UAV 기반 이동 목표 추적을 위한 통합 감지·통신·제어 프레임워크

초록

본 논문은 UAV가 이동 목표를 추적하면서 동시에 지상 사용자와 통신해야 하는 상황을 위해, 감지·통신·제어를 하나의 최적화 문제로 결합한 ISCC(Integrated Sensing, Communication, and Control) 프레임워크를 제안한다. 목표 상태는 EKF로 추정하고, 주어진 제어 입력에 대한 최적 빔포밍을 폐쇄형 해로 도출한 뒤, 남은 비선형 제약을 완화(convex relaxation)하여 실시간 구현이 가능한 확률적 MPC 문제로 변환한다. 시뮬레이션 결과, 비인과적(비인과적) 기준과 비교해 추적 정확도와 통신 안정성을 동시에 만족함을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 UAV 기반 목표 추적 시스템을 ‘이산‑시간 선형 제어 과정’으로 모델링함으로써, UAV와 목표 사이의 오차 상태를 시스템 상태로 정의하고, UAV의 가속·방향 명령을 제어 입력으로 설정한다. 이러한 모델링은 전통적인 경로 설계와 달리 제어 루프와 센서·통신 제약을 동시에 고려할 수 있게 해준다. 논문은 먼저 확장 칼만 필터(EKF)를 이용해 목표의 위치·속도와 레이더 측정값(거리·도플러)을 실시간으로 추정한다. EKF는 비선형 측정 모델을 선형화하면서도 잡음 통계 정보를 활용해 추정 정확도를 높인다.

그 다음 단계에서는 주어진 제어 입력에 대해 전송 빔포밍 벡터를 최적화한다. 저자는 수학적으로 빔포밍 최적화를 폐쇄형 해로 풀어, 제어 입력이 고정된 경우 통신 채널 이득과 레이더 반사 이득을 동시에 최대화하는 방향벡터를 도출한다. 이 과정에서 빔포밍 변수는 제어 변수와 완전히 분리되므로, 원래의 비선형·비볼록 결합 문제를 ‘제어‑중심’ 형태로 변환할 수 있다.

남은 비선형 제약(예: SINR 최소 요구, 레이더 측정 품질 제한)은 완화 기법을 통해 하한(convex lower‑bound)으로 근사한다. 구체적으로는 제곱형 제약을 2차원 원뿔 제약으로 변환하고, 스드라드(semidefinite) 완화를 적용해 전역 최적해를 보장하는 볼록 최적화 문제로 전환한다. 이렇게 얻어진 문제는 표준 이차계획법(QP) 혹은 2차원 원뿔 프로그램(SOCP) 형태로, 상용 솔버를 이용해 실시간으로 해결 가능하다.

시뮬레이션에서는 비인과적 MPC(미래 목표 상태를 미리 알 수 있다고 가정)와 기존 제어·추적 방법을 비교한다. 제안된 ISCC 프레임워크는 비인과적 기준에 근접한 추적 오차를 유지하면서, 통신 데이터율을 사전 설정된 임계값 이상으로 안정적으로 유지한다. 특히, 전통적인 경로 설계만을 사용한 경우에는 통신 품질이 급격히 저하되거나 추적 오차가 크게 증가하는 반면, 본 방법은 두 목적을 균형 있게 만족한다.

핵심 기여는 (1) UAV‑목표 추적을 ‘제어‑오차 상태’로 명시화한 통합 모델, (2) EKF 기반 실시간 상태 추정과 빔포밍 폐쇄형 해의 결합, (3) 비볼록 제약을 완화해 실시간 구현이 가능한 확률적 MPC 설계이다. 이러한 접근은 6G 시대의 ISAC(Integrated Sensing and Communication) 요구사항을 충족시키며, UAV가 이동 목표를 추적하면서 동시에 고품질 통신 서비스를 제공해야 하는 다양한 응용 분야에 직접 적용 가능하다.