저궤도 위성통신 시스템의 상향 링크 주파수 동기 선보상 = Uplink Frequency Pre-Compensation for LEO Satellite Communication Systems

국문 초록 (Abstract)

저궤도 위성을 기반으로 하는 비지상 네트워크 (Non-Terrestrial Networks, NTN) 는 지상 인프라의 통신망으로는 서비스 제공이 제한되는 지역에서도 통신 서비스를 제공할 수 있어 6세대 이동통신 (6G) 의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 이러한 환경에서는 위성의 고속 이동으로 인해 큰 도플러 편이 (Doppler shift) 가 발생하게 되며, 사용자 단말은 네트워크로부터 제공받은 궤도 정보를 기반으로 상향 링크 송신 시 도플러 편이를 선보상 (pre-compensation) 할 필요가 있다. 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 17에서는 이를 지원하기 위해 양자화된 위성 궤도 정보를 System Information Block Type 19 (SIB19) 메시지를 통해 단말에 제공하는 구조를 채택하고 있다. 그러나 표현 비트 수의 한계와 초기 오차로 인해 궤도 정밀도가 저하될 경우, 이러한 오차는 도플러 보정 성능 저하로 이어질 수 있다.
위성 통신 환경에서 도플러 편이는 신호의 주파수를 변화시켜 링크 품질을 저하시킬 수 있으며, 이를 보정하지 않을 경우 안정적인 통신 서비스 제공이 어렵다. 본 논문은 이러한 문제의식에 기반하여, SIB19 포맷이 제공하는 궤도 정보의 도플러 보정 정확도를 실증적으로 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 공공 데이터인 Two-Line Element Set (TLE) 을 참값으로 정의하고, 동일한 궤도 요소를 SIB19 구조로 양자화한 후 오차 특성을 비교하였다. 특히, 궤도 예측 및 보정 과정을 반영한 시뮬레이션 환경을 직접 구현하여, 양자화로 인한 오차뿐만 아니라 초기 위치 및 속도 오차에 따른 누적 예측 오차의 영향을 정량적으로 평가하였다. 또한, 실제 위성-단말 간 링크 연결 구간에서 계산된 도플러 편이를 기준으로 SIB19 기반 보정값과 TLE 기반 이상적 보정값 간의 차이를 분석하였으며, SIB19 메시지의 갱신 주기 (10초~10분)에 따른 보정 정확도의 변화를 관찰하였다.
이와 같은 절차를 통해 현실적인 궤도 정보 운용 조건에서 SIB19 메시지가 제공할 수 있는 도플러 편이 보정 성능을 평가하였으며, 향후 NTN 시스템 설계 시 궤도 정보의 표현 방식 및 갱신 주기 설정에 대한 기술적 기준을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구 목적 3
• 1.3. 논문의 구성 6
• 2. LEO 위성 기반 NTN 통신 시스템과 기술적 고려사항 8
• 2.1. 위성 통신 시스템 개요 8
• 2.2. NTN 통신 환경 10
• 2.3. 저궤도 위성 통신의 주요 기술적 과제 13
• 2.4. 도플러 편이 15
• 2.5. 5G 기반 위성 통신의 활용 가능성 19
• 3. 3GPP NTN 통신 구조 및 표준 동향 21
• 3.1. NTN 개요 및 NG-RAN 아키텍처 21
• 3.2. 3GPP Release 별 NTN 관련 표준 동향 23
• 3.3. 위성 측 통신 파라미터 정의 26
• 3.4. 사용자 단말 측 통신 파라미터 정의 28
• 3.5. 사용자 단말의 시간 및 주파수 선보상 절차 29
• 4. 궤도 정보 기반 도플러 보상 성능 분석 32
• 4.1. 궤도 정보 형식 32
• 4.1.1. SIB19 32
• 4.1.2. TLE 35
• 4.1.3. 궤도 좌표계 39
• 4.2. 시뮬레이션 환경 구성 43
• 4.3. TLE 및 SIB19 기반 궤도 요소 비교 분석 44
• 4.3.1. SIB19 양자화 오차 분석 44
• 4.3.2. 장기 궤도 예측 오차 분석 48
• 4.4. 초기 궤도 오차의 누적 영향 분석 51
• 4.5. 궤도 정보 기반 도플러 보정 정확도 및 유효성 분석 57
• 4.5.1. TLE 기준 도플러 선보상 정확도 분석 57
• 4.5.2. SIB19 갱신 주기에 따른 도플러 보정 유효성 분석 63
• 5. 결론 77