5G NR 기반 LEO NTN 환경에서 타이밍 이중 보정 현상 완화를 위한 단말 속도 기반 점진적 타이밍 조정 기법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In low Earth orbit (LEO) satellite-based Non-Terrestrial Network (NTN) environments, time-varying propagation delays caused by mobility of satellite and user equipment (UE) make timing synchronization challenging. In 5G New Radio (NR) NTN, open-loop and closed-loop timing advance (TA) mechanisms are jointly used to achieve precise time synchronization. However, their independent operation can result in a double correction of timing errors. To mitigate this issue, a gradual timing adjustment scheme is applied to the open-loop TA in 5G NR NTN, but the adjustment rate with respect to UE velocity is not clearly defined. Since the amount of TA variation to be compensated over time depends on UE velocity, an inappropriate adjustment rate may fail to sufficiently mitigate the double correction phenomenon. Accordingly, this paper models the double correction and the gradual timing adjustment process under realistic NTN scenarios, and analyzes the relationship between Global Navigation Satellite System (GNSS) update periods, TA update periods, adjustment rates, and UE velocities through numerical simulations. Based on this analysis, optimal adjustment rates are proposed that ensure uplink timing errors satisfy the tolerance defined in 5G NR NTN specifications for UE velocities ranging from 30 to 330 m/s.

국문 초록 (Abstract)

저궤도 위성통신 환경에서는 위성과 사용자 단말의 이동으로 인해 시변 전파 지연이 발생하여 타이밍 동기화에 어려움이 있다. 이러한 환경에서도 정밀한 시간 동기화를 위하여 5G New Radio (NR) Non-Terrestrial Network (NTN)에서는 open-loop와 closed-loop timing advance (TA)를 동시에 적용하는 방식을 사용한다. 그러나 각 루프가 독립적으로 동작하기 때문에 동일한 타이밍 오차에 대해서 중복 보상이 이루어질 경우 타이밍 이중 보정 현상이 발생한다. 5G NR NTN에서는 이를 해결하기 위해 open-loop TA의 보정을 점진적으로 수행하는 점진적 타이밍 조정 기법을 도입하였다. 하지만 보정해야 할 TA의 총량은 단말의 속도에 따라 달라지므로, 점진적 조정률이 적절하지 않을 경우 타이밍 이중 보정 현상을 충분히 완화하지 못한다. 이에 본 논문에서는 위성과 단말의 이동에 따른 전파 지연을 모델링하고 타이밍 이중 보정 현상과 점진적 타이밍 조정을 구현하여 전산 시뮬레이션을 통해 점진적 조정률과 단말 속도 간의 관계를 분석한다. 이를 통하여 단말 속도에 따라 상향링크 수신 타이밍 오차가 5G NR NTN 규격에서 정의하는 타이밍 오차 허용치를 만족하도록 하는 최적의 점진적 타이밍 조정률을 제시한다. 이 때 분석 대상 단말 속도 범위는 30 ~ 330 m/s, 점진적 타이밍 조정률은 5G NR NTN 규격에서 정의된 값의 최대 5배 이내로 제한한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables · ⅱ
• List of Figures · ⅲ
• ABSTRACT · ⅴ
• 1. 서 론 · 1
• 2. LEO NTN의 채널 환경 · 5
• 3. 5G NR NTN의 상향링크 시간 동기화 기법 · 9
• 4. 타이밍 이중 보정 현상 · 12
• 4.1 타이밍 이중 보정 현상의 발생 개요 · 12
• 4.2 타이밍 이중 보정 현상 모델링 · 16
• 4.2.1 위성과 UE의 위치 및 이동 모델링 · 16
• 4.2.2 위성과 UE간의 전파 지연 및 TA 구현 · 19
• 5. 타이밍 이중 보정 현상 완화 기법 · 26
• 5.1 최초 UE GNSS 유지 방식 · 26
• 5.2 Closed-loop TA 초기화 방식 · 28
• 5.3 점진적 타이밍 조정 기법 · 30
• 6. 단말 속도에 따른 점진적 타이밍 조정률 최적화 · 37
• 7. 결론 · 54
• 참고문헌 · 55
• 국문초록 · 59