위성통신을 위한 고급 신호처리 기술

본 연구는 위성 통신 시스템에서 전송량을 극대화하기 위해 편파 다양성을 활용한 네 가지 핵심 기술을 체계적으로 조사한다. 첫 번째 파트에서는 고정 사용자에 대한 전방 링크에서 두 편파를 결합한 4차원(constellation) 설계를 다룬다. 4차원 신호는 두 편파의 I/Q 성분을 하나의 4차원 벡터로 정의하고, 이를 기반으로 LAM(Lattice Amplitude Modulation), EPPM(Enhanced Polarization Pulse Modulation), 그리고 단순히 두 개의 2차원 QAM을 직교곱한 Cartesian 방식 세 가지를 비교한다. 성능 평가는 전통적인 심볼 오류율이 아니라 PRAIR(Pragmatic Achievable Information Rate)를 사용한다. PRAIR는 변조 심볼과 라벨링을 동시에 고려해 실제 채널 코딩 환경에서의 정보 전송 효율을 측정한다. 실험 결과, D4 격자를 이용한 LAM은 고 SNR 구간에서 이론적인 shaping gain(0.46 dB)을 제공하지만, 라벨링 최적화가 어려워 PRAIR 측면에서는 Cartesian QAM에 비해 미세하게 뒤처진다. 반면 EPPM은 라벨링 설계가 비교적 용이해 중간 SNR 구간에서 좋은 성능을 보인다. 두 번째 파트에서는 이동 단말이 포함된 시나리오를 다룬다. 기존 위성 시스템에서 편파는 고정 링크에만 적용돼 왔으나, 본 논문은 DP(dual‑polarization)를 MIMO 형태로 모델링하고, 각 전송 블록마다 최적의 변조 차수, 코딩율, 편파 MIMO 스킴을 선택하는 적응 알고리즘을 제시한다. 알고리즘은 물리층 추상화(PLA)를 통해 실시간 SINR을 추정하고, MIESM(Mutual Information Effective SINR Mapping) 기반의 효과적 SINR 매핑(ESM)을 사용해 패킷 오류율을 예측한다. 이를 통해 시스템은 BGAN 표준에 정의된 다양한 서비스 요구사항을 만족하면서, 채널 상태에 따라 동적으로 전송 파라미터를 조정한다. 시뮬레이션 결과, 적응형 스킴 선택으로 전체 처리량이 약 20 %에서 30 % 향상되고, 특히 편파 간 상관도가 낮은 경우에는 두 스트림을 동시에 활용해 전송 효율이 크게 증가한다. 세 번째 파트에서는 물리층 추상화와 MIMO 수신기 설계에 초점을 맞춘다. 선형 수신기(Zero‑Forcer)와 최대우도(ML) 수신기의 복잡도‑성능 트레이드오프를 분석하고, 실제 위성 채널 모델링을 위해 효과적 SINR 매핑(ESM) 함수를 도출한다. 특히, 편파 다중화(PM)와 편파 변조(PM) 스킴에 대해 각각 SINR 식을 제시하고, 이를 기반으로 링크 어뎁터가 실시간으로 전송 파라미터를 조정하도록 설계한다. 마지막 파트에서는 전·수신을 동시에 수행하는 전이중(full‑duplex) 위성 트랜시버를 다룬다. 전이중 운영 시 발생하는 자기 간섭(self‑interference)을 억제하기 위해 송신 신호를 사전 취소(pre‑cancellation)하고, 수신 측에서는 디지털 빔포밍과 아날로그 위상 조정을 결합한 하이브리드 canceller 구조를 제안한다. 실험에서는 30 dB 이상의 SI 억제가 가능함을 확인했으며, 이는 동일 주파수 대역에서의 전·수신 동시 운용을 현실화한다. 전체적으로 본 논문은 4차원 변조 설계, 적응형 편파 MIMO 스킴 선택, 물리층 추상화 기반의 실시간 링크 어뎁터, 그리고 전이중 자기 간섭 억제 기술을 통합함으로써 고정 및 이동 위성 통신 모두에서 스펙트럼 효율과 전송량을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다.