이중 포트 구동 누수 동축 케이블 기반 핀칭 안테나 시스템

본 논문은 누수 동축 케이블(LCX)을 활용한 일반화 핀칭 안테나 시스템에 이중 포트(feed) 방식을 도입함으로써 기존 고주파 파이프라인 기반 핀칭 안테나의 한계를 극복하고, 저주파 대역에서도 대규모 공간 재구성이 가능한 새로운 안테나 패러다임을 제시한다. 서론에서는 RIS, 유동 안테나, 이동 안테나 등 기존 재구성 가능한 안테나 기술들을 검토하고, 이들 기술이 전파 경로를 간접적으로만 제어한다는 점에서 물리적인 방사 위치를 직접 제어하는 핀칭 안테나와 차별화된다는 점을 강조한다. 기존 연구는 주로 유전체 파이프라인 기반 핀칭 안테나에 집중했으며, 고주파 대역에 국한되는 문제점을 지적한다. 이에 대한 해결책으로 LCX를 물리적 플랫폼으로 선택하고, 이중 포트 구동을 통해 양방향 가이드 파동 전파와 슬롯 방사를 동시에 활용하는 구조를 설계한다. 시스템 모델에서는 K개의 평행 LCX가 각각 M개의 방사 슬롯을 갖고, 총 N=2K명의 사용자를 서비스한다는 설정을 제시한다. 각 케이블은 y축에 고정되고, 슬롯은 x축 방향으로 일정 간격 Δd 로 배치된다. 채널 모델은 크게 네 부분으로 구성된다. 첫째, 포트 L과 R에서 슬롯까지의 내부 전파 손실을 식(1)·(2) 로 정의하고, 감쇠 상수 κ_r 와 상대 유전율 ε_r 을 고려한다. 둘째, 슬롯에서 사용자까지의 직진(LoS) 경로는 자유공간 경로손실 η와 거리·고도에 따른 sin θ 요인을 포함한다(식 3·4). 셋째, 비직진(NLoS) 경로는 L개의 산란점을 도입해 복소 가우시안 변수 δ_ℓ 로 모델링하고, 각 산란점까지의 거리와 고도 각을 반영한다(식 5). 넷째, 포트‑슬롯‑사용자 3차원 채널은 내부 전파와 외부 방사를 곱셈적으로 결합한 형태(식 6)로 정의된다. 이러한 모델링은 이중 포트 구동 시 슬롯마다 가장 가까운 포트에서 전력을 공급받아 전송 손실이 절반 수준으로 감소한다는 Remark 1을 이론적으로 뒷받침한다. 또한, 서로 다른 포트에서 전송된 신호는 서로 다른 위상 변이를 가지므로, 간섭 신호는 더 긴 전파 거리를 거쳐 약화된다는 Remark 2를 통해 간섭 억제 효과를 설명한다. 아날로그 빔포밍 설계에서는 슬롯 활성화 벡터 α_k 를 도입해, 각 슬롯을 이진(활성/비활성)으로 제어한다. 활성화된 슬롯 수 N_k 에 따라 포트에서 입력된 전력이 1/√N_k 로 정규화되어 균등하게 분배된다. 그러나 실제 전송 손실은 슬롯 위치에 따라 다르므로, 전력 할당 단계에서 이를 보정한다. 최적화 목표는 모든 사용자에 대해 최소 데이터율을 최대화하는 max‑min 문제이며, 이는 세 개의 서브문제로 분해된다. (1) 포트 선택 문제는 각 케이블에 대해 L 또는 R 중 하나를 선택하는 이진 매칭 문제이며, 완전 매칭 이론을 적용해 다항식 시간에 해결한다. (2) 슬롯 활성화는 사용자의 채널 이득과 간섭을 고려한 협동 게임(coalitional game)으로 모델링한다. 각 슬롯은 플레이어가 되며, 가치 함수는 현재 활성화된 슬롯 집합에서 얻어지는 최소 사용자 데이터율이다. 그리디하게 코얼리션을 형성하고, 수렴 조건을 만족하도록 반복한다. (3) 전력 할당은 주어진 포트·슬롯 구성을 고정한 뒤, 최소 데이터율을 만족하도록 전송 전력을 이분법(bisection)으로 조정한다. 이 과정은 전력 제한 P_total 을 만족하면서 각 사용자에 할당된 전력을 업데이트한다. 전체 알고리즘은 외부 루프에서 포트 매칭을 수행하고, 내부 루프에서 슬롯 게임과 전력 이분법을 교차 실행한다. 하이브리드 전송 설계에서는 디지털 ZF 프리코딩을 추가한다. ZF는 사용자 간 간섭을 완전히 제거하므로, 슬롯 활성화 문제는 단일 코얼리션 게임으로 단순화된다. 또한, ZF에 의해 발생하는 전력 증폭 효과를 고려해 폐쇄형 전력 할당 해를 도출한다(예: 각 사용자에 동일한 SINR을 목표로 하는 water‑filling 형태). 이때, 아날로그 단계에서의 슬롯 선택과 전력 배분은 ZF 전처리 이후에도 동일하게 적용되며, 전체 복합 빔포밍 구조는 아날로그·디지털이 결합된 하이브리드 형태가 된다. 시뮬레이션에서는 다양한 전송 전력(P_t = 0~30 dBm), 케이블 길이(L = 10 m), 슬롯 수(M = 64), 포트 수(K = 4) 등을 설정하고, 사용자 위치를 무작위로 배치한다. 성능 평가지표는 최소 사용자 데이터율이며, 비교 대상은 (i) 단일 포트 LCX 시스템, (ii) 고정 안테나 배열, (iii) 아날로그 최적화 없이 무작위 슬롯 활성화, (iv) 하이브리드 ZF 설계. 결과는 다음과 같다. 첫째, 이중 포트 구동은 최악의 전파 거리 감소로 인해 평균 최소 데이터율을 약 30 % 향상시킨다. 둘째, 아날로그 최적화(포트 매칭 + 슬롯 게임 + 전력 이분법)는 무작위 활성화 대비 15 %~20 % 이득을 제공한다. 셋째, 하이브리드 ZF 설계는 동일 전력에서 아날로그 설계 대비 추가 5 %~10 % 이득을 달성한다. 넷째, 케이블 감쇠 상수 κ_r 가 클수록(고주파·고손실) 이중 포트의 상대적 이점이 더욱 두드러진다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. (1) 이중 포트 구동 LCX 기반 핀칭 안테나 시스템을 제안하고, 그에 맞는 복합 채널 모델을 수립하였다. (2) 아날로그 및 하이브리드 빔포밍을 위한 max‑min 최적화 문제를 정의하고, 각각 매칭 이론·협동 게임·이분법, 그리고 ZF·폐쇄형 전력 할당으로 효율적인 해결책을 제시하였다. (3) 시뮬레이션을 통해 이중 포트가 단일 포트 및 고정 안테나 대비 최소 데이터율을 크게 향상시킴을 입증하였다. (4) 슬롯·포트·전력의 공동 최적화가 대규모 재구성 가능한 안테나 시스템에서 실시간 구현 가능성을 확보함을 보여준다. 마지막으로, 본 연구는 실험적 프로토타입 구축, 슬롯 간 근접 결합 효과 모델링, 다중 사용자(N > 2K) 상황에서의 스케일링 문제, 그리고 머신러닝 기반 실시간 슬롯·포트 선택 알고리즘 등 향후 연구 방향을 제시한다.