LEO 위성 통신을 위한 AFDM 신호의 분수 지연·도플러 공동 추정기

초록

본 논문은 저궤도(LEO) 위성‑지상 통신에 적합한 새로운 파형인 AFDM(Affine Frequency Division Multiplexing)의 특수한 스펙트럼 래핑 현상을 고려하여, 분수 지연과 분수 도플러 주파수를 동시에 고정밀·저복잡도로 추정하는 알고리즘을 제안한다. 기존 연구에서 간과된 래핑 효과를 수식적으로 분석하고, 등가 채널의 엔벨로프 특성을 도출한 뒤, 피크‑사이드로브 전력비(PSPR) 기반의 폐루프 도플러 보정과 조기‑지연 게이트(ELG) 기반의 개방루프 지연 추정을 결합한다. 시뮬레이션 결과, 제안 방식은 가드 인터벌 오버헤드가 적고, 전통적인 정수 추정 및 AML 방법에 비해 RMSE가 크게 개선됨을 보여준다.

상세 분석

AFDM은 Discrete Affine Fourier Transform(DAFT)을 기반으로 하는 다중 반송파 변조 방식으로, 기존 OFDM에 비해 높은 도플러 내성을 갖는다. 그러나 LEO 위성처럼 고속 이동 환경에서는 채널 지연과 도플러가 정수값이 아닌 분수값을 가질 경우, 수신 신호의 스펙트럼이 ‘래핑’ 현상—즉, 주파수 영역에서 불연속적으로 접히는 현상—을 보인다. 이 현상을 무시하면 등가 채널 행렬 H_eff의 구조가 잘못 모델링되어, 기존의 정수‑분수 추정 알고리즘이 큰 편향을 발생시킨다.

논문은 먼저 연속시간 신호 모델을 정의하고, CPP(Chirp Periodic Prefix)를 포함한 AFDM 파형을 디지털화한다. 이후 시간‑주파수 이중 선택 채널을 통과한 신호를 샘플링하고 DAFT 복조를 수행함으로써, 수신 심볼 y