대규모 다중사용자 Massive MIMO에서 상수진폭과 영제어 프리코더 성능 비교

본 논문은 대규모 다중사용자(MU) MIMO 시스템에서 상수진폭(CE) 프리코더와 영제어(ZF) 프리코더의 성능을 비교 분석한다. 서론에서는 이동통신 네트워크의 전력 소비 문제와 특히 전력증폭기(PA)의 비선형성이 시스템 효율에 미치는 영향을 강조한다. 대규모 안테나 배열을 활용하면 스펙트럼 효율이 안테나 수에 비례해 향상되지만, 동시에 PA가 비선형 구간에서 동작하면 신호 왜곡이 발생한다. 기존 연구에서는 CE 프리코더가 PAPR를 낮춰 PA 비선형성에 대한 내성을 제공한다는 점을 제시했지만, 실제 측정 기반 PA 모델과 ZF와의 정량적 비교는 부족했다. 시스템 모델에서는 K명의 단일 안테나 사용자와 N_t개의 베이스 스테이션 안테나(N_t≫K)를 가정한다. 전송 전력 총합 P_t가 제한되며, 정보 심볼 벡터 s는 16‑QAM 변조를 사용한다. ZF 프리코더는 채널 행렬 H의 의사역을 이용해 W_ZF = H^H (HH^H)^{-1} 로 정의하고, 출력 신호 x = βW_ZF s 로 정규화한다. CE 프리코더는 각 안테나에 일정한 진폭 |x_n| = √(P_t/N_t) 를 유지하면서 위상 θ_n을 최적화한다. 위상 최적화는 다중사용자 간섭(MUI) 제곱합을 최소화하는 목적함수 f(Θ,s)를 정의하고, LMS 기반 반복 알고리즘(Algorithm 1)으로 해결한다. 각 안테나에 대해 M번의 서브 반복을 수행해 가장 낮은 MUI를 만든 위상을 선택한다. PA 비선형성은 실제 측정된 9차 메모리리스 다항식 모델을 사용해 z_n(t)=∑_{i odd} b_{i,n} x_n(t) |x_n(t)|^{i-1} 로 표현한다. 각 안테나는 약간씩 다른 계수를 갖으며, 큰 입력 진폭에서는 포화 클리핑을 적용한다. 채널은 좁은 대역 레일리 페이딩으로 가정하고, 완전한 CSI가 베이스 스테이션에 있다고 가정한다. 성능 평가에서는 24 × 4 MU‑MIMO 시나리오를 설정하고, CE 프리코더는 20 dB MUI 억제를 목표로 설계한다. 결과적으로 CE 프리코더는 ZF에 비해 약 1.9 dB 낮은 빔포밍 이득을 제공하지만, PAPR가 3 dB 수준으로 크게 감소한다. 반면 ZF는 PAPR가 12 dB에 달해 동일한 EIRP를 유지하려면 큰 백오프가 필요하다. 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. (1) 고정 EIRP 조건에서 전송 전력을 증가시켜도 CE는 PA 포화에 가까워져도 SINR이 지속적으로 상승하지만, ZF는 일정 수준을 넘어가면 비선형 왜곡이 지배적으로 작용해 SINR이 포화된다. (2) BER 측면에서도 CE가 ZF보다 5~6 dB 높은 SINR 구간에서 낮은 오류율을 유지한다. (3) 평균 백오프는 전송 전력에 따라 변하며, CE는 ZF보다 낮은 백오프에서도 동일한 성능을 달성한다. 복잡도 분석에서는 ZF가 채널 변동에 따라 한 번만 계산하면 되므로 O(N_t^3) 정도의 복잡도를 가지지만, CE는 매 심볼마다 O(N_t·M) 의 반복 연산이 필요해 계산량이 크게 증가한다. 따라서 실시간 구현을 위해 알고리즘 최적화가 필요하다. 결론적으로, CE 프리코더는 PA 비선형성에 강인하면서도 높은 스펙트럼 효율을 제공한다. 특히 PA를 포화에 가깝게 동작시켜 전력 효율을 극대화하려는 대규모 MIMO 시스템에서 CE는 ZF 대비 5~6 dB의 SINR 향상을 보이며, 이는 차세대 모바일 네트워크의 에너지 효율 및 용량 확대에 중요한 기여를 할 수 있다. 향후 연구에서는 CE 알고리즘의 복잡도 감소, 다중셀 간 협조, 그리고 실험적 테스트베드 검증 등이 제시된다.