중계 기반 하이브리드 FSO와 RF 통신 시스템 성능 분석

초록

본 논문은 다중 사용자 RF 링크와 중계기를 이용한 FSO 링크를 결합한 2단계 하이브리드 통신 구조의 BER 및 outage probability를 폐쇄형식으로 도출하고, 사용자 수와 대기 난류가 성능에 미치는 영향을 평가한다. 고정 이득 및 적응 이득 AF 중계 방식을 비교하여 적응 이득이 사용자 수에 덜 민감함을 확인하고, 고정 이득이 최악 상황에서도 안정적인 성능을 제공함을 제시한다.

상세 분석

제안된 시스템은 모바일 단말이 다중 사용자 RF 다중접속(MU‑MA) 방식을 통해 중계기로 전송하고, 중계기는 광학적 자유공간광(FSO) 링크를 통해 기지국과 연결되는 구조이다. 이중 홉 전송에서 각 홉은 독립적인 페이딩 특성을 가지며, 특히 FSO 홉은 대기 난류에 따라 신호 세기가 크게 변한다. 논문은 기존 연구와 달리 부정 지수(Negative Exponential) 모델을 적용하여 포화 난류 구간까지 포괄적인 분석을 수행한다.

수학적 모델링 단계에서 RF 홉은 Nakagami‑m 혹은 Rayleigh 페이딩으로 가정하고, FSO 홉은 대기 난류 지수 α와 평균 신호‑잡음비(γ)로 표현된 확률밀도함수를 사용한다. 중계기의 증폭 방식은 두 가지로 나뉜다. 고정 이득(AF) 방식은 사전에 설정된 고정 이득 G를 적용하여 수신 신호를 증폭하고, 적응 이득(AF) 방식은 실시간 채널 상태에 따라 이득을 조정한다. 두 방식 모두 Amplify‑and‑Forward(AF) 프로토콜을 기반으로 하며, 중계기 출력 전력 제한을 고려한다.

BER 및 outage probability는 각각 순간 SNR의 누적분포함수(CDF)를 이용해 폐쇄형식으로 유도된다. 특히, 다중 사용자 환경에서는 RF 홉에서 최대 SNR을 선택하는 다중 사용자 다이버시티(MUD) 효과가 적용되어, 사용자 수 K가 증가할수록 평균 SNR이 향상된다. 그러나 고정 이득 방식에서는 중계기 이득이 최악 채널 상태에 맞춰 설계되므로, K가 증가해도 성능 저하가 거의 없으며, 적응 이득 방식은 실시간 이득 조정으로 인해 K에 대한 민감도가 낮다.

시뮬레이션 결과는 이론적 식과 일치함을 보이며, 대기 난류가 심해질수록(α 감소) FSO 홉의 outage이 급격히 증가한다는 점을 확인한다. 또한, 고정 이득 중계기가 복잡도가 낮음에도 불구하고, 최악 상황을 대비한 이득 설계 덕분에 전체 시스템 BER이 적응 이득보다 약간 우수함을 보여준다. 이러한 결과는 직접 RF 연결이 불가능한 환경에서 하이브리드 FSO/RF 시스템을 설계할 때, 사용자 수와 대기 조건을 고려한 중계기 이득 선택이 핵심 설계 파라미터임을 시사한다.