1. 서 론

가상현실, 메타버스, 사물인터넷, 클라우드 서비스 등의 새로운 무선 서비스를 제공하기 위해 무선 데이터 트래픽과 무선접속기기 수가 급증하고 있다 ⁽¹⁾. 이것은 현재의 무선통신 시스템으로 충족시키기 어려울 것으로 예상되며 학계 및 산업계에서 전송용량을 혁신적으로 향상하는 차세대 무선통신 시스템에 대해 활발히 논의되고 있다 ⁽²⁾-⁽⁴⁾. 특히 차세대 무선통신 시스템의 통신품질과 구축비용 등을 고려할 때 유용한 주파수 대역의 부족으로 인해 주파수 효율을 획기적으로 개선하는 기술에 관심이 집중되고 있다 ⁽⁵⁾-⁽⁷⁾. 이러한 기술들 중에서 비직교 다중접속 (non-orthogonal multiple access) 방식은 상용 무선통신 시스템에서 이용되고 있는 직교 다중접속 방식과 달리 다수의 사용자에게 중복해서 동일한 주파수 자원을 할당하여 동시에 데이터를 전송한다. 따라서 이 방식을 이용하면 주파수 자원을 증가시키지 않고도 많은 사용자를 동시에 지원할 수 있어 유망한 기술로서 많은 관심을 받고 있다 ⁽⁷⁾-⁽¹⁰⁾. 관련 주요 기술들을 기술하면 다음과 같다.

⁽¹¹⁾에서는 송신기가 클러스터 내 사용자를 위해 중첩 코딩 (superposition coding)과 랜덤 빔포밍 (random beamforming)을 적용하고 사용자 수신기는 SIC (successive interference cancellation)을 이용하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법이 제안되었다. 이 방법은 시스템 복잡도는 감소시키나 사용자 클러스터 간 간섭을 완전히 제거할 수 없는 한계가 존재한다. ⁽¹²⁾에서는 송신기 프리코더 (precoder) 설계를 위한 채널 피드백 없이 사용자 클러스터 간 간섭을 완전히 제거하기 위해 수신기에서 클러스터 간섭에 직교하는 수신 빔포밍 벡터를 채용하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법이 개발되었다. 또한 송신기 프리코더 설계를 위해 채널 피드백은 요구되나 ⁽¹²⁾의 방식보다 적은 수의 수신 안테나를 사용하여 사용자 클러스터 간 간섭을 제거하는 신호 정렬 기반 다중안테나 비직교 다중접속 방법이 ⁽¹³⁾에서 제안되었다. 그러나 이 방법들은 클러스터의 각 사용자에게 다수의 데이터 스트림을 전송할 수 없고 인접 셀로부터의 간섭도 고려하지 않는다.

그림 1 다중 셀 시스템에서 단일 사용자 클러스터에 다중 데이터 스트림을 전송하는 MIMO 하향링크 모델

Fig. 1 Model of MIMO downlink transmitting multiple data streams to a single user cluster in a multi-cell system

클러스터 간 간섭과 인접 셀로부터의 간섭을 동시에 제거하기 위해 ⁽¹⁴⁾에서는 간섭 정렬을 이용하여 조정된 빔포밍 벡터 (coordinated beamforming vector)를 설계하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법이 제시되었다. 이 방법 역시 클러스터의 각 사용자에게 다수의 데이터 스트림을 전송할 수 없고 간섭을 주는 인접 셀이 2개 이상이면 적용할 수 없다. 클러스터의 각 사용자에게 다수의 데이터 스트림을 전송하기 위해 GSVD (generalized singular value decomposition) ⁽¹⁵⁾를 이용하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법이 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁷⁾에서 제안되었다. 또한 ⁽¹⁸⁾에서는 계층 전송 (layered transmission) ⁽¹⁹⁾와 이에 따른 송신전력할당을 수행하는 MIMO (multiple-input multiple- output) 비직교 다중접속 방식이 개발되었다. 그러나 이 방법들은 다수의 데이터 스트림을 단일 클러스터에 전송할 수 있으나 인접 셀로부터의 간섭영향을 고려하지 않는다.

따라서 본 논문에서는 인접 셀의 간섭이 존재하는 환경에서 주파수 효율을 향상하기 위해, 기지국 근처에 위치한 셀 중심 사용자 (cell-center user)와 기지국에서 먼 곳에 위치한 셀 가장자리 사용자 (cell-edge user)로 구성된 단일 클러스터에 다수의 데이터 스트림을 동시에 전송하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법을 제안한다. 이를 위해 먼저 인접 셀로부터 간섭이 없는 단일 셀 (single-cell) 환경에서 적용 가능한 방법을 개발한다. 이 방법은 셀 중심 사용자의 MIMO 채널상태를 기반으로 이 사용자의 수신 빔포밍 행렬을 구하고 이 사용자의 데이터 스트림별 송신전력을 할당한다. 그리고 셀 가장자리 사용자의 MIMO 채널상태와 셀 중심 사용자의 간섭을 고려하여 이 사용자의 수신 빔포밍 행렬 설계와 데이터 스트림별 송신전력할당을 수행한다. 이 방법을 확장하여 다중 셀 (multi-cell) 환경에서 제안 방법은 셀 중심 사용자의 MIMO 채널상태와 인접 셀의 간섭을 고려하여 이 사용자의 수신 빔포밍 행렬을 설계하고 데이터 스트림별 송신전력을 할당한다. 셀 가장자리 사용자의 경우는 MIMO 채널상태, 셀 중심 사용자의 간섭, 인접 셀의 간섭 등을 고려하여 이 사용자의 수신 빔포밍 행렬 설계와 데이터 스트림별 송신전력할당을 수행한다. 시뮬레이션을 통해 제안 방법이 각 사용자별 데이터 율과 outage 확률 측면에서 기존의 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방법보다 우수한 성능을 달성함을 보인다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 제 2절에서는 본 연구에서 고려하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방식을 이용하여 단일 클러스터의 사용자를 지원하는 하량링크 시스템 모델을 기술한다. 제 3절에서는 단일 셀과 다중 셀 환경에서 클러스터의 각 사용자의 데이터 율을 향상하는 수신 빔포밍 방법과 송신전력할당 방식을 제안한다. 제 4절에서는 시뮬레이션을 통해 각 사용자의 데이터 율과 outage 확률 측면에서 제안 방식의 성능을 평가한다. 마지막으로 제 5절에서 본 논문을 결론 맺는다.

2. 단일 클러스터 MIMO 비직교 다중접속 시스템

본 논문에서 고려하는 전송 시스템이 그림 1에 주어진다. 즉, 셀룰러시스템의 기지국이 단일 사용자 클러스터에 비직교 다중접속 방식을 이용하여 데이터를 전송하는 하향링크 시스템을 고려한다. 이때 기지국과 사용자 모두 $M$개의 안테나를 이용한다. 사용자 클러스터는 두 명의 사용자로 구성되는데 한 명은 기지국 근처에 위치한 셀 중심 사용자이고 다른 한 명은 기지국에서 먼 곳에 위치한 셀 가장자리 사용자이다. 또한 이 시스템을 위해 셀 간 간섭이 없는 단일 셀 환경과 셀 간 간섭이 존재하는 다중 셀 환경이 고려된다.

우선 단일 셀 환경에서 클러스터의 셀 중심 사용자에서 수신한 신호와 셀 가장자리 사용자에서 수신한 신호를 각각 $ r_{c}$와 $ r_{e}$라 하고 기지국과 셀 중심 사용자 간의 채널과 기지국과 셀 가장자리 사용자 간의 채널을 각각 $ H_{c}$와 $ H_{e}$로 나타내면 $ r_{c}$와 $ r_{e}$는 다음과 같이 표현된다.

여기서 $ d_{c}$와 $ d_{e}$는 각각 셀 중심 사용자와 셀 가장자리 사용자로 전송되는 데이터 벡터이고 비직교 다중접속 방식에 따라 동시에 전송된다. 또한 $E\left\{ d_{c} d_{c}^{H}\right\}= E\left\{ d_{e} d_{e}^{H}\right\}= I_{M}$이고 $E\{\}$와 $()^{H}$는 각각 기댓값과 공액 전치 행렬을 의미하며 $ I_{M}$은 $M\times M$ 단위행렬을 나타낸다. $ Q_{c}$와 $ Q_{e}$는 각각 셀 중심 사용자와 셀 가장자리 사용자로 전송되는 데이터 스트림의 송신전력할당 행렬이다. 수신 잡음 $ n_{c}$와 $ n_{e}$는 각각 평균이 영벡터이고 공분산 행렬이 $\sigma_{c}^{2} I_{M}$와 $\sigma_{e}^{2} I_{M}$인 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다.

한편 다중 셀 환경에서 간섭을 주는 인접 셀의 개수가 $N$이고 $i$번째 간섭 셀의 기지국으로부터 셀 중심 사용자로의 채널과 셀 가장자리 사용자로의 채널을 각각 $ G_{c,\: i}$와 $ G_{e,\: i}$로 나타내면 수신 신호 $ r_{c}$와 $ r_{e}$는 다음과 같이 표현된다.

여기서 $ s_{i}$는 $i$번째 간섭 셀의 기지국이 전송하는 데이터 벡터를 나타낸다.

3. 수신 빔포밍과 송신전력할당 방법

이 절에서는 먼저 단일 셀 환경에서 제안하는 수신 빔포밍과 송신전력할당 방식을 기술하고 이 방식을 다중 셀 환경에서도 적용 가능한 방식으로 확장한다.

4. 시뮬레이션 결과

이 절에서는 제안한 전송 방식의 데이터 율과 outage 확률 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다, 이를 위해 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾에서 제안된 단일 클러스터 다중안테나 비직교 다중접속 방식과 성능 비교를 수행한다. 이 평가는 단일 셀과 다중 셀 환경에서 기지국과 사용자 모두가 2개의 안테나를 채용하는 시스템과 기지국과 사용자 모두 4개의 안테나를 채용하는 시스템에 대해 진행된다. 세부적인 시뮬레이션 환경은 다음과 같다. 기지국과 사용자 간의 전송 채널로 경로 손실 지수 (path loss exponent)가 3인 레일리 페이딩 (Rayleigh fading) 채널 모델을 적용한다 ⁽¹⁴⁾. 셀 중심 사용자는 기지국으로부터 0.2km~0.3km 거리 사이에 균일하게 분포하고 셀 가장자리 사용자는 기지국으로부터 0.9km~1km 거리 사이에 균일하게 분포한다고 가정한다.

그림 2 $M=2$인 단일 셀 시스템에서 제안 방식과 기존 방식 간의 성능 비교

Fig. 2 Performance comparison between the proposed method and the existing methods in the single-cell system with $M=2$

또한 다중 셀 환경에서는 이것에 추가하여 간섭을 주는 인접 셀이 2개 존재하고 서빙 셀 (serving cell) 기지국과 간섭 셀 기지국 간의 거리는 1.9km라고 가정한다. 간섭 셀의 기지국과 사용자 간의 간섭 채널도 경로 손실 지수가 3인 레일리 페이딩 채널 모델을 따른다. 모든 환경에서 기지국은 셀 중심 사용자의 데이터 전송을 위해 총 송신전력의 20%를 할당하고 셀 가장자리 사용자의 데이터 전송을 위해 총 송신전력의 80%를 할당한다. 즉, 기지국의 총 송신전력을 $P_{T}$라 할 때, $P_{c}=0.2P_{T}$이고 $P_{e}=0.8P_{T}$이다. 셀 중심 사용자와 셀 가장자리 사용자에서의 수신 백색 잡음 전력 $\sigma_{c}^{2}$과 $\sigma_{e}^{2}$는 $\sigma_{c}^{2}=\sigma_{e}^{2}=\sigma^{2}$으로 동일하다고 가정한다. 모든 그림에서 제안 방식, ⁽¹⁶⁾의 방식, ⁽¹⁸⁾의 방식은 각각 ‘Proposed’, ‘GSVD’, ‘Layered’로 표시되고 SNR (signal-to-noise ratio) (dB)는 $10\log_{10}\dfrac{P_{T}}{\sigma^{2}}$로 정의된다. 모든 성능은 랜덤하게 선택되는 셀 중심과 셀 가장자리 사용자 위치에서 레일리 페이딩에 따라 랜덤하게 채널을 생성하는 과정을 2000회 독립적으로 시행하여 획득한 성능을 평균하여 구한다. 또한 outage 확률 성능의 경우 셀 중심 사용자에 대한 outage 확률은 $Pr\left(R_{c}<1{bps}/{Hz}\right)$로 구해지고 셀 가장자리 사용자에 대한 outage 확률은 $Pr\left(R_{e}<0.1{bps}/{Hz}\right)$로 구해진다.

그림 3 $M=4$인 단일 셀 시스템에서 제안 방식과 기존 방식 간의 성능 비교

Fig. 3 Performance comparison between the proposed method and the existing methods in the single-cell system with $M=4$

그림 2와 3은 단일 셀 환경에서 SNR에 따른 성능 비교를 보인다. 그림 2에서는 기지국과 사용자 모두 2개의 안테나를 사용하는 시스템이 고려된다. 그림 2(a)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 데이터 율 성능 비교를 보이고 그림 2(b)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 outage 확률 성능 비교를 보인다. 이 그림에서 보는 바와 같이 제안 방식이 기존 방식보다 모든 사용자에서 데이터 율과 outage 확률 모두 향상된 성능을 나타낸다. 데이터 율 성능인 경우 2 bps/Hz의 셀 중심 사용자 데이터 율에 대해 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 2.7 dB와 1.7 dB의 성능 이득을 얻는다. 1 bps/Hz의 셀 가장자리 사용자 데이터 율에 대해서는 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 4.2 dB와 2.1 dB의 성능 이득을 획득한다. 또한 outage 확률 성능을 살펴보면 셀 중심과 셀 가장자리 사용자에서 10%의 outage에 대해 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 대략 4.4 dB와 2.5 dB의 성능 이득을 얻는다. 이러한 성능향상은 각 사용자에서 데이터 율을 최대화하기 위해 제안 방식이 셀 가장자리 사용자에서는 채널 상태와 셀 중심 사용자의 간섭을 고려하여 설계된 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 적용하고 간섭이 제거된 셀 중심 사용자에서는 채널 상태를 고려한 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 수행하는데서 기인한다.

그림 4 $M=2$인 다중 셀 시스템에서 제안 방식과 기존 방식 간의 성능 비교

Fig. 4 Performance comparison between the proposed method and the existing methods in the multi-cell system with $M=2$

그림 5 $M=4$인 다중 셀 시스템에서 제안 방식과 기존 방식 간의 성능 비교

Fig. 5 Performance comparison between the proposed method and the existing methods in the multi-cell system with $M=4$

그림 3에서는 기지국과 사용자 모두 4개의 안테나를 사용하는 시스템이 고려된다. 그림 3(a)은 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 데이터 율 성능 비교를 보이고 그림 3(b)은 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 outage 확률 성능 비교를 보인다. 이 그림 역시 그림 2와 동일한 성능 경향을 보여, 제안 방식이 기존 방식들보다 모든 사용자에 대해 데이터 율과 outage 확률 모두 우수한 성능을 나타낸다. 데이터 율 성능인 경우 4 bps/Hz의 셀 중심 사용자 데이터 율에 대해 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 3.5 dB와 2.5 dB의 성능 이득을 얻는다. 2 bps/Hz의 셀 가장자리 사용자 데이터 율에 대해서는 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 4.6 dB와 2.7 dB의 성능 이득을 획득한다. Outage 확률 성능을 살펴보면 셀 중심 사용자에서 10%의 outage에 대해 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 5.6 dB와 2.7 dB의 성능 이득을 얻고 셀 가장자리 사용자에서 10%의 outage에 대해서는 제안 방식은 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식 대비 각각 6.4 dB와 3.7 dB의 성능 이득을 획득한다. 또한 이 시스템은 그림 2의 시스템보다 2배 많은 안테나를 이용하기 때문에 모든 사용자의 데이터 율이 그림 2의 시스템보다 약 2배 증가하고 outage 확률 성능 역시 향상된다.

그림 4와 5는 다중 셀 환경에서 SNR에 따른 성능 비교를 보인다. 제안 방식은 인접 셀로부터의 간섭을 고려하나 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식은 인접 셀 간섭이 없는 시스템을 고려한다. 따라서 이 시뮬레이션에서 ⁽¹⁶⁾과 ⁽¹⁸⁾의 방식은 인접 셀의 간섭 영향을 없애기 위해 일반적인 셀 간 시분할 (time-sharing) 방법을 이용한다. 그림 4에서는 간섭 셀 기지국을 포함한 모든 기지국과 사용자가 2개의 안테나를 사용하는 시스템이 평가된다. 그림 4(a)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 데이터 율 성능 비교를 보이고 그림 4(b)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 outage 확률 성능 비교를 보인다. 다중 셀 환경에서도 제안 방식이 기존 방식보다 모든 사용자에서 향상된 데이터 율과 outage 확률 성능을 나타낸다. 또한 성능향상 정도가 단일 셀 환경에서보다 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 데이터 율 성능인 경우 2 bps/Hz의 셀 중심 사용자 데이터 율에 대해 제안 방식은 기존 방식 대비 11.5 dB의 성능 이득을 얻는다. 0.5 bps/Hz의 셀 가장자리 사용자 데이터 율에 대해서는 제안 방식이 기존 방식 대비 7.5 dB의 성능 이득을 획득한다. 이러한 성능 이득은 모든 사용자에서 데이터 율이 증가함에 따라 더욱 커진다. 또한 outage 확률 성능을 살펴보면 셀 중심과 셀 가장자리 사용자에서 10%의 outage에 대해 제안 방식은 기존 방식 대비 각각 10 dB 이상과 7.7 dB 이상의 성능 이득을 얻는다. 이러한 성능향상은 제안 방식이 사용자들에서의 채널 상태, 인접 셀의 간섭, 셀 중심 사용자의 간섭 등을 고려하여 설계한 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 적용하기 때문에 달성된다. 그림 2의 단일 셀 환경에서 달성된 제안 방식의 성능과 비교하면 다중 셀 환경에서 제안 방식은 다소 열화된 성능을 보인다. 이것은 인접 셀 간섭의 영향에 의한 것으로 이 간섭의 영향은 셀 가장자리 사용자에서 더 크게 작용하므로 이 사용자의 성능 열화가 셀 중심 사용자보다 더 두드러진다.

그림 5에서는 간섭 셀 기지국을 포함한 모든 기지국과 사용자가 4개의 안테나를 사용하는 시스템이 고려된다. 그림 5(a)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 데이터 율 성능 비교를 보이고 그림 5(b)는 셀 중심 및 셀 가장자리 사용자의 SNR에 따른 outage 확률 성능 비교를 보인다. 예상한 바와 같이 그림 4와 동일한 성능 경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 데이터 율 성능인 경우 4 bps/Hz의 셀 중심 사용자 데이터 율에 대해 제안 방식은 기존 방식 대비 11.9 dB의 성능 이득을 얻는다. 1 bps/Hz의 셀 가장자리 사용자 데이터 율에 대해서는 제안 방식은 기존 방식 대비 9.1 dB의 성능 이득을 획득한다. 모든 사용자에서 SNR이 증가함에 따라 제안 방식과 기존 방식 간의 성능격차는 더욱 확대된다. Outage 확률 성능인 경우 셀 중심과 셀 가장자리 사용자에서 10%의 outage에 대해 제안 방식은 기존 방식 대비 각각 9.9 dB 이상과 8.5 dB 이상의 성능 이득을 얻는다. 또한 그림 4와 동일한 이유로 이 시스템에서의 제안 방식은 그림 3의 단일 셀 환경에서 달성된 제안 방식의 성능에 비해 다소 열화된 성능을 보인다. 그림 4와 비교하면 이 시스템에서 제안 방식은 모든 사용자에서 약 2배 증가한 데이터 율과 향상된 outage 확률 성능을 달성한다. 이것은 이 시스템이 그림 4의 시스템보다 2배 많은 안테나를 이용하기 때문이다.

5. 결 론

기지국이 한 클러스터 내의 셀 중심 사용자와 셀 가장자리 사용자에게 동시에 전송하는 데이터 율을 향상하기 위한 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방식이 제안되었다. 이 방식은 단일 셀 환경뿐만 아니라 다중 셀 환경에서도 적용할 수 있도록 개발되었다. 각 사용자의 데이터 율을 향상하기 위해 단일 셀 환경에서의 제안 방식은 셀 중심 사용자의 채널 상태를 기반으로 설계된 셀 중심 사용자의 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 적용하고 셀 가장자리 사용자의 채널 상태와 셀 중심 사용자의 간섭을 고려하여 셀 가장자리 사용자의 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 수행한다. 다중 셀 환경에서의 제안 방식은 셀 중심 사용자의 채널 상태와 인접 셀의 간섭을 고려하여 설계된 셀 중심 사용자의 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 적용하고 셀 가장자리 사용자의 채널 상태, 셀 중심 사용자의 간섭, 인접 셀의 간섭 등을 기반으로 설계된 셀 가장자리 사용자의 수신 빔포밍과 데이터 스트림별 송신전력할당을 수행한다. 또한 기존의 단일 클러스터를 지원하는 다중안테나 기반 비직교 다중접속 방식과 각 사용자의 데이터 율과 outage 확률 측면에서 성능 비교평가를 수행하여 제안 방식이 모든 성능측면에서 기존 방식보다 우수함을 보였다.