고속 이동 채널을 위한 사이클릭 지연·도플러 시프트 기반 전송 다이버시티

본 논문은 차세대 고이동 무선 통신에서 핵심 과제로 대두되는 ‘초고신뢰(URC)’ 전송을 위해, 두 차세대 파형인 Affine Frequency Division Multiplexing(AFD​M)과 Orthogonal Time Frequency Space(OTFS)에 적용 가능한 새로운 전송 다이버시티 기법인 Cyclic Delay‑Doppler Shift(CDDS)를 제안한다. 기존의 Alamouti 공간‑시간 코딩, 사이클릭 딜레이 다이버시티(CDD), 도플러 다이버시티(DDoD) 등은 OFDM 기반 시스템에서 효과를 보였으나, 이들 기법은 다중 프레임 의존성, 높은 guard 심볼 요구, 혹은 다이버시티 차수가 전송 안테나 수에 미치지 못하는 한계가 있다. 특히, 고속 이동에 따른 이중 선택성(시간·주파수 선택성) 채널에서는 지연·도플러 도메인에서의 경로가 매우 희소하고 변동성이 크기 때문에, 기존 기법을 그대로 적용하기 어렵다. 이에 저자들은 CDDS라는 개념을 도입한다. CDDS는 각 전송 안테나에 서로 다른 사이클릭 지연·도플러 이동을 사전에 적용함으로써, 실제 채널에 존재하는 다중 경로를 인위적으로 늘리는 방식이다. 구체적으로 두 가지 구현 방식을 제시한다. 1. **Modulation‑Domain CDDS(MD‑CDDS)** - 변조 도메인(DAFT 도메인 for AFDM, DD 도메인 for OTFS)에서 전송 벡터 x에 ‘위상 보정된 희소 퍼뮤테이션 행렬 P’를 곱한다. - 행렬 P는 각 안테나에 대해 서로 다른 지연·도플러 시프트(Δl, Δk)를 적용하는 순열 행렬이며, 각 원소에 e^{jφ} 형태의 위상 보정이 포함된다. - 파형별 입출력 관계(IOR)를 고려해 P를 설계해야 하므로, AFDM과 OTFS에 대해 각각 맞춤형 프리코딩이 필요하다. 2. **Time‑Domain CDDS(TD‑CDDS)** - 변조 후 시간 도메인 신호 s에 동일한 퍼뮤테이션 행렬을 적용한다. - 파형에 독립적이며, 구현이 간단하고 기존 CP/CPP 구조와 자연스럽게 결합된다. 두 방식 모두 전송 벡터에 단순히 행렬 곱을 수행하므로 연산 복잡도는 O(N) 수준이며, 행렬이 희소하기 때문에 메모리 요구량도 낮다. 이론적 분석에서는 CDDS가 적용된 MIMO‑AFDM/OTFS 시스템을 ‘다중 안테나가 있는 단일 안테나 시스템’으로 등가 변환할 수 있음을 보였다. 구체적으로, 각 안테나 i에 적용된 (Δl_i, Δk_i) 시프트는 채널 행렬 H에 추가적인 순환 이동 연산을 부여한다. 모든 (Δl_i, Δk_i) 조합이 서로 겹치지 않도록 설계하면, 각 안테나가 제공하는 경로가 독립적으로 작용해 전송 다이버시티 차수가 N_t(전송 안테나 수)와 동일해진다. 이는 ‘optimal transmit diversity gain’라 정의한다. 채널 추정 측면에서, CDDS 적용 후 시스템은 등가 단일 안테나 형태가 되므로, 기존 MIMO‑AFDM/OTFS에서 요구되는 다중 안테나 별 채널 추정 오버헤드가 크게 감소한다. 특히, Alamouti 기반 전송 다이버시티는 두 프레임에 걸쳐 동일 채널을 가정하고 guard 심볼을 추가로 삽입해야 하지만, CDDS는 단일 프레임 내에서 동작하고 guard 심볼이 거의 필요하지 않다. 따라서 스펙트럼 효율과 레이턴시가 크게 향상된다. 시뮬레이션에서는 정수 도플러와 비정수 도플러 상황 모두에서 MD‑CDDS와 TD‑CDDS가 MIMO‑AFDM 및 MIMO‑OTFS에 대해 BER이론적 다이버시티 차수에 부합함을 확인했다. 또한, 다양한 펄스 형태(리시버 필터, 송신 윈도우)와 CSI 오차(채널 추정 오차)에도 강인함을 보였다. 특히, CDDS는 기존 CDD·DDoD 대비 추가적인 ‘DD 스텝 선택 자유도’를 제공해, 동일 다이버시티 차수를 유지하면서도 채널 추정 오버헤드를 최소화한다는 장점을 입증했다. 결론적으로, CDDS는 고이동 이중 선택성 채널에서 AFDM·OTFS와 같은 차세대 파형에 최적화된 전송 다이버시티 기법으로, 구현 복잡도·채널 추정 오버헤드·레이트 레이턴시 측면에서 기존 기술을 능가한다. 향후 연구에서는 CDDS와 다중 사용자 다중 접속(MU‑MA) 혹은 통합 감지·통신(ISAC) 시스템과의 결합, 그리고 실험적 검증을 통한 실제 6G 시나리오 적용 가능성을 탐색할 여지가 있다.