Ⅰ. 서 론

현재 국내에서는 재난 또는 재해 발생 시 효율적인 구조 활동과 구조 대원의 안전을 위해 공공 재난안전망 (public-safety long term evolution: PS-LTE)이 운용되 고 있다. 건물 붕괴나 화재 등의 재난 환경에서는 구조 대원의 안전을 위해 실시간 위치 정보가 필요할 수 있다 ^[1]. 그러나, 현재 상용되고 있는 PS-LTE 망은 전용 단말 기와 이동 기지국 간 긴급 통신 서비스만을 지원하고 있어 구조 대원의 위치나 주변 지형지물 탐지 등의 센싱 기능은 지원하지 않고 있다.

한편, 차세대 이동통신 시스템에서는 동일한 주파수 및 하드웨어를 통해 통신과 탐지의 기능을 동시에 수행 하는 통합 탐지 및 통신(integrated sensing and com- munication: ISAC) 시스템이 각광받고 있다^[2]. 또한, 다 중 경로 페이딩에 강인하며 높은 데이터 전송률에 적합 한 직교 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency divi- sion multiplexing: OFDM) 기반 통신 시스템이 차세대 이동통신에서도 활용될 전망이며 이와 관련한 OFDM-ISAC 연구가 활발히 진행되고 있다^[3,4]. 그러 나, 대부분의 OFDM-ISAC 시스템은 높은 탐지 및 통 신 성능을 위해 고주파수 대역을 가정하여, PS-LTE망 대역(700MHz대)을 고려할 경우 우수한 통신 및 탐지 성능을 보장하기 어렵다.

따라서, 본 논문에서는 기존 OFDM 시스템 호환에 용이하면서 구조 대원의 통신 신호와 위치를 동시에 추 정할 수 있는 PS-LTE망용 OFDM-ISAC 시스템을 제 안한다. 구체적으로, 본 논문에서는 단일 신호 웨이브폼 을 이용해 통신과 측위 기능을 동시에 수행할 수 있도록 직교 시퀀스를 사용한 OFDM-ISAC 시스템을 설계하 며, 이때 하드웨어 효율성과 탐지 성능을 유지하면서도 통신의 기능을 수행하기에 적합하도록 인덱스 변조 기 법을 도입한다. 구조 대원의위치 추정은 수신한시퀀스 의 자기상관 특성을 이용하여 다중안테나 기반 방향탐 지와 거리 분해능 향상을 위한 수신단 오버샘플링을 통 해 수행된다. 최종적으로 모의실험을 통해 본 논문에서 제안하는 PS-LTE망용 OFDM-ISAC 시스템의 통신 및 측위 성능을 각각 평가하고 분석한다.

Ⅱ. PS-LTE망용 OFDM-ISAC 시스템 모델

본 논문에서는 그림 1과 같이 a-b 평면상 원점 위 J개의 원소를 갖는 균일 선형 배열안테나(uniform line- ar array antenna: ULA)를 탑재한 이동 기지국과 (a,b)=(d₀cosθ,d₀sinθ) 좌표 위 단일 안테나의 PS-LTE 전용 단말기를 지닌 구조 대원이 존재하는 환 경을 고려한다. 여기서 d₀와 θ는 각각 기지국으로부터 단말기 간 거리와 단말기가 위치하는 x축 기준 방위각 정보를 나타낸다. 이동 기지국과 단말기 간 가시선 (line-of-sight: LoS) 경로가 확보되고^[5], L-1개의 다 중 경로 신호를 동시에 수신한다고 가정한다.

본 논문에서는 단말기와 기지국 간 통신을 위해 직교 하는 시퀀스에 대한 인덱스 변조를 고려한다. 구체적으 로, 길이 N_s의 시퀀스는 전파 지연과 지연 확산을 고려 해 N_CS 이격을 두어 [TeX:] $$\begin{equation} M=\left\lfloor N_s / N_{C S}\right\rfloor \end{equation}$$ 개의 송신 후보 시퀀스를 생성한다. 이후, 단말기는 M개의 시퀀스 중 전송하고자 하는 [TeX:] $$\begin{equation} q\left(=\left\lfloor\log _2 M\right\rfloor\right) \end{equation}$$ 비트에 대응되는 인 덱스의 시퀀스를 기지국으로 전송한다. 본 논문에서는 설명의 용이성을 위해 구조 대원이 [TeX:] $$\begin{equation} i(\in\{0, \cdots, M-1\}) \end{equation}$$ 째 후보 시퀀스인 s_iNCS를 기지국으로 전송한 OFDM-ISAC 시스템에 대해 서술한다.

그림 1.

재난 환경 내 구조 대원과 이동 기지국에 대한 OFDM-ISAC 시스템 모델.

Ⅲ. 제안하는 PS-LTE망용 OFDM-ISAC 기법

제안하는 OFDM-ISAC 시스템은 그림 2의 절차를 통해 수행될 수 있다. 이때, 시간 영역에서 정의되는 시퀀스 신호를 기존 OFDM 기반 통신 시스템을 통해 송수신하기 위해 추가적인 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete Fourier transform: IDFT)과 DFT 연산이 송수 신기에 각각 필요하게 된다. 따라서, 기지국의 [TeX:] $$\begin{equation} j(\in\{1, \cdots, J\}) \end{equation}$$째 안테나로 수신되는 시간 영역 시퀀스 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 d_l과 h_j(l)은 각각 [TeX:] $$\begin{equation} l(\in\{0, \cdots, L-1\}) \end{equation}$$째 다중 경로가 겪은 거리와 단말기와 j째 기지국 안테나 간 l째 다중 경로에 대한 시간 영역 채널을 나타내며, [TeX:] $$\begin{equation} h_j(0)=e^{-j \frac{2 \pi}{\lambda}(j-1) r \cos \theta} \end{equation}$$ 은 LoS 경로에 대한 무선 채널 을 나타낸다. 또한, ⊗와 r은 각각 순환 컨볼루션 (convolution) 연산과 안테나 이격 거리를, τ_l,j, α, z_j(t) 는 각각 l째 다중 경로에 대한 단말기와 기지국의 j째 안테나 간 전파 지연 시간, 경로 감쇄 지수, 시간 영역 부가 잡음을 나타낸다. 이후, FFT를 수행함으로써 [TeX:] $$\begin{equation} w(\in\{0, \cdots, N_{FFT}-1\}) \end{equation}$$째 부반송파에 해당하는 주파 수 영역의 수신 신호는 다음과 같다.

그림 2.

제안하는 OFDM-ISAC 시스템 절차.

여기서, H_j는 무선 채널의 주파수 응답을 나타내며 X 는 시간 영역 송신 신호의 N_FFT 크기의 FFT 연산 결과 를 나타낸다.

본 논문에서는 수신 시퀀스 추정 과정에서 거리 추정 분해능을 향상시키기 위해 시퀀스 길이 N_s보다 큰 N_over 크기의 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete FT: IDFT)을 도입해 신호처리 관점의 오버샘플링을 수행한 다. 따라서, [TeX:] $$\begin{equation} n_{o v}\left(\in\left\{0, \cdots, N_{\text {over }}-1\right\}\right) \end{equation}$$째 시간의 수신 시 퀀스 신호는 다음과 같이 근사될 수 있다.

여기서 [TeX:] $$\begin{equation} \tilde{h_j} \end{equation}$$와 [TeX:] $$\begin{equation} \tilde{x} \end{equation}$$는 각 H_j와 X를 N_over 크기의 IDFT를 수행한 신호를 나타낸다. 이후, 수신기는 원 시퀀스 s₀ 를 DFT한 후 N_over 크기의 IDFT를 수행한 시간 영역 시퀀스 집합 [TeX:] $$\begin{equation} \tilde{\mathbf{s}}_0 \end{equation}$$를 κ만큼 순환 이동하면서 (3)과 상관 하게 되면 다음과 같은 상관값 R_j(κ)을 얻을 수 있다.

이때 R_j가 최대가 되는 인덱스 κ_max에 해당되는 신호 는 LoS 경로를 통해 수신한 신호로 탐지될 수 있으며, κ_max로부터 음의 방향으로 가장 가까운 후보 시퀀스 [TeX:] $$\begin{equation} \hat{i}_j \end{equation}$$를 단말기가 전송한 시퀀스로 검파한다. 따라서, [TeX:] $$\begin{equation} \hat{i}_j \end{equation}$$ 와 κ_max간의 차를 통해 다음과 같이 단말기와 이동 기 지국 간 거리를 추정할 수 있다.

여기서, T_s와 c는 각각 샘플 시간과 빛의 속도를 의미 한다. 이후, 단말기와 기지국 간 거리는 모든 안테나에 서 추정한 거리의 평균으로 추정한다. 마지막으로, 최대 상관값에 해당되는 역확산 수신 신호에 대해 방향 탐지 알고리즘을 수행해^[5] LoS 신호원의 도래각을 추정함으 로써 단말기 위치를 결정한다.

Ⅳ. 모의실험 결과

본 논문에서는 제안하는 기법의 시퀀스 종류별 성능 평가를 위해, 직교 시퀀스로 Zadoff-Chu (ZC) 시퀀스, m-시퀀스 및 골드 시퀀스를 활용한 OFDM-ISAC 시스 템의 성능을 각각 검증한다. 구체적으로, 6비트 전송에 대한 인덱스 변조를 가정하여, ZC 시퀀스는 N_s=839 와 N_CS=13으로, m-시퀀스와 골드 시퀀스는 N_s=1023과 N_CS=15로 설정하였다. 모의실험 파라 미터는 표 1과 같으며, 시퀀스의 인덱스와 비트 간 64 위상 천이 변조 기법의 Gray 매핑 규칙을 적용하였다.

그림 3과 4는 PS-LTE망용 OFDM-ISAC 시스템의 수신 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio: SNR) 대비 측위 성능과 통신 성능을 각각 제곱근 평균 제곱 오차 (root mean squared error: RMSE)와 비트 오류율 (bit-error rate: BER) 관점에서 도시한 결과이다. 이때, 자기 상관 특성이 가장 우수한 ZC 시퀀스를 활용한 시 스템의 위치 추정 성능이 가장 우수하며, 수신기에서 ZC 시퀀스 길이 대비 2배 오버샘플링을 진행해 오버샘 플링을 진행하지 않은 경우보다 수신 SNR 16dB에서 약 5.8m의 위치 추정 RMSE 성능 향상을 얻었다. 한편, N_CS의 값이 클수록 송신 시퀀스 탐지 확률이 증가하여 골드 시퀀스와 m-시퀀스의 BER 성능이 ZC 시퀀스의 BER 성능보다 우수하다. 한편, 동일한 N_CS값을 갖는 m-시퀀스와 골드 시퀀스의 BER 성능은 시퀀스의 자기 상관 특성에도 영향을 받아 m-시퀀스의 BER 성능이 더 우수한 결과를 보였다.

그림 3.

OFDM-ISAC 시스템의 위치 추정 성능.

그림 4.

OFDM-ISAC 시스템의 비트 오류율 성능

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 PS-LTE망에서 구조 대원이 송신한 직교 시퀀스의 자기 상관 특성을 활용해 위치 추정과 통신을 동시에 수행하는 OFDM-ISAC 시스템을 제안 하였다. 모의실험을 통해 수신단에서 신호처리 관점의 오버샘플링과 다중안테나 기반 방향탐지 알고리즘을 수행하여 구조 대원의 위치를 정밀하게 탐지할 수 있음 을 확인하였으며, 인덱스 변조를 고려한 시퀀스 송수신 이 효과적으로 동작함을 검증하였다.