다중셀 네트워크에서 CoMP‑NOMA 다운링크 전력 할당 최적화

본 논문은 차세대 5G·B5G 시스템에서 핵심 기술로 부각되고 있는 전력 영역 NOMA와 CoMP를 결합하여, 다중셀 이종망(HetNet) 환경에서의 다운링크 전력 할당 문제를 체계적으로 분석하고 해결책을 제시한다. 연구는 크게 네 부분으로 구성된다. 첫 번째 부분에서는 단일 셀 NOMA 클러스터에 대한 전력 최적화 문제를 정의한다. M명의 사용자가 채널 이득 γ₁ < γ₂ < … < γ_M 순으로 정렬되고, SIC 순서가 동일하게 적용된다. 각 사용자는 전력 p_i를 할당받으며, SINR은 p_i·γ_i / (∑_{j=i+1}^{M} p_j·γ_i + 1) 로 표현된다. 목표는 전체 전송률 Σ_i log₂(1+SINR_i)를 최대화하면서, (i) 총 전력 예산 p_t, (ii) 각 사용자의 최소 전송률 R_i, (iii) SIC를 위한 최소 신호 차이 θ를 만족하도록 하는 것이다. 논문은 목적함수가 전력 변수에 대해 엄격히 볼록(concave)함을 Lemma 1을 통해 증명하고, 제약조건이 모두 볼록 혹은 선형 형태임을 Lemma 2로 입증한다. 따라서 KKT 조건을 이용한 전역 최적 해가 존재한다는 이론적 기반을 마련한다. 두 번째 부분에서는 위의 단일 셀 모델을 두 층 HetNet, 즉 고출력 매크로셀(MBS)과 저출력 소셀(SBS)들이 동일 자원을 재사용하는 구조에 확장한다. 여기서 CoMP‑사용자는 여러 BS로부터 동시에 전송을 받으며, 비‑CoMP‑사용자는 단일 BS에만 연결된다. 논문은 CoMP‑사용자를 포함한 NOMA 클러스터를 두 가지 형태로 구분한다. 첫 번째는 JT‑CoMP‑NOMA(Joint Transmission)으로, CoMP‑사용자가 모든 협조 BS로부터 동일 신호를 동시에 수신한다. 두 번째는 CS‑CoMP‑NOMA(Coordinated Scheduling)으로, 각 BS가 시간·주파수 자원을 조정해 CoMP‑사용자에게 순차적으로 전송한다. 두 모델 모두 동일한 전력 최적화 프레임워크에 적용 가능하도록 수식화한다. 세 번째 부분에서는 전력 최적화 접근법을 두 단계로 나눈다. (1) 공동 전력 최적화(Joint Power Allocation): 하나의 CoMP‑셋(예: 2‑BS 또는 3‑BS) 내 모든 BS와 사용자에 대해 전역 변수 p_i를 동시에 최적화한다. 이 경우 변수 수가 급격히 증가해 계산 복잡도가 O(N³) 수준으로 상승한다. (2) 분산 전력 최적화(Distributed Power Allocation): 각 BS가 자신이 담당하는 NOMA 클러스터만을 고려해 독립적인 전력 할당 문제를 풀게 한다. 이때 각 BS는 전체 전력 예산을 사전에 할당받은 비율에 따라 제한받으며, 내부 최적화는 단일 셀 NOMA와 동일한 볼록 문제로 해결된다. 논문은 분산 최적화가 공동 최적화와 동일한 최적값을 제공함을 수학적으로 증명하고, 이를 통해 실시간 시스템 구현 시 필요한 연산량을 크게 감소시킨다. 네 번째 부분에서는 제안된 알고리즘의 성능을 시뮬레이션으로 검증한다. 시뮬레이션 환경은 1개의 매크로셀과 2개의 소셀로 구성된 2‑tier HetNet이며, 각 셀은 동일 RB(Resource Block)를 공유한다. 채널은 평탄 레일리 페이딩을 가정하고, 사용자들은 무작위로 배치된다. 주요 평가지표는 (i) 전체 스펙트럼 효율(비트/Hz), (ii) 에너지 효율(비트/줄), (iii) 최소 사용자 전송률 보장 여부이다. 결과는 다음과 같다. JT‑CoMP‑NOMA는 동일 전력 예산 하에서 전통적인 CoMP‑OMA 대비 평균 30 % 이상의 스펙트럼 효율 향상을 보였으며, CS‑CoMP‑NOMA도 20 % 수준의 개선을 달성했다. 특히 셀‑엣 사용자에 대한 최소 전송률을 만족시키는 경우, CoMP‑전송을 활용함으로써 인터‑셀 간 간섭이 크게 감소하고 SINR이 향상되어 전체 시스템의 에너지 효율도 증가하였다. 또한, 분산 전력 최적화 알고리즘은 전체 최적화와 거의 동일한 성능을 유지하면서 연산 시간은 10배 이상 단축되었다. 마지막으로 논문은 향후 연구 방향을 제시한다. 현재 모델은 단일 안테나와 고정 사용자 배치를 전제로 하지만, 다중 안테나(MIMO)와 사용자 이동성을 포함한 동적 환경에서도 동일한 프레임워크를 적용할 수 있을지에 대한 탐색이 필요하다. 또한, 실제 5G‑NR 프레임 구조와 연계한 실험적 검증, 그리고 네트워크 슬라이싱·다중 서비스 시나리오에서의 자원 할당 정책과의 통합 연구가 기대된다.