5G 차세대 파형 QAM FBMC의 가능성

초록

본 논문은 5세대 이동통신을 위한 파형 설계 요구사항을 검토하고, 기존 OFDM 기반 파형과 FBMC 기반 파형을 비교한다. 다중 프로토타입 필터를 활용해 QAM 전송·수신을 가능하게 하는 QAM‑FBMC 구조를 제안하고, 전송‑수신 아키텍처, 채널 추정 오차 및 위상 잡음 등 RF 임페어먼트를 모델링한다. 시뮬레이션을 통해 OOB 방출, 복잡도, BER 성능 및 위상 잡음에 대한 강인성을 평가한다. 결과는 QAM‑FBMC가 CP‑OFDM과 동등한 BER을 유지하면서 사이클 프리픽스 손실 없이 스펙트럼 효율을 확보함을 보여준다.

상세 분석

QAM‑FBMC는 전통적인 FBMC가 실현하기 어려웠던 복소수 QAM 변조를 다중 프로토타입 필터(Prototype Filter, PF) 설계로 해결한다는 점에서 혁신적이다. 논문은 두 종류의 PF를 교차 배치하여 인접 서브캐리어 간의 직교성을 유지하면서도 QAM 심볼을 그대로 전송할 수 있게 한다. 이는 OFDM에서 사용되는 사이클 프리픽스(CP)와 같은 가드 인터벌이 필요 없으므로 스펙트럼 효율이 향상된다. 전송 구조는 IFFT 기반의 다중 서브캐리어 생성 뒤, 각각의 PF를 적용해 시간‑주파수 영역에서 필터링을 수행한다. 수신 측에서는 FFT와 역필터링을 통해 복구된 신호에 대해 복소수 평면에서의 등가 채널 추정이 가능하도록 설계하였다. 채널 추정 오차는 전통적인 LS·MMSE 방법을 그대로 적용할 수 있지만, 필터링에 의해 발생하는 인터‑시럽션(ICI)과 인터‑심볼 인터페어런스(ISI)를 고려한 보정이 필요하다. 논문은 이러한 오차를 모델링하고, 실제 채널 추정 오차가 BER에 미치는 영향을 정량적으로 분석한다. 또한 위상 잡음 모델을 도입해 LO(로컬 오실레이터) 불안정성이 다중 필터 구조에 미치는 영향을 평가했으며, QAM‑FBMC가 위상 잡음에 대해 OFDM보다 더 높은 내성을 보임을 실험적으로 입증하였다. 복잡도 측면에서는 PF 적용을 위한 FIR 필터 연산이 추가되지만, FFT/IFFT 연산 수는 기존 OFDM과 동일하고, CP 삽입에 따른 오버헤드가 사라져 전체 연산량은 비슷하거나 약간 낮은 수준으로 유지된다. OOB 방출 분석에서는 전통적인 FBMC보다 약간 높은 스펙트럼 누설이 관측되었지만, CP‑OFDM 대비 현저히 낮아 인접 채널 간섭을 크게 감소시킨다. 이러한 특성은 5G의 초저지연, 초고대역, 그리고 비동기 전송 요구사항을 충족시키는 데 유리하다.