유동 안테나 릴레이 기반 AAV‑NOMA 무선망 성능 분석

본 논문은 차세대 6G 무선통신에서 요구되는 높은 신뢰성, 저지연, 그리고 넓은 커버리지를 만족시키기 위해 두 가지 혁신 기술인 유동 안테나 시스템(FAS)과 자율 비행체(AAV)를 결합한 유동 안테나 릴레이(FAR)를 제안한다. 기존 연구들은 주로 단일 중계 방식(AF 또는 DF)만을 고려하거나, 전통적인 고정 안테나와 OMA 방식을 사용해 성능 한계에 직면해 있었다. 이에 저자들은 FAR를 NOMA 기반 두 사용자 다운링크에 적용하고, 상황에 따라 AF와 DF 중 최적의 중계 방식을 선택하도록 설계함으로써 약한 사용자(사용자 2)의 outage probability(OP)를 최소화하는 새로운 프레임워크를 구축하였다. 시스템 모델은 다음과 같다. BS는 단일 전통 안테나를 가지고 있으며, 두 지상 사용자와 FAR에게 동시에 슈퍼포즈 신호를 전송한다. 첫 번째 전송 단계에서 BS는 전력 P_B를 비율 β_B와 (1−β_B)로 나누어 사용자 1·2의 신호 x₁·x₂를 합성한다. FAR는 2차원 FAS를 탑재하고 있으며, N₁×N₂개의 사전 정의된 포트를 보유한다. 포트 선택 과정에서 최적 포트를 찾아 채널 이득을 최대화하지만, 포트 간 상관성이 존재한다는 점을 고려한다. 이를 위해 저자들은 Gaussian copula 함수를 이용해 다중 포트 채널 이득의 결합 CDF를 정확히 모델링하였다. 각 포트의 채널 이득 |h_FUj|²는 지수분포를 따르며, 포트 간 상관 행렬 J는 Bessel 함수 기반의 공간 상관식(13)으로 정의된다. 두 번째 전송 단계에서 FAR는 첫 단계에서 수신한 신호를 AF 혹은 DF 방식으로 재전송한다. AF 방식에서는 증폭 계수 η를 사용해 신호를 그대로 전달하고, 사용자 2는 첫 단계와 두 번째 단계에서 각각 γ₁_U2와 γ₁₁_U2를 계산한 뒤 합산해 최종 SINR Γ_AF_U2를 얻는다. DF 방식에서는 FAR가 먼저 x₁·x₂를 복호화하고, 복호화 성공 여부에 따라 두 가지 서브‑시나리오가 발생한다. (i) x₁을 성공적으로 복호화한 경우, FAR는 새로운 전력 할당 비율 β_F를 적용해 x₁·x₂를 재전송하고, 사용자 2는 첫 단계와 재전송 단계에서 각각 γ₁_U2와 γ₁₁_F_U2를 합산한다. (ii) x₁ 복호화에 실패한 경우, FAR는 x₂만 전송하며 사용자 2는 첫 단계와 재전송 단계에서 γ₁_U2와 γ₁₁_2_U2를 합산한다. OP 분석에서는 먼저 채널 변수들을 W₁=|h_BU1|², W₂=|h_BU2|², X=|h_BF|², Z=|h_FU2|² 로 치환하고, β_B와 γ_U2(목표 SINR) 사이의 관계에 따라 OP 식을 구분하였다. AF 경우에는 β_B가 1/(1+γ_U2)보다 작을 때와 그 사이, 그보다 클 때 세 구간으로 나누어 각각 q_AF₁, q_AF₂, 그리고 항상 outage인 경우를 도출했다. DF 경우에는 FAR가 x₂를 반드시 복호화하므로 X≥γ_U2·ξ_B·ρ_B(ξ_B=1−β_B−β_B·γ_U2) 조건을 만족한다. 이후 DF‑F와 DF‑2 두 서브‑시나리오에 대해 각각 p_DF₁, p_DF₂를 계산하고, 최종 OP q_DF는 (24)식으로 정리된다. 중계 방식 선택 파라미터 μ=ε(q_AF−q_DF) 를 정의함으로써, OP가 더 낮은 방식을 자동으로 선택하도록 설계하였다. μ=1이면 AF가, μ=0이면 DF가 선택된다. μ는 FAR와 사용자 2 사이 거리 d, 전력 할당 비율 β_B, 목표 OP 임계값 γ 등에 민감하게 반응한다. 시뮬레이션에서는 FAR를 다양한 고도·수평 위치에 배치하고, β_B를 0~0.5 구간에서 스윕하면서 μ의 변화를 관찰하였다. 결과는 FAR가 사용자 2에 가까울수록 DF가 유리하고, 멀어질수록 AF가 유리함을 보여준다. 시뮬레이션 파라미터는 다음과 같다. BS와 FAR의 전송 전력은 동일하게 P_B=P_F, 잡음 전력은 −130 dBm, 목표 SINR은 γ_U1=γ_U2=γ, FAS 포트 수는 N₁=N₂=4, 포트 간 간격은 L₁=L₂=1λ 로 설정하였다. OP 곡선은 β_B가 작아질수록(즉, 약한 사용자에 더 많은 전력을 할당할수록) 크게 개선되며, FAR를 도입한 NOMA 시스템이 OMA 기반 단일 중계 혹은 직접 전송에 비해 약 2~3 dB 수준의 OP 감소를 달성한다. 또한, μ를 이용한 동적 중계 선택은 시스템 전반의 신뢰성을 향상시키면서도 복잡도는 크게 증가시키지 않는다. 결론적으로, 본 연구는 유동 안테나와 AAV 기반 중계가 제공하는 공간적 자유도와 NOMA의 전력 도메인 다중접속 이점을 결합함으로써, 고주파·고밀도 6G 환경에서 약한 사용자의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다. 향후 연구에서는 다중 사용자 시나리오, 이동성 모델, 그리고 실시간 포트 선택 알고리즘을 포함한 확장된 시스템 모델을 탐색할 예정이다.