셀프리 Massive MIMO에서 UE 안테나 보정 오류를 차등 STBC로 극복

초록

본 논문은 셀프리 Massive MIMO 시스템의 다운링크에서 다중 안테나 UE가 겪는 하드웨어 보정 오류를 차등 공간‑시간 블록 코딩(DSTBC)으로 완화하는 방법을 제안한다. DSTBC를 이용해 채널 위상 정보를 알 필요 없이 안정적인 전송이 가능함을 시뮬레이션을 통해 입증한다.

상세 분석

본 연구는 셀프리 Massive MIMO(CF‑mMIMO) 환경에서 사용자 장비(UE)의 다중 안테나가 보정되지 않은 RF 체인으로 인해 발생하는 위상·진폭 불일치, 즉 안테나 캘리브레이션 오류가 다운링크(DL) 전송 성능을 크게 저하시킨다는 점에 주목한다. 기존 연구는 주로 AP 측의 캘리브레이션에 집중했으며, UE 측 오류는 OTA(Over‑the‑Air) 보정이 어려워 무시되는 경우가 많았다. 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 차등 공간‑시간 블록 코딩(DSTBC)을 도입한다. DSTBC는 연속적인 코드워드 간의 위상 차이를 이용해 데이터 복원을 수행하므로, 채널의 즉시 상태 정보(CSI)나 위상 보정 정보를 사전에 알 필요가 없다.

시스템 모델에서는 L개의 AP가 각각 N_AP 안테나를, K개의 UE가 N_UE 안테나를 보유하고, TDD 모드에서 UL 채널을 추정한 뒤 DL 전송에 재사용한다. 그러나 실제 하드웨어 비대칭으로 인해 UL과 DL 채널은 Φ_AP_rx, Φ_AP_tx, Φ_UE_rx, Φ_UE_tx와 같은 대각 행렬에 의해 변형된다. 특히 UE 측의 Φ_UE_rx·Φ_UE_tx는 시간에 천천히 변하는 것으로 가정하고, 두 연속 코드워드 구간 동안 거의 일정하다고 본다. 이러한 비대칭은 기존 ZISI(Zero‑Inter‑Stream‑Interference) 프리코더를 사용하더라도 데이터 벡터가 비대각 행렬에 의해 섞여 BER이 급격히 악화되는 원인이 된다.

DSTBC 기반 전송에서는 각 UE가 N_s개의 데이터 스트림을 갖고, 각 스트림을 n_s 심볼 단위로 나누어 정사각형 STBC(예: Alamouti) 형태의 코드워드 X_t,k,j 로 매핑한다. 차등 인코딩은 C_t,k,j = C_{t‑1,k,j}·X_t,k,j 로 수행되며, C_0,k,j는 단위 행렬이다. 각 행은 서비스하는 AP에 할당되어 AP는 해당 행을 프리코더 W_k,l과 결합해 전송한다. 수신 측 UE는 동일한 Φ_UE_rx·Φ_UE_tx가 적용된 두 연속 수신 행렬 Y_t,k와 Y_{t‑1,k}를 이용해 (Y_t,k)^H·Y_{t‑1,k} 를 계산하고, ML 기준 ˆX_t,k,j = argmax_{X∈𝒳} Re{tr(X·(Y_t,k)^H·Y_{t‑1,k})} 로 최적 코드워드를 복원한다. 이 과정에서 위상 오프셋은 차분 연산을 통해 소거되며, 다중 스트림은 UE 안테나를 N_b = N_UE/N_s 개씩 그룹화해 별도로 처리한다.

복잡도 분석에서는 CPU 측 차등 인코딩이 L_k^3·N_s 정도의 연산만 필요하고, UE 측은 N_b·L_k^2·N_s 복소곱과 코드북 탐색(코드워드가 직교하므로 심볼 단위 탐색 가능) 정도로, 기존 코히런트 전송 대비 크게 증가하지 않는다. 시뮬레이션 결과는 2‑antenna UE와 8‑antenna AP를 가진 40 AP, 20 UE 시나리오에서, 캘리브레이션 오류가 존재할 때 DSTBC 기반 전송이 BER과 스펙트럼 효율(SE) 모두에서 거의 이상적인 코히런트 성능에 근접함을 보여준다. 즉, UE 측 캘리브레이션 없이도 차등 코딩만으로 하드웨어 비대칭을 효과적으로 억제할 수 있음을 입증한다.