황에서도 2차 사용자(Secondary User, SU)의 동시 전송을 가능하게 하는 새로운 스펙트럼 공유 기법인 ‘기회주의적 공간 직교화(Opportunistic Spatial Orthogonalization, OSO)’를 제안한다. 기존 CR은 시간·주파수 차원을 이용해 ‘스펙트럼 �oles’를 찾아 SU를 배치했지만, PU가 항상 활동 중이면 이러한 �oles가 거의 존재하지 않는다. 따라서 공간 차원을 활용해 사용자를 직교화하고 간섭을 최소화하는 방법이 필요하다. **핵심 아이디어** 공간 차원에는 보편적인 직교 기저가 없으므로, 모든 MIMO 채널을 동일한 기저에 매핑하는 것이 불가능하다. 이를 해결하기 위해 논문은 두 가지 관점을 제시한다. 첫째, 채널의 무작위성과 독립성을 이용해 다수의 후보 SU가 존재할 경우, 그 중 일부는 PU의 수신 안테나에 대해 거의 직교화된 교차 채널을 가질 확률이 높다. 둘째, 이러한 현상을 ‘기회주의적 간섭 정렬(opportunistic interference alignment)’이라고 부른다. 즉, SU들의 간섭이 PU의 신호 공간에 대해 자연스럽게 정렬되도록 하는 것이다. **시스템 모델** - PU와 K개의 후보 SU가 존재한다. 각 링크는 \(L_t\)개의 송신 안테나와 \(L_r\)개의 수신 안테나를 가진 MIMO(또는 SIMO) 채널을 갖는다. - 채널 행렬 \(H_{i,j}\)는 i번째 수신기와 j번째 송신기 사이의 복소 가우시안 i.i.d. 요소를 가지며, 블록 페이딩 모델을 따른다. - PU와 모든 SU는 전송 전력 제한 \(P_1, P_2\) 를 갖는다. - PU 수신기(PU‑RX)는 자신의 직접 채널 \(H_{1,1}\) 뿐 아니라 모든 교차 채널 \(H_{1,j}\) (j≥2)를 완벽히 알고 있다. 이는 PU‑RX가 기지국인 경우 파일럿 신호를 통해 실현 가능하다. **SIMO 경우 (L_t=1)** 1차 수신 신호: \(y_1 = h_{1,1}x_1 + \sum_{k=2}^{K+1} h_{1,k}x_k + z_1\) 2차 수신 신호: \(y_m = h_{m,m}x_m + h_{m,1}x_1 + \sum_{k\neq m,1} h_{m,k}x_k + z_m\) 여기서 \(h_{i,j}\)는 벡터 형태이며, PU‑RX는 최대비율 결합(Maximum Ratio Combining, MRC) 수신기를 사용한다. 간섭 파워는 \