구형 직접연결 안테나 배열을 이용한 저고도 UAV 스웜 ISAC 구현

본 논문은 저고도 UAV 스웜이 요구하는 고해상도 3차원 각도 인식과 고효율 통신을 동시에 만족시키는 새로운 안테나 구조인 구형 직접연결 안테나 배열(DCAA)을 제안한다. 기존의 Ray Antenna Array(RAA)는 여러 sULA를 평면에 배치해 위상 변조기 없이 비용을 절감했지만, 2차원 구조라 방위·고도 각도 해상도가 제한되고, 인접 배열 간 차폐와 상호 결합 문제가 있었다. 이를 극복하기 위해 저자들은 구면 표면에 N개의 sUPA(단순 평면 배열)를 배치하고, 각 sUPA의 M×M 요소를 반파장 간격으로 직접 연결한다. 이렇게 하면 각 sUPA가 구면의 특정 방위(η)와 고도(ϑ) 영역을 담당하게 되며, 전체 구면이 3차원 전방위 커버리지를 제공한다. 시스템 모델에서는 단일 안테나 Tx와 구형 DCAA Rx를 갖는 바이스태틱 ISAC 시나리오를 설정한다. 전송 신호 x_s는 LoS와 L개의 NLoS 경로를 통해 수신되며, 각 경로는 (ϕ_l,θ_l)이라는 방위·고도 AoA 파라미터를 가진다. Rx에서는 N개의 sUPA 출력이 선택 네트워크 S를 통해 N_RF개의 RF 체인에 매핑되고, 이후 디지털 베이스밴드에서 통신 복호화와 파라미터 추정이 이루어진다. 배열 응답 분석에서는 sUPA를 y축(요)과 z축(피치) 회전 행렬 R(η,ϑ)로 회전시켜 일반적인 방향을 표현한다. 회전 후의 측면벡터 u′₁, u′₂와 파동벡터 k를 이용해 스테어링 벡터 a₁⊗a₂를 도출하고, 각 요소의 방사 패턴 G(η−ϕ,ϑ−θ)를 포함한 전체 응답 r(η,ϑ,ϕ,θ)를 얻는다. 이 응답은 Dirichlet 커널 H_M(x)의 곱 형태로 나타나며, M이 커질수록 빔폭이 급격히 좁아져 고해상도 각도 구분이 가능함을 수학적으로 증명한다. 또한, 인접 sUPA 간 물리적 충돌을 방지하기 위해 최소 구반경 R_min을 유도하고, 설계 파라미터(Δη,Δϑ, M, d)와의 관계를 제시한다. 감지 알고리즘 측면에서는 DCAA가 제공하는 등가 스테어링 벡터를 기반으로 MUSIC 알고리즘을 변형한다. 변형 MUSIC은 2차원(azimuth, elevation) 스펙트럼을 동시에 계산해 다중 목표의 AoA를 초고해상도로 추정한다. 시뮬레이션에서는 동일한 총 안테나 이득을 갖는 전통적인 UP‑A+KPC 기반 HBF와 비교했을 때, DCAA는 (1) 최소 분리각 5° 이하 목표를 10배 이상 정확히 구분, (2) RMSE가 0.2° 이하로 감소, (3) 통신 스펙트럼 효율이 30% 이상 향상되는 결과를 보였다. 특히, 구면 배치 덕분에 모든 방향에서 균일한 빔폭을 유지해, 전방위 UAV 스웜의 동시 통신·감지를 효과적으로 지원한다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 구형 DCAA 구조와 그 수학적 모델을 제시해 하드웨어 비용을 크게 낮추면서 3차원 전방위 커버리지를 구현하였다. 둘째, 회전 기반 빔패턴 해석을 통해 각도 해상도와 최소 구반경을 정량적으로 규명하였다. 셋째, DCAA 전용 MUSIC 기반 3D AoA 추정 알고리즘을 설계해 감지 정확도를 크게 향상시켰다. 넷째, 광범위한 시뮬레이션을 통해 기존 HBF 기반 시스템 대비 비용·전력 효율과 성능 모두에서 우수함을 입증하였다. 향후 연구 과제로는 실제 RF 스위치 삽입 손실, 구면 제작 공정의 정밀도, 다중 경로 및 상호 결합 환경에서의 실험 검증, 그리고 동적 스와밍 시나리오에서의 실시간 빔스위칭 및 자원 할당 전략 등이 제시된다.