도시 환경에서 셀프리 대규모 MIMO 채널 측정 및 통계

초록

본 논문은 3.5 GHz 대역·350 MHz 대역폭을 이용해 도심 200 m × 200 m 구역에서 80개의 UE와 20 000여 개 가상 AP 위치 간의 채널을 측정한다. 가상 AP 기법을 개선해 넓은 대역폭과 높은 위치 정확도를 확보했으며, LOS와 NLOS 상황에서 각각 경로손실 지수 2.9와 10.4, 그림자 페이딩 표준편차 5.1 dB·16.6 dB, RMS 지연 확산 −80.6 dB·−72.6 dB 를 도출하였다. 측정 데이터는 향후 CUNEC‑type 모델 파라미터화에 활용될 예정이다.

상세 분석

이 연구는 셀프리 대규모 MIMO(CF‑mMIMO) 시스템 설계에 필수적인 실제 도시 환경 채널 특성을 정량화하기 위해, 기존 가상 어레이 방식의 한계를 극복한 ‘가상 AP’ 기법을 도입하였다. 기존 드론 기반 가상 AP는 위치 정확도와 대역폭 제한이 있었지만, 본 논문에서는 ‘체리 피커’ 차량에 고정된 안테나를 이용해 13 m 높이에서 AP를 시뮬레이션하고, 차량을 0.4–0.6 m/s 속도로 이동시켜 0.04–0.06 m 간격의 밀집 가상 어레이를 구현하였다. 이는 20 000여 개의 잠재 AP 위치를 정밀하게 추적할 수 있게 하여, 실제 배치 시 고려해야 할 공간적 상관관계를 포괄적으로 측정할 수 있게 한다.

채널 사운더는 350 MHz 대역폭을 갖는 다중톤 파형을 사용했으며, 서브캐리어 간격 125 kHz, 최대 비앨리어싱 지연 8 µs(≈2.4 km)로 높은 시간 해상도(2.857 ns, 0.857 m)를 제공한다. 송신부는 42 dBm 출력의 패치 안테나를 사용해 수직 편파를 중심으로 전파를 방사했으며, 수신부는 8개의 옴니디렉셔널 다이폴을 8‑to‑1 스위치와 자동 이득 제어(AGC) 회로를 통해 동시 다중 입력을 처리한다. GPS‑동기화된 루비듐 클록을 양쪽에 배치해 10 Hz의 스위칭 주기로 정확한 타이밍을 확보했으며, B2B 및 안테나 캘리브레이션을 통해 시스템 전송 함수와 각 안테나의 주파수‑의존 이득을 정밀 보정하였다.

통계 분석 결과, LOS 경로손실 지수 2.9는 전형적인 자유 공간 손실(2)보다 크게 나타났으며, 이는 측정 환경에서 거리 증가에 따라 입사각이 급격히 기울어져 안테나 이득이 감소한 것이 주요 원인으로 해석된다. 반면 NLOS에서는 건물 회절·반사에 의해 손실 지수가 10.4까지 상승했으며, 그림자 페이딩 표준편차가 16.6 dB에 달해 환경 변동성이 크다는 것을 보여준다. RMS 지연 확산은 LOS에서 −80.6 dB, NLOS에서 −72.6 dB로, 두 경우 모두 매우 낮은 값으로 나타나 대역폭이 넓은 5G/6G 시스템에서 다중경로 간섭이 제한적임을 시사한다. 또한 지연 윈도우(최대 비앨리어싱 지연)와 실제 측정된 지연 스프레드 간의 관계를 분석해, 도시 골목 및 건물 사이의 반사 경로가 지연 확산에 미치는 영향을 물리적으로 해석하였다.

이러한 풍부한 데이터셋은 기존 단일 BS‑centric 채널 모델이 다루지 못하는 UE‑AP 다중 연결 특성을 반영할 수 있는 새로운 모델링 기반을 제공한다. 특히, 향후 CUNEC‑type 거리‑기반 경로손실 모델에 본 측정값을 적용하면, 가상 AP 배치 최적화, 전력 제어, 그리고 협업 전송 전략 설계에 실용적인 파라미터를 제공할 수 있다. 다만, 측정이 특정 도심 블록에 국한되었고, 안테나 배열이 수직 편파에만 초점을 맞춘 점은 일반화에 제한을 둘 수 있다. 향후 다양한 도시 구조와 주파수 대역, 그리고 다중 안테나 포트(수평·수직 복합) 활용을 통해 모델의 범용성을 확대할 필요가 있다.