6G 비지상 네트워크 파형 비교 OTFS AFDM OCDM LEO 위성 채널

초록

본 논문은 6세대 비지상 네트워크(NTN)에서 저궤도(LEO) 위성 링크에 적용 가능한 세 가지 차세대 파형인 OTFS, AFDM, OCDM의 비트 오류율(BER) 성능을 3GPP TR 38.811에 정의된 네 가지 TDL 모델(TDL‑A~D)에서 비교한다. 동일한 시스템 설정과 MMSE‑SD 검출기를 적용한 결과, AFDM과 OTFS가 전반적으로 OCDM보다 우수했으며, 고SNR 영역에서는 AFDM이 OTFS를 앞섰다. 시뮬레이션 코드는 오픈소스로 제공된다.

상세 분석

본 연구는 LEO 위성‑지상 단말 간의 고속 이동으로 인한 대규모 도플러와 다중 경로 확산을 효과적으로 완화할 수 있는 파형을 탐색한다. OTFS는 신호를 지연‑도플러 영역에 매핑함으로써 채널을 반정적(semi‑static)으로 만들고, 스파스(sparse) 특성을 이용한 저복잡도 탐지를 가능하게 한다. AFDM은 이산 어핀 변환(DAFT)을 기반으로 두 개의 디지털 챕 레이트(c₁, c₂)를 조정해 시간‑주파수 영역에서 완전 직교성을 확보한다. 특히, 정수 정규화된 지연‑도플러 조건을 만족하면 모든 경로가 대각선에 배치되어 ICI를 최소화한다. OCDM은 AFDM의 특수 경우(c₁=c₂=1/2N)로, 선형 챕을 이용한 주파수 확산을 제공하지만, 본 논문에서는 높은 도플러와 다중 경로 환경에서 오류 바닥(error floor)이 발생해 실용성이 떨어지는 것으로 나타났다.

채널 모델링은 3GPP에서 제시한 TDL‑A~D 네 가지 프로파일을 사용했으며, 각 모델은 NLOS와 LOS 상황을 반영해 서로 다른 지연·전력 프로파일과 라인‑오브‑사이트(Rician) K‑팩터를 갖는다. 추가 도플러는 위성 속도와 고도, 위성 고도각을 고려한 식(10)으로 계산되었다. 시뮬레이션은 2.55 GHz 캐리어, 15 kHz 서브캐리어 간격, 16‑QAM 변조, AFDM은 N=256, OTFS는 K=L=16으로 설정했으며, 사이클릭 프리픽스는 BER 비교를 위해 제거하였다.

검출 단계에서는 LMMSE 가중 행렬을 기반으로 한 MMSE‑SD 알고리즘을 적용했다. 기존 LMMSE는 모든 심볼을 동일하게 처리하지만, MMSE‑SD는 각 심볼의 사후 SINR을 계산해 높은 SINR을 가진 심볼부터 순차적으로 검출·취소함으로써 평균 1‑2 dB의 SNR 이득을 확보한다. 이는 특히 고SNR 영역에서 AFDM이 OTFS를 앞서는 주요 원인으로 작용한다.

결과적으로, AFDM은 TDL‑B와 TDL‑C에서 고SNR(>15 dB) 구간에서 OTFS보다 약 0.5‑1 dB 낮은 BER을 보였으며, 모든 모델에서 OCDM은 오류 바닥에 머물러 실용적이지 않다. 이러한 결과는 AFDM이 높은 도플러와 다중 경로가 동시에 존재하는 LEO‑NTN 환경에서 가장 강인한 파형임을 시사한다. 또한, 오픈소스 시뮬레이션 프레임워크 제공은 연구자들이 파라미터를 자유롭게 변형해 추가 검증 및 확장을 수행할 수 있게 한다. 향후 연구에서는 실제 위성‑지상 테스트베드, 하드웨어 구현, 그리고 다중 사용자·다중 안테나(MIMO) 환경에서의 성능 평가가 필요하다.