고속 이동 LEO 위성통신을 위한 유연 FTN OTFS 설계

초록

본 논문은 저전력 LEO 위성에서 빠르게 변하는 채널을 고려한 유연한 Faster‑than‑Nyquist(FTN)와 Orthogonal Time Frequency Space(OTFS) 결합 방식을 제안한다. 실시간 SNR 정보를 활용해 압축 계수 α를 LUT 기반으로 적응적으로 선택함으로써 스펙트럼 효율을 극대화하고, 복잡도는 최소화한다. 3GPP TDL 모델을 적용한 시뮬레이션 결과, 정적 FTN 대비 높은 처리량과 낮은 BER을 달성한다.

상세 분석

논문은 LEO 위성‑지상 링크의 특수성을 세 가지 측면에서 정밀히 분석한다. 첫째, 위성의 고속 이동으로 인한 도플러와 경로 손실을 3GPP TDL‑A~E 모델로 구현해 고도·지형에 따른 LOS·NLOS 전이와 그림자·대기 손실을 정량화한다. 둘째, OTFS는 신호를 Delay‑Doppler(D‑D) 영역으로 변환해 시간‑주파수 변동성을 거의 정적 스파스 채널로 압축한다는 점에서, 기존 OFDM이 겪는 ICI 문제를 근본적으로 완화한다. 셋째, FTN은 심볼 간격을 압축해 전송률을 높이지만 ISI를 유발한다. 여기서 저자들은 압축 계수 α∈(0,1] 를 고정값이 아니라 순간 SNR에 따라 LUT에서 조회해 동적으로 조정한다는 ‘SNR‑aware 유연 FTN’ 전략을 도입한다. LUT는 사전 시뮬레이션을 통해 각 SNR 구간별 최적 α 값을 저장하고, 실제 운용 시에는 채널 추정값만으로 즉시 조회가 가능하므로 연산량이 크게 감소한다.

이러한 설계는 두 가지 핵심 트레이드오프를 해결한다. (1) 고도에서 SNR이 낮을 때는 α를 크게 하여 ISI를 억제하고 링크 안정성을 확보하고, (2) 고도에서 SNR이 높을 때는 α를 작게 하여 심볼 압축을 극대화함으로써 스펙트럼 효율을 상승시킨다. 저자는 또한 FTN‑OTFS 복조기에서 발생하는 복합 ISI·ICI를 최소화하기 위해 기존 MMSE‑SIC 대신 저복잡도 선형 등화와 사전‑후처리 결합 방식을 제안한다.

이론적 분석에서는 압축 계수에 따른 유효 전송량, 에너지 효율(EE), 비트 오류율(BER) 상한을 각각 Closed‑form 식으로 도출한다. 특히, α와 채널의 평균 도플러 확산 폭 사이의 관계를 통해 BER 상한이 α²·σ²_noise 형태로 근사됨을 보이며, 이는 LUT 설계 시 목표 BER을 만족하는 α 범위를 직접 계산할 수 있게 한다.

시뮬레이션에서는 3GPP TDL‑C(저고도 NLOS)와 TDL‑E(고고도 LOS) 두 시나리오를 사용해 정적 FTN(α=0.8 고정)과 비교한다. 결과는 유연 FTN이 평균 처리량을 18%~25% 향상시키고, 10⁻³ 수준의 BER을 유지하면서 전력 소비를 12% 절감함을 보여준다. 또한, LUT 기반 적응이 복잡도 측면에서 2배 이하의 연산량만을 요구함을 확인한다.

전반적으로 논문은 LEO 위성 통신에서 실시간 채널 변동성을 고려한 저전력, 고효율 변조·복조 체계를 제시하며, 실제 위성 시스템에 적용 가능한 설계 가이드라인을 제공한다.