[논문]집광된 IR-LED를 이용한 가시광 통신 상향 전송 프로토타입 구현

장윤선; 최경묵; 주민철; 박영일

doi:10.7840/kics.2012.37c.9.784

집광된 IR-LED를 이용한 가시광 통신 상향 전송 프로토타입 구현
Prototype Implementation of VLC Upstream Transmission Using Focused IR-LED 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.37C no.9, 2012년, pp.784 - 790

장윤선 (국민대학교 전자공학과 광대역통신 연구실) , 최경묵 (국민대학교) , 주민철 (국민대학교) , 박영일 (국민대학교 전자공학과 광대역통신 연구실)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 가시광 통신(visible light communication: VLC) 상향 전송에서 전송거리 확대를 위한 전송방식을 제안하였다. 이를 위해 집광된 infrared(IR)-light emitting diode(LED)의 출력을 이용하여 조명에 위치한 광수신부에 전송하였다. 이러한 집광을 하는 경우 지향성이 너무 커서 IR-LED를 조명부 수신모듈에 정확히 향하지 않는다면 전송이 어렵게 되는 문제점이 있는데, 이를 해결하기 위해 여러 개의 IR-LED를 조금씩 다른 방향을 향하도록 배치하고, 수신부와 통신을 통해 이 중 최고의 전송성능을 보이는 IR-LED를 선택하는 방법을 제안하였다. 통신 성능을 주기적으로 감시하고, 성능이 저하되면 LED 재검색 과정을 통해 새롭게 최상의 성능을 보이는 LED로 통신을 교체하도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a upstream transmission method to extend coverage in visible light communication (VLC) systems. We extend transmission distance by using focused infrared(IR) light emitting diodes(LEDs). Since the focused light covers just limited area, it might have a difficulty in transmitting data if the transmitter and receiver are not properly aligned. To solve this problem, we arrange multiple IR-LEDs in different direction and select a single best performing IR-LED among multiple IR-LEDs. Also, the transmission performance is periodically checked and another IR-LED is reselected to support the required quality of service (QoS) and to minimize battery consumption required by a mobile terminal.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구를 통해 IR-LED를 이용하여 가시광 통신의 상향 전송을 구현하는 방법에 관해 살펴보았다. 전송 거리 확보를 위해서는 IR-LED의 빔 각도를 작게 해야 하는데, 이 경우 송수신 정렬이 어려운 문제가 생길 수 있다.
7에서 만들어진 가시광통신 표준^[6]에서도 상향전송은 제외되었다. 본 연구에서는 Infrared(IR) LED의 출력을 렌즈 등으로 집광하여 조명에 위치한 광수신부에 전송함으로써 전송거리를 확보하는 전송 방식을 제안하였다. 이때, 집광 정도가 크면 전송거리가 증가하는 반면 송수신 정렬을 어렵게 만든다.
전송 거리 확보를 위해서는 IR-LED의 빔 각도를 작게 해야 하는데, 이 경우 송수신 정렬이 어려운 문제가 생길 수 있다. 본 연구에서는 여러 개 IR-LED 중 실시간 최적 성능을 선택함으로써 전송거리 및 송수신 정렬의 용이성을 동시에 확보하는 방안을 제시하고 테스트베드를 이용한 실험 결과를 보였다. 테스트베드에 이용한 IR-LED의 경우 속도 및 거리에 제한이 있지만 적절한 소자 선택 및 회로 설계를 통해 향후 양방향 가시광통신에 적용될 수 있을 것이다.

제안 방법

LED의 빔 크기, 천장 높이, θ값 등의 관계를 수식을 통해 분석해 보았다.
한편, 전송 데이터에는 parity bit를 싣고 수신부에서 이를 검출하도록 함으로써 일정 오류 이상이 발견되면 조명부는 단말을 향해 ‘reselection’을 요청한다. 그러면 앞서 했던 채널 선택과정을 반복하여 다시 최고 성능을 보이는 IR-LED를 선택한다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 여러 개의 IR-LED를 조금씩 다른 방향을 향하도록 배치하고, 이들을 수신부와 통신하도록 하여 이 중 최고의 전송성능을 보이는 IR-LED를 선택한다. 또한 단말이 이동하는 경우를 대비하여 통신 성능을 주기적으로 감시하고, 성능이 저하되면 LED 재검색 과정을 통해 새롭게 최상 성능을 보이는 LED로 통신을 교체하도록 한다. 동시에 다른 LED는 출력을 끄고 대기 상태에 들어가도록 함으로써 단말의 배터리를 절약한다.
IR-LED로는 빔 각도 (Φ_1/2)±13°, 순방향 전류 100 mA, 최대 출력 500mW/Sr을 이용하였다 (OSRAM SFH 4350). 또한 조명부와 단말부 사이 거리는 약 80cm로 하였으며, 조명 LED 램프에는 21V의 전압을 가하였고 이 때 IR-LED의 전류 크기를 변화하며 BER (Bit Error Ratio) 값을 측정하였다. 조명부와 단말부 사이 거리의 최종 목표는 3m이지만, 본 연구에서는 제시한 프로토콜의 동작 및 양방향 전송 가능성 등을 수월하게 시험하기 위해 80cm 거리에서 시험을 하였으며 송수신 회로의 최적화를 통해 3m 전송을 할 수 있을 것으로 판단한다.
동시에 다른 LED는 출력을 끄고 대기 상태에 들어가도록 함으로써 단말의 배터리를 절약한다. 본 논문에서는 위 과정을 수행하는 알고리즘을 제안하고 제작한 프로토타입의 테스트 결과를 제공한다.
본 연구에서 제안된 알고리즘은 VHDL을 이용하여 프로그램 하였으며, Xilinx사의 FPGA 보드를 이용하여 실험을 수행하였다. 그림 7은 VHDL 스키메틱을 이용한 송수신 블록도에 해당한다.
위 II절에서 설명한 상향 전송 과정을 IR-LED에 적용해 테스트베드를 제작하고 시험을 통해 제안된 시스템의 성능을 분석하였다. 효율적인 전송을 위해 4개의 IR-LED는 그림 5와 같이 배치하였다.
이때 LED 램프 빛의 일부가 조명부 PD에 피드백 되어 들어가면 큰 간섭을 일으키게 된다. 이 문제를 해결하기 위해서 PD 전면에 적외선 필터를 사용하였다. IR-LED로는 빔 각도 (Φ_1/2)±13°, 순방향 전류 100 mA, 최대 출력 500mW/Sr을 이용하였다 (OSRAM SFH 4350).
즉, IR-LED를 이용하여 3m 이상의 전송을 위해 집광을 하는 경우에는 지향성이 너무 커서 LED를 조명부 수신모듈에 정확히 향하지 않는다면 전송이 어렵게 된다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 여러 개의 IR-LED를 조금씩 다른 방향을 향하도록 배치하고, 이들을 수신부와 통신하도록 하여 이 중 최고의 전송성능을 보이는 IR-LED를 선택한다. 또한 단말이 이동하는 경우를 대비하여 통신 성능을 주기적으로 감시하고, 성능이 저하되면 LED 재검색 과정을 통해 새롭게 최상 성능을 보이는 LED로 통신을 교체하도록 한다.
또한 조명부와 단말부 사이 거리는 약 80cm로 하였으며, 조명 LED 램프에는 21V의 전압을 가하였고 이 때 IR-LED의 전류 크기를 변화하며 BER (Bit Error Ratio) 값을 측정하였다. 조명부와 단말부 사이 거리의 최종 목표는 3m이지만, 본 연구에서는 제시한 프로토콜의 동작 및 양방향 전송 가능성 등을 수월하게 시험하기 위해 80cm 거리에서 시험을 하였으며 송수신 회로의 최적화를 통해 3m 전송을 할 수 있을 것으로 판단한다.
최적 전송성능을 보이는 LED를 선택하기 위해서는 4개의 IR-LED를 순차적으로 동작하면서 조명부로부터 피드백을 받는데, 이때 제어 채널은 그림 3과 같이 (Preamble+ SFD+ID)+DATA로 구성되어 있으며 괄호 부분은 그림에서와 같이 모든 IR-LED가 함께 전송하도록 함으로써 PD의 신호 수신 확률을 키워서 클럭 동기 및 데이터 수신 준비를 원활히 하도록 한다. SFD (Start Frame Delimiter) 는 데이터의 시작 위치를 알려주고, ID는 IR-LED의 식별을 위해 또한 DATA는 전송 성능의 확인을 위해 사용된다.
한편, 단말의 위치가 변화하는 경우 채널 재검색을 통해 통신 성능을 유지하는 알고리즘의 동작을 살펴보았다. 그림 11에서는 두 개 IR-LED 채널을 대상으로 하여 단말 이동에 따른 채널 선택을 오실로스코프에서 살펴본 것이다.
한편, 모바일 단말의 특성상 전송 도중 움직임이 발생할 수 있으며, 이때 통신 성능이 저하되면 IR-LED를 재검색 하도록 하였다. 즉, 데이터 전송 도중 주기적으로 성능을 확인하여 일정량 이상의 오류가 측정될 경우 다시 최적의 IR-LED를 선택하는 과정을 반복함으로써 사용자의 움직임에 따른 통신장애를 막고 있다.

대상 데이터

IR-LED로는 빔 각도 (Φ1/2)±13°, 순방향 전류 100 mA, 최대 출력 500mW/Sr을 이용하였다 (OSRAM SFH 4350).

성능/효과

필터를 적용함으로써 하향 조명이 켜진 경우와 꺼진 경우 BER 값에 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다. IR-LED 전류를 20mA~80mA 사이에서 변화하며 측정한 결과 BER 값이 10^-3 ~ 10^-6 사이에서 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.
그림에서 LED1~4는 LED의 동작을 보이고 있고, error_cnt1~4는 각 LED 채널의 오류를 계수한 결과를 나타낸다. 이 실험에서는 오류가 가장 적은 3번째 채널을 선택하여, LED3만 켜고 다른 LED는 모두 끈 결과를 보이고 있다.
5msec 이내의 시간이 소모되었다. 이와 같이 모바일 단말이 이동 중에도 최적 성능을 갖는 IR-LED로 채널을 이동하는 과정을 통해 끊김 없는 통신이 가능한 것을 확인하였다.

후속연구

테스트베드에 이용한 IR-LED의 경우 속도 및 거리에 제한이 있지만 적절한 소자 선택 및 회로 설계를 통해 향후 양방향 가시광통신에 적용될 수 있을 것이다. 또한 제안된 방식은 적은 전력을 사용해야 하는 이동 단말에 적용할 수 있고, 고속 응답 및 물리적 보안기능이 뛰어 나기 때문에 향후 차세대 홈네트워킹 등 근거리 네트워크에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 여러 개 IR-LED 중 실시간 최적 성능을 선택함으로써 전송거리 및 송수신 정렬의 용이성을 동시에 확보하는 방안을 제시하고 테스트베드를 이용한 실험 결과를 보였다. 테스트베드에 이용한 IR-LED의 경우 속도 및 거리에 제한이 있지만 적절한 소자 선택 및 회로 설계를 통해 향후 양방향 가시광통신에 적용될 수 있을 것이다. 또한 제안된 방식은 적은 전력을 사용해야 하는 이동 단말에 적용할 수 있고, 고속 응답 및 물리적 보안기능이 뛰어 나기 때문에 향후 차세대 홈네트워킹 등 근거리 네트워크에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상향 전송은 무엇을 위해 반드시 필요한 기능인가?	그러나 가시광통신의 문제점 중 하나는 단말에서 조명 방향으로의 상향 전송이 쉽지 않다는 것이다. 상향 전송은 양방향 전송이 필요한 네트워킹을 위해 반드시 필요한 기능이며, 이를 위해서는 충분한 전송거리, LED 조명의 간섭 배제, 전력 효율성 등을 확보할 수 있는 전송 방식이 이용되어야 한다. 그 동안 여러 방법들을 이용한 상향 전송 시도는 있었으나[5], 아직 만족할 만한 해결책은 제시되지 않았고, IEEE 802.
	가시광통신의 문제점은?	가시광통신의 속도 개선을 위해서 OFDM 변조방식이 적용되기도 하고[1,2], 또한 컬러 가시광통신을 위해서 PWM, VPPM 등 다양한 변조방식이 적용되기도 하였다[3,4]. 그러나 가시광통신의 문제점 중 하나는 단말에서 조명 방향으로의 상향 전송이 쉽지 않다는 것이다. 상향 전송은 양방향 전송이 필요한 네트워킹을 위해 반드시 필요한 기능이며, 이를 위해서는 충분한 전송거리, LED 조명의 간섭 배제, 전력 효율성 등을 확보할 수 있는 전송 방식이 이용되어야 한다.
	가시광 통신의 특징은?	조명용 Light Emitting Diode(LED) 제조 기술의 발전과 함께 수명이 길고 전력소모가 적으며 고속응답의 특성을 가지고 있는 LED를 이용한 가시광 통신(Visible Light Communication: VLC)은 더욱 많은 관심을 받고 있다. 이 통신방식은 RF를 이용하지 않으므로 주파수 허가가 필요하지 않고, 기존 주파수 간섭 없이 넓은 LED 대역폭을 사용할 수 있으며, 물리적 보안기능이 뛰어난 동시에, 고속 멀티미디어 데이터 전송도 가능해서 전파를 대체할 차세대 홈 네트워킹 수단으로 꼽히고 있다. 가시광통신의 속도 개선을 조명용 Light Emitting Diode(LED) 제조 기술의 발전과 함께 수명이 길고 전력소모가 적으며 고속응답의 특성을 가지고 있는 LED를 이용한 가시광 통신(Visible Light Communication: VLC)은 더욱 많은 관심을 받고 있다.

참고문헌 (9)

H. Elgala, R. Mesleh and H. Haas, "Predistortion in Optical Wireless Transmission Using OFDM", International Conf. on Hybrid Intelligent Syst., pp.184-189, 2009.
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E. Yeo, D. Lee, K. Kim, Y. Park "A Color Visible Light Communication Based on Emotional Lighting", J. Kor. Info. and Comm. Soc. Vol. 36, No. 7, pp. 635-639, Jul. 2011.
Kyungmook Choi, Yunseon Jang, Jingyoung Noh, MinChul Ju and Youngil Park, "Visible Light Communications with Color and Dimming Control by Employing VPPM Coding", ICUFN 2012, pp.10-12, Thailand, Jul. 4-6, 2012.
L. Zhou, J. M. Kahn, and K. Pister, "Corner-Cube Retroreflectors Based on Structure-Assisted Assembly for Free-Space Optical Communication", Journal of Microelectro mechanical Systems, Vol. 12,No. 3, pp.233-242, Jun. 2003.

상세보기
IEEE 802.15.7 "Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for Visible Light Wireless Personal Area Networks (WPANs), Jul. 20, 2011.
J.M. Kahn and J.R. Barry, "Wireless infrared communications", in Proc. IEEE, Vol. 85, No. 2, pp. 265-298, 1997.

상세보기
H. Sugiyama, S. Haruyama and M. Nakagawa, "Experimental investigation of Modulation Method for Visible-Light Communications", IEICE Trans. Comm., No. 12, pp. 3393-4000, 2006.
J.R Barry, Wireless Infrared Communications, Kluwer Academic Press, Boston, MA, 1994.

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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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