비정교 다중대역 CAP으로 스펙트럼 효율 극대화

본 논문은 가시광통신(VLC) 시스템의 핵심 제약인 LED의 제한된 전송 대역폭을 극복하고 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해, 기존의 orthogonal 다중대역 CAP(m‑CAP) 방식을 비정교(non‑orthogonal) 구조로 변형한 NM‑CAP(Non‑Orthogonal Multi‑band CAP) 방식을 제안한다. 기존 m‑CAP은 FIR 필터 뱅크를 이용해 서브캐리어를 정교하게 직교시켜 전송하지만, 이는 대역폭을 충분히 활용하지 못한다는 한계가 있다. NM‑CAP은 서브캐리어 간 간격을 의도적으로 축소(압축 인자 α > 0)하여 인접 서브캐리어가 스펙트럼적으로 겹치게 함으로써 전체 대역폭을 절감한다. 이때 서브캐리어 간 겹침으로 발생하는 ICI를 최소화하기 위해 롤오프 팩터 β와 필터 길이, 그리고 필터 롤오프 특성을 정밀하게 설계한다. 실험 설정은 다음과 같다. PRBS 길이 2¹⁵‑1의 비트 스트림을 10⁶ 비트씩 각 서브캐리어에 매핑하고, 4‑QAM(16‑QAM) 변조를 사용한다. 심볼당 샘플 수는 SRRC 필터에 의해 결정되며, FIR 필터는 Hilbert 쌍을 이루어 I/Q 신호를 생성한다. 송신 측에서는 OSRAM Gold Dragon LED(대역폭 1.2 MHz, 절단 주파수 1.25 MHz)를 500 mA 바이어스로 구동해 선형 구간에서 강도 변조를 수행하고, 전송 거리는 2 m로 설정하였다. 수신 측은 ThorLabs APD 430A‑2/M 저노이즈 광다이오드와 두 개의 볼록 렌즈(25 mm, 35 mm)로 광 수신 효율을 높였으며, 수신 신호는 50 MS/s 오실로스코프에 저장 후 MATLAB으로 오프라인 복조한다. 압축 인자 α를 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5로 변화시키며, 서브캐리어 수 m를 2와 10으로 설정해 실험을 진행했다. β는 0.1, 0.3, 0.5 세 가지 값을 사용하였다. 결과는 다음과 같다. α = 0.2(20 % 압축)에서는 m = 10, β = 0.1 조건에서 모든 서브캐리어가 BER < 3.8 × 10⁻³(FEC 한계) 이하를 유지했으며, 실제 BER은 10⁻⁴ 이하로 측정돼 전송 품질 저하가 없었다. α = 0.3(30 % 압축)에서는 β = 0.3, 0.5에서 스펙트럼 효율이 각각 1.92 b/s/Hz, 1.91 b/s/Hz로, 비압축 상태(≈1.33 b/s/Hz) 대비 44 % 이상의 향상을 보였다. 다만 α > 0.3에서는 ICI가 급격히 증가해 BER이 FEC 한계를 초과했으며, 이는 압축률이 과도할 경우 시스템이 불안정해짐을 의미한다. 복잡도 분석에서는 기존 m‑CAP이 송·수신 양쪽에 각각 2 × m개의 FIR 필터(총 4 m개)를 사용한다는 점을 고려했을 때, NM‑CAP은 동일한 필터 구조를 유지하므로 추가적인 연산량이 발생하지 않는다. 다만 서브캐리어 수가 많아질수록(예: m = 10) 필터 수가 40개가 되어 연산량이 약 5배 증가하지만, 이는 현대 DSP 혹은 FPGA 기반 구현에서 충분히 처리 가능하다. 또한 LED의 대역폭 제한을 고려한 실험 결과, NM‑CAP이 LED의 3 dB 대역폭(≈1.2 MHz) 이하에서도 효과적으로 동작함을 확인했다. 전류 바이어스를 500 mA로 설정해 LED가 선형 구간에 머물게 함으로써 변조 심도와 신호 대 잡음비(SNR)를 최적화했으며, 수신 APD의 저노이즈 특성 덕분에 높은 감도와 낮은 BER을 달성했다. 결론적으로, NM‑CAP은 대역폭이 제한된 VLC 환경에서 스펙트럼 효율을 크게 향상시키면서도 BER 성능을 유지하고, 시스템 구조에 별도의 복잡성을 추가하지 않는 실용적인 솔루션이다. 향후 연구에서는 더 높은 차수의 QAM, 다중 안테나(MIMO)와 결합한 NM‑CAP, 그리고 실시간 FPGA 구현을 통해 실용적인 고속 VLC 시스템으로 확장하는 방안을 제시한다.