가변 엔트로피 확산 스펙트럼을 이용한 로봇 텔레메트리 데이터 교환의 간섭 내성

초록

본 논문은 자율 이동 로봇의 텔레메트리 정보 전송에 가변 엔트로피 확산 스펙트럼 신호를 적용하여, 비트 오류 확률과 정규화 신호‑대‑잡음비(SNR)의 관계를 이론적으로 도출하고 시뮬레이션으로 검증한다. 동일한 시간 복잡도 하에서 기존 직교 신호 상관 처리 방식보다 최소 2 dB 낮은 SNR에서 동일한 오류율을 달성함을 보여준다.

상세 요약

본 연구는 로봇 시스템에서 요구되는 실시간 텔레메트리 데이터 전송의 신뢰성을 향상시키기 위해, 기존의 직교 코드 기반 확산 스펙트럼 방식 대신 가변 엔트로피(Variable Entropy, VE) 신호를 이용한 새로운 변조 방식을 제안한다. 가변 엔트로피는 전송되는 비트열의 통계적 엔트로피를 의도적으로 변화시켜, 신호 스펙트럼의 밀도를 동적으로 조절함으로써 채널 잡음 및 간섭에 대한 면역성을 높인다. 논문은 먼저 VE 신호의 생성 원리를 수학적으로 모델링하고, 비트당 평균 에너지와 엔트로피 변동 폭 사이의 관계식을 도출한다. 이어서, 비트 오류 확률(Pb)과 정규화 SNR(Eb/N0)의 함수 형태를 베르누이 확률 변수와 가우시안 잡음 가정 하에 적분식으로 표현한다. 핵심 결과는 Pb(Eb/N0) 곡선이 기존 직교 코드(예: 골드 코드) 대비 동일한 복잡도(연산량 및 전송 시간)에서 최소 2 dB 낮은 Eb/N0에서 동일한 오류율을 달성한다는 점이다. 이는 VE 신호가 잡음에 대한 통계적 분산을 넓혀, 수신기에서의 결정 임계값을 보다 견고하게 만든다는 물리적 의미를 갖는다. 시뮬레이션은 MATLAB 기반 Monte‑Carlo 방법으로 10⁶ 비트 이상을 전송하여 이론식과 일치함을 확인했으며, 특히 저 SNR 구간에서의 성능 향상이 두드러졌다. 또한, 시간 복잡도 분석을 통해 VE 기반 변조·복조 알고리즘이 기존 상관 검출에 비해 연산량이 거의 동일함을 입증하였다. 이러한 결과는 이동 로봇이 복잡한 전파 환경(다중 경로, 전자기 간섭)에서도 안정적인 데이터 교환이 가능함을 시사한다.