[논문]다목적함수 최적화기법을 이용한 가시광 무선통신시스템의 통신채널품질 및 전력소비 최적화 연구

트렁홉도; 황준호; 유명식

doi:10.5573/ieek.2012.49.10.011

다목적함수 최적화기법을 이용한 가시광 무선통신시스템의 통신채널품질 및 전력소비 최적화 연구
Multi-objective Optimization of Channel Quality and Power Consumption in Visible Light Communication Systems 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.49 no.10, 2012년, pp.11 - 17

트렁홉도 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 황준호 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 유명식 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
AI-Helper

가시광 무선 통신 (Visible Light Communication; VLC) 시스템은 조명 장치와 무선 통신의 역할을 동시에 수행하는 특징을 가진다. 하지만 조명 장치로서의 전력 소비와 통신 시스템으로서의 통신 채널 품질이 서로 상충관계에 있어서 가시광 무선 통신 시스템 설계에 문제가 발생한다. 이에 본 논문에서는 다목적 최적화 기법을 이용하여 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 위한 최적화 연구를 수행하였다. 이를 위해 전력 소비와 수신 세기 그리고 SNR에 대한 목적함수 설정과 전력 소비 및 통신 채널 품질에 영향을 줄 수 있는 변수들을 범위 구간을 설정한 제약 조건을 제시하였다. 그 결과 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 동시에 만족시킬 수 있는 최적화 해를 산출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The VLC system undertakes both missions of illumination and wireless communication. It is difficult to design a VLC system with optimal performance due to the trade-offs between power consumption and channel quality. In this paper, the VLC system design problem is solved by using multi-objective optimization method. For optimization, the multi-objective function is formulated with respect to power consumption, received power, and SNR under the constraints on the system variables. Through the multi-objective optimization, it is possible to obtain the solutions that satisfies both minimum power consumption and maximum channel quality.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계 단계에 있어서 LED 조명 장치와 통신 시스템의 요구 조건을 만족시키기 위해 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질의 최대화를 위한 최적화 연구를 진행하였다. 이를 위해 가시광 무선 통신 시스템을 구성하는 구성 요소 및 통신 환경에 대한 다양한 변수들을 제약 조건으로 설정하였으며, 다목적 함수 최적화 기법을 이용하여 전력 소비 및 통신 채널 품질을 모두 만족시킬 수 있는 최적화 해를 도출하였다.
따라서 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화의 조건을 동시에 만족시키 위해서 다양한 파라미터의 설정 제약 조건을 범위를 설정하고, 해당 변수 조절 가능한 범위에서 최적화된 값을 찾는 것이 중요하다. 이를 위해 본 논문에서는 조도에 영향을 끼치는 LED 패널의 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질에 영향을 끼치는 수신 신호 세기와 SNR 최대화를 목적함수로 하는 최적화 기법을 연구하였다. 이들 다목적 함수의 정의와 제약 조건을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.
다목적 함수를 이용한 최적화 기법은 단일 목표치를 만족시키는 변수들을 최적화하는 것이 아니라 여러 개의 서로 상충 관계를 갖는 목적 함수들에 적합한 변수 들로 최적화하는 기술이다. 이에 본 논문에서는 LED 패널의 전력 소비와 통신 채널 품질의 상충 관계에 따른 LED 및 PD 그리고 가시광 무선 통신 시스템 인프라의 다양한 변수들을 최적화하기 위해 다음과 같은 시스템 모델 및 통신 환경에서 목적 함수(Objective Function)와 제약 조건(Constraint)을 설정하였다.
이에 본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계에 있어서 전력 소비는 최소화하고, 통신 채널 품질 최대화를 위한 최적화(Optimization) 연구를 수행하였다. 이를 위해 가시광 무선 통신 시스템의 전력 소비 및 통신 채널 품질에 영향을 미치는 다양한 환경 요소들을 제약 조건으로 설정하고, 다목적 함수 최적화 기법^[6]을 이용하여 주어진 통신 파라미터를 모두 만족시키면서 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 만족시킬 수 있는 시스템 파라미터를 결정하였다.

가설 설정

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템에서 전력 소비 및 통신 채널 품질 최적화를 위해 다음 그림 1과 같이 4개의 LED 패널을 사용하는 실내 통신 환경과 시스템 파라미터를 가정하였다^[4].
이와 더불어 LED 중심부의 광도 I(0)는 LED 송신전력과 비례관계에 있기 때문에 수식 (13)과 같이 송신 전력과 LED 중심부의 광도 관계를 가정하였다^[6]

제안 방법

5dBm로 설정한 후 최적화 해를 결정하였다. 그 결과 그림 4에 표시된 바와 같이 최대 전력 소비 임계치와 수신 신호 세기 임계치를 모두 만족하는 최적화 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 48.0618dBm 값을 갖는 전력 소비 구간을 최적화 해로 결정하였다.
앞서 가시광 무선 통신 시스템 모델에서도 언급하였듯이 목적 함수 1과 목적 함수 3은 서로 상충(Trad-off)되며, 목적 함수 2와 목적 함수 3도 서로 상충관계에 있다. 이러한 목적 함수를 토대로 다목적 함수 기법을 이용한 최적화 연구를 수행하기 위해 세 가지 목적 함수를 동시에 만족시키기 위한 수식 (11)과 같이 최적화 대상을 공식화(Formulation)하였다.
본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계 단계에 있어서 LED 조명 장치와 통신 시스템의 요구 조건을 만족시키기 위해 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질의 최대화를 위한 최적화 연구를 진행하였다. 이를 위해 가시광 무선 통신 시스템을 구성하는 구성 요소 및 통신 환경에 대한 다양한 변수들을 제약 조건으로 설정하였으며, 다목적 함수 최적화 기법을 이용하여 전력 소비 및 통신 채널 품질을 모두 만족시킬 수 있는 최적화 해를 도출하였다.
이에 본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계에 있어서 전력 소비는 최소화하고, 통신 채널 품질 최대화를 위한 최적화(Optimization) 연구를 수행하였다. 이를 위해 가시광 무선 통신 시스템의 전력 소비 및 통신 채널 품질에 영향을 미치는 다양한 환경 요소들을 제약 조건으로 설정하고, 다목적 함수 최적화 기법^[6]을 이용하여 주어진 통신 파라미터를 모두 만족시키면서 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 만족시킬 수 있는 시스템 파라미터를 결정하였다.
특히 x 변수들에 대한 제약 조건은 가시광 무선 통신 시스템의 전력 소비와 통신 채널 품질의 최적화를 위해 반드시 반영된 최적화가 이루어져야 한다. 이에 본 논문에서는 수식 (12)와 같이 변수들에 대한 범위 구간을 제약 조건으로 설정하였다. 이때 제약 조건을 서로 완벽히 독립적(Absolutely Independent)이며, 최적화를 위해 주어진 범위 내에서 조절가능하다.
이에 본 논문에서는 앞서 산출한 파레토 최적해 구간을 토대로 수신 신호 세기와 SNR의 임계치를 각각 1.5dBm와 30dB로 설정하였다. 설정된 임계치를 그림 3에 도입하게 되면, 최적해의 값은 수신 신호 세기의 임계치를 기준으로 오른쪽 구간에 해당되며, SNR 구간에서 위쪽에 해당되어, 그림 3에서 표시된 바와 같이 설정된 최적화 해 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 48.
이를 위해 먼저 수신 신호 세기의 임계치를 결정하는 것이 필요하며, 최대 전력 소비와 수신 신호 세기를 만족하는 지역에서 SNR이 가장 높은 것을 선택하는 것이 바람직하다. 이에 본 논문에서는 전력 소비 최대 임계치를 48.5dBm으로 설정하고 수신 신호 세기를 1.5dBm로 설정한 후 최적화 해를 결정하였다. 그 결과 그림 4에 표시된 바와 같이 최대 전력 소비 임계치와 수신 신호 세기 임계치를 모두 만족하는 최적화 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 48.
이와 같은 방 구조에서 본 논문에서는 채널 품질 및 조도를 측정하기 위해 수식 (1)∼(4)를 사용[4]하며, 각각 수신 신호 세기(Pr), 채널 경로 손실인 DC 이득 (H(0)), SNR 그리고 조도(Ehor)를 의미한다.

이론/모형

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템에서 다목적 함수 기법을 이용한 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 위해 다목적 함수 기법을 이용한 최적화 연구를 수행하였고, 설정한 다목적 함수에 대한 성능을 분석하기 위해 NSGA-2 (Non-Sorting Genetic Algorithm-2) 알고리즘^[7～8]을 사용하였다. 이때 군집의 크기는 2,000이며, 100번 반복을 통해 결과를 산출 하였다.

성능/효과

이와 더불어 [5]에서는 LED 소자의 발광 각도와 패널의 위치에 따른 조도, SNR 그리고 수신 신호 세기에 대한 성능 변화 등을 분석하였다. 그 결과 전력 소비, 수신 세기, 조도 그리고 SNR 성능이 서로 상충관계에 있음이 증명되었고, 이러한 상충관계로 인해 가시광 무선 통신 시스템에서는 전력 소비와 통신 환경 간의 최적화된 상태를 설정하는 것이 매우 어렵다.
일반적으로 가시광 무선 통신 시스템은 조명뿐만 아니라 통신 매체로서의 역할도 동시에 수행하여야 하기 때문에 통신 시스템 설계 시 반드시 조명의 전량을 최소화시켜야 하며, 통신 채널 품질을 최대화는 것이 가장 중요하다. 먼저, 통신 채널 품질 관점에서 살펴보면 통신 채널 품질은 수신 신호 세기와 SNR에 영향을 받는데, 일반적으로 수신 신호 세기가 높을수록 높은 SNR을 제공할 수 있다. 이에 따라 최적화된 가시광 무선 통신 시스템을 설계하기 위해 최적화 기법을 통해 산출된 최적해 후보 중 통신 채널 품질을 우선순위로 고려하는 경우 수신 신호 세기와 SNR에 대한 임계치를 설정하여야 한다.
표 2에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 설정한 수신 세기, SNR 그리고 전력 소비 임계치를 고려하였을 때 산출되는 최적화 해인 48.0618dBm 구간에서의 SNR은 26∼ 31 dB사이의 SNR을 제공할 수 있으며, LED 패널의 열은 40개의 LED 소자를 배치하고, LED 송신전력은 40mW를 설정하는 것이 최적해로 산출되었다.

후속연구

이러한 가시광 무선 통신 시스템에 최적화 연구는 향후 가시광 무선 통신 시스템 상용화를 위해 반드시 설계 단계에 있어서 주어진 설치 환경을 고려하여 수행되어야하는 매우 중요한 기술적 의의를 갖는다. 이에 본 연구는 향후 가시광 무선 통신 시스템 상용 연구의 한 분야로서 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광 무선 통신이란?	가시광 무선 통신(Visible Light Communication)[1]은 반도체 소자인 LED(Light Emitting Diode)의 발광 특성과 이를 디지털로 제어가 가능하다는 특성을 무선 통신에 접목한 차세대 무선 통신 기술이다. 일반적으로 가시광 무선 통신 시스템에서의 LED는 조명 장치의 역할뿐 아니라 통신 장치로서의 역할을 병행한다[2].
	가시광 무선 통신 시스템에서 LED가 조명 장치와 통신 장치 역할을 하기 위해 필요한 것은?	일반적으로 가시광 무선 통신 시스템에서의 LED는 조명 장치의 역할뿐 아니라 통신 장치로서의 역할을 병행한다[2]. 이를 위해, 먼저 무선 통신 관점에서는 LED 조명을 통해 전달되는 빛의 신호가 수신부에 효과적으로 전달될 수 있도록 통신 채널의 품질을 가능한 높게 유지하는 것이 필요하며, 조명 장치로서의 역할을 수행할 경우 실내 조도 규격을 고려하여 최적의 상태로 내부 조도를 제공하는 것이 중요하다.
	가시광 무선 통신 시스템에서의 LED의 역할은?	가시광 무선 통신(Visible Light Communication)[1]은 반도체 소자인 LED(Light Emitting Diode)의 발광 특성과 이를 디지털로 제어가 가능하다는 특성을 무선 통신에 접목한 차세대 무선 통신 기술이다. 일반적으로 가시광 무선 통신 시스템에서의 LED는 조명 장치의 역할뿐 아니라 통신 장치로서의 역할을 병행한다[2]. 이를 위해, 먼저 무선 통신 관점에서는 LED 조명을 통해 전달되는 빛의 신호가 수신부에 효과적으로 전달될 수 있도록 통신 채널의 품질을 가능한 높게 유지하는 것이 필요하며, 조명 장치로서의 역할을 수행할 경우 실내 조도 규격을 고려하여 최적의 상태로 내부 조도를 제공하는 것이 중요하다.

참고문헌 (8)

IEEE Std 802.15.7, Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, September 2011.
김대호, 임상규, 강태규, "LED 조명 통신 융합 가 시광 무선통신 응용 서비스 모델," 한국통신학회지 정보와 통신, 제25권, 제5호, 3-9쪽, 2009년 4월
트렁홉도, 황준호, 유명식, "실내 가시광 무선 통신시스템에서 LED 패널 위치 및 발광 각도가 통신 채널 품질에 미치는 영향 분석," 한국통신학회 논문지, Vol. 36, No. 9, pp. 1108-1116, September 2011.
T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible light communication system using LED lights," IEEE Trans. Consumer Electron., Vol. 50, no. 1, pp. 100-107, February 2004.

상세보기
T. H. Do, J. Hwang, S. Jung, Y. Shin, M. Yoo, "Modeling and analysis of the wireless channel formed by LED angle in visible light communication," in Proc. of ICOIN, pp. 354-357, Bangkok, Thailand, February 2012.
Sean King, "Luminous Intensity of an LED as a Function of Input Power" ISB Journal of Physics, Vol. 2, no. 2, June 2008.
Zitzler, E. and L. Thiele, "Multiobjective evolutionary algorithms: A comparative case study and the strength pareto approach," IEEE Trans. on Evolutionary Computation, Vol. 3, no. 4, pp. 257-271, November 1999.
Kalyanmoy Deb, Amrit Pratap, Sameer Agarwal, and T. Meyarivan, "A Fast and Elitist Multiobjective Genetic Algorithm : NSGA-II, IEEE Trans. on Evolutionary Computation, Vol. 6, no. 2, pp. 182-197, April 2002.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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