다양한 안테나 패턴을 위한 mmWave 경로 손실 모델 변환 기법

본 논문은 5G 및 차세대 무선 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 mmWave 대역의 경로 손실 모델링에 안테나 패턴과 빔 폭을 효과적으로 반영하는 새로운 방법론을 제시한다. 기존의 경험적 경로 손실 모델은 측정에 사용된 특정 안테나의 방사 패턴에 종속적이며, 다른 안테나 시스템에 적용하려면 복잡한 변환 절차가 필요했다. 저자들은 이러한 한계를 극복하기 위해 다중 타원 전파 모델(Multi‑Elliptical Propagation Model, MPM)을 기반으로 한 보정 기법을 고안하였다. 먼저, 전천향(omni‑directional) 안테나에 대해 3GPP TR 38.901에서 정의된 경로 손실 모델을 입력값으로 채택한다. 이 모델은 거리 d에 대한 기본 손실 PL_omni(d)를 제공한다. 이후 MPM을 이용해 해당 거리에서의 파워 방위 스펙트럼(PAS) — 즉, 특정 각도에서 수신되는 전력 분포 — 를 계산한다. PAS는 파워 딜레이 프로파일(PDP)에서 정의된 시간 클러스터를 타원 형태의 기하학적 구조에 매핑함으로써 얻어진다. 타원의 초점은 송신기(Tx)와 수신기(Rx)이며, 타원의 장축·단축은 클러스터 지연에 따라 결정된다. LOS와 NLOS 상황을 각각 TDL‑C와 TDL‑E 모델로 표현하고, LOS에서는 직접 경로와 Rician K‑factor, NLOS에서는 von Mises 분포를 사용해 각도 분포를 모델링한다. 이렇게 얻어진 PAS_omni와 목표 안테나 패턴에 대한 PAS_dir을 비교해 로그 스케일 차이 β(d)를 구한다. 최종 변환식은 PL_dir(d) = PL_omni(d) + β(d) 이며, β(d)는 안테나 이득 차이와 PAS 차이를 동시에 반영한다. 실험에서는 28 GHz와 39 GHz 두 주파수 대역, 도시 매크로(UMa) 환경을 가정하고 거리 10 m~500 m 구간을 대상으로 시뮬레이션을 수행했다. 안테나 패턴은 (1) Gaussian(주빔만), (2) Sinc(주빔·측파 포함), (3) 실제 gNodeB 패턴(다중 요소 배열) 세 가지를 사용했으며, 각 패턴에 대해 동일한 HPBW(반파 반경)를 적용했다. 또한, UE와 BS에 각각 Sinc 패턴을 적용하고 HPBW를 30°, 45°, 70°로 변화시켜 빔 폭이 손실에 미치는 영향을 조사하였다. 주요 결과는 다음과 같다. - 주파수가 높아질수록(28 GHz→39 GHz) 전천향 기반 손실이 약 3‑5 dB 증가했으며, 이는 자유 공간 손실과 대기 흡수 증가에 기인한다. - Gaussian과 Sinc 모델은 손실 곡선이 거의 일치했으며, Sinc이 측파까지 고려했음에도 차이가 미미한 이유는 주빔이 전파 경로를 지배하기 때문이다. - 실제 gNodeB 패턴은 동일 HPBW에서도 약 1‑2 dB 더 높은 손실을 보였는데, 이는 배열 요소 간 비대칭 및 실제 측파 레벨이 이상적인 Sinc 모델보다 낮기 때문이다. - 빔 폭 확대(HPBW 증가)는 LOS 상황에서 손실 감소 효과가 뚜렷했으며, HPBW가 70°에 가까워질수록 전천향 안테나와 거의 동일한 손실을 나타냈다. 반면 NLOS에서는 빔 폭이 넓어질수록 다중 반사·산란 경로를 포착하게 되어 손실이 약간 증가하였다. 이는 NLOS에서 좁은 빔이 특정 유리한 경로를 선택해 신호 강도를 유지하는 메커니즘과 일치한다. 제안된 변환 방법은 복잡한 3GPP TR 38.901의 빔 관리 알고리즘에 비해 계산량이 크게 감소한다. 전천향 손실 모델 하나와 PAS 계산만으로 다양한 안테나 패턴과 빔 폭에 대한 손실을 빠르게 추정할 수 있어, 실시간 네트워크 플래닝, 빔 트래킹, 그리고 초밀집(Ultra‑Dense Network) 환경에서의 신속한 채널 예측에 유용하다. 향후 연구에서는 3‑D 다중 타원형 모델을 적용해 고도각도(elevation)까지 고려한 전파 특성을 분석하고, 실제 측정 데이터를 통해 모델 검증을 수행할 계획이다.