테라헤르츠 초대형 배열을 이용한 근거리 광대역 위치추정 및 TTD 기반 빔포커싱

본 연구는 6세대(6G) 통신망에서 기대되는 두 핵심 기술인 초대형 안테나 배열(Extremely Large‑Scale Antenna Arrays, ELAA)과 테라헤르츠(THz) 대역의 초고대역폭을 결합한 근거리(near‑field) 광대역 전송 환경을 대상으로 한다. 기존의 좁은 대역폭·평면파 기반 위치추정 기법은 THz‑ELAA 시스템에서 발생하는 ‘공간‑와이드밴드 효과’, 즉 주파수에 따라 빔이 분리되는 beam‑split 현상에 취약하다. 이러한 현상은 특히 근거리에서 구형 파면(curved wavefront)이 지배적인 상황에서 파면의 곡률 정보를 왜곡시켜, 다중 사용자의 정확한 거리·방위 추정을 방해한다. 논문은 먼저 구형 파면의 곡률을 직접 이용하는 ‘Curvature‑of‑Arrival (COA)’ 기반 위치추정 프레임워크를 제시한다. 다중 사용자는 동일한 OFDM 파일럿을 전송하고, 베이스스테이션은 N개의 안테나를 갖는 ULA를 통해 각 서브캐리어(m=1…M)의 신호를 수신한다. 수신 모델은 각 사용자 k에 대해 거리 d_k와 방위 θ_k를 파라미터화한 구형 파면 거리 d_{k,n}(d_k,θ_k)와 주파수‑의존적인 위상 v_{m,k,n}=2πf_m d_{k,n}/c 로 표현된다. 이를 바탕으로 수신 벡터 x_m = Σ_k g_{m,k} c_k + z_m (g_{m,k}=α_{m,k} e^{-j v_{m,k,n}}) 를 정의하고, 하이브리드 아날로그/디지털 구조를 통해 아날로그 결합 행렬 Q_m = T_m A 로 변환한다. 여기서 T_m는 TTD에 의한 주파수‑의존 지연, A는 위상시프터(PS) 네트워크를 나타낸다. 다음으로, 고정된 아날로그 결합 Q_m에 대해 최대우도(ML) 추정식을 도출하고, 피셔 정보 행렬(FIM)을 계산한다. FIM의 트레이스(trace)를 최대화하는 것이 위치오차한계(CRB)를 최소화하는 것과 동등함을 보이며, 이는 아날로그 파라미터(PS 위상 φ_n, TTD 지연 t_{i,l})의 최적 설계 문제로 전환된다. 저자는 이 최적화를 다음과 같이 정의한다:  max_{φ_n, t_{i,l}} tr(FIM(φ, t)) subject to φ_n∈