수신 다이버시티를 적용한 단일 홉 하이브리드 FSO와 RF 통신 시스템

초록

본 논문은 기지국에 다중 수신 안테나를 배치한 단일 홉 하이브리드 자유공간광(FSO)·무선주파수(RF) 시스템을 제안한다. 포화 대기 난류 환경에서의 FSO 채널을 고려하고, 수신 다이버시티 결합을 적용한 후 복합 시스템의 폐쇄형 outage probability 식을 유도하였다. MATLAB 시뮬레이션을 통해 기존 단일 FSO·RF 시스템 대비 상당한 성능 향상을 확인했으며, 복잡도 증가가 전력·처리 절감으로 상쇄될 수 있음을 보였다.

상세 분석

본 연구는 이동통신에서 단말기의 전력·크기 제한으로 대부분의 신호 처리와 복구가 기지국(Base Station, BS)에서 이루어져야 한다는 전제 하에, BS에 다중 수신기를 배치하여 수신 다이버시티(receive diversity)를 활용하는 방안을 제시한다. 기존 하이브리드 FSO/RF 연구들은 주로 다중 홉 구조나 단일 채널에 대한 다이버시티만을 다루었으며, 포화 대기 난류(saturated atmospheric turbulence) 상황을 고려한 경우는 거의 없었다. 따라서 이 논문은 다음과 같은 네 가지 주요 기여를 한다.

1. 단일 홉 하이브리드 구조에 수신 다이버시티 적용: FSO와 RF 두 개의 전송 경로를 동시에 사용하면서, 각각에 대해 N개의 수신 포인트를 두어 최대비율 결합(Maximum Ratio Combining, MRC) 방식으로 신호를 합산한다. 이는 전통적인 단일 채널 수신 다이버시티와는 달리, 두 이종 채널의 특성을 동시에 활용한다는 점에서 혁신적이다.

2. 포화 대기 난류 모델링: 대기 난류가 강하게 작용하는 상황에서는 일반적인 로그-정규(log‑normal) 모델보다 감마‑감마(Gamma‑Gamma) 모델이 더 정확하다. 특히 포화 상태에서는 스케일 파라미터가 크게 변동하므로, 논문은 해당 파라미터를 실제 기상 데이터에 기반해 설정하고, FSO 채널의 확률밀도함수(PDF)를 정확히 기술한다.

3. 폐쇄형 Outage Probability 유도: MRC 결합 후의 종합 SNR은 FSO와 RF 각각의 SNR 합으로 표현된다. 이를 바탕으로, 각각의 채널에 대한 누적분포함수(CDF)를 적분하여 전체 시스템의 outage probability를 폐쇄형 식으로 도출한다. 이 과정에서 베타 함수와 메틸라 함수 등 특수함수를 활용해 수식의 간결성을 유지하였다.

4. 시뮬레이션 검증 및 성능 평가: MATLAB을 이용해 다양한 N(수신 안테나 수) 및 대기 난류 강도(α, β 파라미터) 조건에서 outage probability를 시뮬레이션하였다. 결과는 제안된 폐쇄형 식과 거의 일치함을 보이며, 특히 N이 2 이상일 때 기존 단일 채널 FSO 혹은 RF 시스템 대비 10~15 dB 수준의 SNR 이득을 제공한다. 또한, 복합 시스템이 포화 난류 상황에서도 RF 경로를 통한 보조 전송으로 복원력을 유지한다는 점을 확인하였다.

복잡도와 실용성 측면에서는, 다중 수신기와 MRC 결합을 구현하기 위해 추가적인 RF/광 수신 회로와 디지털 신호 처리(DSP) 자원이 필요하다. 그러나 이러한 하드웨어·연산 비용은 단말기의 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있는 장점과 맞물려, 특히 에너지 제한이 심한 IoT 혹은 무인 항공기(Drone) 통신에 유리하다. 또한, 기지국 수준에서의 대규모 안테나 배열(Massive MIMO)과 결합하면, 향후 6G 시대의 초고속·초저지연 요구사항을 만족시키는 기반 기술로 활용될 가능성이 크다.