저고도·빔엣지에서도 살아남는 위성‑단말 보조 업링크

본 논문은 저궤도 위성(LEO)과 일반 모바일 단말 간 직접 통신(DS2D)에서 발생하는 업링크 한계를 보완하기 위해 보조 업링크(SUL) 기술을 도입한 프레임워크를 제시한다. DS2D는 스마트폰과 같은 저전력, 전방향 안테나를 사용해 위성에 직접 접속할 수 있어 전 세계적인 커버리지를 제공하지만, 긴 전파 거리(600 ~ 2000 km)와 160 dB에 달하는 자유공간 손실, 대기 감쇠, 그리고 UE 전력 제한(23 dBm) 때문에 특히 저고도각 및 빔 엣지에서 업링크 신뢰성이 크게 저하된다. 고주파(Ka‑밴드) PUL은 대역폭·스펙트럼 효율이 높지만, 주파수에 비례해 경로 손실과 도플러 이동이 커져 전력·트래킹 요구가 급증한다. 이에 저주파(L‑밴드, 1.6 GHz) SUL을 보조 캐리어로 활용한다. 저주파는 자유공간 손실이 고주파 대비 약 30 dB 적고, 대기·강우 손실도 현저히 낮아 동일 전력에서 더 큰 링크 마진을 제공한다. 논문은 위성‑단말 간 슬랜트 거리 d(θ)를 고도각 θ에 대한 기하학적 식(1)로 정확히 모델링하고, 이를 기반으로 주파수별 자유공간 손실 PLFS와 대기 손실 L_atm을 계산한다. 위성 안테나 이득 G_sat(θ)은 빔‑오프셋에 따라 3 dB 빔폭을 적용해 고도각에 따라 감소하도록 설정하였다. 또한, LEO 위성의 고속 이동에 따른 도플러 이동 f_D는 주파수에 비례해 수십 kHz에서 수백 kHz까지 변동하므로, 고주파 PUL에서는 더 정교한 주파수 트래킹이 필요함을 강조한다. 핵심 제안은 고도‑의존 링크 마진 cM_f(θ)=SNR_f(θ)−SNR_req을 예측하고, 안전 마진 Δ_s와 히스테리시스 마진 Δ_h를 적용해 캐리어 전환을 결정하는 알고리즘이다. 구체적으로, 현재 캐리어가 PUL일 때 마진이 Δ_s 이하이면 SUL로 전환하고, SUL 상태에서 PUL 마진이 Δ_s+Δ_h 이상이면 다시 PUL로 복귀한다. 이 로직은 전환 과다를 방지하면서도 급격한 고도 변화에 즉각 대응한다. 시뮬레이션은 실제 DS2D 환경을 반영해 UE 전력 23 dBm, UE 안테나 이득 0 dBi, 위성 안테나 이득 45 dBi(PUL)·65 dBi(SUL), 대기 손실 1 dB(L‑밴드)·15 dB(Ka‑밴드), 시스템 잡음 온도 290 K(PUL)·500 K(SUL) 등으로 설정하였다. 결과는 다음과 같다. 첫째, Fig. 2는 목표 SNR이 증가할수록 PUL‑only 경우 요구 고도각이 급격히 상승하는 반면, SUL‑enabled는 10°~30° 구역에서도 연결이 유지되어 고도 커버리지가 20° 이상 확대됨을 보여준다. 둘째, Fig. 3의 CDF는 SUL 적용 시 전체 위성 패스 동안 거의 모든 고도각에서 업링크 가용성이 0에 가깝게 유지되는 반면, PUL‑only는 30° 이상에서만 가용성이 상승한다는 점을 강조한다. 셋째, Fig. 4는 히스테리시스 마진을 3.5 dB 이상으로 설정하면 한 패스당 전환 횟수가 1회 이하로 감소함을 입증한다. 이는 시스템 복잡성·전력 소모를 최소화하면서도 안정적인 링크 유지가 가능함을 의미한다. 결론적으로, 저주파 SUL을 선택적으로 활용하고 위성 궤도 정보를 기반으로 고도‑의존 전환 로직을 적용함으로써 DS2D 업링크의 커버리지와 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 기존 스마트폰 안테나와 전력 제한을 그대로 유지하면서도 저고도·빔엣지 상황에서의 통신 끊김을 방지하는 실용적인 솔루션으로 평가된다. 향후 연구에서는 실제 단말 프로토타입 구현, 다중 사용자 스케줄링, 그리고 다중 위성 간 협업을 통한 SUL 최적화 등을 다룰 수 있다.