LED-ID 시스템에서 LED의 온도 특성에 따른 선택적 변조 및 부호화를 통한 QoS 향상 기법 연구 Improving the QoS using the Modulation and Coding Selection scheme by temperature characteristic of LED in the LED-ID system원문보기
본 논문에서는, Light Emitting Diode-Identification(LED-ID) 통신 시스템에서 LED의 온도 특성에 따른 성능저하를 보상하여 QoS를 만족하는 방법에 대하여 연구하였다. LED-ID 통신 기술은 기존 조명의 기능을 수행하는 LED를 사용하여 통신의 기능까지 동시에 구현할 수 있는 효과적인 방법이다. 본 기술은 LED의 RGB(Red Green Blue)광원을 통하여 신호를 전송하는 방법으로, RGB의 혼합 비율에 따라서 조명의 색을 결정하고, 각 RGB신호의 BER성능이 결정된다. 그러나 지속적으로 LED를 사용할 경우에 발생하는 발열 특성으로 인해 각 소자의 온도가 증가하게 되고, 이러한 소자의 발열 온도 증가로 인한 시스템의 성능 저하가 발생 하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이 논문에서는 LED의 지속적 사용에 따른 발열 온도 및 이로 인한 시스템의 성능저하를 분석하고, 발열 온도 특성에 따른 선택적 변조 및 부호화 기법을 적용하여 신호를 전송함으로써, 시스템의 성능 향상과 QoS를 만족하는 기법을 연구하였다.
본 논문에서는, Light Emitting Diode-Identification(LED-ID) 통신 시스템에서 LED의 온도 특성에 따른 성능저하를 보상하여 QoS를 만족하는 방법에 대하여 연구하였다. LED-ID 통신 기술은 기존 조명의 기능을 수행하는 LED를 사용하여 통신의 기능까지 동시에 구현할 수 있는 효과적인 방법이다. 본 기술은 LED의 RGB(Red Green Blue)광원을 통하여 신호를 전송하는 방법으로, RGB의 혼합 비율에 따라서 조명의 색을 결정하고, 각 RGB신호의 BER성능이 결정된다. 그러나 지속적으로 LED를 사용할 경우에 발생하는 발열 특성으로 인해 각 소자의 온도가 증가하게 되고, 이러한 소자의 발열 온도 증가로 인한 시스템의 성능 저하가 발생 하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이 논문에서는 LED의 지속적 사용에 따른 발열 온도 및 이로 인한 시스템의 성능저하를 분석하고, 발열 온도 특성에 따른 선택적 변조 및 부호화 기법을 적용하여 신호를 전송함으로써, 시스템의 성능 향상과 QoS를 만족하는 기법을 연구하였다.
This paper introduces the improvement of QoS to compensate the decreasing LED performance by temperature characteristic in the LED-ID communication system. LED does not only use as a lighting device, but also uses as a communication device. The conventional system is transmitted by RGB of LED follow...
This paper introduces the improvement of QoS to compensate the decreasing LED performance by temperature characteristic in the LED-ID communication system. LED does not only use as a lighting device, but also uses as a communication device. The conventional system is transmitted by RGB of LED following the mixture color ratio, which determined the color of lighting, and the BER performance of each RGB signals. However, when the LED used consistently, it has occurred the heat temperature. As a result, LED is degraded the performance by increased temperature each device. To solve this problem, we proposed the adaptive modulation and coding scheme by temperature of device to improve the performance of system and satisfied the QoS in the LED-ID system.
This paper introduces the improvement of QoS to compensate the decreasing LED performance by temperature characteristic in the LED-ID communication system. LED does not only use as a lighting device, but also uses as a communication device. The conventional system is transmitted by RGB of LED following the mixture color ratio, which determined the color of lighting, and the BER performance of each RGB signals. However, when the LED used consistently, it has occurred the heat temperature. As a result, LED is degraded the performance by increased temperature each device. To solve this problem, we proposed the adaptive modulation and coding scheme by temperature of device to improve the performance of system and satisfied the QoS in the LED-ID system.
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문제 정의
본 논문에서는 LED-ID 시스템에서 LED의 발열 온도 특성에 따른 QoS 향상 방법에 대해서 연구하였다. LED 소자의 사용 시간에 따른 발열로 인한 성능 저하 및 송수신 신호의 전력 감쇄로 인하여 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 선택적 변조 및 부호화 기법을 제안하였다.
이 논문에서는 이러한 LED-ID 시스템에서 조명 및 통신을 위해 사용하는 LED소자의 발열 온도 특성에 따른 선택적 변조 기법에 대해서 제안하였다. LED소자는 개별 색상 소자인 R, G, B 소자들로 구성 되어 있고, 다양한 혼합 비율에 의해서 다양한 색상의 광원을 발생 시킨다.
가설 설정
이러한 LED 소자의 장점은 다음과 같다. 1) 소비전력이 낮다.2) 수명이 길다.
RGB(Red, Green, Blue), 세 가지 색상 소자의 비율을 조합하여 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 이는 다양한 혼합 비율을 통하여 색상의 다양성을 부여할 수 있다.5) 다양한 사용이 가능하다. 기존 조명등과 비교하여 작은 크기를 가지고 있어 유연한 설계가 가능하며, 매우 빠른 응답속도를 가지고 있다.
송신기와 수신기 사이의 채널은 LOS(Line of Sight) 채널과 NLOS(None Line of Sight) 채널 그리고 다른 광원들로부터 들어오는 배경잡음으로 구성된다. 다른 광원들로부터 들어오는 배경잡음은 백색 가우시안 노이즈 모델로 가정한다. 벽면에서 반사되어 들어오는 반사광원은 Lambertian 복사강도패턴으로 모델링한다[3,4,10].
제안 방법
4. 임계치를 초과하게 된 송신 LED는 광신호를 수신단에서 수신 광도 및 광전 효율을 측정한다.
본 논문에서는 LED-ID 시스템에서 LED의 발열 온도 특성에 따른 QoS 향상 방법에 대해서 연구하였다. LED 소자의 사용 시간에 따른 발열로 인한 성능 저하 및 송수신 신호의 전력 감쇄로 인하여 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 선택적 변조 및 부호화 기법을 제안하였다.
<표 2>는 측정 매개 변수를 나타낸 것이다. 광원에 관한 변조 기법은 IM-DD 기법을 사용하고 정형 파에 관한 변조 기법은 제안된 시스템에서 선택적 변조 및 부호화를 하기 위해서 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 과 컨벌루션 부호화를 사용하였으며, 부호화율은 변조 기법과 마찬가지로 1/3, 1/2, 2/3, 3/4로 다양하게 변경하여 선택이 가능할 수 있도록 하였다. 또한 잡음 모델은 실내에서 LED-ID 통신 시스템을 사용하기 때문에 AWGN 모델을 사용하였으며 통신 거리는 1m가 된다.
본 절에서는 LED-ID 시스템을 위한 Optical Wireless Channel 모델을 분석한다. 실내 환경에서 LED-ID 시스템은 LED 광원과 실내 공간에 위치하는 광 수신기로 구성되어 있다.
무선 광통신은 매우 높은 주파수로 인하여 경제적인 코히런트 시스템을 설계하는 것이 어렵다. 이러한 문제점으로 인하여 광원의 세기변조(Intensity Modulation : IM) 방식과 광검출다이오드(Photodiode : PD)를 이용한 광원의 세기 직접 검출(Direct Detection : DD) 방식으로 신호를 변복조한다. IM/DD 방식은 논-코히런트 시스템으로서 유선 광통신 분야의 광원, 광 검출기, 변조기 등의 세부 기술들이 사용되고 있어 경제적이고 안정적인 시스템 구성이 가능하다[1,2,10].
이러한 특징은 전체적인 LED-ID 시스템의 QoS 저하를 가져오게 된다. 이를 해결하기 위해, LED 발열 온도에 따라 선택적 변조 및 부호화 기법을 적용하여 QoS를 보장하는 방법을 연구하였다.
대상 데이터
<그림 5>와 <그림 6>은 발열 온도가 378(K)에서 298(K) 변화할 때 LED-ID 시스템의 스루풋 결과를 나타낸 측정한 것이다. 발열온도에 따른 상대적인 광도는 [12]의 논문의 데이터를 사용하였다. 측정 결과에 따르면, LED-ID 시스템 스루풋은 LED의 발열 상태와 변조 기법과 부호화율에 따라서 달라진다는 것을 알 수 있다.
이론/모형
광원에 관한 변조 기법은 IM-DD 기법을 사용하고 정형 파에 관한 변조 기법은 제안된 시스템에서 선택적 변조 및 부호화를 하기 위해서 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 과 컨벌루션 부호화를 사용하였으며, 부호화율은 변조 기법과 마찬가지로 1/3, 1/2, 2/3, 3/4로 다양하게 변경하여 선택이 가능할 수 있도록 하였다. 또한 잡음 모델은 실내에서 LED-ID 통신 시스템을 사용하기 때문에 AWGN 모델을 사용하였으며 통신 거리는 1m가 된다.
성능/효과
3. LED의 발열온도가 임계치 이내면 성능 손실 없이 사용자에게 QoS를 만족시키면서 데이터 수신이 가능하지만 임계치를 초과하게 되는 경우 성능 손실이 발생하게 되어 사용자에게 QoS를 만족시키지 못하게 되는 경우가 발생하게 된다. <그림 2>와<표 1>에 매핑하여 정확한 손실율을 파악한 후 그에 따른 변조 기법과 채널 부호화율을 결정 할 수 있도록 하여 성능 향상 및 사용자에게 QoS를 만족 시킬 수 있도록 한다.
결론적으로, 제안하는 LED-ID 시스템은 가변적인 변조 및 부호화율의 선택에 의해 LED의 발열로 발생하는 성능 저하를 보상하고 보다 나은 QoS를 제공할 수 있다.
측정 결과에서 알 수 있듯이, 기존의 고정적 변조 및 부호화를 통한 전송 시스템보다 LED의 발열 온도 특성에 따라서 각각 다른 변조 및 부호화 기법을 선택적으로 적용함으로써 성능이 향상 되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 제안 기법을 통해 LED 소자들의 발열 온도의 증가로 인한 시스템 성능 저하가 보상되어 향상된 QoS를 제공할 수 있다.
발열온도에 따른 상대적인 광도는 [12]의 논문의 데이터를 사용하였다. 측정 결과에 따르면, LED-ID 시스템 스루풋은 LED의 발열 상태와 변조 기법과 부호화율에 따라서 달라진다는 것을 알 수 있다. 기존의 시스템 같은 경우 LED의 발열 상태에 따라 변조 기법과 부호화율이 고정이 되어 있어 발열 상태에 따른 임계치를 넘어설 때 마다 성능이 저하되고 있는 것을 보여주고 있다.
측정 결과에서 알 수 있듯이, 기존의 고정적 변조 및 부호화를 통한 전송 시스템보다 LED의 발열 온도 특성에 따라서 각각 다른 변조 및 부호화 기법을 선택적으로 적용함으로써 성능이 향상 되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 제안 기법을 통해 LED 소자들의 발열 온도의 증가로 인한 시스템 성능 저하가 보상되어 향상된 QoS를 제공할 수 있다.
하지만 제안 시스템은 LED의 발열 상태에 따라 변조 및 부호화율을 가변적으로 선택하여 LED 발열에 따른 성능 저하 및 전력 손실을 선택적인 변조와 부호화율을 통해서 보상해줄 수 있으며, 그에 따라서 기존 시스템과 비교했을 때 제안하는 LED-ID 시스템 스루풋도 향상되고 사용자가 만족할 수 있는 QoS를 제공할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED-ID 기술이란?
LED-ID 기술은 LED(Light Emitting Diode) 광원을 이용하여 Tag 정보를 송수신하는 새로운 LED광원 기반의 ID 기술로 정의될 수 있다. LED-ID 기술은 차세대 조명으로 각광을 받고 있는 LED를 사용 하여, 조명 기능 이외에 추가적으로 ID정보의 전달 기능을 부여한 새로운 광-무선 기술로서 LED광원이 존재하는 어느 장소에서나 원하는 ID정보를 획득할 수 있는 신개념 ID 네트워크이다.
LED 소자의 상대적 상대 광도 감소는 무엇을 의미하는가?
하지만, 장시간 LED 조명을 사용하는 환경에서 LED 소자의 사용 시간 증가로 인해 발열 온도가 증가하게 되고, 이러한 발열 온도의 증가로 인해 LED 소자의 광도와 효율이 감소하게 된다. 즉 LED 소자의 상대적 상대 광도 감소는 LED 소자 자체의 송신 전력의 감쇄를 의미하고, 수신 측에서 수신되는 광도의 감소를 의미한다. 이러한 특징은 전체적인 LED-ID 시스템의 QoS 저하를 가져오게 된다.
LED 소자의 장점은?
이러한 LED 소자의 장점은 다음과 같다. 1) 소비전력이 낮다. 2) 수명이 길다. 현재 10만 시간 이상의 수명을 가지고 있으며 이는 반영구적인 사용이 가능하다. 3) 친환경 적이다. 기존 형광물질 및 가스등을 사용하는 조명등과 비교 하여 적은 환경오염 물질을 배출하고 낮은 소비전력과 긴 수명, 인체에 무해한 가시광원을 선택적으로 사용이 가능하여 친환경적인 소자로 주목받고 있다. 4) 다양한 색상 구현이 가능하다. RGB(Red, Green, Blue), 세 가지 색상 소자의 비율을 조합하여 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 이는 다양한 혼합 비율을 통하여 색상의 다양성을 부여할 수 있다. 5) 다양한 사용이 가능하다. 기존 조명등과 비교하여 작은 크기를 가지고 있어 유연한 설계가 가능하며, 매우 빠른 응답속도를 가지고 있다. 이러한 기술적이점들은 LED 조명 인프라의 장점을 바탕으로 신개념 무선통신 네트워크 서비스를 제공할 수 있는 기반을 제공하며, 이를 이용하여 LED조명을 통해 조명이 있는 곳이면 어디든 통신이 가능한 LED-ID 시스템 연구가 활발히 진행 되고 있다[1,2,10].
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