OTFS 기반 듀얼펑션 MIMO 레이더 통신 시스템을 위한 가상 어레이 설계

초록

본 논문은 OTFS 파형을 이용한 MIMO 듀얼펑션 레이더‑통신(DFRC) 시스템에서, 일부 시간‑주파수(TF) 자원을 전용(프라이베이트)으로 할당해 가상 어레이를 구성하고, 이를 통해 각 안테나의 통신 데이터율 감소는 최소화하면서 레이더 해상도를 크게 향상시키는 방법을 제안한다.

상세 분석

이 연구는 6G 시대의 고속 이동 환경에서 OFDM이 겪는 인터‑캐리어 간섭(I CI) 문제를 극복하기 위해 OTFS 파형을 채택한 점이 핵심이다. OTFS는 시간‑주파수 채널을 도플러‑지연(Doppler‑Delay, DD) 영역에 매핑함으로써 고속 이동에서도 선형 시불변 채널로 근사할 수 있다. 기존 MIMO DFRC 연구에서는 모든 송신 안테나가 DD 격자를 완전 공유하거나, 혹은 각 안테나가 독점적으로 DD 격자를 사용하도록 설계했지만, 전자는 레이더 파라미터와 통신 심볼이 얽혀 복잡한 추정 문제를 야기하고, 후자는 통신 스펙트럼 효율을 크게 저하킨다.

본 논문은 두 안테나가 DD 격자를 공유하면서도, 일부 TF 자원을 ‘프라이베이트 빈’(private bins)으로 지정해 각 안테나가 전용으로 사용하도록 한다. 프라이베이트 빈에 할당된 신호는 서로 직교하므로, 수신 측에서 해당 TF 신호만을 추출하면 전통적인 MIMO 레이더와 동일한 방식으로 가상 어레이를 형성할 수 있다. 가상 어레이는 물리적 수신 어레이의 요소 수(N_r)를 두 배(또는 N_t 배)로 확장시켜 각 안테나 쌍마다 서로 다른 공간 주파수(θ) 정보를 제공한다.

프라이베이트 빈을 도입하면 각 안테나가 사용할 수 있는 DD 심볼 수가 N_p‑1 만큼 감소한다. 즉, 통신 데이터율이 약 N_p‑1 만큼 감소하지만, 실험 결과는 몇 개(예: N_p=2~4)의 프라이베이트 빈만으로도 레이더 각·거리·속도 해상도가 크게 개선된다고 보여준다. 이는 가상 어레이가 제공하는 추가 공간 차원이 ‘코스’ 파라미터(대략적인 각·거리·속도)와 결합되어 고해상도 보정에 활용되기 때문이다.

수학적으로는 프라이베이트 TF 빈에 대한 수신 신호 y_{n}^{p}