다양한 변조 방식이 자유공간 광통신(FSO) 시스템 성능에 미치는 영향 분석

본 논문은 자유공간 광통신(FSO) 시스템에서 변조 방식에 따른 성능 차이를 정량적으로 분석하기 위해 시뮬레이션 기반 연구를 수행하였다. 연구 배경으로 FSO가 높은 대역폭과 전자기 간섭에 대한 내성을 갖지만, 대기 환경에 민감해 신뢰성 확보가 과제로 제시된다. 특히 변조 방식은 전송 효율과 오류율에 직접적인 영향을 미치므로, 다양한 변조 포맷을 비교하는 것이 필요하다. 연구에서는 NRZ(Non‑Return‑to‑Zero), RZ(Return‑to‑Zero), MDRZ(Multi‑Level D‑RZ), MODB(MODulated Binary), CSRZ(Carrier‑Suppressed RZ) 다섯 가지 변조 방식을 선택하였다. 시뮬레이션 툴은 OptiSystem을 사용했으며, 시스템 블록은 PRBS 데이터 생성, 변조기, 직접 변조 레이저(DML), 대기 전파 채널, APD 수신기, 저역통과 Bessel 필터(4차, 100 dB) 및 BER 분석기로 구성되었다. 고정 파라미터는 파장 1550 nm, 빔 발산각 2‑3 mrad, 송·수신 구경 10 cm·150 cm, EDFA 이득 10 dB, 전송 전력 10 dBm 등이다. 성능 평가는 Q‑factor, 수신 전력, BER을 기준으로 하였으며, 네 가지 주요 변수(데이터 전송률, 링크 거리, 송신 전력, 대기 감쇠 계수)를 각각 변화시켜 실험을 진행하였다. 1. **데이터 전송률**: 1 Gbps부터 10 Gbps까지 변화시켰다. 1‑5 Gbps 구간에서는 NRZ가 Q‑factor 5.82로 가장 우수했으며, 6 Gbps 이상에서는 RZ가 Q‑factor 5.82를 기록해 앞섰다. MODB와 MDRZ는 6 Gbps 이후 Q‑factor가 0에 수렴해 실용성이 낮았다. 수신 전력 측면에서도 NRZ가 전 구간에서 최고값을 보였고, RZ와 CSRZ는 비슷한 수준을 유지했다. 2. **링크 거리**: 1 km부터 10 km까지 변화를 주었다. 1‑6 km 구간에서는 RZ가 가장 높은 Q‑factor(최대 21)를 기록했으며, 7 km 이상에서는 NRZ와 RZ가 거의 동일한 Q‑factor(≈20)로 수렴했다. 8‑10 km 구간에서 NRZ는 Q‑factor 14‑21을 유지해 장거리 전송에 적합함을 확인했다. 수신 전력 역시 NRZ가 -55 dBm 수준으로 가장 강했으며, MODB가 그 뒤를 이었다. 3. **송신 전력**: 3 dBm, 4 dBm, 5 dBm 세 단계에서 실험하였다. 전력 증가에 따라 Q‑factor와 수신 전력이 모두 상승했으며, NRZ가 각각 25, 30, 37의 Q‑factor를 기록해 가장 높은 신뢰성을 보였다. RZ와 CSRZ는 전력에 따라 비슷한 추세를 보였고, MODB는 5 dBm에서 NRZ에 근접하는 성능을 나타냈다. 4. **대기 감쇠 계수**: 1, 2, 3, 5, 7, 10 dB/km를 적용하였다. 감쇠가 증가할수록 모든 변조 방식의 Q‑factor가 감소했지만, RZ가 전 구간에서 가장 높은 Q‑factor를 유지했다. 특히 10 dB/km에서 NRZ와 RZ의 Q‑factor 차이는 0.29에 불과해 두 방식이 거의 동등한 내성을 보였다. BER 측면에서도 NRZ가 3.48×10⁻¹¹으로 가장 낮은 오류율을 기록했으며, RZ와 CSRZ도 비슷한 수준을 유지했다. 종합적으로, 저속·단거리·낮은 감쇠 환경에서는 NRZ가 가장 높은 Q‑factor와 수신 전력을 제공한다. 반면, 고속(≥6 Gbps)·단거리·높은 감쇠 상황에서는 RZ가 우수한 성능을 보인다. 장거리(≥8 km)에서는 NRZ가 여전히 높은 Q‑factor를 유지해 장거리 전송에 적합하다. 변조 방식 선택은 전송률, 거리, 전력, 기상 조건 등 운영 환경에 따라 최적화되어야 함을 시뮬레이션 결과가 뒷받침한다. 논문의 한계점으로는 시뮬레이션에만 의존하고 실제 대기 난류, 눈, 비 등 복합적인 기상 현상을 반영하지 않은 점을 들 수 있다. 또한 변조 심도(예: 4‑PAM, QPSK)와 다중 파장 전송(MDWDM) 등 고급 기술에 대한 확장은 이루어지지 않았다. 향후 실험적 검증과 더 다양한 변조·다중 파장 시나리오를 포함한 연구가 필요하다.