전방링크 간섭 완화를 위한 듀얼 편파·시간 코딩과 소프트 SIC 적용 연구

본 연구는 유럽우주국(ESA) 주도 NGWISE 프로젝트의 일환으로, 다중빔 GEO 위성 시스템에서 전방링크 공동채널 간섭을 완화하고 스펙트럼 효율을 높이기 위한 기술들을 종합적으로 평가한다. 먼저 BGAN(Broadband Global Area Network) 표준을 물리계층 기준으로 채택하고, L‑밴드 200 kHz 대역, G/T = 12.5 dB, 경로손실 187 dB 등 실제 위성 통신 환경을 반영한 파라미터를 설정한다. 시스템은 4‑색 주파수 재사용을 전제로 하며, 각 빔은 듀얼 편파(수직·수평) 전송을 수행한다. 전송 단계에서는 편파‑시간 코딩(PTC) 기반의 MIMO‑BICM 구조를 설계한다. 구체적으로 Alamouti 코드, 편파 다중화, Golden Code 세 가지 스킴을 검토한다. Alamouti는 편파 이득을 활용해 복잡도가 낮고, 편파 다중화는 동일 전력 조건에서 두 배의 전송량을 제공한다. Golden Code는 최대 다양성 및 코딩 이득을 제공하지만, 4개의 심볼을 2개의 시간 슬롯에 혼합해 복잡도가 크게 증가한다. 실험에서는 복잡도와 성능을 균형 있게 고려해 편파 다중화를 최종 전송 스킴으로 선택한다. 수신 측에서는 전통적인 Hard‑ML 검출 대신 Soft‑MMSE와 Soft‑MMSE‑SIC(Iterative V‑BLAST) 디코더를 적용한다. Soft‑MMSE는 H Hᴴ + σ²I의 역행렬을 이용해 최소 평균제곱오차(MMSE) 균등화를 수행하고, LLR을 출력한다. Soft‑MMSE‑SIC는 가장 약한 편파부터 순차적으로 MMSE 추정값을 빼는 과정을 N_iter = 2~3 회 반복함으로써, 간섭 신호를 하드 디시전이 아닌 소프트 추정값으로 제거한다. 이 방식은 오류 전파를 억제하고, 다중 사용자 간섭이 심한 상황에서도 안정적인 성능을 제공한다. 시뮬레이션은 두 가지 실제 시나리오, 즉 해상(마리타임)과 육상(LMS‑ITS) 환경을 대상으로 수행한다. 채널 모델은 Rician K = 10 dB, 도플러 2 Hz, 1‑tap 페이딩을 적용했으며, BGAN의 F80T1Q4B 베어러(다양한 코딩 레이트)들을 사용해 데이터 전송률을 21.6 kbps에서 55.6 kbps까지 변동시켰다. 각 시뮬레이션에서는 사용자 단말이 빔의 중심과 가장자리에 위치했을 때의 C/I 비율을 고려했으며, 동일 전력 P = P_SISO · 2를 두 편파에 균등 배분하였다. 결과적으로, 편파 다중화와 Soft‑MMSE‑SIC 조합은 중심 빔에서 BLER을 10⁻³ 이하로 낮추고, 가장자리 빔에서는 약 2 dB의 SNR 이득을 제공한다. 전송량(Throughput)은 SISO 대비 평균 20~30 % 증가했으며, 특히 높은 코딩 레이트(예: F80T1Q4B‑R)에서 그 효과가 두드러졌다. 그러나 4‑색 재사용 환경에서 다수의 인접 빔이 동일 주파수를 공유하면, 총 간섭 전력을 가우시안 잡음으로 근사할 수 있어 SIC의 블록 오류율 개선 효과가 제한적이었다. 이는 간섭원이 많을수록 개별 간섭 신호를 정확히 추정하기 어려워지는 현상으로, 향후에는 빔 형성, 동적 주파수 할당, 혹은 고차원 MIMO 기법과 결합한 다중 레벨 간섭 관리가 필요함을 시사한다. 또한, Soft‑MMSE‑SIC는 복잡도 측면에서 Hard‑ML에 비해 연산량이 약 2배 정도 증가하지만, 모바일 단말기의 제한된 연산 능력 내에서 실시간 구현이 가능하도록 설계되었다. 이는 위성 모바일 단말이 전력 및 연산 자원이 제한된 상황에서도 실용적인 수신기로 활용될 수 있음을 의미한다. 종합하면, 본 논문은 실제 BGAN 기반 위성 통신 시스템에서 듀얼 편파·시간 코딩과 Soft‑MMSE‑SIC를 적용함으로써, 공동채널 간섭이 존재하는 다중빔 환경에서도 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다. 향후 연구는 더 높은 주파수 재사용, 다중 사용자 스케줄링, 그리고 지상국 측의 협조적 빔 관리와 결합해 전체 시스템 용량을 극대화하는 방향으로 진행될 필요가 있다.