고속 이동 환경을 위한 RSMA 기반 MIMO‑OFDM ICI 관리와 하이브리드 전송 설계

초록

본 논문은 고속 이동 시 발생하는 도플러‑인덕스 인터‑캐리어 간섭(ICI)을 RSMA와 하이브리드 SIC·프리코딩을 결합해 억제한다. 수신단에서는 동적 서브캐리어 클러스터링을 이용한 복합 SIC 구조를 제안하고, 송신단에서는 아날로그 프리코더를 ABC‑PSO로 최적화하고 디지털 프리코더를 WMMSE 반복으로 설계한다. 시뮬레이션을 통해 복잡도는 제어하면서도 시스템 합률이 크게 향상됨을 입증한다.

상세 분석

이 논문은 고속 이동 통신에서 가장 큰 장애물인 도플러‑유발 ICI 문제를 근본적으로 재고한다. 기존 RSMA 연구들은 주로 전력 할당이나 공통‑전용 비트율 배분에 초점을 맞추었으며, 수신기 구조는 단순히 공통 메시지를 SIC 후 프라이빗 메시지를 디코딩하는 평행형 방식을 사용했다. 이러한 접근은 서브캐리어 간 상호작용을 무시하기 때문에, 다중 경로와 높은 이동성으로 인한 ICI를 충분히 억제하지 못한다.

저자는 이를 해결하기 위해 ‘복합 SIC(Hybrid SIC)’이라는 새로운 수신기 아키텍처를 도입한다. 전체 N₍c₎ 서브캐리어를 G개의 클러스터로 나누고, 클러스터 내부에서는 병렬 SIC, 클러스터 간에는 순차 SIC를 적용한다. G를 1에서 N₍c₎까지 조정함으로써 복잡도와 성능 사이의 연속적인 트레이드오프를 제공한다. 이 구조는 이미 디코딩된 클러스터의 공통·프라이빗 신호를 이용해 아직 디코딩되지 않은 클러스터의 ICI를 부분적으로 소거함으로써, 전통적인 평행 SIC가 갖는 ICI 누적 문제를 크게 완화한다. 또한, 클러스터링 파라미터 G와 서브캐리어 배치가 시스템 레이턴시와 연산량에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 실시간 채널 변동에 대응 가능한 적응형 클러스터링 전략을 제시한다.

송신 측에서는 하이브리드 프리코딩을 설계한다. 아날로그 프리코더는 상수 위상(phase‑only) 제약을 갖는 대규모 안테나 배열에 적합하도록, ‘증강 경계 압축 입자 군집 최적화(ABC‑PSO)’ 알고리즘을 고안한다. 기존 PSO에 비해 입자 위치가 허용된 위상 구간을 동적으로 압축·확장함으로써 수렴 속도를 높이고, 전력 제약 및 QoS 제약을 만족하도록 설계한다. 디지털 프리코더는 전통적인 WMMSE 프레임워크를 RSMA의 공통·프라이빗 비트율 구조에 맞게 변형하여, 각 서브캐리어별 SINR을 직접 최적화한다. 두 단계 최적화는 교대로 수행되며, 전체 합률을 목표 함수로 하는 비선형 제약 최적화 문제(16)를 근사적으로 해결한다.

수식 (12)·(13)에서 정의된 평균 수신 전력과 간섭 전력을 이용해 각 서브캐리어의 공통·프라이빗 SINR을 명시적으로 도출하고, 이를 기반으로 레이트 제약(16b,16e)을 만족시키는 공통 레이트 할당 방식을 제시한다. 특히, 공통 레이트는 최소 사용자 레이트에 의해 제한되므로, 시스템 전반의 공정성을 보장한다.

시뮬레이션 결과는 300 km/h 이상의 이동 속도에서도 기존 NOMA·SDMA 기반 RSMA 대비 1520% 수준의 합률 향상을 보여준다. 또한, 클러스터 수 G를 48로 설정했을 때 복잡도는 순차 SIC 대비 60% 이하로 감소하면서도 ICI 억제 효과는 거의 동일하게 유지된다. 이는 제안된 복합 SIC와 하이브리드 프리코딩이 고속 이동 환경에서 실용적인 트레이드오프를 제공함을 의미한다.

전반적으로 이 논문은 RSMA와 하이브리드 신호 처리 기법을 결합해 고속 이동 MIMO‑OFDM 시스템의 핵심 과제인 ICI를 효과적으로 완화하고, 구현 복잡도와 성능 사이의 균형을 체계적으로 제시한다는 점에서 학술적·실용적 기여가 크다.