UAV 공중‑지상 UWB 전파 특성 측정 및 통계 모델링

본 연구는 무인항공기(UAV)의 공중‑지상(AG) 통신에 적합한 초광대역(UWB) 전파 채널 모델을 구축하기 위해, 3.1 GHz~5.3 GHz 대역을 사용하는 Time‑Domain P410 UWB 키트를 활용한 실험을 수행하였다. 실험은 플로리다 국제대학 캠퍼스 내 개방된 평지와 교외 지역에서 진행되었으며, UAV는 T‑Arot 650 쿼드콥터에 탑재된 안테나를 하향으로 배치해 수직 방사 패턴을 확보하였다. 수신 안테나는 지면에서 1.5 m(시나리오 1·2)와 0.07 m(시나리오 3)의 두 높이로 배치했으며, 시나리오 1은 나무 잎사귀에 의해 부분 차폐된 환경, 시나리오 2는 명확한 LOS, 시나리오 3은 지면에 근접한 상태를 의미한다. UAV 고도는 4 m, 8 m, 12 m, 16 m 네 단계로 변화시켰고, 정적(정지)와 동적(속도 20 m/s) 두 가지 운용 모드를 적용하였다. 각 조합마다 25회의 채널 임펄스 응답(CIR)을 수집하고, Clean 알고리즘을 통해 잡음을 제거한 후 평균 PDP를 도출하였다. 대규모 채널 특성에서는 수정된 자유공간 경로손실 모델을 제안하였다. 기본 식은 PL(d)=PL₀+10α·log₁₀(d/d₀)−10·log₁₀(Δh/h_opt)+10·C_p+S 형태이며, 여기서 Δh는 수신 안테나 고도와 최적 고도(h_opt) 차이, C_p는 잎사귀·안테나 방향 손실을 나타내는 상수, S는 정규분포를 따르는 그림자 페이딩이다. 실험 결과, α는 개방 지역에서 1.85, 교외 지역에서 2.10 정도이며, 고도 보정 항이 4 m 이하에서 손실을 5~8 dB 정도 추가한다는 것을 확인했다. UAV의 저속 이동에 따른 도플러 주파수 변동(Δf)은 10·x·log₁₀((f_e+Δf)/f_e) 항에서 무시할 수준으로, 모델에 큰 영향을 주지 않았다. 다중 경로 모델링은 Saleh‑Valenzuela 구조를 채택하였다. 클러스터 도착률 Λ와 레일리 도착률 λ을 포아송 과정으로 가정하고, 클러스터 간 지수 감쇠 상수 μ와 클러스터 내 감쇠 상수 β_n을 각각 h(고도)와 환경 상수(c_d, c_h)로 표현하였다. 측정된 평균 클러스터 수 C는 고도와 환경에 따라 1.2~2.5 사이이며, 평균 클러스터 지연은 약 30 ns, 평균 레일리 지연은 5 ns 수준이다. 비중첩 클러스터가 대부분을 차지했으며, 클러스터 간 겹침이 발생할 경우 추가적인 지수 감쇠 항을 도입해 PDP를 보정하였다. 평균 지연(t_mean)과 RMS 지연 확산(t_rms)은 각각 약 5 ns와 12 ns로, 고도가 높을수록 t_rms가 1.5배까지 증가하였다. 소규모 페이딩은 각 MPC 진폭을 Nakagami‑m 분포로 모델링하였다. m 파라미터는 로그정규 분포를 따르며, 시나리오 1(잎사귀 차폐)에서는 m≈1.3, 시나리오 2(명확한 LOS)에서는 m≈2.3, 시나리오 3(지면 근접)에서는 m≈2.0으로 측정되었다. 이는 차폐와 고도가 페이딩 강도에 미치는 영향을 정량화한 결과이며, Ω(스케일 파라미터)는 평균 전력에 비례해 고도와 거리 증가에 따라 감소하였다. 전체적으로, 본 논문은 UAV‑AG UWB 채널에 대한 최초의 포괄적 실험 데이터를 제공하고, 거리·고도·환경·동적 상태를 모두 반영한 경로손실, 다중 경로, 소규모 페이딩 모델을 제시한다. 제안된 모델은 시뮬레이션 및 시스템 설계 단계에서 UAV 기반 고속 데이터 전송, 실시간 영상 스트리밍, 재난 구호 통신 등 다양한 응용 분야에 바로 적용 가능하며, 향후 5G/6G와 결합된 초저지연 네트워크 구축에도 중요한 기반이 될 것이다.