클램 기반 저고도 UAV 통합 감지 클러터 억제 기술

초록

본 논문은 채널 지식 지도(CKM)의 일종인 클러터 각도 지도(CLAM)를 활용해 OFDM 기반 ISAC 시스템에서 저고도 UAV 목표를 위한 클러터 억제 방법을 제안한다. CLAM을 이용한 공간 영역 제로포싱(ZF)으로 주요 클러터를 사전 제거하고, 클러터와 목표가 각도적으로 근접한 경우를 대비해 공간‑도플러 결합 2단계 알고리즘을 설계하였다. 시뮬레이션 결과, 기존 MTI·MTD 방식에 비해 클러터 억제와 목표 파라미터 추정 정확도가 크게 향상됨을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 저고도 환경에서 UAV와 같은 저속·소형 목표를 탐지할 때, 복잡하고 동적인 클러터가 센싱 성능을 크게 저해한다는 문제점을 지적한다. 기존 레이더 기반 클러터 억제 기법은 주로 도플러 차이를 이용한 MTI/MTD 방식에 의존하는데, 이는 클러터와 목표의 도플러가 거의 동일하거나 클러터가 동적인 경우 효과가 급격히 감소한다. 저자는 이러한 한계를 극복하기 위해 채널 지식 지도(CKM) 개념을 차용하고, 특히 “클러터 각도 지도”(CLAM)라는 새로운 CKM 형태를 제안한다. CLAM은 특정 지역에 존재하는 주요 클러터의 방위각(ϕ)과 천정각(θ)을 사전 학습·저장한 데이터베이스로, BS가 UE의 위치 정보를 실시간으로 받아 해당 위치에 대응하는 클러터 각도를 조회한다.

첫 번째 단계에서는 CLAM이 제공하는 DoA 정보를 이용해 공간 영역에서 제로포싱(Zero‑Forcing) 필터를 설계한다. 구체적으로, 클러터 각도에 해당하는 배열 응답 벡터 α(ϕ_l,θ_l)를 기반으로 억제 행렬을 구성하고, 수신 신호 y(t)에서 해당 방향 성분을 선형적으로 제거한다. 이 과정은 신호‑대‑클러터 비율(SCR)을 크게 향상시키며, 이후의 도플러·지연 추정에 클러터 잔여가 최소화된 상태로 입력된다.

하지만 클러터와 목표가 거의 동일한 각도에 존재할 경우, 순수 공간 억제만으로는 두 신호를 구분하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 저자는 2단계 결합 알고리즘을 제시한다. 1단계에서 CLAM 기반 공간 억제를 수행한 뒤, 남은 신호를 도플러‑지연(Doppler‑Delay) 영역에서 고역통과 필터링(High‑Pass) 혹은 MTI와 유사한 고역 필터를 적용한다. 동시에, “클러터로 간주되는” 모든 다른 각도 성분을 가상 클러터 집합으로 정의하고, 이들에 대해 다시 제로포싱을 수행한다. 이렇게 하면 각도 근접 상황에서도 목표 신호와 클러터 신호가 서로 다른 도플러·지연 쌍으로 분리되어, 최종적으로 정확한 DoA·거리·속도 추정이 가능해진다.

시뮬레이션에서는 3차원 저고도 시나리오(정적·동적 클러터, 고속·저속 목표)를 구축하고, 제안된 CLAM‑기반 공간 억제와 결합 알고리즘을 기존 MTI/MTD, 순수 공간 억제, 순수 도플러 억제와 비교하였다. 결과는 특히 저속 UAV(예: 5 m/s 이하)와 동적 클러터가 혼재하는 상황에서 SCR이 10 dB 이상 개선되고, 목표의 방위·거리·속도 추정 오차가 기존 방법 대비 30 % 이상 감소함을 보여준다. 또한, CLAM 데이터베이스의 구축 비용과 실시간 업데이트 비용을 고려한 분석에서도, 대규모 6G 네트워크에서 BS와 UE 간 위치·채널 정보 교환을 활용하면 실시간 CLAM 유지가 충분히 현실적임을 주장한다.

핵심 기여는 다음과 같다. (1) 저고도 UAV ISAC에 특화된 CKM, 즉 CLAM을 정의하고, 이를 통해 공간 영역에서 사전 클러터 억제가 가능하도록 설계하였다. (2) CLAM 기반 제로포싱을 적용한 공간 억제 기법을 제안하여 전통적인 도플러 기반 억제의 한계를 보완하였다. (3) 목표와 클러터가 각도적으로 근접한 경우를 위한 공간‑도플러 결합 2단계 알고리즘을 도입, 각도 결합 현상을 효과적으로 해소하였다. (4) 광범위한 수치 실험을 통해 제안 기법이 실제 저고도 복합 환경에서 목표 탐지·파라미터 추정 성능을 크게 향상시킴을 입증하였다.

전반적으로 이 연구는 CKM을 활용한 환경 인지형 클러터 억제라는 새로운 패러다임을 제시하며, 6G 시대의 대규모 ISAC 네트워크에서 저고도 UAV 감시·통신 융합 서비스를 구현하는 데 중요한 기술적 토대를 제공한다.