밀리미터파 레이더 파형의 ISAC 성능 비교

초록

본 논문은 차세대 지능형 교통 시스템을 위한 통합 센싱·통신(ISAC) 구현에 있어 FMCW, PMCW, IEEE 802.11ad 기반 골레이 시퀀스(표준 및 도플러 저항형) 파형을 비교한다. 시뮬레이션과 Zynq MPSoC 기반 하드웨어‑소프트웨어 공동 설계 결과, 이동 목표물에 대해 도플러 저항 골레이 시퀀스가 가장 낮은 사이드로브와 높은 PSLR을 보이며, FMCW는 가장 낮은 성능을 나타낸다. 또한 고정소수점 구현이 자원·전력 효율을 크게 개선하면서도 성능 저하가 없음을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 mmWave 대역(60 GHz)에서 ISAC을 구현하기 위한 세 가지 주요 파형—FMCW, PMCW, 그리고 IEEE 802.11ad 프레임에 삽입된 골레이 시퀀스(표준 및 도플러 저항형)—의 레이더 성능을 정량적으로 평가한다. 파형별 전송 구조는 동일한 샘플링 주파수와 PRI(2 µs), CPI(4 ms)를 사용해 공정한 비교가 가능하도록 설계되었다. FMCW는 전통적인 연속파 레이더에서 널리 쓰이지만, 이동 목표물에 대한 도플러 효과가 자동상관 특성을 크게 손상시켜 사이드로브가 크게 나타난다. PMCW는 위상 변조를 통해 통신 심볼을 삽입하면서도 FMCW보다 약간 개선된 PSLR(13 dB)과 낮은 사이드로브를 제공한다. 그러나 두 파형 모두 복잡한 목표(보행자·자동차)의 공간적 확장성을 정확히 포착하기에는 한계가 있다.

IEEE 802.11ad 기반 골레이 시퀀스는 전통적인 레이더 파형과 달리 완전한 상보적 자동상관 특성을 갖는다. 표준 골레이 시퀀스는 정지 목표에 대해 이론적인 제로 사이드로브를 보이지만, 이동 목표에서는 도플러에 의한 위상 차이로 인해 사이드로브가 재생된다. 이를 보완하기 위해 도플러 저항형 골레이 시퀀스(프루헷‑투‑머스 알고리즘 기반)를 적용하면 이동 목표에서도 사이드로브가 거의 사라지고 PSLR이 43 dB까지 상승한다. 이는 목표의 정확한 범위·속도 추정에 결정적인 이점을 제공한다.

하드웨어 측면에서는 Zynq MPSoC(Quad‑core ARM Cortex‑A53 + UltraScale FPGA)를 활용해 레이더 신호 처리(RSP) 알고리즘을 PS와 PL에 분산 배치하였다. 초기 구현은 DPFL(64‑bit 부동소수점)으로 PS 전용 수행했으며, PL에 매칭 필터를 SPFL(32‑bit 부동소수점)으로 오프로드해 실행 속도를 10배 이상 가속화했다. 고정소수점(FP<24,1>) 설계는 자원 사용량을 최대 30 % 감소시키고 전력 소비를 9 % 절감하면서도 SPFL과 동일한 검출 성능을 유지한다. 이러한 결과는 실시간 ISAC 시스템을 엣지 디바이스에 구현하는 데 필요한 계산·전력 효율성을 입증한다.

결론적으로, 이동 목표에 대한 레이더 성능을 최우선으로 고려한다면 도플러 저항 골레이 시퀀스를 채택한 IEEE 802.11ad 파형이 가장 우수하며, 기존 FMCW·PMCW 파형은 비용·복잡도 측면에서만 경쟁력을 가진다. 또한 고정소수점 기반 FPGA 구현은 실제 차량용 ISAC 모듈에 적용하기에 충분히 효율적이다.