상향 중간대역에서 지상‑위성 공존을 위한 동적 간섭 관리

초록

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본 논문은 FR3(7‑24 GHz) 상위 중간대역에서 지상 네트워크(TN)와 비지상 네트워크(NTN)의 동시 사용 시 발생하는 간섭 문제를 해결하기 위해, TN의 전송 전력, 업링크 전력 및 안테나 다운틸트 각을 공동 최적화하는 프레임워크를 제안한다. 비선형·비볼록 문제를 PPO 기반 강화학습으로 해결하여, 기존 방법 대비 6‑8 dB 수준의 INR 감소와 87 % 이상의 gNB 가동률을 달성한다.

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상세 분석

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이 연구는 FR3 상위 중간대역(7‑24 GHz)에서 5G/6G 지상망과 LEO 위성 기반 NTN이 동일 주파수를 공유할 때 발생하는 상향 간섭을 정량화하고, 실시간으로 완화할 수 있는 제어 메커니즘을 제시한다. 기존 문헌이 제시한 빔포밍·프리코딩 기반의 공간 억제 기법은 정확한 CSI와 정적 협조가 전제돼 동적인 위성 궤도 변화에 취약하다는 한계를 지적한다. 대신 안테나 다운틸트 조정을 활용해 방사 패턴을 수직으로 재구성함으로써, 복잡한 CSI 획득 없이도 위성 수신기에 대한 전력 누설을 크게 감소시킬 수 있음을 보여준다.

논문은 먼저 3GPP TR 38.811/38.901 표준에 기반한 NTN·TN 경로손실 모델을 상세히 수식화한다. NTN은 슬랜트 거리와 대기·이온층 손실을 포함한 종합 손실을, TN은 Urban Macro 모델을 적용해 LOS/NLOS 조건을 구분한다. 안테나 이득은 수평·수직 빔패턴과 다운틸트 각을 변수로 두어, 각 gNB의 방사 패턴이 위성 사용자 단말에 미치는 영향을 정량화한다.

핵심 최적화 목표는 “NTN 다운링크 스루풋을 최대화하면서 모든 NTN 단말의 INR이 사전 정의된 보호 임계값(‑12 dB~‑6 dB) 이하가 되도록” 하는 것이다. 제약식은 각 gNB의 전송 전력 상한, 기계적 다운틸트 범위, 그리고 INR 제한을 포함한다. 이 문제는 전력·틸트·업링크 전력이라는 다중 연속 변수와 섹터 뮤팅이라는 이산 변수가 결합된 비선형·비볼록 형태이며, 전통적인 convex 최적화 기법으로는 전역 최적해를 보장하기 어렵다.

이를 해결하기 위해 저자는 중앙집중형 PPO 에이전트를 설계한다. 상태 벡터는 위성 고도각, 현재 INR 초과 비율, NTN 총 스루풋, 활성 gNB 비율, 현재 보호 임계값 등을 포함한다. 행동 벡터는 새로운 INR 임계값, 섹터 뮤팅 여부, 각 gNB·UE의 전송 전력, 그리고 각 gNB의 다운틸트 각을 결정한다. 보상 함수는 정규화된 NTN 스루풋, TN 가동률, 그리고 INR 초과 비율을 가중합 형태로 결합해, NTN 성능을 최우선으로 하면서 TN 서비스 연속성을 유지하도록 설계되었다.

시뮬레이션 환경은 20 × 20 km²의 고정된 위성 발자국 내에서 다수의 5G gNB와 이동형 NTN 단말을 배치하고, 다양한 트래픽·위성 궤도 시나리오를 고려한다. 결과는 PPO 기반 정책이 정적 전력·틸트 고정 전략이나 단순 배제구역 방식에 비해 평균 INR을 6‑8 dB 낮추고, gNB 가동률을 87 % 이상 유지함을 보여준다. 특히, 섹터 뮤팅을 병행함으로써 고밀도 도시 환경에서도 특정 고위험 구역을 선택적으로 차단할 수 있어, 전체 네트워크 효율성을 크게 향상시킨다.

이 논문의 주요 기여는 (1) TN·NTN 간의 전력·안테나 기하학적 상호작용을 정밀히 모델링한 통합 최적화 프레임워크, (2) 비선형·비볼록 문제를 실시간으로 해결할 수 있는 PPO 기반 강화학습 설계, (3) 동적 위성 궤도와 이동형 단말을 고려한 실험을 통해 제안 방법의 실용성을 검증한 점이다. 향후 연구에서는 다중 위성·다중 주파수 대역을 동시에 다루는 다중 에이전트 협업 학습이나, 현장 시험을 통한 CSI‑불확실성 모델링 확대가 기대된다.

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