서브밴드 전이중 ISAC 시스템의 실험 검증: FR3 분산 SIMO 테스트베드

초록

본 논문은 6.8 GHz 대역에서 20 MHz 폭을 갖는 3대 USRP‑X410을 이용해, 비중첩 OFDM 서브밴드에 센싱과 통신을 할당한 서브밴드 전이중(ISAC) 방식을 구현하고 실내 환경에서 검증한다. 두 개의 센싱 서브밴드에는 Zadoff‑Chu 시퀀스를, 하나의 통신 서브밴드에는 QPSK를 사용해 동시에 동작시켰으며, 모션‑캡처 기반 실측값과 비교해 속도 해상도 0.145 m/s와 BER 3.63×10⁻³을 달성하였다. 멀티밴드 기준과 비교했을 때 스펙트럼 효율이 3배 향상된 것이 주요 성과이다.

상세 분석

본 연구는 ISAC(Integrated Sensing and Communication) 분야에서 아직 충분히 탐구되지 않은 서브밴드 전이중(SBFD) 개념을 실제 하드웨어 테스트베드에 적용한 점이 가장 큰 의의이다. 2048개의 OFDM 서브캐리어를 3개의 비중첩 서브밴드로 나누어 두 개는 Zadoff‑Chu(ZC) 시퀀스로 센싱, 하나는 QPSK로 통신을 수행하도록 설계하였다. 각 USRP‑X410은 1개의 전송 채널과 3개의 수신 채널을 보유해 1×3 SIMO 구성을 이루며, 모든 수신 채널이 전체 20 MHz 대역을 동시에 수신함으로써 서로 다른 서브밴드 간의 간섭을 최소화한다.

주요 설계 포인트는 다음과 같다. 첫째, 서브밴드 간 가드 서브캐리어를 삽입해 스펙트럼 누설을 억제하고, ZC 시퀀스의 상수 진폭·제로 상관 특성을 활용해 레이더‑형 센싱의 피크‑투‑앰 평균 전력비(PAPR)를 낮추면서 거리·속도 추정 정확도를 확보하였다. 둘째, QPSK를 선택한 통신 서브밴드는 구현 복잡도와 전력 효율 사이의 균형을 맞추며, 0.1 ms 이하의 시간 동기화 오차를 호스트‑서버 기반 타임스탬프 방식으로 보정함으로써 전·수신 간의 위상 정렬을 유지하였다. 셋째, 실험에서는 3가지 구성(SBFD, 멀티밴드, Same‑Band)을 비교했는데, SBFD는 전체 스펙트럼 사용량이 20 MHz에 불과함에도 불구하고 멀티밴드(60 MHz)와 동등한 속도 추정 RMSE를 보였으며, Same‑Band에서는 서브밴드 간 간섭으로 성능이 급격히 저하되는 것을 확인하였다.

시스템 전반에 걸친 하드웨어·소프트웨어 아키텍처도 상세히 제시되었다. USRP‑X410은 0–8 GHz 전역을 커버하지만 6.8 GHz 중심 주파수에 12 dBi 지향성 패치를 사용해 10 dB 반환 손실 대역폭 200 MHz를 확보하였다. 100 GbE·QSFP28 인터페이스와 512 GB RAM을 장착한 호스트 서버는 실시간 20 MHz·4채널(전·수신) 스트림을 버퍼링하고, MATLAB 기반 파형 생성·저장·타임스탬프 기록을 일괄 처리한다.

성능 평가에서는 모션‑캡처(MOCAP) 시스템을 활용해 인간 보행 시나리오의 실제 속도를 기준으로 센싱 정확도를 검증하였다. 1 216개의 심볼을 이용한 속도 추정 결과는 0.145 m/s 해상도를 제공했으며, 이는 보행 속도(≈1.2 m/s) 대비 충분히 정밀한 수준이다. 통신 측면에서는 NLoS 환경에서도 BER 3.63×10⁻³을 기록했는데, 이는 QPSK와 20 MHz 대역폭, 그리고 충분한 채널 추정 정확도에 기인한다.

전체적으로 본 논문은 SBFD 기반 ISAC이 “스펙트럼 절감 + 연속 동작”이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있음을 실험적으로 증명했으며, 서브캐리어 할당 전략이 성능 트레이드오프를 결정한다는 결론을 도출한다. 이는 차세대 5G‑NR/6G 시스템에서 프리‑딜리버리, 차량·드론 레이더, 그리고 초저지연 통신을 동시에 지원해야 하는 시나리오에 직접적인 설계 가이드를 제공한다.