Ⅰ. 서 론
군 지휘통제 시스템의 공중중계체계를 위해서는 무 인항공기(unmanned aerial vehicle, UAV) 기지국을 활용한 비지상네트워크를 통해 군통신 서비스가 지원 되어야 한다. 또한 군통신 서비스는 정보의 정확성과 신속성을 위해 셀룰러 이동통신에서의 고신뢰 저지연 통신 (ultra-reliable low-latency communication, URLLC) 서비스 요구조건을 만족시킬 수 있어야 하 고, 새로운 사물인터넷 서비스 등의 기술 적용을 위해 고용량의 데이터 전송 또한 가능하여야 한다[1]
UAV 기지국은 LoS (line-of-sight) 경로를 확보하 기가 쉽고[2], 밀리미터 등 짧은 파장의 반송파와 함께 이중 편광(dual-polarized) 등의 안테나 패턴을 활용하 여 LoS-MIMO (multiple-input multiple-output) 시스 템을 구성함으로써 주파수 효율을 높일 수 있다[3]. 또 한 LoS 위주의 채널에서는 다중 경로 페이딩 (multi-path fading)에 의한 인접한 신호 간섭이 줄기 때문에 짧은 길이의 CP(cyclid prefix)를 사용할 수 있 다. 그러나 이동성이 존재할 때 사용자 간 동기오차에 의한 신호 품질 저하를 방지하기 위해서는, 기존 OFDM (orthogonal frequency division multiplex) 웨 이브폼에서 이를 고려한 CP 길이가 확보되어야 한다. CP 비율만큼 주파수 효율성은 저하되므로, 동기오차 에 강인한 웨이브폼을 사용하면 CP 길이를 줄여 LoS-MIMO의 높은 주파수 효율을 얻을 수 있다.
본 논문에서는 높은 주파수 효율의 LoS-MIMO를 UAV 기지국 기반의 비지상 네트워크에서 활용하기 위 하여 유니버셜 공간-주파수 분할 다중 접속 (universal spatio-frequency division multiple access, USFDMA) 웨이브폼을 제안한다. 다수의 다중입출력 안테나를 갖 는 UAV에서 산발적으로 발생하며 URLLC 서비스 조건을 갖는 군통신 서비스를 자원 효율적으로 지원하 기 위해서 [4]와 같은 무허가 다중접속과 [5]와 같은 웨이브폼 수신단을 가정했고, UAV 기반의 밀리미터 LoS-MIMO 채널환경에서 제안하는 USFDMA 웨이 브폼은 MIMO-OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) 대비 CP 길이를 줄일 수 있어 주파 수 고효율성을 달성할 수 있음을 보였다.
Ⅱ. LoS-MIMO를 활용한 NTN 시스템 모델
본 논문에서는 그림 1과 같이 LoS-MIMO를 활용 하여 상향링크 URLLC 군통신 서비스를 지원하기 위 한 UAV 통신 시스템을 가정한다. UAV 기지국은 이 중 편광 안테나들로 구성된 UPA(uniform planar array) 안테나를 장착하고 사용자 단말들도 이중 편광 안테나를 사용함으로써 밀리미터파 대역 등 짧은 파 장을 갖는 반송파를 통해서 LoS-MIMO를 활용하는 시스템 모델을 가정한다.
상향링크 LoS-MIMO 기반의 NTN 시스템 및 USFDMA 웨이브폼의 시간 윈도우 적용 신호 모형 (Uplink LoS-MIMO UAV-based NTN and time-windowed signals of the USFDMA.)
Ⅲ. 주파수 고효율 USFDMA 웨이브폼
일반적인 OFDM 기반의 여러 웨이브폼 구조에서 CP는 다중경로 페이딩에 의한 인접 심볼 간섭을 해결 하기 위하여 사용되지만, 전체 심볼 길이에서 CP 길 이가 차지하는 비율만큼 데이터 전송에서의 주파수 효율성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 기존 3GPP 채널 모형에서 지수적 감쇠하는 PDP(power delay profile) 를 가질 때에는 RMS (root mean square) 지연 분산 (delay spread)의 약 3배 정도의 CP 길이가 최적이다 [6]. 한편, LoS 환경에서는 채널 이득(channel gain)이 최단 경로인 LoS에 대부분 집중되고 NLoS (non-LoS) 경로를 통한 신호 전력은 매우 작아 다중 경로 페이딩이 크지 않으므로 CP를 줄여도 필요한 SINR(signal-to-noise-and-interference ratio)을 달성 할 수 있다. 그러나, 이동성을 갖는 NTN에서는 사용 자별로 제각각의 동기 오차가 발생한 채로 UAV 기지 국에 신호들이 수신되기 때문에 OFDM 웨이브폼에서 는 동기 오차를 고려한 CP 길이가 확보되어야 한다. USFDMA 웨이브폼에서도 그림 1과 같이 CP에 맞추 어 시간 축 윈도우가 구성되어야 하나, USFDMA 웨 이브폼에서는 매 수신 심볼의 앞부분과 뒷부분의 윈 도우 적용된 신호를 더하여 웨이브폼 복조를 수행하 므로 동기오차에 의해서 웨이브폼의 앞부분이나 뒷부 분이 웨이브폼 복조 사이즈를 이탈하여도 다른 한쪽 신호가 합산되므로 사용자들 각각의 동기오차를 알지 못하더라도 신호 복조가 가능하다. 따라서 사용자 간 의 동기오차에 강인한만큼 CP 길이를 최소화할 수 있 어 이동성 환경에서도 LoS-MIMO의 주파수 고효율 을 달성할 수 있다.
Ⅳ. 성능 비교 시뮬레이션
본 논문에서 제안하는 USFDMA와 비교대상인 MIMO-OFDMA의 주파수 효율성을 28GHz 밀리미 터파 대역에서의 LoS-MIMO 시스템을 앞선 시스템 모델과 같이 구성하여 3GPP TR 38.901[7]의 RMa 환 경에서 실험하였다. UAV-BS 기지국은 고도 100m에 위치하며 5-20m/s 속도로 이동하고 가로 8줄 및 세로 4줄의 직사각형 UPA 구조의 이중 편파 안테나를 사 용한다. 셀 안에는 250대의 사용자 단말이 반경 250m 내에 존재하며, 이중 편파 안테나로 2개 스트림의 16-QAM (quadrature amplitude modulation) 심볼을 전송하고, 데이터 전송 확률은 5%이다. 발생된 채널 의 최대 딜레이인 2us를 고려하여, 동기 기준점에 대 해 선행 또는 후행하는 수신 심볼들의 동기오차는 최 대가 0us에서 1us까지인 균등분포를 따르도록 가정했 고, 발생된 채널의 RMS 지연 분산은 τ라 표기했다.
MIMO-OFDMA의 동기오차 및 CP 길이에 따른 주파수 효율성. (Spectral efficiency of MIMO-OFDMA with sync error and CP lengths.)
그림 2는 MIMO-OFDMA의 주파수 효율성을 최 대 동기오차 및 CP 길이에 따라 실험한 것이다. 최대 동기오차가 증가하면 MIMO-OFDMA의 주파수 효율 성은 신호손실에 의해 감소하지만, CP 길이의 경우에 는 τ와 같을 때 가장 높은 주파수 효율성을 달성하고 이보다 작을 때에는 동기오차에 의한 신호손실로 성 능이 떨어지며 반대로 이보다 클 때는 CP 오버헤드로 효율성이 떨어지게 된다. 그림 3은 USFDMA 웨이브 폼을 사용하였을 때의 주파수 효율성 실험 결과이다. USFDMA에서는 시간 축 윈도우를 사용하기 때문에 사용자 단말 간의 동기오차에 의한 신호 손실에 강인 하므로 0.05의 짧은 CP 길이에서 최대의 주파수 효 율성을 달성할 수 있다. 그림 4에서는 USFDMA와 MIMO-OFDMA의 주파수 효율성을 비교하였다. 동기 오차가 작으면 USFDMA 웨이브폼이 MIMO-OFDMA 대비 다소 낮은 주파수 효율성을 갖지만, 동기오차가 커지게 되면 더 큰 주파수 효율성을 가지며 성능 차이 또한 더 커지는 것을 확인할 수 있다.
USFDMA의 동기오차 및 CP길이에 따른 주파수 효율성. (Spectral efficiency of the proposed USFDMA with sync error and CP lengths.)
USFDMA와 MIMO-OFDMA의 주파수 효율성. (Spectral efficiency of the proposed USFDMA and MIMO-OFDMA.)
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 제안하는 USFDMA 웨이브폼이 사 용자 간 동기오차에 강인한 특성 덕에 LoS-MIMO 채 널환경에서 MIMO-OFDMA 대비 CP 길이를 줄일 수 있어 높은 주파수 효율을 달성할 수 있음을 보였다.