반복기 지원 대규모 MIMO 전이중 통신의 혁신적 설계와 최적화

초록

본 논문은 다수의 단일 안테나 반복기를 활용해 전이중(Full‑Duplex) 대규모 MIMO 시스템을 구현하고, 각 반복기의 증폭 가중치를 최적화함으로써 상향(UL)·하향(DL) 사용자들의 최소 스펙트럼 효율을 가중합으로 최대화하는 방법을 제시한다. 비볼록 최적화 문제를 연속적인 볼록 근사(SCA)와 수렴‑보장형 CCP 기법으로 해결하고, 시뮬레이션을 통해 반복기‑지원 전이중 설계가 기존 반이중 및 중앙집중형 전이중 시스템 대비 최대 4배(하향)·2.5배(상향)의 SE 향상을 달성함을 입증한다.

상세 분석

본 연구는 5G·6G 시대의 핵심 기술인 대규모 MIMO와 전이중 통신을 결합한 새로운 네트워크 아키텍처를 제안한다. 기존의 대규모 MIMO는 안테나 수가 많아 전파 손실·그림자 효과에 취약하고, 프런트홀·동기화 비용이 크게 증가한다는 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 저비용·저전력 단일 안테나 반복기(L = 32~64)를 배치하고, 각 반복기가 수신된 신호를 즉시 증폭·재전송하도록 설계하였다. 핵심 기술은 다음과 같다.

1. 시스템 모델링: BS는 전송 안테나 M_t와 수신 안테나 M_r을 각각 할당하고, UL·DL 사용자 K_ul = K_dl = 5명을 동시에 서비스한다. 반복기 ℓ는 가중치 α_ℓ를 갖고, 직접 채널과 반복기 경유 채널을 모두 고려한 복합 채널 h_dl_k와 h_ul_q를 정의한다. 자기간섭(SI) 채널 H_SI와 사용자 간 교차 채널 h_qk도 포함해 실제 전이중 환경을 정밀히 모델링하였다.

2. ZF 프리코딩·조합: 대규모 안테나 수가 충분히 크므로 제로 포싱(ZF) 원리를 적용해 전송 벡터 v_k와 수신 결합 벡터 w_q를 설계한다. 이는 다중 사용자 간 간섭을 이론적으로 제거하고, 반복기 경유 신호와 SI에 의해 발생하는 잔여 간섭만을 남긴다.

3. 목표 함수 및 제약: 각 사용자에 대해 최소 스펙트럼 효율을 보장하고, 전체 시스템에서는 “가중 최소 SE”를 최대화한다. 이는 공정성(fairness)을 강조한 설계이며, QoS 제약(S_dl, S_ul)과 반복기 출력 전력 제한(α_max, P_max)도 동시에 만족해야 한다.

4. 비볼록 최적화 해결: α_ℓ는 곱셈·제곱 형태가 섞인 비볼록 변수이며, SINR 식 역시 α_ℓ에 대해 비선형이다. 저자는 연속적인 볼록 근사(SCA)와 차분-볼록(concave‑convex) 절차(CCP)를 결합한 알고리즘을 제안한다. 초기 불가능성을 방지하기 위해 비음성 가능성 파라미터(ϕ_dl_k, ϕ_ul_q)를 도입하고, 정규화 항 λ·ϕ를 목표에 추가해 점진적으로 0으로 수렴하도록 설계하였다. 이렇게 하면 매 반복마다 볼록 문제를 CVX로 해결할 수 있어 계산 복잡도는 O(p·A_l·…) 수준으로 실용적이다.

5. 시뮬레이션 결과: 400 m² 영역에 32~64개의 반복기를 무작위 배치하고, BS 안테나 32×2를 사용한 시나리오에서 3가지 베이스라인(RA‑FD(Random), RA‑HD(Optimized), 중앙집중형 FD‑mMIMO)과 비교하였다. CDF 그래프는 RA‑FD(Optimized)가 모든 사용자에 대해 평균 SE를 각각 98 %(DL)·252 %(UL) 향상시켰으며, 최소 SE 기준으로는 최대 4배(DL)·2.5배(UL) 상승을 보였다. 이는 반복기 가중치 최적화가 간섭 억제와 신호 증폭을 동시에 달성함을 증명한다.

6. 실용적 시사점: 반복기 자체는 저전력·저비용 장치이므로 대규모 네트워크에 손쉽게 확장 가능하고, 전이중 운영 시 발생하는 SI와 반복기 간 상호 간섭을 알고리즘적으로 제어하면 기존 HD 시스템 대비 거의 두 배 이상의 스펙트럼 효율을 얻을 수 있다. 또한, 제안된 최적화 프레임워크는 다른 형태의 분산 증폭기(예: RIS, 스마트 반사면)에도 적용 가능하다는 확장성을 가진다.

전반적으로 본 논문은 반복기 기반 분산 증폭과 전이중 대규모 MIMO를 결합한 새로운 네트워크 패러다임을 제시하고, 실용적인 최적화 알고리즘을 통해 이론적 이점을 실제 시스템 수준에서 검증한 점이 큰 의의이다.