mmWave UAV 채널의 시간·공간 특성 분석

초록

본 논문은 28 GHz 대역에서 UAV와 지상 기지국 간 라인‑오브‑사이트(LOS) 전파 채널을 무선인사이트(Ray‑Tracing) 시뮬레이션으로 조사한다. 밀집도시, 교외, 농촌, 해상 네 가지 환경을 설정하고, 영점 안테나와 다양한 UAV 고도(2 m~150 m)를 적용해 다중경로(MPC)를 영구‑비영구 성분으로 구분한다. 결과는 건물·지형의 수·분포·형상이 시간·각도 확산에 결정적 영향을 미치며, UAV 고도가 건물 높이와 비슷할 때 시간·각도 스프레드가 크게 증가함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 28 GHz mmWave 대역에서 UAV‑to‑Ground(AG) 전파 채널의 미세한 시간·공간 특성을 파악하기 위해 Remcom Wireless InSite 레이 트레이싱 툴을 활용하였다. 시뮬레이션은 10 km × 10 km 크기의 평면에 네 가지 환경을 모델링했으며, 건물 높이와 개수를 표 Ⅰ에 따라 달리 설정하였다(밀집도시: 70‑180 m, 100채; 교외: 4‑30 m, 20채; 농촌: 4‑8 m, 10채; 해상: 건물 없음). 모든 건물은 28 GHz에 적합한 콘크리트 재질을 사용했으며, 지표면은 습한 토양으로 가정하였다.

송신 안테나는 지상 2 m 높이에 수직 편파 반파장 다이폴을 배치하고, 수신 안테나는 UAV에 장착해 2 m, 50 m, 100 m, 150 m 네 가지 고도로 비행하도록 설정하였다. UAV는 직선 경로를 따라 15 m/s 속도로 이동하며, 전송 전력은 30 dBm, 수신 감도는 –110 dBm로 제한하였다. 이러한 설정은 mmWave 특유의 높은 경로 손실과 안테나 정렬 손실을 고려한 현실적인 조건을 반영한다.

채널 임펄스 응답(CIR)은 각 MPC의 진폭 α, 도착 시간 τ, 위상 ψ, 송신 방위각·고도각 θ, 수신 방위각·고도각 φ 로 표현되며, 영구 성분(LOS와 지면 반사 경로 GRC)과 비영구 성분(NLOS)으로 구분하였다. 영구 성분은 기하학적 관계에 의해 거의 결정적이며, LOS는 자유공간 손실 β = (4πd/λ)⁻¹와 안테나 정렬 함수 g(φₑ) 로 모델링된다. GRC는 추가로 지면 반사 계수와 굴절각 φ_g에 의존한다. 반면 비영구 성분은 건물·수목·기타 장애물에 의해 발생하는 ‘탄생·소멸’ 프로세스로, 그 통계적 특성은 건물 수·배치·높이·재질에 크게 좌우된다.

전력 분석 결과, UAV와 송신기 높이가 동일할 경우(예: h_r = h_t = 2 m) 안테나 정렬 손실이 최소화되어 모든 MPC의 전력이 거리와 함께 단조 감소한다. 반면 UAV 고도가 150 m와 같이 높을 경우, 초기 구간에서는 정렬 손실이 크게 작용해 전력이 상승 후 자유공간 손실에 의해 감소하는 비대칭 패턴이 관찰된다. 특히 GRC는 반사 계수와 정렬 손실의 복합 효과로 LOS보다 더 큰 전력 변동을 보인다.

시간 특성 측면에서, TOA(Cumulative Distribution Function, CDF)는 영구 성분이 선형적인 증가/감소를 보이는 반면, 비영구 성분은 환경에 따라 불규칙하게 분포한다. 해상 시나리오는 건물이 없으므로 TOA CDF가 거의 직선에 가깝고, 농촌·교외는 UAV 고도가 낮을 때만 약간의 비영구 MPC가 나타난다. 밀집도시에서는 건물 높이가 UAV 고도와 비슷하거나 높아 비영구 MPC가 다수 발생해 TOA 분산이 크게 확대된다.

공간 특성에서는 방위각(DoA)과 방위각(DoD)의 분포가 환경과 고도에 따라 달라진다. 교외·농촌에서는 UAV가 낮은 고도(2 m, 50 m)일 때만 건물에 의해 산란된 비영구 MPC가 관측되며, 고도가 상승하면 대부분 LOS와 GRC만 남는다. 반면 밀집도시에서는 모든 고도에서 다수의 비영구 MPC가 존재해 DoA가 넓은 범위에 걸쳐 분포하고, 특히 고도가 건물 높이와 유사할 때 각도 스프레드가 최대가 된다. 이는 UAV가 동적 네트워크에서 커버리지를 최적화하려면 실시간 각도 스프레드 정보를 활용해야 함을 시사한다.

요약하면, 본 연구는 mmWave UAV‑AG 채널이 전통적인 지상‑지상 채널과 달리 고도와 환경에 민감하게 반응한다는 점을 실증하였다. 영구 성분은 기하학적으로 예측 가능하지만, 비영구 성분은 건물·수목·지형의 복합적인 산란 효과에 의해 확률적으로 변한다. 따라서 5G·6G 수준의 고주파 UAV 통신 시스템 설계 시, 고도‑환경 맞춤형 채널 모델링과 수신 감도·안테나 빔포밍 최적화가 필수적이다.