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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 LED 무선 가시광 통신 기술에 MIMO 기술을 접목시켜 전송속도를 높이고자 하는 연구를 진행하였다. 본 논문에서 제안한 방식은 이미지 센서를 이용한 MIMO 통신방법으로 송신단의 신호를 렌즈를 이용하여 분리한 다음, 이미지 센서를 이용하여 수신하는 방식이다.
제안 방법
- 3V의 입력전압으로 펄스의 전압 값을 인가하는 이유는 수신단의 이미지 센서의 sensitivity가 뛰어나 펄스의 전압 값을 0 V의 입력전압을 인가하였을 경우 이미지 센서에서 보다 정확한 결과를 도출하지 못하였다. 따라서 추가적인 LED 송신부 광 파워 측정을 통하여 입력 단에 최소의 peak-to-peak 전압 값을 통해 LED의 밝기를 조절하기 위해 1.3~5V의 최소 peak-to-to 전압 값을 사용하였다. 측정된 LED 송신부 광 파워는 <그림 2>과 <표 1>에 나타내었다.
- 또한, 전송거리를 10.5 m 에서 2개의 LED 구동 회로에 각 채널당 전송속도 200 bit/s로 전송속도를 증가시켜 실험을 해보았으며, 이를 에 나타내었다.
- 따라서 본 논문에서는 LED 무선 가시광 통신 기술에 MIMO 기술을 접목시켜 전송속도를 높이고자 하는 연구를 진행하였다. 본 논문에서 제안한 방식은 이미지 센서를 이용한 MIMO 통신방법으로 송신단의 신호를 렌즈를 이용하여 분리한 다음, 이미지 센서를 이용하여 수신하는 방식이다. 본 논문에서는 이러한 방식을 이용하여 각 채널당 전송속도 200 bit/s로 송수신부간 전송거리를 10.
- 본 논문에서는 2개의 LED 송신부와 이미지 센서 수신부를 이용하여 2x2 LED MIMO 무선 가시광 통신 실험을 구현하였다. 최대 전송거리는 10.
- 본 논문에서 제안한 방식은 이미지 센서를 이용한 MIMO 통신방법으로 송신단의 신호를 렌즈를 이용하여 분리한 다음, 이미지 센서를 이용하여 수신하는 방식이다. 본 논문에서는 이러한 방식을 이용하여 각 채널당 전송속도 200 bit/s로 송수신부간 전송거리를 10.5 m에 달하는 2x2 MIMO LED 무선 가시광 통신 실험을 구현하였다.
- 앞서 설명한 LED 송신부 및 이미지 센서 수신부를 이용하여 LED MIMO 통신 실험을 수행하였다. 수행한 실험에 대한 block diagram을 <그림 4>와 실험 setup에 대한 전체사진을 <그림 5>에 나타내었다.
- <그림 5>와 같은 실험 setup에서 LED 송신부와 이미지 센서 수신부의 사이의 전송거리를 10.5 m로 하여 2개의 LED 구동회로에 각 채널당 전송속도 100 bit/s로 각기 다른 디지털 신호를 전송하는 실험을 수행하였다.
- 수행한 실험에 대한 block diagram을 <그림 4>와 실험 setup에 대한 전체사진을 <그림 5>에 나타내었다. 이러한 실험 setup에서 LED의 송신부와 이미지 센서 수신부간 전송거리를 10.5m로 하여 2개의 LED 구동회로에 각 채널당 전송속도 100 bit/s 와 각 채널당 전송속도 200 bit/s로 각기 다른 디지털 신호를 인가하고 이미지 센서를 이용하여 각기 다른 디지털 신호를 수신하는 실험을 수행하였다. 참고로, 타 조명들은 모두 소등한 상태에서 실험을 수행하였다.
- 이를 확인하기 위하여 2개의 맺힌 상에서 첫 번째 상의 픽셀 중의 하나인 413번 픽셀에 대해 시간 축으로 얻은 데이터 값을 에 나타내었고, 두 번째 상의 픽셀 중의 하나인 650번 픽셀에 대해 시간 축에서 얻은 데이터 값을 에 나타내었다.
- 본 실험에서 사용한 이미지 센서는 CCD 이미지 센서로 Hamamastu 사의 S11071-1004 라는 모델을 사용하였으며, C11288 이라는 모델의 구동회로를 이용하여 이미지 센서 수신부를 구현하였다[11].
대상 데이터
- <그림 1>는 실험한 LED 송신부의 회로도이다. LED 소자는 Hamamastu 사의 적색 LED인 L10762 소자를 사용하였으며, LED의 peak 파장은 660 nm 근방이다. LED 송신부 회로는 Hamamastu 사 기술문서에 의한 LED 고속 펄스모드의 구동 추천 회로를 이용하였다[10].
- 본 실험에서 사용한 이미지 센서는 CCD 이미지 센서로 Hamamastu 사의 S11071-1004 라는 모델을 사용하였으며, C11288 이라는 모델의 구동회로를 이용하여 이미지 센서 수신부를 구현하였다[11].
- 이용하여 이미지 센서 수신부를 구현하였다[11]. 실험에서 사용한 이미지 센서는 총 1044 x 22 픽셀을 가지고 있으며, 이미지 센서 앞에 일반렌즈를 사용하여 2개의 LED 송신신호가 이미지 센서의 각기 다른 픽셀에 초점이 맺히도록 구현하였다. 이렇게 구현된 수신부 전체의 실제 모습을 <그림 3>에 나타내었다.
이론/모형
- LED 소자는 Hamamastu 사의 적색 LED인 L10762 소자를 사용하였으며, LED의 peak 파장은 660 nm 근방이다. LED 송신부 회로는 Hamamastu 사 기술문서에 의한 LED 고속 펄스모드의 구동 추천 회로를 이용하였다[10].
성능/효과
- 최근 LED 조명이 각광을 받게 된 이유는 저전력, 무수은, 긴 수명 등과 같이 친환경적인 특징을 갖추고 있으며, 에너지를 빛으로 변환하는 비율도 기존의 백열등 (약 10%)이나 형광등 (약 40%)에 비해 더 높기 때문이다. LED를 이용하여 전기 에너지를 빛으로 변화하는 비율은 injection 효율, internal 효율, extraction 효율까지 모두 다 감안하여 75% 수준까지 가능할 것으로 보인다. 이러한 LED의 에너지 전환 비율은 연구가 거듭될수록 계속 높아져 가고 있다[2].
- 비록 본 논문에서는 2x2 MIMO 무선 가시광 통신 실험하는데 그쳤지만, 동일한 방법을 그대로 이용하면 다 채널의 MIMO 실험도 충분히 가능할 것으로 예측된다. 또한, 현 실험의 전송속도는 상용 이미지 센서의 처리속도의 한계로 인해 200 bit/s에 머물렀지만, 고성능의 이미지 센서를 이용하거나 향후 이미지 센서 소자의 발전에 따라 MIMO 가시광 통신 용량이 증가할 수 있을 것으로 전망된다.
- 본 논문의 실험결과 중에서 각 채널당 전송속도가 100 bit/s (총 200 bit/s)인 경우의 실험결과에서 두 종류의 패턴이 각 픽셀에서 정상적으로 수신된 것을 실험결과를 통해 확인할 수 있었고, 각 채널당 전송속도 200 bit/s (총 400 bit/s)의 실험결과에서도 각 채널당 전송속도 100bit/s 실험과 같이 수신신호가 정상적으로 수신된 것을 확인할 수 있었다.
- 비록 본 논문에서는 2x2 MIMO 무선 가시광 통신 실험하는데 그쳤지만, 동일한 방법을 그대로 이용하면 다 채널의 MIMO 실험도 충분히 가능할 것으로 예측된다. 또한, 현 실험의 전송속도는 상용 이미지 센서의 처리속도의 한계로 인해 200 bit/s에 머물렀지만, 고성능의 이미지 센서를 이용하거나 향후 이미지 센서 소자의 발전에 따라 MIMO 가시광 통신 용량이 증가할 수 있을 것으로 전망된다.
- <그림 9>의 결과를 살펴보면, 전송속도를 200 bit/s로 증가시켰을 때에 10010 패턴이나 01011 패턴이 수신된 것을 확인할 수 있으나, 전송거리가 멀어 다소 오류가 발생할 것으로 판단된다.
후속연구
- 하지만, 기존의 RF 통신을 뛰어넘는 차세대 실내 무선 통신 용도로 쓰이려면 전송속도를 1 Gb/s 급 이상으로 올리는 연구가 필요하다. 또한, 무선 LAN 용도로 사용하려면 전송거리도 10 m 이상으로 증가시키는 연구도 필요하다.
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