비DC편향 OFDM(NDC‑OFDM) 기반 광무선 통신 성능 분석

본 논문은 광무선 통신(OWC) 및 가시광통신(VLC) 시스템에서 고속 데이터 전송을 위해 널리 사용되는 OFDM 기반 변조 방식들의 한계를 지적하고, 이를 극복하기 위한 새로운 변조 스킴인 비DC‑편향 OFDM(NDC‑OFDM)을 제안한다. 기존 방식인 DCO‑OFDM은 신호에 DC‑bias 를 추가하고, 음의 샘플을 클리핑함으로써 전력 소모와 비선형 왜곡을 초래한다. 반면 ACO‑OFDM은 짝수 서브캐리어를 비활성화해 절반의 스펙트럼 효율만을 제공한다. 이러한 문제점을 해결하고자 저자는 두 개의 LED를 이용해 OFDM 심볼의 부호와 절댓값을 각각 전송하는 방식을 고안하였다. **시스템 모델** 송신부에서는 입력 비트를 M‑QAM 변조기로 복소수 심볼 X(n) 으로 변환하고, Hermitian 대칭을 적용해 실수형 OFDM 샘플 x(k) 를 얻는다. 이후 x(k) 의 부호는 LED 인덱스로 매핑하고, 절댓값 |x(k)| 은 광 강도로 변환한다. 두 LED 중 하나가 양의 샘플을, 다른 하나가 음의 샘플(절댓값) 을 전송한다. 이 과정에서 DC‑bias 가 전혀 필요 없으며, 클리핑에 의한 왜곡도 발생하지 않는다. 수신부는 두 개의 포토다이오드(PD) 로 각각의 LED에서 온 광 신호를 받아 전기 신호 y = Hs + w 로 표현한다. 여기서 H는 2×2 LOS 기반 광 MIMO 채널 행렬이며, w는 AWGN이다. ZF 검출을 통해 전송된 심볼 추정값 g = H⁻¹y 를 얻고, 각 심볼이 어느 LED에서 전송되었는지를 인덱스 추정(최대값 탐색)으로 결정한다. 부호가 결정되면 절댓값과 결합해 원본 양·음 OFDM 샘플 x′(k) 를 복원한다. 두 가지 복원 방법이 제시되는데, 부호 블록을 차감하는 방식은 잡음 분산이 두 배가 되어 성능이 저하되고, 인덱스 기반 부호 선택 방식은 잡음 영향을 최소화한다. **이론적 성능 분석** 논문은 AWGN 표준편차 σ_n 과 OFDM 신호 표준편차 σ_s 를 정의하고, 2×2 MIMO 채널에 대한 ZF 검출 후 부호 복원 과정을 확률적으로 모델링한다. BER은 Q‑함수 형태로 도출되며, E_b/N_0 에 대한 종속성을 명시한다. 또한 스펙트럼 효율을 분석하여, NDC‑OFDM이 DCO‑OFDM과 동일한 서브캐리어 수를 사용하면서 DC‑bias 로 인한 전력 손실이 없으므로 동일 전력 조건에서 더 높은 효율을 제공함을 증명한다. **시뮬레이션 및 실험 결과** Monte‑Carlo 시뮬레이션을 통해 이론식과 실제 BER이 거의 일치함을 확인하였다. 4‑QAM, 16‑QAM, 64‑QAM 등 다양한 변조 차수에서 NDC‑OFDM은 DCO‑OFDM 대비 약 2 dB~4 dB, ACO‑OFDM 대비 약 3 dB의 SNR 이득을 보였다. 전력 제한이 심한 VLC 환경에서 LED 수를 늘려 다중 LED 배열을 구성하면 전력 효율이 더욱 향상된다. 또한, 채널 이득이 크게 변하지 않는 LOS 상황에서 NDC‑OFDM은 복잡도 면에서도 ZF 검출만으로 충분히 구현 가능함을 보여준다. **결론** NDC‑OFDM은 (1) DC‑bias 를 완전히 제거해 전력 소모를 절감하고, (2) 클리핑 왜곡을 없애 신호 품질을 유지하며, (3) 광 공간 변조(OSM)를 활용해 부호 정보를 LED 인덱스로 전송함으로써 스펙트럼 효율을 크게 개선한다는 세 가지 핵심 장점을 가진다. 이러한 특성은 차세대 고속 실내 광무선 통신, LiFi, 그리고 다중 LED 기반 조명 통신 시스템에 실용적인 솔루션을 제공한다. 향후 연구에서는 다중 사용자 MIMO, 채널 추정 오차, 그리고 비 LOS 환경에서의 성능 확장을 다루는 것이 필요하다.