다중사용자 MIMO OFDM ISAC 시스템을 위한 디지털 및 하이브리드 프리코딩과 RF 체인 선택 설계

초록

본 논문은 다중사용자 MIMO‑OFDM 기반 통합 감지·통신(ISAC) 시스템에서 에너지 효율(EE)을 극대화하기 위해 디지털 및 하이브리드 프리코딩 구조와 RF 체인 ON/OFF 선택을 공동 최적화한다. 센싱 성능 제약을 만족하면서 전송 전력과 RF 회로 전력을 동시에 고려한 EE 최대화 문제를 수식화하고, 하이퍼볼릭 탄젠트 근사와 순차적 서브문제 변환을 이용한 효율적인 알고리즘을 제시한다. 또한 스펙트럼 효율‑전력 트레이드오프 설계와 복합 복잡도·수렴 분석을 수행하여, 시뮬레이션을 통해 기존 방식 대비 EE‑센싱 트레이드오프에서 현저한 향상을 입증한다.

상세 분석

이 논문은 기존 연구가 주로 좁은 대역폭 MIMO‑ISAC 시스템에 초점을 맞추고, 전력 효율성에 대한 고려가 제한적이었던 점을 지적한다. 저자는 넓은 대역폭을 갖는 MIMO‑OFDM 환경에서 다중 사용자와 다중 목표를 동시에 처리하면서, 전송 전력뿐 아니라 RF 체인 회로 전력까지 포함한 전체 전력 모델을 구축한다. 특히, RF 체인 활성화 여부를 이진 변수로 모델링하고, 전송 파워와 회로 전력을 합산한 총 전력 P_total(F)를 정의함으로써 EE = R(F)/P_total(F) 형태의 비선형 비정수 최적화 문제를 도출한다.

문제의 난이도를 낮추기 위해 저자는 (1) 전력 소비 모델을 하이퍼볼릭 탄젠트 함수로 근사하여 연속적인 형태로 변환하고, (2) 교대 최적화(Alternating Optimization)와 그리디/브루트포스 서브알고리즘을 결합한 다단계 해결 절차를 제안한다. 디지털 프리코딩(Full‑Digital, FD)에서는 precoding 행렬 F_k 를 직접 최적화하고, 하이브리드 구조에서는 완전 연결(Fully‑Connected, FC) 및 부분 연결(Partially‑Connected, PC) 아키텍처 각각에 대해 아날로그 위상시프터와 디지털 베이스밴드 프리코딩을 분리 설계한다. 아날로그 부분은 위상 제한을 만족하도록 설계하고, 디지털 부분은 FD 최적해에 근접하도록 조정한다.

알고리즘의 수렴성은 각 서브문제가 볼록 최적화 혹은 근사 최적화 형태를 갖기 때문에 보장되며, 복잡도 분석에서는 FD가 O(N_t^3) 수준, FC‑Hybrid가 아날로그/디지털 분리로 인해 추가적인 행렬 분해 비용이 발생하지만 여전히 실시간 구현 가능 범위임을 보여준다. 또한, 스펙트럼 효율‑전력 트레이드오프를 위해 라그랑주 승수를 도입, 목표 센싱 성능(CRB) 제약을 유지하면서 EE와 SE 사이의 Pareto 경계를 탐색한다.

시뮬레이션 결과는 (i) RF 체인 수를 동적으로 조절함으로써 회로 전력을 크게 절감하고, (ii) 하이브리드 구조에서도 FD에 근접한 EE를 달성하며, (iii) 제안된 알고리즘이 기존 전력‑중심 설계보다 20~30% 정도 EE 향상을 제공함을 입증한다. 특히, 센싱 성능 제약을 만족하는 경우에도 전송 전력을 크게 낮출 수 있어, 차세대 6G 및 IoT 환경에서의 에너지 제한 통신·레이더 융합에 실용적이다.