위성 도시 전파 특성 레이 트레이싱 분석

본 논문은 6G 시대에 지상‑위성 통합 3차원 네트워크(Non‑Terrestrial Network, NTN)의 핵심 과제인 도시 환경에서의 위성‑지상 전파 특성을 정량적으로 규명하고자 한다. 기존 3GPP 및 ITU‑R 표준은 주로 S‑밴드와 Ka‑밴드에 국한되며, LoS 조건에만 초점을 맞추는 등 도시 밀집 지역에서의 NLoS 전파 모델링이 부족하다. 이를 보완하기 위해 저자들은 보 Bologna 시의 실제 도시 데이터를 기반으로 세 가지 전형적인 시나리오(밀집도시, 일반도시, 교외)를 디지털 프리즘 형태로 재구성하고, 3차원 레이 트레이싱(RT) 시뮬레이터를 이용해 전파 경로를 정밀히 계산하였다. 시뮬레이션 설정은 다음과 같다. 위성은 500 km 고도의 저궤도(Low‑Earth‑Orbit) 위성으로 가정하고, 10°~90°까지 10° 간격의 고도각과 60° 간격의 방위각 6종을 적용해 9×6=54개의 위성 위치 조합을 만든다. 각 시나리오마다 4 m×4 m 크기의 20개 수신 격자를 배치하고, 격자당 15×15=225개의 수신점을 설정해 통계적 신뢰성을 확보한다. 수신 안테나는 세 종류로 구분한다. 첫 번째는 손목형 등방성 안테나로 S/C 대역(1.98‑2.2 GHz, 3.4‑3.9 GHz)에서 지면 1.5 m 높이에 배치한다. 두 번째는 차량용 패치 안테나로 동일 대역에서 차체 루프에 설치되며, 수평 빔폭 약 120°를 갖는다. 세 번째는 고정형 60 cm 구경 안테나로 Ka, Q, V 대역(17‑56 GHz)에서 평균 옥상 높이에 설치되고, 고지향성(HPBW 1.5°~2.9°)을 가진다. 레이트레이싱 모델은 정반사와 회절을 기하광학 및 균일 회절 이론(UTD)으로 구현하고, 비정형 표면에 대한 확산 산란은 효과적 거칠기(Effective Roughness, ER) 모델을 적용한다. ER 모델은 각 면을 작은 타일로 분할하고, 타일당 산란 전기장을 복소수 형태로 계산한다. 이때 스캐터링 파라미터 S와 스펙큘러 감소 계수 R은 전력 보존 조건 S²+R²=1을 만족하도록 설정한다. 각 레이의 전기장은 식 (1)과 (2)에 따라 누적되며, 다중 경로의 위상과 편광도 정확히 고려한다. 시뮬레이션 결과는 두 주요 채널 파라미터인 라우스‑카이 K‑factor와 지연 확산(Delay Spread, DS)에 초점을 맞춰 분석한다. K‑factor는 LoS 전력과 비LoS 다중 경로 전력의 비율로 정의되며, DS는 파워 스펙트럼의 제2중심 모멘트로 계산한다. 결과는 다음과 같은 특징을 보인다. 1. **고도각 의존성**: 고도각이 낮을수록 건물에 의한 차폐가 심해 LoS 확률이 감소하고, 따라서 K‑factor가 급격히 낮아지며 DS가 크게 증가한다. 고도각이 50° 이상이면 대부분의 시나리오에서 LoS가 확보되어 K‑factor가 10 dB 이상으로 상승하고 DS는 50 ns 이하로 감소한다. 2. **도시 밀도 효과**: 밀집도시에서는 좁은 골목과 높은 건물로 인해 저고도각에서도 다중 경로가 풍부해 K‑factor가 0 dB 이하, DS는 200 ns 이상으로 나타난다. 일반도시는 중간 정도의 건물 밀도로 고도각 30°~40° 구간에서 K‑factor가 급격히 변하는 ‘전이 구간’이 존재한다. 교외 시나리오는 건물 간격이 넓어 고도각 10°에서도 LoS가 비교적 유지되며, K‑factor가 5 dB 이상, DS가 70 ns 이하로 안정적이다. 3. **안테나 유형 차이**: 손목형 등방성 안테나는 전방향으로 에너지를 방출하므로 반사·산란에 크게 노출되어 K‑factor가 낮고 DS가 크게 나타난다. 차량용 패치 안테나는 수평 빔폭이 넓어 옥상 위의 반사면을 효과적으로 활용하지만, 차체 자체가 차폐 요인으로 작용해 저고도각에서 K‑factor가 0 dB 이하로 떨어진다. 고정형 옥상 안테나는 높은 지향성으로 LoS 전력을 크게 확보하므로 K‑factor가 15 dB 이상, DS가 30 ns 이하로 가장 좋은 성능을 보인다. 4. **주파수 대역 영향**: 고주파(Ka, Q, V)에서는 파장이 짧아 작은 구조물(창문, 발코니)에도 강하게 산란되어 DS가 증가하는 경향이 있다. 그러나 같은 안테나가 높은 이득을 제공하므로 LoS 전력이 크게 증가해 K‑factor는 저주파 대비 5 dB~10 dB 높게 유지된다. 특히 V‑밴드에서는 DS가 100 ns를 초과하는 경우가 드물며, K‑factor는 20 dB에 육박한다. 5. **비직관적 현상**: 일부 경우에서 고도각이 증가함에도 불구하고 특정 건물 배열에 의해 강한 반사파가 합성되어 K‑factor가 일시적으로 감소하거나 DS가 급증한다. 이는 기존 3GPP TDL 모델이 고도각만을 변수로 삼는 한계를 드러낸다. 이러한 분석을 바탕으로 저자는 다음과 같은 시사점을 제시한다. 첫째, 위성‑지상 채널 모델링은 고도각, 도시 밀도, 안테나 유형, 주파수 대역을 동시에 고려한 다변량 보정이 필요하다. 둘째, K‑factor와 DS를 독립적인 파라미터가 아니라 상호 연관된 함수로 표현함으로써, 시뮬레이션 정확도를 크게 향상시킬 수 있다. 셋째, 향후 6G NTN 시스템 설계 시, 특히 저고도각에서의 NLoS 상황을 고려한 링크‑레벨 시뮬레이션이 필수적이며, 본 연구에서 제시한 파라미터화 모델은 이러한 목적에 바로 적용 가능하다.