하이브리드 광·무선 근기가비트 통신 시스템

초록

본 논문은 60 GHz 단일실 실내 전송을 보완하기 위해 광섬유(RoF) 링크를 결합한 하이브리드 전송 체계를 제안한다. 단일 캐리어 DBPSK 변조와 RS(255,239) 오류 정정, 그리고 최적의 프리앰블 검출을 위한 바이트 동기화 기법을 구현하여 875 Mbps 수준의 전송 품질을 실험적으로 입증하였다.

상세 분석

이 시스템은 60 GHz 대역의 넓은 대역폭을 활용해 근거리 고속 전송을 목표로 하면서, 실내 환경에서 발생하는 전파 차폐와 다중 경로 문제를 광섬유(RoF) 전송으로 보완한다. 송신부는 3.5 GHz IF를 70 MHz 기준으로 동기화된 PLO가 생성하고, 이를 VCSEL에 직접 변조하여 300 m 광전송을 수행한다. 이후 18.83 GHz PLO와 주파수 3배기(tripler)를 이용해 60 GHz RF 신호를 생성하고, 22.4 dBi 고이득 혼형 안테나로 방사한다.

베이스밴드에서는 Gigabit Ethernet의 GMII 인터페이스를 125 MHz 클럭으로 수신하지만, 내부 데이터 처리 클럭은 100.54 MHz와 109.37 MHz 두 개를 사용한다. 이중 포트 FIFO를 이용해 쓰기와 읽기 속도를 비동기화함으로써 버퍼 오버플로우를 방지하고, 프레임 구조는 4바이트 프리앰블, 239바이트 데이터, 16바이트 체크 심볼, 1바이트 더미로 구성된다. 더미 바이트는 프리앰블과의 최대 교차 상관을 최소화하도록 0 0000 0010(십진수 64)으로 선택했으며, 이는 프리앰블 오탐지 확률을 크게 낮춘다.

수신부는 비동기식 차동 복조를 채택해 복잡성을 감소시켰다. LNA(40 dB)와 AGC(20 dB 동적 범위)를 거쳐 3.5 GHz IF로 다운컨버팅한 뒤, 지연선과 믹서를 이용해 차동 복조를 수행한다. 복조된 신호는 저역통과 필터(1 GHz)로 정제되고, CDR 회로를 통해 클럭 복구가 이루어진다.

프리앰블 검출은 32비트 교차 상관을 8개의 시프트된 correlator 집합으로 구현하고, 두 개의 correlator‑bank를 병렬 사용해 동일한 인덱스가 동시에 검출될 때만 프레임 시작을 인식한다. 임계값 γ=28을 선택하면 누락 확률(Pm)은 10⁻⁴ 수준, 오탐 확률(Pf)은 10⁻¹⁰ 수준으로 매우 우수한 성능을 보인다. 이후 디스크램블링과 RS(255,239) 디코딩을 거쳐 오류 정정이 이루어지며, 최종 데이터는 100.54 MHz 클럭으로 Ethernet 인터페이스에 전달된다.

실험 결과는 10 m 거리에서 2 GHz 대역폭을 확보하고, 임펄스 응답에 사이드 로브가 거의 없음을 확인했다. 고이득 혼형 안테나를 사용할 경우 BER이 10⁻⁹ 이하로 유지되지만, 패치 안테나(8 dBi)에서는 거리 5 m 이상에서 급격히 악화된다. 이는 60 GHz 전파가 NLOS 환경에 매우 취약함을 보여준다. 향후 연구에서는 다중 안테나 배치와 채널 코딩을 적용해 NLOS 환경에서도 안정적인 Gbps 전송을 목표로 한다.