이동 신호가 이끌어내는 2인 사용자 무선 시스템 용량 혁신

초록

본 논문은 이동 가능한 주파수(이동 신호)를 활용해 두 사용자가 동일 주파수 대역에서 통신하는 MAC 및 BC의 용량 영역을 분석한다. 주파수를 적절히 선택하면 두 사용자 채널을 직교시켜 용량 영역을 크게 확장하고, 제한된 주파수 범위 내에서도 최대 45%의 합률 향상을 달성한다.

상세 분석

본 연구는 스마트 라디오 환경(SRE)의 세 번째 구현 방식인 이동 신호(movable signals)를 도입하여, 기존의 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이나 유연 안테나와 차별화된 주파수 도메인 제어를 탐구한다. 논문은 두 사용자를 대상으로 하는 다중접속(MAC)과 방송(BC) 채널을 모델링하고, 각 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유하면서도 채널 직교화를 통해 용량 영역을 최대로 확장할 수 있음을 증명한다.

핵심은 전파 파장의 λ를 조정함으로써 사용자 1과 2의 채널 벡터 h₁, h₂가 내적이 0이 되도록 하는 조건을 도출한 것이다. 수식 (13)–(18)에서 나타난 바와 같이, λ* = N·d_A·|sinθ₁−sinθ₂|/L (L∈ℕ) 혹은 f* = L·f_A·N·|sinθ₁−sinθ₂| (f_A = c/d_A) 로 설정하면 h₁ᵀh₂ = 0이 된다. 이때 θ₁≠θ₂이어야 하며, 파장 선택이 특정 정수배와 겹치지 않도록 주의해야 한다. 이러한 직교화는 MAC에서 각 사용자가 단일 사용자 SIMO 용량을 그대로 달성하게 하며, 합률 상한도 (7)과 동일하게 된다. BC에서도 동일한 주파수 f*를 사용하면 두 사용자에 대한 전력 할당을 자유롭게 조절하면서 각 사용자가 간섭 없이 MISO 단일 사용자 용량을 얻을 수 있다. 특히, 전력 P를 절반씩 나누면 합률 C_dl = 2·log₂(1+P·N/σ²) 로 최대화된다.

실제 시스템에서는 주파수 대역이 제한될 수밖에 없으므로, 논문은