동적 서브어레이 기반 트랜스포머 하이브리드 빔포밍

초록

본 논문은 근거리 우주(near‑space) 에어십에 탑재된 대규모 MIMO 시스템을 위해, 동적 서브어레이 구조와 트랜스포머 인코더를 결합한 하이브리드 빔포밍 프레임워크(DyHBFNet)를 제안한다. 아날로그 빔포밍 네트워크(ABFNet), 안테나 선택 네트워크(ASNet), 디지털 빔포밍 네트워크(DBFNet) 세 모듈을 각각 트랜스포머 기반으로 설계하고, DBFNet에서는 모델‑드리븐 WMMSE 알고리즘을 적용해 수렴 속도와 성능을 동시에 향상시킨다. 시뮬레이션 결과, 제안 방식은 기존 고정 서브어레이 및 전통적 최적화 기법에 비해 스펙트럼 효율과 에너지 효율 모두 크게 개선되며, CSI 오차에 대한 강인성도 입증된다.

상세 분석

DyHBFNet은 근거리 우주 에어십이라는 특수 환경을 고려해 세 가지 핵심 설계 목표를 설정한다. 첫째, 에어십은 전력 제약이 심하므로 RF 체인 수가 안테나 수에 비해 현저히 적은 하이브리드 구조가 필요하다. 이를 위해 동적 서브어레이를 도입해 각 RF 체인이 채널 상태에 따라 서로 다른 안테나 집합에 연결되도록 설계하였다. 둘째, 전통적인 블록 좌표 하강법이나 완전 연결 방식은 연산 복잡도가 급격히 증가하고 CSI 불완전성에 취약하다. 논문은 이를 극복하기 위해 트랜스포머 인코더를 활용한다. 트랜스포머는 자체‑어텐션 메커니즘을 통해 다중 사용자·다중 서브캐리어 간의 복잡한 상관관계를 효율적으로 학습한다. ABFNet에서는 복소 CSI를 실‑복소 형태로 변환 후 256 차원의 임베딩을 거쳐 3개의 동일 레이어(멀티‑헤드 어텐션 + 피드‑포워드)로 처리한다. 출력은 복소 아날로그 빔포밍 행렬 ˜F_RF와 디지털 빔포밍에 활용될 보조 정보 ˆF_RF 로 분리된다.

ASNet은 안테나‑RF 연결을 다중 클래스 분류 문제로 정의한다. 입력으로는 ABFNet에서 제공된 ˆF_RF와 동일한 CSI 행렬 ˆH를 결합한 시퀀스를 사용한다. 트랜스포머 인코더 2는 N_c×4K N_t 크기의 시퀀스를 처리해 N_t×K 차원의 로짓 ˜X_sel을 생성하고, 소프트맥스 후 argmax를 통해 각 안테나가 할당될 RF 체인을 결정한다. 이 과정에서 하드 제약인 “각 안테나는 하나의 RF에만 연결”을 정확히 만족시키면서도, 채널 특성에 따라 동적으로 최적 매핑을 수행한다.

DBFNet은 모델‑드리븐 WMMSE를 구현한다. 기존 WMMSE는 반복적인 행렬 연산으로 인해 실시간 적용이 어려운 반면, 논문은 WMMSE의 최적 해를 파라미터 {a, b, c} 형태로 변형하고, 트랜스포머 인코더 3이 이 파라미터를 직접 예측하도록 설계하였다. 입력은 아날로그 빔포밍이 적용된 등가 채널 H_equ이며, 인코더는 이를 고차원 특징으로 변환 후 FC 레이어를 거쳐 a