LEO 위성 3GPP NTN 공통 신호를 위한 지구고정 빔 관리 전략

초록

본 논문은 EIRP 제한을 받는 LEO 위성에서 3GPP NTN 공통 신호를 효율적으로 전송하기 위한 지구고정 빔 레이아웃 설계와 빔 홉핑 스케줄링 방법을 제안한다. 위상 배열 빔과 확대 빔 두 가지 레이아웃을 비교 분석하고, 최적화된 빔 교차 수준을 적용한 위상 배열 빔이 빔 수를 1723개에서 451개로 감소시키며 20 ms 주기에서도 80.6 % 이상의 신호 효율을 달성함을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

이 연구는 LEO 위성의 EIRP 제한이라는 물리적 제약 하에서 3GPP NTN(Non‑Terrestrial Networks) 공통 제어 신호를 대규모 커버리지 영역에 전파하기 위한 전반적인 빔 관리 프레임워크를 제시한다. 먼저 지구고정(earth‑fixed) 빔 그리드를 정의하고, 각 그리드 포인트에 대해 반파반경(half‑power beamwidth) 기반의 빔 풋프린트를 계산한다. 빔 설계 단계에서는 두 가지 접근법을 제안한다. 첫 번째는 위상 배열(phased‑array) 빔을 이용해 빔 교차(crossover) 레벨을 낮추는 방법으로, 빔 간 간섭을 최소화하면서도 높은 이득을 유지한다. 두 번째는 빔 폭을 인위적으로 넓히는 확대(widened) 빔 방식으로, 이는 개별 빔당 EIRP가 감소하지만 전체 빔 수를 크게 줄일 수 있다. 확대 빔 구현을 위해서는 안테나 요소의 절단(aperture truncation), 진폭 테이퍼링(amplitude tapering), 위상 테이퍼링(phase tapering) 등 기존 기술을 검토하고, 특히 위상 테이퍼링이 전력 손실 없이 빔 폭을 확대할 수 있음을 강조한다.

빔 홉핑은 동시에 활성화할 수 있는 빔 수가 제한된 LEO 위성의 특성을 고려해 설계된다. 논문은 시간 슬롯당 최대 활성 빔 수를 정의하고, 각 홉 인덱스에 따라 활성 빔 집합을 선택하는 활성화 함수와 빔 포밍 행렬을 제시한다. 홉 지속시간은 1 슬롯(125 µs)으로 설정해, 빔 포인팅 오차가 0.001° 이하로 유지되도록 빔 포밍 가중치를 매 홉마다 업데이트한다. 이렇게 하면 빔 풋프린트 변동을 무시할 수 있어 시스템 복잡성을 크게 낮춘다.

주파수·시간·공간 자원 할당 측면에서는 3GPP 표준이 요구하는 SSB(20 ms 주기), PDCCH, SIB1(160 ms), SIB19, MSG2, Paging 등 다양한 공통 신호의 SNR 요구사항을 고려한다. 각 신호별 BLER 1 %에 대응하는 최소 SNR을 표 Ⅰ에 정리하고, 이를 만족하도록 빔 전력 할당 및 빔 교차 레벨을 최적화한다. 특히, 위상 배열 빔의 교차 레벨을 조정함으로써 전체 빔 수를 1723개에서 451개로 감소시켰으며, 이는 빔 홉핑 패턴의 순환 주기를 크게 단축시켜 20 ms 이내에 전체 커버리지를 스캔할 수 있게 한다.

수치 평가에서는 실제 시스템 파라미터(위성 고도, 안테나 요소 수, 전송 전력 등)를 기반으로 시뮬레이션을 수행한다. 결과는 두 레이아웃이 비슷한 성능을 보이지만, 위상 배열 빔이 약간 더 높은 커버리지 비율(100 %)과 신호 효율(최대 80.6 %)을 제공함을 보여준다. 또한, 빔 홉핑 스케줄링과 자원 할당 전략이 데이터 전송용 스팟 빔과 공통 신호용 광대역 빔을 효과적으로 분리함으로써 전체 시스템 용량을 극대화한다는 점을 강조한다.

이 논문의 주요 기여는 (1) 지구고정 빔 그리드 설계 방법론, (2) 위상 배열 및 확대 빔의 설계 파라미터 최적화, (3) EIRP 제한 하에서 최소 홉 수로 전체 커버리지를 스캔하는 빔 홉핑 스키마, (4) 3GPP NTN 공통 신호의 주파수·시간·공간 자원 배분 프레임워크를 통합적으로 제시한 점이다. 이러한 통합 접근은 향후 대규모 LEO 메가컨스텔레이션에서 5G‑NR 및 차세대 6G 서비스 제공을 위한 핵심 기술로 활용될 수 있다.