5G Positioning Reference Signal impact assessment in Non-Terrestrial Networks communication service

기술 요약: 비지상 네트워크(NTN)에서의 5G 위치 결정 참조 신호 영향 평가

문제 정의
5세대(5G) NR 비지상 네트워크(NTN)는 제3자 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)에 의존하지 않고 광대역 연결성과 전 지구적 위치, 항법 및 타이밍(PNT) 서비스를 모두 제공하기 위해 위성 군집(저궤도[LEO] 및 중궤도[MEO])을 3GPP 생태계로 통합하는 것을 목표로 한다. 제안된 접근 방식은 다운링크 내에서 지상 NR 위치 결정 참조 신호(PRS)를 재사용하여 PNT를 가능하게 하는 것이다.

그러나 NTN의 기하학적 구조로 인해 심각한 과제가 발생한다. 위성 간의 차동 전파 지연(differential propagation delay)은 밀리초 단위(LEO의 경우 최대 ~3.18 ms, MEO의 경우 >10 ms)에 달할 수 있다. 이는 표준 5G 슬롯 기간(예: 30 kHz 부반송파 간격에서 0.5 ms)을 초과한다. 결과적으로, (위치 결정을 위해 의도된) 비서비스 위성들로부터 전송되는 PRS 버스트는 서비스 위성의 데이터 스트림과 겹칠 수 있다. 본 논문은 이러한 공존이 가능한지 평가하며, 특히 간섭이 광대역 데이터 서비스에 미치는 영향과 해당 조건 하에서의 PRS 검출 가능성을 정량화한다.

방법론
저자들은 시스템 성능을 평가하기 위해 분석적 모델링과 몬테카를로 시뮬레이션의 조합을 사용한다:

1. 기하학적 통계 모델링:

   • 가시적인 구형 캡(spherical cap) 상의 경사 거리(slant-range) 분포에 대한 다루기 쉬운 통계 모델을 도출한다.
   • 이를 이중 쉘(dual-shell) 군집(LEO와 MEO의 혼합을 나타냄)으로 확장한다.
   • 이 모델은 독립적으로 두 쉘에서 추출된 두 위성 사이의 절대 차동 지연($|\Delta\tau|$)에 대한 폐쇄형 누적 분포 함수(CDF)를 산출한다.
   • 가정 사항으로는 구형 지구, 가시적인 캡 상의 위성 균일 분포(가시선 조건부), 그리고 위성 기준점에서의 시간 동기화된 전송이 포함된다.

2. 신호 및 간섭 모델링:

   • 시스템은 한 위성이 사용자 단말(UE)을 서비스하는 동안 비서비스 위성들로부터 PRS를 수신하는 다운링크 시나리오를 모델링한다.
   • 간섭은 서비스 위성의 데이터 심볼과 충돌하는 비서비스 PRS 심볼의 버스트로 모델링된다.
   • 분석은 서로 다른 안테나 가정을 고려하여 두 가지 주파수 영역, 즉 FR1(30 kHz 부반송파 간격)과 FR2(120 kHz 부반송파 간격)를 고려한다.
   • 영향은 PRS 검출을 위한 유효 캐리어 대 잡음 밀도 비($C/N_0$)와 비부호화 비트 오류율(uncoded BER)을 사용하여 정량화된다.

3. 시뮬레이션 설정:

   • 이중 쉘 유럽 NTN 개념(고도 1200 km 및 8000 km)에 기반한 10일간의 궤도 시뮬레이션을 통해 이론적 CDF를 검증한다.
   • 1000회의 반복을 수행하는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 PRS 반복 주기($T_{rep}$) 및 버스트 지속 시간($T_{PRS}$) 하에서의 PRS 검출 한계(수신기 동작 특성 곡선, ROC)와 비부호화 BER을 평가한다.

주요 기여
본 논문은 세 가지 주요 기술적 기여를 제공한다:

1. 폐쇄형 지연 모델: 실제 궤도 시뮬레이션에 의해 검증된, 이중 쉘 NTN 군집에서의 차동 지연에 대한 폐쇄형 통계 모델.
2. 검출 한계 분석: 서비스 위성의 데이터 스트림으로부터 발생하는 간섭이 존재하는 상황에서의 PRS 검출 타당성 평가(유효 $C/N_0$로 표현됨).
3. 정량적 BER 영향: PRS 듀티 사이클(duty cycle) 및 캐리어 대 간섭비($C_{data}/I$)의 함수로서 데이터 링크의 비부호화 BER 저하 정량화.

결과

• 차동 지연: 이론적 CDF는 시뮬레이션과 잘 일치하며, 이는 위성 간의 차동 지연이 단일 5G 슬롯보다 현저히 크다는 것을 확인해 준다. 이는 비서비스 위성의 PRS 버스트가 서비스 위성의 후속 데이터 슬롯과 체계적으로 충돌함을 의미한다.
• 중첩 확률: 단일 PRS 오케이션(occasion) 동안 발생하는 다중 PRS 중첩 확률은 PRS 지속 시간과 반복 주기에 따라 매우 낮거나(sub-percent) 몇 퍼센트 수준에 머문다.
• PRS 검출: PRS 신호가 간섭을 일으키는 데이터 스트림보다 상당히 약하더라도 PRS 검출은 가능하다. 구체적으로, PRS 전력이 데이터 신호보다 약 25 dB 낮을 때 검출이 견고하게 이루어진다. 분석에서는 OFDM 심볼 지속 시간(통합 에너지)의 비율로 인한 FR1과 FR2 간의 6 dB 성능 차이를 언급한다.
• 데이터 링크 영향 (BER):
  • PRS가 충분히 낮은 전력(예: 데이터 신호보다 약 25 dB 낮음)으로 수신될 때, 유도된 비부호화 BER 저하는 넓은 범위의 PRS 반복 주기 동안 무시할 만한 수준이다.
  • 반대로, 간섭이 더 강할 경우(예: 데이터 신호보다 15 dB 낮음), 관찰 가능한 BER 페널티가 발생한다. 이러한 페널티는 PRS 듀티 사이클($D = T_{PRS}/T_{rep}$)에 따라 규모가 변하며, 이는 더 빈번하거나 긴 PRS 버스트가 평균 BER을 증가시킨다는 것을 확인시켜 준다.

의의 및 주장
본 논문은 적절한 주기 및 전력 설계가 구현된다면 NR-PRS 기반의 NTN이 광대역 다운링크 서비스와 호환 가능하다고 결론짓는다. 결과는 (자원 사용 및 잠재적 간섭 측면에서의) 독립적인 PNT의 "비용"이 PRS를 데이터 신호 대비 낮은 전력으로 전송할 경우 데이터 링크 관점에서 수용 가능하다는 것을 보여준다.

저자들은 다음 사항에 대한 추가 연구의 필요성을 명시하며 연구 범위를 조절한다:

• 저전력 PRS 환경에서의 트래킹 루프(tracking-loop) 견고성.
• 코드화된 링크 성능(특히 LDLC 코드 사용 시), 이는 버스트 형태의 간섭이 균일한 AWGN 근사치를 사용하는 기존 방식과 다르게 채널 디코더와 상호작용하기 때문임.
• 사용자 단말 안테나 특성 및 시스템 레벨의 PRS 스케줄링/오케스트레이션.

본 논문은 비부호화 BER과 통계적 지연 모델링에 집중하여 범위를 적절히 제한하며, 균일한 AWGN 근사치를 사용한 현재의 방식과 달리 버스트 형태의 간섭이 채널 디코더와 어떻게 상호작용하는지에 대한 향후 연구가 필요함을 인정하고 있다.