[논문]광무선통신 시스템의 송수신기 구현

이선의; 김진영

문제 정의

이러한 LED를 이용한 가시광 통신 기술은 LED의 성능이 급격하게 증가하면서 새롭게 관심을 가지게 되었고, 특히 LED를 이용한 조명기술이 발전되고 보급이 점차 확대되면서 LED 조명과 융합한 가시광 무선통신 기술로 다시금 주목받기 시작했다. 본 논문에서는 LED를 이용한 송신단과 PD를 이용한 수신단의 수신파형을 분석하고 이를 이용한 가시광 통신 구현의 접근 방법을 소개한다. Audio 음성을 증폭하여 아날로그 신호를 LED를 통하여 눈에 보이지 않게 점멸시키고 PD를 통한 수신단에서 음성 신호를 복원하여 스피커로 출력 시켜본다.
본 논문에서는 가시광 통신을 구현하는 많은 방법에 대하여 연구하였다. 현재까지 가시광통신은 LED의 점멸만으로 즉 OOK 방식으로 전송한다고 많이 알고 있지만 실제 데이터 전송속도를 높이기 위해서는 좀더 빠른 모듈레이션 기법을 사용할 필요가 있다는 것을 보였다.
다양한 논문에서 가시광 통신의 가능성을 확인하기 위하여 시리얼 데이터를 송수신하는 RS232 포트를 통하여 가시광 통신을 구현하였다. 본 논문에서도 실험적인 데이터를 얻기 위하여 RS232포트를 통한 가시광 통신 구현을 다루어 보았다. 원리는 가시광 LED에 엠프로 증폭된 시리얼 신호를 흘리면 수신부의 PD에서 시리얼 신호를 복원한다.

제안 방법

본 논문에서는 LED를 이용한 송신단과 PD를 이용한 수신단의 수신파형을 분석하고 이를 이용한 가시광 통신 구현의 접근 방법을 소개한다. Audio 음성을 증폭하여 아날로그 신호를 LED를 통하여 눈에 보이지 않게 점멸시키고 PD를 통한 수신단에서 음성 신호를 복원하여 스피커로 출력 시켜본다. 또한 OOK 방식으로 아두이노(Arduino) 보드를 이용하여 텍스트 파일을 송수신 해본다.
신호의 세기를 높이기 위하여 LED의 전용 렌즈를 장착하였고 PD에 반사경을 사용하였다. LED에 신호발생기를 이용하여 5Vpp, 1KHz의 신호를 가하였고 50cm 거리에서 PD의 신호 복원 상태를 연구하였다. 다음과 같은 주파수에서는 사각펄스를 거의 완전하게 복원하는 것을 볼 수 있었다.
실제로 현재까지 나온 논문들은 OOK로 라인코딩기법을 효율적이게 하는 부분에 대해서 많이 다루어 다른 방식의 모듈레이션 방법을 다양하게 다루고자 하였다. 그래서 가시광 통신을 QAM 방식과 아날로그 시그널의 직접 전송으로 시도를 해보았다. 결과적으로 다른 방식으로 시도한 것보다 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있었다.
다양한 논문에서 가시광 통신의 가능성을 확인하기 위하여 시리얼 데이터를 송수신하는 RS232 포트를 통하여 가시광 통신을 구현하였다. 본 논문에서도 실험적인 데이터를 얻기 위하여 RS232포트를 통한 가시광 통신 구현을 다루어 보았다.
또한 OOK 방식으로 아두이노(Arduino) 보드를 이용하여 텍스트 파일을 송수신 해본다. 더 높은 데이터 전송 속도를 구현하기 위하여 전송방식을 OOK보다 가시광 통신방식에 적합한 QAM 기법을 사용할 수 있는 랩뷰(LabVIEW) 시스템으로 이미지 파일을 이진 데이터로 분활 시켜 16QAM 모듈레이션 방식으로 전송하고 수신단에서 다시 이진데이터를 복원하고 이미지파일로 표시하는 시스템을 구성하였다.
Audio 음성을 증폭하여 아날로그 신호를 LED를 통하여 눈에 보이지 않게 점멸시키고 PD를 통한 수신단에서 음성 신호를 복원하여 스피커로 출력 시켜본다. 또한 OOK 방식으로 아두이노(Arduino) 보드를 이용하여 텍스트 파일을 송수신 해본다. 더 높은 데이터 전송 속도를 구현하기 위하여 전송방식을 OOK보다 가시광 통신방식에 적합한 QAM 기법을 사용할 수 있는 랩뷰(LabVIEW) 시스템으로 이미지 파일을 이진 데이터로 분활 시켜 16QAM 모듈레이션 방식으로 전송하고 수신단에서 다시 이진데이터를 복원하고 이미지파일로 표시하는 시스템을 구성하였다.
이때 앞에 실험에서 PD의 신호 응답특성이 10KHz에서 정확하였고, 500KHz까지 사인 파형을 복원을 한다. 랩뷰 코딩에서 QAM 수치를 센터 주파수를 300KHz로 잡고 16QAM 방식으로 데이터를 송수신하였다. 랩뷰를 이용한 통신 방식 코딩은 대단히 직관적이라 데이터의 흐름을 직접 보면서 확인을 할 수 있는 것이 장점이다.
랩뷰를 통하여 아두이노를 제어해 텍스트 이진데이터로 변환하고 이를 오로지 디지털 시그널 출력으로 전송하고 디지털 입력으로 받아서 원본 데이터를 복원하는 연구를 하였다 [5]. 먼저 랩뷰의 아두이노 설정을 하고 사용할 보드 종류와 입력 방식 그리고 입력데이터를 넣어줄 시리얼 통신 속도를 설정한다.
랩뷰를 통하여 아두이노를 제어해 텍스트 이진데이터로 변환하고 이를 오로지 디지털 시그널 출력으로 전송하고 디지털 입력으로 받아서 원본 데이터를 복원하는 연구를 하였다 [5]. 먼저 랩뷰의 아두이노 설정을 하고 사용할 보드 종류와 입력 방식 그리고 입력데이터를 넣어줄 시리얼 통신 속도를 설정한다. 랩뷰를 이용한 코딩 방법은 그래픽 기반의 프로그램 언어 이기 때문에 실제 다이어그램 구조를 그대로 옮기는 것과 같다.
그림 13은 시리얼 통신을 통해서 COM1 포트로 신호를 수신 받는 통신속도 조절 인터페이스 모습이다. 속도를 높이기 위해서는 시리얼 통신은 Tx와 Rx의 페어쌍으로 총 4개의 선을 이용하여 오류를 줄여 RS422 인터페이스로 전환 하여 10M이상의 데이터 속도를 구현한다. 하지만 RS422 인터페이스는 송수신단이 각각 두 개로 이루어져 있고 신호가 서로 반전된 상태로 흘러가 오류는 줄이는 방식이기 때문에 구현을 위해서는 LED와 PD를 수신단 1번 파장과 수신단 2번 파장을 서로 다르게 해서 간섭이 적게 해서 보내야 하기 때문에 서로 다른 색의 LED를 사용해야 하는 어려움이 있다[7].
PD는 Vishay사의 TEPT5700과 LED는 Cree사의 XLamp White를 사용하였다. 신호의 세기를 높이기 위하여 LED의 전용 렌즈를 장착하였고 PD에 반사경을 사용하였다. LED에 신호발생기를 이용하여 5Vpp, 1KHz의 신호를 가하였고 50cm 거리에서 PD의 신호 복원 상태를 연구하였다.
다음 실험으로 주파수를 높여서 실험을 계속한 결과 그림 2를 보면 10KHz부터 조금식 PD의 신호응답특성이 따라가지 못함을 알 수 있다. 오디오 신호를 전선이 아닌 무선 채널을 통하여 전송하기 위해서 LED와 PD로 구성된 회로를 제작 하였다.
이 모든 데이터의 흐름을 천천히 관찰하면서 통신 시스템의 흐름을 관찰 할 수 있고 우리는 LED와 PD를 사용하기 때문에 이 심벌을 판정할 때 파형의 위쪽 마루만을 사용한다. 전송파형의 세기는 50cm 기준을 삼고 위의 실험에서 보았듯이 이 간격에서는 신호를 PD가 잘 복원해 내는 것을 이용하여 실험을 진행하였다. 각 신호가 비트를 표현하고 있고 비트는 한비트의 가드 비트로 나누어져 있다.

대상 데이터

그림 1은 본 논문에서 사용한 PD와 LED의 전달 특성을 나타낸 오실로스크프 그림이다. PD는 Vishay사의 TEPT5700과 LED는 Cree사의 XLamp White를 사용하였다. 신호의 세기를 높이기 위하여 LED의 전용 렌즈를 장착하였고 PD에 반사경을 사용하였다.
이때 LED의 파장과 PD의 파워 감도가 비슷해야 데이터를 수신할 수 있다. 본 논문의 실험에서는 가시광의 파워가 약 550nm에서 가장 강한 PD와 고출력 LED를 사용하였다 [3]. 회로 구성에는 증폭기 설계를 통해서 오디오 신호를 신호 증폭기를 통해서 1차 증폭 시키고 높은 파워로 전송을 위해서 강한 오디오 증폭기를 통해서 LED로 전달한다.

성능/효과

그래서 가시광 통신을 QAM 방식과 아날로그 시그널의 직접 전송으로 시도를 해보았다. 결과적으로 다른 방식으로 시도한 것보다 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있었다. 좀더 가시광통신이 사용자의 적합한 거리에서 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있다면 사용자에게 필요한 서비스를 제공할 수 있을 것이다.
이를 바탕으로 신호 응답 특성이 더욱 빠른 PD를 사용하면 높은 주파수 대역의 아날로그 신호도 복원이 가능함을 알 수 있다. 따라서 OOK 뿐만 아니라 다른 모듈레이션 방법도 충분이 사용이 가능함을 알 수 있었다.
2Kbps 속도가 한계이지만 실제 우리가 파일을 가시광으로 전송시켜보니 보드의 최대 점멸속도가 시리얼 통신 속도를 따라가지 못하였다 [6]. 따라서 보드를 통한 OOK 전송 방식은 속도의 한계가 있는 것으로 결론을 내렸다. 이 속도는 PD의 최대 신호응답특성 이 10KHz에 못 미치는 속도이기 때문에 데이터 전송 효율이 낮은 것을 알 수 있었다.
그림에서 보는 바와 같이 OP 앰프와 트랜지스터 앰프를 설계하여 LED를 통하여 무선 오디오 신호를 전송하고 PD를 통하여 무선 오디오 신호를 복원하여 음악을 수신하는 시스템 구성이다. 실제 구동을 하여 실험한 결과 50cm에서 실험한 오실로스코프의 그림과 같이 짧은 거리에서는 거의 잡음이 없이 높은 음량의 음악을 듣는 것이 가능 하였다. 하지만 거리가 멀어질수록 PD 출력으로 복원해야 하는데 1.
실제 랩뷰를 통하여 시뮬레이션 한 결과 650KB 이미지를 전송하는데 7초가 걸려 850Kbps의 전송속도가 나온 것을 볼 수 있었다. 이는 사용한 PD의 신호응답속도가 MHz단위를 넘어가면 복원이 힘들기 때문에 KHz 단위에 맞추어 시뮬레이션 한 결과 실제 데이터 전송속도가 많이 나오지 않는 것을 알게 되었다.
그림 10과 11은 각각 송신부와 수신부를 구성하는 랩뷰의 그래픽 코드이다. 실제 작동결과 텍스트 파일을 배열에 담아서 송신하고 복원하는데 걸리는 시간은 1.5Kbyte 텍스트 파일을 약 10 동안 전송하여 1.2Kbps 속도를 보였다.
실제 랩뷰를 통하여 시뮬레이션 한 결과 650KB 이미지를 전송하는데 7초가 걸려 850Kbps의 전송속도가 나온 것을 볼 수 있었다. 이는 사용한 PD의 신호응답속도가 MHz단위를 넘어가면 복원이 힘들기 때문에 KHz 단위에 맞추어 시뮬레이션 한 결과 실제 데이터 전송속도가 많이 나오지 않는 것을 알게 되었다.
신호의 주파수 대역이 1KHz 전후로 계속 변하지만 PD의 신호응답특성 영역 안에 위치하여 무리없이 복원이 가능함을 볼 수 있다. 이를 바탕으로 신호 응답 특성이 더욱 빠른 PD를 사용하면 높은 주파수 대역의 아날로그 신호도 복원이 가능함을 알 수 있다. 따라서 OOK 뿐만 아니라 다른 모듈레이션 방법도 충분이 사용이 가능함을 알 수 있었다.

후속연구

좀더 가시광통신이 사용자의 적합한 거리에서 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있다면 사용자에게 필요한 서비스를 제공할 수 있을 것이다. 앞으로는 5G를 가는 길목에서 모바일 셀의 크기를 좀더 작게 많이 만들고 안테나 빔포밍 기술을 이용하여 샤프한 빔을 여러 각도로 방사하여 사용자에게 빠른 데이터를 제공하는 것이 이슈인데 건물 내부에서 많은 조명을 이용하여 가시광 셀을 구성한다면 새로운 모바일 셀 기지국의 설치비용을 절약하고 조명인프라를 이용하는 일석이조의 효과를 얻을 것으로 기대한다.
결과적으로 다른 방식으로 시도한 것보다 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있었다. 좀더 가시광통신이 사용자의 적합한 거리에서 높은 데이터 전송속도를 얻을 수 있다면 사용자에게 필요한 서비스를 제공할 수 있을 것이다. 앞으로는 5G를 가는 길목에서 모바일 셀의 크기를 좀더 작게 많이 만들고 안테나 빔포밍 기술을 이용하여 샤프한 빔을 여러 각도로 방사하여 사용자에게 빠른 데이터를 제공하는 것이 이슈인데 건물 내부에서 많은 조명을 이용하여 가시광 셀을 구성한다면 새로운 모바일 셀 기지국의 설치비용을 절약하고 조명인프라를 이용하는 일석이조의 효과를 얻을 것으로 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RS422 인터페이스는 어떤 어려움이 있는가?	속도를 높이기 위해서는 시리얼 통신은 Tx와 Rx의 페어쌍으로 총 4개의 선을 이용하여 오류를 줄여 RS422 인터페이스로 전환 하여 10M이상의 데이터 속도를 구현한다. 하지만 RS422 인터페이스는 송수신단이 각각 두 개로 이루어져 있고 신호가 서로 반전된 상태로 흘러가 오류는 줄이는 방식이기 때문에 구현을 위해서는 LED와 PD를 수신단 1번 파장과 수신단 2번 파장을 서로 다르게 해서 간섭이 적게 해서 보내야 하기 때문에 서로 다른 색의 LED를 사용해야 하는 어려움이 있다[7]. 이는 시각적으로 문제가 된다.
	가시광 통신이란 무엇인가?	그 중에서 LED 조명을 이용한 가시광 통신 기술은 조명이 있는 곳 어디서나 무선 통신을 할 수 있게 해주어 활발한 연구가 진행 되고 있다. 가시광 통신이란 눈에 보이는 빛을 이용하여 LED를 점멸시켜 데이터를 전송하는 방식이다 [1]. 최초의 LED(Light Emitting Diode)가 개발된 이후 LED는 전자기기의 전원 상태를 표시하거나 장비의 동작 상태를 표시하는 간단한 기능만을 제공해 왔다.
	LED가 발생시키는 빛의 파장은?	반도체 소자인 LED는 전류를 흘리면 소자에 해당하는 빛을 발생 시킨다. 이때 그 빛은 파장이 가시광영역인 400nm에서 700nm을 말한다. LED에 전류를 흘려 데이터를 전송시키면 수신단인 PD에서 그 빛을 받아서 다시 전류로 바꾸어 준다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 광무선통신 시스템의 송수신기 구현
Implementation of Transceiver for Optical Wireless Communication System 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 광무선통신 시스템의 송수신기 구현 Implementation of Transceiver for Optical Wireless Communication System 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이선의 (25) 김진영 (229)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 광무선통신 시스템의 송수신기 구현
Implementation of Transceiver for Optical Wireless Communication System 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper