NTN를 활용한 5G-Advanced 및 6G

효과적인 NTN 시뮬레이션의 출발점은 거리, 고도각, 관측각, 도플러, 시간에 따른 지연 시간 등의 지오메트리입니다. 이러한 물리량은 이후 단계의 거의 모든 손상에 영향을 미치기 때문입니다. 그런 다음 전파 및 손실을 단계별로 쌓아 자유 공간 효과와 대기 감쇠(강우, 가스, 구름/안개, 섬광)를 결합하고 액세스 구간에 걸쳐 가용성 통계를 계산합니다. 페이딩이나 선택도가 중요한 경우에는 표준 기반 NR NTN 채널 모델(예: TR 38.811 협대역/TDL 계열)을 사용하여 일관된 방식으로 수신기에 부하를 가할 수 있습니다. 마지막으로 모델은 배열 및 빔을 표현해야 합니다. 조향 한계, 지향 오차, 편파, 빔 간섭은 특히 주파수 재사용 환경에서 링크 품질과 시스템 용량에 직접적으로 영향을 미칩니다.

실제 MATLAB^® 워크플로는 일반적으로 satelliteScenario로 시나리오 및 궤도를 모델링하여 액세스 구간과 시변 지오메트리를 생성하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 엔지니어는 위성 링크 버짓 분석기 앱을 사용하여 정적 및 시변 링크 버짓에 대한 실현가능성을 검증하고, 여기에는 ITU-R P.618에 따른 가용도 분석을 통한 안테나/EIRP/G/T 크기 결정과 대역 선택 평가가 포함됩니다. 다음으로 파형 및 PHY 연구에서는 5G Toolbox™와 NR NTN 채널 모델을 결합하여 도플러와 지연 동특성에서 동기화 강인성, 채널 추정, BLER 및 처리량을 평가합니다. 이후 워크플로에서는 배열, 빔 편이, 양자화 효과 및 PA 비선형성 등 빔포밍과 RF 현실성을 추가하고, 링크 품질을 추상화하여 시스템 KPI로 확장합니다. 이 접근법을 통해 알고리즘 설계에서 실험실 및 현장 테스트로 이어지는 경로를 구축할 수 있습니다.

NTN 시스템에서는 링크 버짓을 통해 실현가능성이 결정되고 가용성을 통해 시간 경과에 따른 성능 타겟 충족 여부가 정의됩니다. 엔지니어는 일반적으로 변조 및 코딩과 연결된 C/N₀, E_b/N₀ 및 마진 타겟을 사용하여 초기에 링크를 성립한 후 액세스 구간 전체에서 거리, 고도각 및 지향 변화에 따라 이러한 마진의 시간 경과에 따른 변화를 분석합니다. 특정 대역 및 고도각에서는 대기 감쇠 과정이 지배적인 요인이 될 수 있습니다. 따라서 핵심 KPI는 가용성이라고 할 수 있습니다. 설계 목표는 일반적으로 지오메트리 및 기상 조건에서 “타겟을 충족하는 시간 비율”로 정의되며, 이는 특히 게이트웨이와 피더 링크에 매우 중요합니다.

NR NTN PHY 성능을 평가하려면 도플러와 지연의 영향을 BLER 및 처리량과 연결하는 종단간 시뮬레이션이 필요합니다. 팀은 배포 조건과 일치하는 NTN 채널 모델(주로 3GPP TR 38.811을 기반으로 함)을 사용하여 물리 채널 시뮬레이션을 실행하여 도플러에 의해 발생하는 손상과 이것이 동기화 및 채널 추정에 미치는 영향을 파악하는 경우가 많습니다. 도플러 완화 전략은 명시적으로 모델링됩니다. 여기에는 송신기 측 사전 보상 및 수신기 측 추적이 포함되어 잔류 CFO가 실제 천체력 및 발진기 오차를 반영하도록 합니다. 절차 민감도가 중요한 경우에는 시변 전파 지연을 포함시켜 타이밍 어드밴스, HARQ 거동 및 버퍼링에 미치는 영향을 평가합니다. 이러한 영향을 성능 메트릭으로 변환하기 위해 처리량 기준 워크플로(예: NR NTN PDSCH 처리량 방식의 시뮬레이션)를 사용하여 채널 조건을 디코딩된 BLER 및 처리량에 매핑합니다.

NTN 시스템의 빔포밍에서는 기본 로브의 방향뿐만 아니라 광각 조향, 하드웨어 제약 조건 및 간섭까지 고려해야 합니다. 조향각이 넓은 경우 스캔 손실 및 커버리지 편차가 발생하며, 이는 서비스 영역 전반에서 링크 성립에 직접적인 영향을 미칩니다. 광대역 시스템에서는 빔 편이와 같은 주파수 종속 효과로 인해 빔 패턴이 왜곡될 수 있으므로 배열 설계 및 가중치 설정 시 이를 고려해야 합니다. 실제 구현 시 제약 조건도 중요합니다. 위상 양자화, 소자 편차 및 보정 오차는 사이드로브 특성을 결정하고, 특히 빔 전체에서 스펙트럼을 재사용하는 경우 간섭에 영향을 미칩니다. 송신기 및 수신기의 손상도 성능에 영향을 미칩니다. 전력 증폭기 비선형성, EVM, 스펙트럼 재성장 및 수신기 양자화 모두는 링크 품질에 영향을 미치며, RF 동작을 처리량과 연결하려면 이러한 요소를 모두 포함해야 합니다. 여러 빔이 스펙트럼을 공유하면 간섭이 시스템 수준의 제약 조건이 됩니다. 널(null) 조향 및 간섭 완화와 같은 기법은 단순히 링크 이득을 향상할 뿐만 아니라 용량을 유지하는 데 필수적입니다. (종단간 엔지니어링에 대한 단계별 안내는 MATLAB을 활용한 NTN 시스템의 빔포밍 (29:49) 웨비나 참조.)

NTN 팀은 지속적인 검증을 고려하는 방식으로 설계를 검증하는 경우가 많으며, 시뮬레이션에 사용한 동일한 참조 모델을 프로토타이핑과 테스트에도 재사용합니다. 실제로는 MATLAB에서 파형을 생성하고 분석한 후 SDR 및 RF 계측과 연결하여 손상 민감도와 수신기의 강인성을 검증한 다음, 구현 워크플로(해당되는 경우 코드 생성 및 FPGA 가속 포함)를 사용하여 검증 체인을 유지하면서 알고리즘을 실시간 제약 조건에 맞게 조정합니다.

전체 위성 네트워크 스택을 구축하지 않고 PHY를 넘어선 영역까지 확장하기 위해, 많은 팀은 시나리오 트레이스 데이터부터 시작합니다. 액세스 구간 및 시변 지오메트리(고도각, 도플러, 지연 시간)에 따라 링크 품질의 시계열이 생성됩니다. 모든 패킷의 파형 처리를 다시 수행하는 대신, 링크 수준 연구에서 도출한 C/N₀ 또는 SINR과 MCS/처리량 곡선을 매핑하여 PHY를 추상화합니다. 그런 다음, 이산 이벤트 모델을 사용하여 큐, 스케줄링, 핸드오버, 게이트웨이 선택 및 필요한 경우 ISL 가용성을 표현하여 지연 시간/지터, 패킷 손실 및 공정성을 계산할 수 있습니다 라우팅과 트래픽 엔지니어링은 임무에 따라 달라지므로, 확장 가능한 연구에서는 일반적으로 설계 의사결정에 가장 큰 영향을 미치는 네트워크 거동을 먼저 추가한 다음, 스크립트 파라미터 스윕과 시나리오 자동화를 통해 확장합니다.