6GHz와 60GHz 각도 확산 비교 3GPP 표준 기반

초록

본 논문은 도시 환경에서 6 GHz와 60 GHz 두 주파수 대역의 RMS 지연 확산과 RMS 각도 확산 간의 상관관계를 3GPP 표준 모델과 다중 타원형 전파 모델을 이용해 시뮬레이션으로 분석한다. 결과는 고주파(60 GHz)에서 각도 확산이 크게 증가하고, 시간‑각도 분산이 주파수에 따라 비선형적으로 변함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 무선 전파 전파 환경을 시간 영역과 각도 영역 두 축으로 동시에 해석함으로써 차세대 mmWave 시스템 설계에 필요한 기초 데이터를 제공한다. 먼저 RMS 지연 확산(Delay Spread, DS)과 RMS 각도 확산(Angle Spread, AS)의 정의를 재정의하고, DS가 전파 경로 길이와 반사/회절 횟수에 의해 결정되는 반면, AS는 입사각 및 도착각의 통계적 분포에 의해 좌우된다는 점을 강조한다. 3GPP TR 38.901 표준에 명시된 도시 마이크로셀 모델을 기반으로, 건물 배치, 거리, 사용자 높이 등을 파라미터화하여 두 주파수 대역에 동일한 환경을 적용하였다.

다중 타원형 모델은 송신기와 수신기 사이의 타원형 등위면을 설정하고, 각 타원형에 대해 다중 경로를 무작위로 배치한다. 이때 타원형의 초점 거리와 반사 계수는 주파수에 따라 스케일링되며, 60 GHz에서는 전파 손실이 급격히 증가해 직진 경로와 강한 반사 경로만이 주요 기여를 한다는 가정을 사용한다. 시뮬레이션은 Monte‑Carlo 방식으로 10,000개의 사용자 위치에 대해 수행되었으며, 각 경우에 DS와 AS를 동시에 측정하였다.

주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 6 GHz에서는 DS가 평균 120 ns 수준으로 비교적 넓은 시간 확산을 보였지만, AS는 12° 정도로 제한적이었다. 반면 60 GHz에서는 DS가 30 ns 이하로 크게 감소했으나, AS는 35°까지 확대되어 각도 확산이 지배적인 특성을 나타냈다. 이는 고주파 대역에서 파동이 직진 및 강한 반사 경로에 집중되면서 도착 각도가 넓게 분포하기 때문이다. 둘째, DS와 AS 사이의 상관계수는 6 GHz에서 0.42로 약한 양의 상관을 보였으나, 60 GHz에서는 0.78로 강한 양의 상관을 나타냈다. 이는 시간‑각도 결합 모델이 고주파에서 더 정확히 적용될 수 있음을 시사한다.

또한, 3GPP 표준 모델과 다중 타원형 모델 간의 차이를 비교했을 때, 표준 모델은 평균 AS를 10% 정도 과소평가하는 경향이 있었으며, 이는 표준 모델이 실제 도시 환경에서 발생하는 복잡한 반사·회절 메커니즘을 충분히 반영하지 못하기 때문이다. 반면 다중 타원형 모델은 파라미터 조정을 통해 실측 데이터와 높은 일치도를 보였다.

이러한 분석은 차세대 5G‑NR 및 6G 시스템에서 빔포밍 설계, 사용자 스케줄링, 그리고 채널 추정 알고리즘에 직접적인 영향을 미친다. 특히 60 GHz와 같은 mmWave 대역에서는 각도 확산이 크게 증가하므로, 넓은 빔폭을 사용하거나 다중 빔을 동시 전송하는 전략이 필요하다. 또한, 시간‑각도 결합 모델을 활용하면 채널 상태 정보를 보다 효율적으로 압축하고, 저지연 통신을 위한 프리코딩 설계에 유리하다.