다중 홉 릴레이 보조 하이브리드 FSO와 RF 통신 성능 비교

초록

본 논문은 다중 홉 릴레이 구조에서 자유공간광(FSO)과 무선(RF) 링크를 병렬로 사용한 두 가지 새로운 하이브리드 통신 시스템을 제안한다. 첫 번째 시스템은 각 홉에서 SNR이 더 높은 신호를 선택하고, 두 번째 시스템은 각 홉에서 FSO와 RF 신호를 별도로 검출·전송한 뒤 최종 홉에서 선택한다. 부정적 지수형 대기 난류와 레일리 페이딩을 가정하고, 각각의 시스템에 대해 폐쇄형 outage probability와 BER 식을 도출하였다. 시뮬레이션 결과, 매 홉마다 선택하는 구조가 최종 선택 구조보다 약 3 dB 적은 전력으로 동일한 outage 목표를 달성함을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 하이브리드 FSO/RF 시스템이 보통 단일 홉 혹은 선택적 다중 홉 구성을 사용하던 점을 넘어, 다중 홉 환경에서 ‘Detect‑and‑Forward(D&F)’ 프로토콜을 최초로 적용한 점이 혁신적이다. 첫 번째 구조는 ‘Hop‑by‑Hop Selection(HHS)’이라 명명할 수 있으며, 각 릴레이 노드에서 수신된 FSO와 RF 신호의 SNR을 비교해 더 높은 SNR을 가진 신호만을 다음 홉으로 전달한다. 이는 전송 경로 전반에 걸쳐 순간적인 채널 품질 변동을 실시간으로 보정함으로써 누적된 SNR 손실을 최소화한다. 반면 두 번째 구조는 ‘End‑to‑End Selection(EES)’로, 각 홉에서 FSO와 RF 신호를 독립적으로 복조·재전송하고, 최종 수신기에서 두 신호 중 최적의 것을 선택한다. 이 방식은 각 홉에서의 복잡성을 낮추지만, 중간 홉에서 발생한 오류가 누적될 위험이 있다.

채널 모델링 측면에서 저자는 FSO 링크에 부정적 지수형(negative exponential) 대기 난류 모델을 적용해 스케일 파라미터 α와 평균 신호 세기 I₀를 이용한 PDF를 사용했으며, RF 링크는 레일리 페이딩을 가정해 평균 SNR γ̄_R을 기반으로 한 PDF를 적용하였다. 이러한 이중 확률 모델을 결합해 전체 시스템의 종단 SNR을 다중 곱셈 형태로 표현하고, 각각의 선택 전략에 따라 최소값 혹은 최대값 연산을 적용해 폐쇄형 outage probability P_out을 도출하였다. 특히, HHS 구조에서는 각 홉에서의 선택이 독립적인 최소값 연산으로 귀결돼, 전체 P_out은 각 홉의 누적 CDF 곱으로 간단히 표현된다. 반면 EES 구조는 최종 선택만을 고려하므로, 전체 P_out은 각 홉의 평균 BER을 통해 간접적으로 계산되며, 이는 더 복잡한 적분 형태를 띤다.

BER 분석에서는 온오프 키잉(ON‑OFF) 변조와 M‑ary PSK 등을 가정하지 않고, 일반적인 BPSK 기반의 Q‑함수 근사를 사용해 각 링크의 BER을 구한 뒤, 선택 전략에 따라 최종 BER을 합산하였다. 결과적으로 HHS 구조는 각 홉에서 최적 경로를 지속적으로 유지함으로써 평균 BER이 약 2배(≈3 dB) 낮게 나타났다.

시뮬레이션은 MATLAB을 이용해 다양한 평균 SNR, 홉 수(N), 그리고 대기 난류 강도(α) 조건에서 수행되었으며, 이론적 폐쇄형 식과 수치 결과가 매우 높은 일치도를 보였다. 특히, 장거리(수 킬로미터) 전송 시 HHS 구조는 전력 효율성 측면에서 현저히 유리함을 확인했다. 다만, HHS 구조는 각 릴레이에서 실시간 SNR 측정 및 선택 로직을 구현해야 하므로 하드웨어 복잡도와 지연이 증가한다는 트레이드오프가 존재한다.

이 논문은 하이브리드 FSO/RF 시스템 설계 시 ‘선택 시점’이 성능에 미치는 영향을 정량적으로 제시함으로써, 전력 제한이 심한 위성·드론·원격 센서 네트워크 등에서 설계 선택에 실질적인 가이드를 제공한다.