전송률 분할 다중 접속 기반 거대 다중 사용자 다중 입력 단일 출력 지구 저궤도 위성 하향링크 시스템 성능 분석 = Performance Analysis of Rate-Splitting Multiple Access Based Massive Multi-User Multiple-Input Single-Output Low Earth Orbit Satellite Downlink System

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 불완전한 채널 상태 정보(Channel State Information; CSI)를 갖는 환경에서 거대(Massive) 다중 안테나를 탑재한 지구 저궤도(Low Earth Orbit; LEO) 위성과 단일 안테나 사용자 단말(User Equipment; UE) 간의 다중 사용자 다중 입력 단일 출력(Multi-User Multiple Input Single Output; MU-MISO) 하향링크(Downlink; DL) 채널을 대상으로 전송률 분할 다중 접속(Rate-Splitting Multiple Access; RSMA) 기법의 성능을 연구한다. LEO 위성은 정지 궤도 위성에 비해 낮은 고도로 인하여, 비교적 낮은 지연, 낮은 신호 감쇠 등의 장점을 가진다. 하지만 여전히 위성 고도에 따른 심각한 경로 손실, 빠른 페이딩 변화, 제한된 파일럿 자원으로 인해 정확한 CSI 확보가 어렵다는 한계를 가지며, 이러한 환경에서 단순한 빔포밍 기반 공간 분할 다중 접속(Spatial Division Multiple Access; SDMA) 방식은 간섭 제어 능력이 저하되어 성능 열화가 발생할 수 있다. RSMA는 메시지를 공통 스트림과 사용자별 개별 스트림으로 분할 전송함으로써, 간섭을 유연하게 관리하고 채 널 불확실성에 대한 강인함을 제공하여 기존 SDMA 방식 대비 우수한 전송률 및 자원 효율을 기대할 수 있다. 특히, 불완전한 CSI로 인해 발생하는 사용자 간 잔류 간섭을 수학적으로 분해하고 제어할 수 있다는 점에서 LEO 기반 다중 사용자 시스템에 적합한 기술로 주목받는다.
제안된 시스템 모델은 M개의 다중 송신 안테나를 갖는 LEO 위성과 K개의 단일 수신 안테나 UE로 구성되며, 자유공간 경로손실(Free Space Path Loss; FSPL), 라이시안 페이딩 및 음영 페이딩(Shadowed Rician), 채널 추정 오차, 잡음 및 증폭기 효율 등의 실제적인 시스템 요소를 반영하였다. 특히 위성-지상 링크 특성을 고려하여 경로 손실 모델을 구축하고, 채널 추정은 제한된 파일럿 자원 및 송신 전력 하에서 수행되는 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error; MMSE) 기반 채널 추정을 가정하였다. 본 연구에서는 제안된 시스템의 성능을 분석하기에 앞서, 최적의 파일럿 길이 및 파일럿 전력을 찾기 위한 파일럿 성능 분석 시뮬레이션을 진행하였다. 시스템의 송신 전력 변화에 따른 합 스펙트럼 효율(sum Spectral Efficiency; sum-SE)과 합 에너지 효율(sum Energy Efficiency; sum-EE)을 주요 성능 지표로 설정하였으며, 여러 경우의 사용자 수(K = 5, 10, 20)에 대해 몬테카를로 기반 시뮬레 이션을 수행하여 RSMA와 SDMA를 비교 분석하였다. RSMA를 탑재한 시스템 최적의 성능을 얻을 수 있는 전력 분할 비율 t는 전수 탐색을 통해 도출 하였다.
시뮬레이션 결과, RSMA는 SDMA 대비 송신 전력 전 구간에서 같거나 우수한 성능을 보였으며, 특히 높은 송신 전력 구간에서 공통 스트림을 활용한 간섭 관리 이득이 커짐에 따라 더욱 뚜렷한 성능 개선 효과를 확인하였다. 또한 동일한 스펙트럼 효율을 달성하기 위해 요구되는 전력이 감소하여 에너지 효율 역시 향상됨을 확인하였다. 따라서 본 논문은 불완전한 CSI 조건의 LEO 위성 통신 환경에서 RSMA가 합 스펙트럼 효율과 합 에너지 효율을 동시에 개선할 수 있는 효과적인 다중 접속 기술임을 입증하며, 추가적으로 본 연구에 대한 한계점과 이를 확장한 추후 연구의 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• 기초 및 약어 설명 ⅳ
• 국문요약 ⅵ
• Ⅰ.서론 1
• Ⅱ.시스템 모델 4
• 2.1.시스템 모델 4
• 2.2.1.음영 라이시안 채널 모델 8
• 2.2.2.최소 평균 제곱 오차 기반 채널 추정 11
• Ⅲ. 신호 모델 14
• 3.1.1.송신 신호 및 프리코더 14
• 3.1.2.수신 신호 17
• 3.2.신호 대 간섭 잡음비 및 스펙트럼 효율 19
• Ⅳ. 시뮬레이션 결과 22
• 4.1.파일럿 길이에 따른 시스템 성능 분석 25
• 4.2.파일럿 전력에 따른 시스템 성능 분석 29
• 4.3.송신 전력에 따른 시스템 성능 분석 33
• Ⅴ.결론 40
• 참고문헌 42
• ABSTRACT 47