유연 듀플렉스 기반 LEO 위성 간 링크 성능 분석 및 에너지 효율 향상

본 논문은 저궤도(LEO) 위성 군집에서 인접 위성 간 반이중 인터‑위성 링크(ISL)의 방향성 비대칭성이 시간에 따라 크게 변동한다는 사실을 출발점으로 삼는다. 기존 연구들은 주로 ISL 스케줄링이나 전력 최적화에 초점을 맞추었지만, ISL·지상 다운링크·버퍼 백로그 간의 상호작용을 통합적으로 분석한 경우는 드물었다. 이를 보완하기 위해 저자들은 (1) 위성‑지상 2‑홉 전송 모델을 수립하고, ISL은 결정적(거리·안테나·전력에 의해 고정)으로, 지상 링크는 Rician 페이딩을 적용해 현실성을 높였다. 각 위성은 자신이 서비스하는 지역의 사용자와 다운링크를 수행하고, 핸드오버 시점에 남은 데이터는 인접 위성으로 전송해야 하는데, 이때 ISL이 병목 역할을 한다. 그 다음, FlexD(Flexible Duplex)라는 새로운 반이중 운용 방식을 제안한다. FlexD는 슬롯 단위로 전송 방향을 선택하는데, 선택 기준은 해당 슬롯에서 두 흐름(위성 k→사용자 k, 위성 ℓ→사용자 ℓ)의 순간 종단‑투‑종단 전송률 중 더 큰 값을 제공하는 방향이다. 전송률은 ISL 용량, 다운링크 용량, 그리고 현재 버퍼에 남아 있는 데이터 양을 모두 고려한 min 연산으로 정의된다(식 1‑2). 따라서 ISL이 병목이면 SINR을 최대화하는 방향을, 다운링크가 병목이면 해당 방향을 선택하게 된다. 분석 단계에서는 이러한 min‑구조를 SINR 도메인으로 변환한다. ISL·다운링크 용량을 각각 W·log₂(1+γ) 형태로 표현하고, 백로그를 등가 SINR γ_W(Q)=Q·W/(W−1) 로 치환한다. 이렇게 하면 두 흐름의 전송률이 단일 SINR의 최소값으로 나타나며, 복합 SINR Γ = max{γₖ→ᵤₖ, γₗ→ᵤₗ} 를 정의한다. Rician 페이딩을 따르는 지상 링크의 CDF를 이용해 Γ의 분포를 도출하고, 목표 스루풋 δ에 대응하는 등가 SINR 임계값 ζ = 2^{2δ/W}−1 로 변환한다. Lemma 1은 Γ > ζ 일 확률, 즉 스루풋 아웃age 확률을 닫힌 형태(식 15)로 제시한다. 여기서 Ωₖ, Ωₗ은 ISL·백로그·다운링크 제약을 반영한 결정적 SINR 한계이며, 두 방향이 독립적이라는 가정 하에 곱셈 형태의 CDF가 얻어진다. 에너지 효율(EE) 분석은 슬롯당 전송 전력과 성공 전송률을 결합해 EE = E