[논문]LED기반 실내 조명 구조에 따른 무선통신 채널의 품질 분석

최수일

doi:10.7840/kics.2012.37.7b.606

LED기반 실내 조명 구조에 따른 무선통신 채널의 품질 분석
Quality Analysis of Wireless Communication Channel Based on the Shapes of LED-Based Interior Lighting 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.37B no.7, 2012년, pp.606 - 612

최수일 (전남대학교 전자컴퓨터공학부 광통신 연구실)

초록
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가시광 통신은 반도체 LED를 이용하여 정보를 브로드캐스트 하며, 백색광 LED는 조명과 광무선 통신을 하나의 광원을 사용하여 제공할 수 있다. 본 논문에서는 단일칩 백색광 LED를 활용하여 조명과 통신에 적합한 조명기구를 제안한다. 백생광 LED 조명기구의 구조에 따른 수평 조도특성, 무선채널 대역특성, 심볼간 간섭현상, 신호대 잡음비 및 비트 에러율을 분석함으로써 장애물이 있는 경우 제안한 LED 조명이 기존의 조명보다 우수한 조명 및 통신 채널을 제공함을 보이고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Visible light communications (VLC) uses modern solid-state LEDs to broadcast information. Emerging white-light LEDs allows the combination of lighting and optical wireless communication in one optical source. In this paper, a new LED lighting using one-chip-type white LED is proposed for efficient illumination and optical wireless communications. Performance analysis such as horizontal illuminance, 3-dB cut-off frequency, inter-symbol interference, signal-to-noise ratio and bit-error rate shows the effects of the shapes of LED lighting. Performance of the proposed LED lighting under the existence of obstacles is superior to that of the existing LED lighting in illumination and optical wireless communication.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

LED 기반 조명과 통신의 융합은 수평 조도(Horizontal Illuminance), 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR), 무선 채널 대역(3-dB Cut-off Frequency), 심볼간 간섭효과(Inter Symbol Interference, ISI) 및 변조방식에 따른 비트 에러율(Bit-error rate)에 대한 해석을 필요로 한다. 본 논문에서는 단일칩 백색 LED를 이용한 조명기구의 구조 및 전기채널의 경로차이에 따른 수평 조도 특성, 신호대 잡음비, 광무선 통신 대역 특성, 심볼간 간섭효과 및 비트 에러율을 분석함으로써 조명기구의 구조에 따른 영향을 비교코자 한다. 특히, 장애물이 있는 경우 직접광(Line of Sight, LOS) 채널의 대역 및 SNR 에 미치는 영향을 줄일 수 있는 조명 기구를 제안코자 한다.
본 논문에서는 조명과 광무선 통신에 적합한 LED조명을 제안한다. 제안한 LED조명은 직접광을 방해하는 장애물의 영향을 줄여줌으로써 조명과 통신채널의 제공에 적합함을 보였다.
5m 더 길게 연결한 후 신호대 잡음비 분포를 구하였다. 이는 LED 조명등에 연결된 전기 채널의 길이가 일정치 않는 경우 ISI 영향을 크게 받게 되므로 전기 채널과 광무선 채널을 고려한 SNR 분포를 확인코자 하였다. 유형 B의 경우 전기 채널 길이 차이에 의한 심볼간 간섭현상에 의해서 전체적으로 SNR 분포가 급격이 변함을 알 수 있으며, 장애물에 의한 SNR 감소에 의해서 장애물 아래에서 -2.
본 논문에서는 단일칩 백색 LED를 이용한 조명기구의 구조 및 전기채널의 경로차이에 따른 수평 조도 특성, 신호대 잡음비, 광무선 통신 대역 특성, 심볼간 간섭효과 및 비트 에러율을 분석함으로써 조명기구의 구조에 따른 영향을 비교코자 한다. 특히, 장애물이 있는 경우 직접광(Line of Sight, LOS) 채널의 대역 및 SNR 에 미치는 영향을 줄일 수 있는 조명 기구를 제안코자 한다.

가설 설정

그림 6은 장애물과 전기 채널의 경로 차이가 있는 경우 VPPM 변조의 BER 분포 특성을 보여준다. 데이터의 전송 속도는 10Mbps로 가정하였으며, LED 조명 등에 대한 전기 채널의 길이가 동일한 경우 우수한 BER 특성을 제공한다. 하지만, 두 개의 LED 조명등에 대해서 전기선의 길이가 2.

제안 방법

그림 5는 장애물과 전기 채널의 경로 차이에 의한 신호대 잡음비(SNR)의 영향을 보여준다. 4개의 장애물은 각각의 LED 조명등 밑에 위치하고 조명등 중에서 대각선에 위치하는 2개의 LED 조명등에 대해서 전기 채널의 길이를 2.5m 더 길게 연결한 후 신호대 잡음비 분포를 구하였다. 이는 LED 조명등에 연결된 전기 채널의 길이가 일정치 않는 경우 ISI 영향을 크게 받게 되므로 전기 채널과 광무선 채널을 고려한 SNR 분포를 확인코자 하였다.
II장에서는 백색 LED의 조명특성을 알아보고 조명과 통신에 적합한 LED 조명구조를 제안한다. 더불어, 제안한 LED 조명 등의 조명 특성을 기존의 조명 구조와 비교코자 한다. III장에서는 백색 LED의 구조에 따른 통신채널 특성을 알아보고, 장애물과 심볼간 간섭현상(ISI)에 의한 통신 채널의 영향을 비교함으로써 제안한 조명구조가 기존의 조명구조보다 장애물의 영향에 강함을 보이고자 하며, IV장에서는 결론을 맺는다.
그림 3은 장애물이 있는 경우 수평 조도의 분포를 보여준다. 장애물은 0.6 x 0.6 m2의 사각형 장애물이 1.5 m의 높이에 위치하며 각각의 LED 조명등 바로밑에 위치하는 상황에서 수평 조도의 분포를 구하였다. 유형 B는 평균 조도 551 lx를 제공하고 81.

대상 데이터

LED 조명기구의 구조는 VLC 통신채널의 성능비교를 위해서 그림 1과 같이 세 가지 유형의 LED 조명 등을 고려하였다. 유형 A는 균일한 조도를 제공하는 반면 동일한 밝기 제공에 필요한 LED 칩을 상대적으로 많이 필요하고, 심볼간 간섭현상(ISI)에 취약하다는 점 때문에 통신채널 제공에는 적합하지 않다^[7].
우선 조명실험을 위해 5×5×3m3에 해당하는 동일한 실내 구조를 고려하였으며, LED조명은 바닥으로부터 2.5m 높이에 설치되어 있고, 책상의 높이는 0.85m이다[3].

성능/효과

모델룸 내부에서의 수평조도 분포, 3-dB 컷오프 주파수 분포, 심볼간 간섭현상, 신호대 잡음비(SNR) 및 비트 에러율 (BER) 분포를 분석함으로써 제안한 LED조명이 기존의 LED조명보다 장애물이 존재하는 경우 우수한 성능을 제공함을 보였다. 더불어, 심볼간 간섭현상 (ISI)을 고려한 비트 에러율(BER) 분포의 경우 장애물의 영향보다 전기적 채널의 경로 차이에 의한 영향이 크므로, LED 조명의 설계에 있어 전기채널의 경로 차이도 고려되어야 함을 보였다.
7 MHz를 갖는다. 두 가지 유형 모두 광송신기의 변조 주파수보다 훨씬 큰 광무선 채널 대역을 가지므로 채널의 영향이 없다고 볼 수 있지만, 유형 B의 경우 장애물에 의한 채널 대역의 변화가 크게 나타남을 확인할 수 있다.
제안한 LED조명은 직접광을 방해하는 장애물의 영향을 줄여줌으로써 조명과 통신채널의 제공에 적합함을 보였다. 모델룸 내부에서의 수평조도 분포, 3-dB 컷오프 주파수 분포, 심볼간 간섭현상, 신호대 잡음비(SNR) 및 비트 에러율 (BER) 분포를 분석함으로써 제안한 LED조명이 기존의 LED조명보다 장애물이 존재하는 경우 우수한 성능을 제공함을 보였다. 더불어, 심볼간 간섭현상 (ISI)을 고려한 비트 에러율(BER) 분포의 경우 장애물의 영향보다 전기적 채널의 경로 차이에 의한 영향이 크므로, LED 조명의 설계에 있어 전기채널의 경로 차이도 고려되어야 함을 보였다.
95 dB에 해당하는 SNR값을 갖는다. 유형 C의 경우에도 전기 채널 길이 차이에 의한 심볼간 간섭현상과 장애물에 의한 SNR 손실 특성이 존재함을 확인할 수 있으며, 장애물 아래에서 3.09 dB에 해당하는 SNR 최소값을 보이며 평균 27.39 dB 의 SNR값을 갖는다. 유형 B의 경우 평균적으로 유형 C보다 심볼간 간섭현상에 의한 SNR 감소는 적게 받지만 장애물에 의한 SNR 감소는 크게 나타남을 알 수 있다.
49 dB 큰 SNR값을 보임으로써 장애물에 의한 통신 품질의 감소가 훨씬 적음을 알 수 있다. 유형 C의 크기와 LED 칩의 거리값을 조절함으로써 심볼간 간섭 현상과 장애물의 영향을 고려한 LED 조명등의 설계가 가능함을 보였다.
본 논문에서는 조명과 광무선 통신에 적합한 LED조명을 제안한다. 제안한 LED조명은 직접광을 방해하는 장애물의 영향을 줄여줌으로써 조명과 통신채널의 제공에 적합함을 보였다. 모델룸 내부에서의 수평조도 분포, 3-dB 컷오프 주파수 분포, 심볼간 간섭현상, 신호대 잡음비(SNR) 및 비트 에러율 (BER) 분포를 분석함으로써 제안한 LED조명이 기존의 LED조명보다 장애물이 존재하는 경우 우수한 성능을 제공함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 기반 백색 LED가 차세대 조명기구로 각광받고 있는 이유는?	기존의 조명기구와 비교하면 반도체 기반 백색 LED는 저전력, 고휘도, 긴수명 등의 장점이 있어 차세대 조명기구로 각광받고 있다. 백색 LED는 적색, 녹색 및 청색 LED를 결합한 멀티칩 LED와 청색 LED에 형광물질을 도포한 단일칩 백색 LED로 구분 된다.
	광무선 통신에 가시광을 이용했을때의 장점은?	그러므로 광무선 통신은 RF 신호에 예민한 환경에서 매우 유용한 통신을 제공할 수 있다. 특히, 가시광을 이용하는 경우 조명과 통신기능을 동시에 제공할 수 있는 장점이 있다.
	LED 조명의 설계를 위해 고려되는 기본적인 특성은?	실내 조명을 위해서는 일정한 밝기 이상의 조명이 필요하며, 신뢰할 수 있는 고속의 데이터 통신을 위해서는 충분한 출력 광파워가 제공되어야 한다. LED 조명의 설계를 위해서는 광속(luminous flux), 출력 광파워(transmitted optical power), 수평 조도(horizontal illuminance)와 같은 기본적은 특성을 고려해야한다. 광속은 사람의 눈이 감지할 수 있는 광원의 광파워를 의미한다.

참고문헌 (9)

J. Grubor, S. C. J. Lee, D.-D. Langer, T. Koonen, and J. W. Walewsi, "Wireless High-Speed Data Transmission with Phosphorescent White-Light LEDs," Proceeding of ECOC, vol. 6, PD3.6, 2007.
Y. Tanaka, T. Komine, S. Haruyama and M. Nakagawa, "Indoor Visible Light Transmission System Utilizing White LED Lights," IEICE Trans. on Comunications, vol. E86-B, no. 8, pp. 2440-2454, Aug. 2003.
T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System Using LED Lightings," IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 50, no. 1, pp. 100-107, 2004.

상세보기
Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE P802.15.7, 2011.
Physical Layer Design and Specification, ICT-213311 OMEGA D4.2b, 2011.
Lighting of Indoor Work Places, European Standard EN 12464-1, 2003.
J. Grubor, S. Randel, K.-D. Langer, and J. W. Walewski, "Broadband Information Broadcasting Using LED-Based Interior Lighting," Journal of Lightwave Technology, vol. 26, no. 24, pp. 3883-3892, 2008.

상세보기
V. Jungnickel, V. Pohl, S. Noenning, and C. von Helmolt, "A Physical Model for The Wireless Infrared Communication Channel," IEEE Jour. Sel. Areas Communications, vol. 20, no. 3, pp. 631-640, 2002.

상세보기
H. Park and J. R. Barry, "Modulation Analysis for Wireless Infrared Communications," Proceeding of IEEE Int. Conf. Communications, pp. 1182-1186, 1995.

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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