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Dynamic Interference Management for TN-NTN Coexistence in the Upper Mid-Band

본 논문은 FR3 상위 미드밴드에서 지상 네트워크(TN)와 비지상 네트워크(NTN)의 공존을 위해, PPO 기반 강화학습을 활용하여 TN의 송수신 전력과 안테나 틸트(tilt)를 동적으로 최적화함으로써 NTN 간섭을 효과적으로 줄이면서도 TN 성능을 유지하는 프레임워크를 제안합니다.

원저자: Pradyumna Kumar Bishoyi, Chia Chia Lee, Navid Keshtiarast, Marina Petrova

게시일 2026-02-12

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CC BY 4.0

원저자: Pradyumna Kumar Bishoyi, Chia Chia Lee, Navid Keshtiarast, Marina Petrova

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

1. 상황 설정: "시끄러운 콘서트장과 조용한 도서관"

상상해 보세요. 지금 우리가 있는 공간은 **'주파수'**라는 이름의 거대한 공간입니다.

지상 네트워크(TN): 땅 위에 있는 5G 기지국들입니다. 이들은 아주 에너지가 넘치고 시끄러운 **'록 콘서트장'**과 같습니다. 음악 소리(데이터)를 아주 크게 틀어서 멀리까지 전달해야 하죠.
비지상 네트워크(NTN): 하늘 높이 떠 있는 저궤도 위성입니다. 이들은 아주 섬세한 음악을 듣는 **'도서관'**과 같습니다. 위성 사용자들은 아주 작은 소리(신호)를 잡아내야 하는데, 땅 위의 기지국들이 너무 크게 음악을 틀어버리면(강한 신호 방출), 도서관의 음악 소리가 묻혀버려 아무것도 들을 수 없게 됩니다.

문제는 최근에 **'FR3'**라고 불리는 새로운 주파수 대역이 생겼는데, 이 공간이 콘서트장과 도서관이 딱 겹쳐버리는 구역이라는 점입니다.

2. 기존 방식의 문제점: "전부 다 꺼버리기"

지금까지는 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 방법을 썼습니다.

"특정 구역 금지": 위성이 지나가는 길목에 있는 기지국들을 아예 통째로 꺼버리는 방식입니다. 이건 도서관을 지키기 위해 옆 동네 콘서트장을 아예 폐쇄해버리는 것과 같아서, 땅 위의 사람들은 인터넷을 못 쓰게 되는 큰 손해를 봅니다.
"정밀 조준": 소리가 위성 쪽으로 안 가게 아주 정밀하게 스피커 방향을 조절하는 방식입니다. 하지만 이건 너무 복잡하고, 위성이 계속 움직이기 때문에 매번 조절하기가 하늘의 별 따기만큼 어렵습니다.

3. 이 논문의 해결책: "똑똑한 AI 지휘자 (PPO 알고리즘)"

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 **'AI 지휘자'**를 도입했습니다. 이 지휘자는 실시간으로 상황을 살피며 세 가지를 동시에 조절합니다.

볼륨 조절 (전력 제어): "지금 위성 쪽이 너무 시끄러우니, 이 기지국은 볼륨을 조금만 낮추자!"
스피커 각도 조절 (안테나 틸트): "스피커를 하늘 쪽이 아니라 땅 쪽으로 좀 더 숙여서, 소리가 하늘로 새 나가지 않게 하자!"
부분 음소거 (섹터 뮤팅): "전체를 다 끌 필요는 없고, 위성 신호를 방해하는 특정 스피커(섹터)만 잠깐 꺼두자!"

이 지휘자는 **PPO(Proximal Policy Optimization)**라는 인공지능 학습법을 사용합니다. 마치 숙련된 지휘자가 공연을 하며 "아, 이렇게 하니까 관객(지상 사용자)도 만족하고 도서관(위성)도 조용하네!"라고 스스로 배우며 실력을 키우는 것과 같습니다.

4. 결과: "모두가 행복한 공존"

실험 결과, 이 AI 지휘자는 아주 뛰어난 성과를 보였습니다.

위성 보호: 위성이 받는 방해 신호(간섭)를 기존 방식보다 6~8dB이나 줄였습니다. (도서관이 훨씬 조용해졌습니다!)
지상 서비스 유지: 기존의 '전부 꺼버리기' 방식은 기지국 가동률이 뚝 떨어졌지만, AI 지휘자는 87% 이상의 기지국을 계속 작동시켰습니다. (콘서트장도 여전히 즐겁게 음악을 들을 수 있습니다!)

요약하자면?

이 논문은 **"하늘의 위성과 땅의 5G가 같은 주파수를 써야 하는 미래에, AI가 기지국의 소리 크기와 스피커 방향을 실시간으로 똑똑하게 조절함으로써, 위성 통신은 방해받지 않고 지상 통신도 끊김 없이 사용할 수 있게 만드는 기술"**을 제안한 것입니다.

[기술 요약] FR3 대역에서의 TN-NTN 공존을 위한 동적 간섭 관리 연구

1. 문제 정의 (Problem Statement)

배경: 5G/6G 수요 증가로 인해 7~24 GHz 대역(Frequency Range 3, FR3)이 새로운 이동 통신 대역으로 주목받고 있습니다. 그러나 이 대역은 기존의 위성 통신(NTN) 및 고정 서비스 시스템이 이미 사용 중인 경우가 많아, 지상 네트워크(TN)와 비지상 네트워크(NTN) 간의 주파수 공유가 불가피합니다.
핵심 문제: 밀집된 TN 기지국(gNB)에서 발생하는 하향링크(Downlink) 및 상향링크(Uplink) 신호가 간섭에 취약한 NTN 수신기(특히 LEO 위성 사용자 단말)에 심각한 간섭을 유발합니다.
기존 방식의 한계:
- 빔포밍/프리코딩: 정확한 채널 상태 정보(CSI)가 필요하며, 빔 정렬 오류에 민감합니다.
- 배제 구역(Exclusion Zones): 위성 궤도에 따라 특정 지역의 TN 기지국을 완전히 차단(Muting)해야 하므로, TN의 서비스 커버리지와 처리량(Throughput)이 크게 저하됩니다.

2. 제안 방법론 (Methodology)

본 논문은 복잡하고 비선형적인 간섭 환경을 해결하기 위해 강화학습(Reinforcement Learning, RL) 기반의 최적화 프레임워크를 제안합니다.

최적화 목표: NTN의 성능(Throughput)을 최대화하면서, NTN 수신기의 간섭 대 잡음비(INR)를 보호 임계값( $\Gamma_{th}$ ) 이하로 유지하고, 동시에 TN의 서비스 연속성(기지국 활성도)을 보존하는 것입니다.
제어 변수 (Action Space): TN 기지국의 하향링크 송신 전력( $P_{gNB}$ ), 안테나 다운틸트(Downtilt, $\theta_d$ ), 상향링크 전력( $P_{UE}$ ), 그리고 필요 시 특정 섹터를 차단하는 **선택적 섹터 뮤팅(Selective Sector Muting)**을 공동으로 제어합니다.
알고리즘 (PPO): 비볼록(Non-convex) 및 고도로 결합된(Highly coupled) 최적화 문제를 해결하기 위해 Proximal Policy Optimization (PPO) 알고리즘을 사용합니다. 중앙 집중형 에이전트가 위성 고도, NTN 사용자 밀도, 현재 INR 상태 등을 관찰(Observation)하여 최적의 제어 정책을 학습합니다.
보상 함수 (Reward Function): NTN 처리량(정규화된 값), TN 기지국 활성도, 그리고 간섭 발생에 대한 페널티를 가중 합산하여 에이전트가 균형 잡힌 결정을 내리도록 설계되었습니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

통합 최적화 프레임워크 구축: TN의 전력, 안테나 기울기, NTN의 간섭 제약 조건을 명시적으로 모델링한 수식을 제안했습니다.
적응형 제어 정책 개발: 정적인 규칙 기반 방식이 아닌, 동적인 위성 궤도 및 사용자 환경에 대응할 수 있는 PPO 기반의 학습 모델을 구현했습니다.
다차원 제어 메커니즘: 단순 전력 조절을 넘어 안테나 패턴을 물리적으로 변화시키는 '다운틸트'와 '선택적 섹터 뮤팅'을 결합하여 간섭 억제 효율을 극대화했습니다.

4. 실험 결과 (Results)

독일 프랑크푸르트의 실제 기지국 데이터를 기반으로 한 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다.

간섭 억제 성능: 기존의 규칙 기반 방식(ASCENT) 및 무협조(No-coordination) 방식 대비, 제안된 방법은 중앙값 INR을 약 6~8 dB 감소시켰습니다.
TN 서비스 연속성 유지: ASCENT 방식은 간섭을 줄이기 위해 기지국을 대거 차단하여 활성도가 급격히 떨어지는 반면(고밀도 시 약 28%), 제안된 방식은 87% 이상의 높은 기지국 활성도를 유지하며 TN 성능 저하를 최소화했습니다.
사용자 유형 대응: 고이득 안테나를 가진 고정형 단말(T1)뿐만 아니라, 간섭에 더 취약한 저이득 안테나의 모바일 단말(T2)에 대해서도 효과적인 간섭 완화 성능을 입증했습니다.

5. 의의 (Significance)

본 연구는 향후 6G 시대에 필수적인 TN-NTN 통합 네트워크(Integrated Terrestrial-Non-Terrestrial Networks) 구현을 위한 실질적인 기술적 토대를 제공합니다. 특히, 복잡한 채널 정보 없이도 강화학습을 통해 지상망의 성능을 희생하지 않으면서 위성 통신의 신뢰성을 보장할 수 있는 동적이고 적응적인 간섭 관리 가능성을 입증했다는 점에서 큰 의의가 있습니다.