밀리미터파 5G를 위한 공간·주파수 간섭 모델

본 논문은 차세대 5G 무선망에서 mmWave 대역을 활용할 때 발생하는 복합적인 간섭 현상을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 시스템 성능을 예측하는 새로운 공간·주파수 간섭 모델을 제시한다. 서론에서는 mmWave가 제공하는 대역폭 이점과 동시에 고지향성 빔, 강한 경로 손실, 낮은 회절 및 높은 차단 민감도 등 특유의 전파 특성을 강조한다. 이러한 특성은 기존의 4G·LTE 기반 간섭 모델이 적용되기 어려운 환경을 만든다. 특히, 라이선스와 비라이선스 대역을 동시에 사용하는 5G 시나리오에서는 동일 주파수를 공유하는 다수의 단말이 무작위로 활성화되면서, 간섭이 공간뿐 아니라 주파수 영역에서도 무작위적으로 발생한다는 점을 지적한다. 관련 연구에서는 소규모 셀 간섭 모델, 웨어러블 mmWave 네트워크, 그리고 스펙트럼·공간 혼합 모델 등을 다루었지만, 대부분이 (1) 블록의 존재를 무시하거나 결정적으로 가정, (2) 간섭을 순수히 공간적 PPP만으로 모델링, (3) 동일 주파수 사용을 전제하지 않는 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구는 이러한 공백을 메우기 위해, (i) 블록을 포아송 점 과정으로 모델링하고, (ii) 간섭기의 위치와 사용 주파수를 동시에 포아송 과정으로 가정하며, (iii) 차단 확률을 거리와 빔폭에 의존하는 지수 형태로 도입한다. 시스템 모델에서는 수신기를 원점에 두고, 반경 D의 원형 영역 내에 존재하는 간섭기들을 PPP(λ)로 표현한다. 각 간섭기의 빔은 반빔폭 2θ를 갖는 원뿔 형태로 모델링되며, 블록이 이 원뿔 내부에 하나라도 존재하면 해당 간섭기는 차단된다. 블록 역시 PPP(ρ)로 가정하고, 차단 확률 p_k = exp(‑ρ ℓ_k² tanθ) 로 도출한다. 이는 3GPP LOS 확률 모델과 일치하며, 실험적으로 관측된 거리 의존 차단 현상을 수학적으로 설명한다. 수신 신호는 원하는 신호 i₀(t), K개의 활성 간섭기 신호 Σ i_k(t), 그리고 AWGN n(t) 로 구성된다. 각 간섭기의 전송 파워 q_k, Nakagami‑m 페이딩 h_k, 경로 손실 ℓ_k^{‑α}, 그리고 주파수 f_k 를 포함한다. 주파수는 균등 분포(‑W/2, W/2)로 가정하고, 수신기 측 매치드 필터 H(f)와 간섭기의 파워 스펙트럼 Φ(f) 를 통해 스펙트럼적 영향을 적분한다. 간섭 분석에서는 누적 간섭 전력의 MGF M_I(s)를 구한다. 먼저, 차단되지 않은 간섭기의 수 K는 PPP와 독립 차단 가정 하에 또 다른 포아송 분포를 따른다: K ~ Poisson(λπW·