기술 요약: 각도 인식 클러스터링 및 RSMA 를 통한 HAPS 네트워크 간섭 해결

문제 제기

고고도 플랫폼 스테이션 (HAPS) 은 성층권에서 보편적인 연결성을 제공함으로써 차세대 무선 네트워크에 유망한 솔루션을 제시합니다. 그러나 HAPS 네트워크는 지상 네트워크와 구별되는 고유한 간섭 문제에 직면해 있습니다. HAPS 의 고도 특성상 지상 사용자와의 링크는 강한 시선 (LoS) 조건이 지배적이며 채널 변동성이 제한적입니다. 결과적으로 지리적으로 멀리 떨어진 사용자들도 HAPS 관점에서는 매우 가깝게 배치되어 매우 유사한 채널 조건을 초래하며, 이로 인해 사용자 간 간섭이 심화됩니다.

본 연구에서 다루는 구체적인 문제는 단일 HAPS 가 제한된 수의 직교 자원 블록 (RB) 을 통해 다중 빔으로 여러 지상 사용자를 서비스하는 상황입니다. 사용자 수 ($U$) 가 사용 가능한 RB 수 ($R$) 를 초과하므로, 여러 사용자가 동일한 RB 를 공유해야 하며 이로 인해 심각한 RB 내 간섭이 발생합니다. HAPS 의 고도와 사용자 근접성으로 인해 사용자별 빔을 사용하는 전통적인 접근법은 종종 비현실적입니다. 따라서 지리적 클러스터로 그룹화된 사용자를 단일 빔으로 서비스할 때 간섭을 효과적으로 관리하고, 동시에 제한된 RB 를 할당하며 전송 전략을 최적화하여 스펙트럼 효율 (SE) 을 극대화하는 것이 핵심 과제입니다.

방법론

저자들은 간섭을 관리하기 위해 3 단계 프레임워크를 제안합니다: 각도 인식 클러스터링, 간섭 인식 RB 할당, 그리고 레이트 분할 다중 접속 (RSMA).

1. 각도 인식 클러스터링 및 빔 조향

시스템은 HAPS 가 개별 사용자가 아닌 지리적 클러스터를 향해 빔을 형성한다고 가정합니다.

• 클러스터링 전략: 사용자는 고도 ($\theta$) 와 방위각 ($\phi$) 과 같은 각도 위치를 기반으로 $L = \lceil U/R \rceil$개의 클러스터로 그룹화됩니다. 저자들은 어떤 클러스터도 크기 $R$을 초과하지 않도록 보장하기 위해 용량 제약이 있는 K-평균 알고리즘을 활용합니다.
• 빔 조향 (WU-클러스터링): 중심점 기반 접근법과 달리, 제안된 "최악의 사용자 (Worst-User, WU)"클러스터링 전략은 해당 클러스터 내 모든 사용자 중 최소 유효 안테나 이득을 최대화하는 방향으로 각 빔을 조향합니다. 이는 공정성을 보장하고 클러스터 내 채널 조건이 가장 열악한 사용자를 보호합니다.
• RB 할당: 각 클러스터 내에서 RB 는 직교적으로 할당되어 클러스터 내 간섭을 방지합니다. 그러나 RB 가 서로 다른 클러스터 간에 재사용되므로 클러스터 간 간섭은 여전히 존재합니다. 할당 알고리즘은 다른 클러스터에서 이미 스케줄링된 사용자들로부터 누출되는 누적 간섭을 최소화하도록 사용자에게 RB 를 할당합니다.

2. RSMA 기반 클러스터 간 간섭 관리

RB 재사용으로 인한 불가피한 클러스터 간 간섭을 완화하기 위해, 저자들은 RB 단위에서 레이트 분할 다중 접속 (RSMA) 을 적용합니다.

• 메시지 분할: 각 사용자의 메시지는 공통 부분과 개인 부분으로 분할됩니다.
• 전송 구조:
  • 특정 RB 를 공유하는 모든 사용자의 공통 부분은 단일 공통 스트림 ($s^{(c)}_r$) 으로 결합되어 클러스터 빔당 $p^{(c)}_{r,\ell}$의 전력으로 전송됩니다.
  • 개인 부분은 개별 개인 스트림 ($s^{(p)}_u$) 으로 인코딩되어 $p^{(p)}_u$의 전력으로 전송됩니다.
• 수신: 사용자는 먼저 개인 스트림을 잡음으로 간주하고 공통 스트림을 복호화한 후, 연속 간섭 제거 (SIC) 를 수행한 뒤 자신의 개인 스트림을 복호화합니다. 이를 통해 간섭을 잡음으로 처리하거나 부분적으로 복호화하는 유연한 간섭 관리가 가능해집니다.

3. 최적화 공식화

저자들은 공통 및 개인 스트림에 대한 전력 할당 ($p^{(c)}$ 및 $p^{(p)}$) 과 공통 레이트 할당 ($C_u$) 을 공동으로 설계하기 위해 최대 - 최소 공정성 (MMF) 최적화 문제를 공식화합니다. 목표는 총 전송 전력 제약 및 복호화 제약 조건 하에서 모든 사용자의 달성 가능한 최소 데이터 레이트를 극대화하는 것입니다.

• 해결 접근법: 문제의 비볼록성 (신호 대 간섭 및 잡음비 (SINR) 비율 포함) 으로 인해, 저자들은 연속 볼록 근사 (SCA) 기법을 사용합니다. 슬랙 변수를 도입하고 1 차 테일러 근사를 사용하여 문제를 처리 가능한 볼록 형태로 변환한 후 반복적으로 해결합니다.

주요 기여

1. 새로운 클러스터링 프레임워크: 본 논문은 각도 유사성을 기반으로 사용자를 그룹화하고 최악의 사용자 빔 조향 전략을 적용하는 각도 인식 클러스터링 알고리즘을 소개합니다. 이는 종종 사용자별 빔이나 중심점 기반 조향을 가정하는 기존 연구들과 대조되며, HAPS 기하학에 더 실용적인 접근법을 제공합니다.
2. 통합 RSMA 전략: 이 연구는 RB 재사용으로 인한 클러스터 간 간섭을 관리하기 위해 HAPS 네트워크에 RSMA 를 통합합니다. 이는 전통적인 직교 할당이 실패하는 시나리오에 해당합니다.
3. 공동 최적화: 저자들은 공정성과 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 빔 조향, RB 할당, 그리고 전력/레이트 분할을 공동으로 최적화하는 반복 알고리즘 (MMF-RSMA-PA) 을 개발했습니다.
4. 포괄적인 평가: 본 연구는 빔포밍 이득과 간섭 완화 간의 트레이드오프에 대한 상세한 분석을 제공하며, 특히 HAPS 안테나 어레이 구성 (UPA 크기) 의 영향을 검토합니다.

수치 결과

시뮬레이션은 20km 고도의 HAPS 가 8x8 균일 평면 어레이 (UPA) 를 사용하여 10 개의 RB 로 60 명의 사용자를 서비스하는 환경에서 수행되었습니다.

• 수렴성: 제안된 반복 SCA 알고리즘 (알고리즘 2) 은 단조 수렴을 보이며 13 회 미만의 반복 내에서 안정화됩니다.
• 스펙트럼 효율 향상:
  • RSMA 영향: 제안된 방식 (WU-클러스터링 + RSMA) 을 RSMA 가 없는 기준 방식 (WU-클러스터링 without RSMA) 과 비교한 결과 상당한 개선이 확인되었습니다. 중앙값 스펙트럼 효율 (SE) 이 약 0.12 b/s/Hz 에서 0.55 b/s/Hz 로 증가하여 4 배 향상되었으며, 이는 클러스터 간 간섭을 관리하는 RSMA 의 효과성을 강조합니다.
  • 클러스터링 영향: 제안된 WU-클러스터링은 중심점 기반 클러스터링 접근법 (C-클러스터링 + RSMA) 보다 일관되게 우수한 성능을 보였습니다. 빔 조향 시 최악의 사용자 채널 조건을 명시적으로 고려함으로써 WU 전략은 공정성과 최소 레이트를 개선했습니다.
• 안테나 구성 트레이드오프: 안테나 요소 수를 증가시키는 것 (예: 2x2 에서 8x8 로) 은 빔을 좁히고 간섭을 억제하여 성능을 향상시켰습니다. 그러나 어레이 크기를 더 증가시키는 것 (예: 16x16 이상) 은 성능 저하로 이어졌습니다. 더 좁은 빔은 빔 중심에서 떨어진 사용자의 이득을 감소시켜 전체 시스템 성능에 부정적인 영향을 미쳤습니다.

중요성 및 주장

본 논문은 제안된 각도 인식 클러스터링과 RSMA 를 결합한 프레임워크가 달성 가능한 사용자별 스펙트럼 효율 측면에서 기준 방식들을 크게 능가한다고 주장합니다. 저자들은 그들의 접근법이 강한 LoS 와 제한된 채널 변동성과 같은 HAPS 네트워크의 특정 전파 특성을 해결하며, 이로 인해 전통적인 간섭 관리 전략이 덜 효과적이게 되는 점을 강조합니다.

이 연구의 중요성은 다음을 입증하는 데 있습니다:

1. 실용적인 빔포밍: 클러스터 내 "최악의 사용자"를 기반으로 빔을 조향하는 것이 HAPS 네트워크에서 공정성을 보장하기 위해 중심점 기반 조향보다 우월합니다.
2. RSMA 의 효능: RSMA 는 HAPS 시나리오에서 RB 재사용으로 생성되는 특정 유형의 클러스터 간 간섭을 관리하는 강력한 도구이며, 간섭을 잡음으로 처리하는 것과 완전히 복호화하는 것 사이의 가교 역할을 합니다.
3. 시스템 설계 균형: HAPS 안테나 설계에는 중요한 트레이드오프가 존재합니다. 안테나 요소 수를 단순히 증가시키는 것만으로는 빔 커버리지의 축소로 인해 성능 향상이 보장되지 않으므로 균형 잡힌 설계 접근법이 필요합니다.

본 논문은 이러한 통합 접근법이 복잡한 사용자별 빔포밍 하드웨어 없이도 HAPS 네트워크의 간섭을 효과적으로 관리하여 지상 사용자의 스펙트럼 효율 성능을 향상시킨다고 결론지었습니다.