Multi-/Uni-Cast Non-Orthogonal Multiple Access-Based INAC

기술 요약: 다중/단방향 비직교 다중 접속 기반 INAC

문제 제기
위성 통신 및 항법 기술의 급속한 발전은 신뢰할 수 있는 통신과 정밀한 항법을 동시에 달성하기 위해 이러한 기술을 단일 시스템 내에 통합할 긴급한 필요성을 야기했습니다. 시분할, 주파수 분할, 또는 코드 분할 다중화와 같은 전통적인 접근 방식은 본질적인 비효율성을 겪습니다. 시분할 다중화 (TDM) 는 항법 신호의 불연속성을 초래하여 신호 포착을 방해하고 거리 측정 성능을 저하시킵니다. 주파수 분할 다중화 (FDM) 는 상당한 대역폭을 소모하는 반면, 코드 분할 다중화 (CDM) 는 사용 가능한 확산 시퀀스의 수에 제한을 받습니다. 또한, 기존 통합 항법 및 통신 (INAC) 연구들은 종종 비직교 다중 접속 (NOMA) 프레임워크 하에서의 비트 오류율 (BER) 및 위치 결정 정확도와 관련하여 포괄적인 신호 수준 성능 분석이 부족합니다. NOMA 가 INAC 에 제안되었음에도 불구하고, 간섭 제거를 위한 실용적인 솔루션과 다양한 전력 할당 전략에 걸친 상세한 성능 특성은 아직 탐구되지 않았습니다.

방법론
저자들은 다중/단방향 비직교 다중 접속 (MUC-NOMA) 기반의 새로운 신호 구조를 제안합니다. 이 아키텍처에서 항법 및 통신 신호는 신호 수준에서 공통의 의사 잡음 (PN) 시퀀스를 공유합니다. 시스템은 통신 신호를 두 부분으로 나눕니다: 일부 ($\xi$) 는 항법 신호와 병합되어 저속 다중 신호를 형성하고, 나머지 ($1-\xi$) 는 고속 단방향 신호로 전송됩니다. 이 두 스트림은 NOMA 기술을 사용하여 중첩됩니다.

전력 할당 인자 ($\beta_1$은 다중용, $\beta_2$는 단방향용, 여기서 $\beta_1 + \beta_2 = 1$) 에 따라 두 가지 서로 다른 운영 시나리오가 정의됩니다:

1. 다중 지향 (MO-INAC): 다중 신호에 더 많은 전력이 할당됩니다 ($\beta_1 > \beta_2$).
2. 단방향 지향 (UO-INAC): 단방향 신호에 더 많은 전력이 할당됩니다 ($\beta_1 < \beta_2$).

동일 채널 간섭을 완화하기 위해 수신기는 연속 간섭 제거 (SIC) 를 사용합니다. 신호 처리 알고리즘은 먼저 더 높은 전력의 신호를 복호화하고, 이를 재구성한 후 수신 신호에서 차감한 다음, 더 낮은 전력의 신호를 복호화합니다. 본 논문은 항법 및 통신 신호의 BER 과 거리 측정 정확도 (위치 결정 오차) 에 대한 폐쇄형 수식을 유도하기 위한 통합 이론적 프레임워크를 개발합니다. 이 분석은 하나의 다중 심볼 내에 중첩되는 단방향 심볼의 수 ($M$) 가 간섭 행동을 근본적으로 변화시키는 DSSS 구조의 속도 분할 특성을 고려합니다.

주요 기여

• 신호 아키텍처: 본 논문은 저속 다중 및 고속 단방향 신호가 동일한 PN 시퀀스 위에 중첩되는 MUC-NOMA 기반 INAC 신호를 제안합니다. 이를 통해 항법과 통신은 직접 확산 대역 (DSSS) 프레임워크 내에서 비트 수준에서 시간, 주파수, 코드 자원을 공유할 수 있습니다.
• 통합 이론적 프레임워크: 저자들은 MO-INAC 및 UO-INAC 시나리오에 대한 정확한 폐쇄형 BER 수식을 유도합니다. 동일한 심볼 속도를 가정하는 기존 NOMA 시스템과 달리, 이 연구는 속도 분할 DSSS 구조를 다루며, 각 시나리오의 고유한 오류 전파 메커니즘을 고려한 역확산 결정 통계, 확률 밀도 함수 (PDF), 그리고 BER 수식을 유도합니다.
• 거리 측정 정확도 분석: 본 연구는 잔여 간섭을 지연 잠금 루프 (DLL) 추적 지터에 분석적으로 매핑하여 거리 측정 정확도에 대한 폐쇄형 수식을 제공합니다. 이는 거리 측정 성능을 통신 데이터 속도와 전력 할당과 명시적으로 연결합니다.
• 고신호대잡음비 (SNR) 근사: 높은 신호대잡음비 (SNR) 조건에 대한 근사 폐쇄형 BER 수식을 유도하여 시스템 성능, 전력 할당 인자, 그리고 통신 속도 간의 근본적인 관계를 규명합니다.

결과
수치적 평가와 몬테카를로 시뮬레이션 (MEO 위성 파라미터 사용) 은 분석 결과를 확인합니다:

• MO-INAC 성능: MO-INAC 시나리오에서 다중 신호에 더 많은 전력을 할당하면 항법 신호에 대해 우수한 위치 결정 및 BER 성능을 제공합니다. 그러나 통신 데이터 속도가 증가함에 따라 통신 신호의 BER 은 증가하는 반면 항법 신호의 BER 은 감소합니다.
• UO-INAC 성능: UO-INAC 시나리오에서 단방향 신호에 더 많은 전력을 할당하면 공유 자원 내의 간섭을 줄입니다. 통신 전력 할당이 높고 데이터 속도가 낮을 때 두 신호 모두 좋은 BER 성능을 보입니다. 그러나 더 높은 통신 데이터 속도는 제한된 일관성 통합 시간으로 인해 거리 측정 정확도를 저하시킵니다.
• 트레이드오프: 통신 신호와 항법 신호의 BER 간에 트레이드오프가 존재합니다. MO-INAC 에서는 항법 전력 할당을 증가시키면 항법 BER 은 개선되지만 통신 BER 은 저하됩니다. UO-INAC 에서는 통신 전력을 증가시키면 통신 BER 은 개선되지만 SIC 과정에서의 오류 전파로 인해 항법 성능이 저하될 수 있습니다.
• 기준선과의 비교: 시분할 다중 접속 (TDMA) 및 순환 코드 시프트 키잉 (CCSK) 기준선과 비교하여 제안된 NOMA 방식은 우수한 자원 활용도와 확장성을 제공합니다. TDMA 와 CCSK 는 특정 격리 상태에서 약간 더 나은 항법 BER 을 제공할 수 있지만, NOMA 방식은 CDM 의 자원 부족 문제와 TDM 의 통합 시간 손실을 피하면서도 원래 PN 위상을 보존하여 레거시 수신기와의 호환성을 유지합니다.
• 거리 측정: MO-INAC 시나리오에서는 통신 비트의 중첩이 에너지 이득 또는 자체 간섭 제거를 제공할 수 있어 특정 조건에서 UO-INAC 및 순수 항법 기준선보다 우수한 거리 측정 성능을 보여줍니다. 반면, UO-INAC 의 거리 측정 정확도는 통신 데이터 속도가 증가함에 따라 저하됩니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 MUC-NOMA 기반 INAC 신호 구조가 TDM 의 불연속성 문제와 FDM/CDM 의 자원 비효율성을 극복하는 위성 통신 및 항법 통합을 위한 실용적인 솔루션을 제공한다고 주장합니다. 폐쇄형 분석적 수식을 제공함으로써, 이 연구는 시뮬레이션에만 의존하지 않고 시스템 성능을 평가하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제시합니다. 저자들은 MO-INAC 시나리오가 경로 손실 및 신호 열화에 특히 강건하여 중궤도 (MEO) 위성 시스템에 선호되는 옵션이라고 주장합니다. 본 연구는 전력 할당 및 데이터 속도에 따라 통신 및 항법 서비스 간에 성능 트레이드오프가 존재하지만, 제안된 아키텍처는 이러한 요구 사항을 균형 있게 맞추기 위한 유연한 자원 분할을 가능하게 하여 궁극적으로 시스템 효율성과 신뢰성을 향상시킨다고 강조합니다.