HAPS-Complemented Terrestrial Networks

기술 요약: 셀 경계 용량 향상을 위한 HAPS 보완 지상 네트워크

문제 정의
도시 다중 셀 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 다운링크 시스템에서, 셀 경계 사용자 단말(UE)은 근거리 UE에 비해 현저히 낮은 데이터 전송률을 겪습니다. 이러한 성능 저하는 심각한 섀도잉(shadowing), 높은 경로 손실, 그리고 셀 간 간섭(ICI)에 의해 발생합니다. 기지국(BS) 협력, 전력 제어, 셀 프리(cell-free) MIMO와 같은 지상 기반 솔루션들이 존재하지만, 밀집된 도시 환경에서 흔히 발생하는 비가시선(NLoS) 조건과 심한 차폐 상황에서는 한계가 있는 경우가 많습니다. 본 논문은 고고도 플랫폼 스테이션(HAPS)을 릴레이로 지상 네트워크에 통합함으로써 이러한 셀 경계 UE의 용량을 개선하는 과제를 다룹니다.

시스템 모델 및 방법론
제안된 시스템은 하프 듀플렉스(half-duplex) 모드로 동작하는 다중 안테나 기지국이 각각 운영되는 $B$개의 지상 셀로 구성됩니다. 22km 고도에 위치하며 별도의 송신 및 수신 안테나 배열을 갖춘 전이중(Full-Duplex, FD) H-HAPS가 모든 셀을 커버합니다. HAPS는 송신 및 수신 안테나 사이의 큰 물리적 거리를 활용하여 수동적 자기 간섭(Self-Interference, SI) 억제를 달erm하여 전이중 모드로 동작할 수 있습니다.

통신 프로토콜은 다음과 같이 작동합니다:

1. HAPS로의 업링크: 지상 기지국들은 경계 UE를 위한 데이터를 FD-HAPS로 전달합니다. 기지국들은 하이브리드 빔포밍(RF 및 베이스밴드 프리코더 결합)과 비직교 다중 접속(NOMA)을 사용하여 근거리 UE와 경계 UE를 동시에 서비스합니다.
2. HAPS 릴레이: FD-HAPS는 모든 기지국으로부터 신호를 수신하고, 하이브리드 결합을 적용하며, 순차적 간섭 제거(SIC)를 사용하여 경계 UE의 데이터 스트림을 디코딩합니다.
   령 UE로의 다운링크: HAPS는 디코딩된 경계 UE 데이터를 가시선(LoS) 링크를 통해 대상 UE로 재전송하며, 이 링크는 지상 링크보다 도시 섀도잉의 영향을 적게 받습니다. 근거리 UE는 서비스 기지국과 HAPS로부터 직접 신호를 받으며, 경계 UE의 간섭을 제거한 후 자신의 데이터를 디코딩하기 위해 SIC를 적용합니다.

최적화 및 알고리즘
핵적인 기술적 기여는 시스템의 달성 가능한 총 합산 속도(sum rate)를 최대화하기 위한 공동 최적화 문제를 정식화하는 것입니다. 최적화 변수에는 기지국의 하이브리드 프리코더($F_{RF}, F_{BB}$), HAPS의 하이브리드 프리코더($G_{RF}, G_{BB}$), 그리고 HAPS의 하이브리드 결합기($W_{RF}, W_{BB}$)가 포함됩니다. 이 문제는 다음의 제약 조건을 따릅니다:

• 기지국 및 HAPS의 총 송신 전력 제약.
• 경계 UE를 위한 최소 품질 보장(QoS) 속도 제약.
• RF 프리코더/결합기에 대한 상수 모듈러스(constant modulus) 제약.

결과적으로 도출된 최적화 문제는 목적 함수와 제약 조건으로 인해 비볼록(non-convex) 문제입니다. 이를 해결하기 위해 저자들은 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 및 **교대 최적화(Alternating Optimization, AO)**에 기반한 중앙 집중식 알고리즘을 제안합니다:

1. RF 설계 단순화: 문제를 단순화하기 위해 RF 프리코더와 결합기는 처음에 공액 채널 위상(근거리 UE용) 또는 조향 벡터(경계 UE용)를 사용하여 설계됩니다.
2. 등가 변환: 슬랙 변수(slack variables)를 도입하여 비볼록 속도 제약 조건을 볼록 최적화에 적합한 형태로 변환합니다.
3. 반복 솔루션: 문제는 두 개의 하위 문제, 즉 베이스밴드 프리코더($F_{BB}, G_{BB}$) 최적화와 베이스밴드 결합기($W_{BB}$) 최적화로 분해됩니다. 신호 대 간섭 및 잡음비(SINR) 항을 포함하는 비볼록 제약 조건은 1차 테일러 전개를 사용하여 근사화됩니다.
4. 수렴: 알고리즘은 정지 해(stationary solution)에 도달할 때까지 이 하위 문제들(2차 원뿔 계획법(SOCP)으로 정식화됨) 사이를 교대로 수행됩니다.

주요 결과
고층 빌딩으로 인한 심한 섀도잉이 발생하는 도시 환경에서 수치 시뮬레이션을 수행하여, 제안된 방식(Scheme-1)을 HAPS가 없는 협력 지상 네트워크(Scheme-2) 및 비협력 지상 네트워크(Scheme-3)라는 두 가지 벤치마크와 비교하였습니다.

• 경계 UE 성능: 제안된 HAPS 지원 방식은 지상 전용 베이스라인보다 성능이 크게 우수합니다. 구체적으로, 제안된 방식의 셀 경계 UE 합산 속도는 협력 지상 방식(Scheme-2)에 비해 거의 두 배에 달합니다. 이러한 이득은 HAPS가 지상 섀도잉과 경로 손실을 우회하는 LoS 링크를 제공하기 때문입니다.
• 시스템 총 합산 속도: 지상 셀 반경이 커질수록 전체 시스템 합산 속도가 증가합니다. 이는 셀 반경이 커질수록 HAPS가 근거리 UE에 미치는 간섭이 줄어들기 때문입니다.
• 강건성: 경계 UE 간의 상호 간섭은 셀 크기와 거의 무관하므로, 경계 UE 합산 속도는 다양한 셀 반경에 대해 비교적 안정적으로 유지됩니다.

의의 및 주장
본 논문은 H-HAPS를 지상 네트워크 내의 릴레이로 사용하여 도시 지역의 셀 경계 UE 용량을 개선하는 데 특화된 첫 번째 연구라고 주장합니다. 저자들은 HAPS가 원격 지역이나 위성 통신을 위해 연구되어 왔지만, 도시의 셀 간 간섭(ICI)과 섀도잉을 완화하기 위해 통합하는 것은 새로운 응용 분야임을 강조합니다. 이 연구는 전이중 릴레이 및 하이브리드 빔포밍을 활용하여 HAPS를 지상 네트워크와 통합하는 것이 차세대 무선 네트워크(Beyond 5G/6G)에서 가장 취약한 사용자를 위한 연결성을 향상시키는 실행 가능한 경로임을 입증하며, 이는 3GPP Release 17 및 19의 비지상 네트워크(NTN) 통합 비전과 일치합니다. 제안된 알고리즘은 현실적인 전력 및 QoS 제약 조건 하에서 이러한 이득을 달성하기 위한 계산 효율적인 방법을 제공합니다.