본 연구에서는 최근 각광받고 있는 융합기술 중의 하나인 가시광 통신 기술을 개발하고 실제 시제품을 구현하기 위한 시스템 기술에 대해서 기술한다. 본 논문에서는 현재 개발 중인 LED기반 VLC 시스템 기술을 송신부로서 아날로그 LED 드라이브 모듈, 디지털 변조 모듈 및 수신부로 광신호 센싱모듈, 신호복조 모듈로 분류하고 개별 모듈에 대한 구체적인 개발 시스템에 대해서 소자 및 주요 부품의 특성을 기반으로 제시하고 분석한다. 또한 통신 검증을 위해 VLC 송 수신 시뮬레이터를 설계하여 디밍 조절과 플리커 현상에 대한 부분까지 검증 가능하도록 개발하였다. 실제 개발된 시스템을 통해 약 0.5m 거리에서 약 12Mbps의 고속 데이터 전송이 가능함을 확인하였고, 다양한 멀티미디어 데이터까지 실시간으로 전송 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 기술은 가정 내 또는 실내 주차장 등과 같이 실내 측위 또는 조명과 함께 다양한 융합 데이터 서비스 등에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 최근 각광받고 있는 융합기술 중의 하나인 가시광 통신 기술을 개발하고 실제 시제품을 구현하기 위한 시스템 기술에 대해서 기술한다. 본 논문에서는 현재 개발 중인 LED기반 VLC 시스템 기술을 송신부로서 아날로그 LED 드라이브 모듈, 디지털 변조 모듈 및 수신부로 광신호 센싱모듈, 신호복조 모듈로 분류하고 개별 모듈에 대한 구체적인 개발 시스템에 대해서 소자 및 주요 부품의 특성을 기반으로 제시하고 분석한다. 또한 통신 검증을 위해 VLC 송 수신 시뮬레이터를 설계하여 디밍 조절과 플리커 현상에 대한 부분까지 검증 가능하도록 개발하였다. 실제 개발된 시스템을 통해 약 0.5m 거리에서 약 12Mbps의 고속 데이터 전송이 가능함을 확인하였고, 다양한 멀티미디어 데이터까지 실시간으로 전송 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 기술은 가정 내 또는 실내 주차장 등과 같이 실내 측위 또는 조명과 함께 다양한 융합 데이터 서비스 등에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
In this study, we design and develop a VLC test-bed system which has been recently issued and focused as good convergence technology in the world. We classify the developed system into transmission part including analog LED driver module, digital signal modulation module, and receiver part with ligh...
In this study, we design and develop a VLC test-bed system which has been recently issued and focused as good convergence technology in the world. We classify the developed system into transmission part including analog LED driver module, digital signal modulation module, and receiver part with light sensing module and signal demodulation module. Then we introduce important characteristics and components. We analyze some factors for each module. To validate the communication of the designed VLC system, we develop a VLC sender-receiver simulator which can control the dimming factor and flicker-free effect. From the developed system, we observed about 12Mbps of data transmission rate with 0.5m~1m of distance, without packet loss. We verified the real-time communication with multimedia streaming which can be considered as very high date rate. The developed system and technology will be useful for some converged data services like indoor positing, home appliances, and indoor parking system.
In this study, we design and develop a VLC test-bed system which has been recently issued and focused as good convergence technology in the world. We classify the developed system into transmission part including analog LED driver module, digital signal modulation module, and receiver part with light sensing module and signal demodulation module. Then we introduce important characteristics and components. We analyze some factors for each module. To validate the communication of the designed VLC system, we develop a VLC sender-receiver simulator which can control the dimming factor and flicker-free effect. From the developed system, we observed about 12Mbps of data transmission rate with 0.5m~1m of distance, without packet loss. We verified the real-time communication with multimedia streaming which can be considered as very high date rate. The developed system and technology will be useful for some converged data services like indoor positing, home appliances, and indoor parking system.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 국제적 상황 속에서 차세대 기술로 각광받고 있는 융합조명 기술인 LED기반의 수십 Mbps 전송속도를 가지는 고속 가시광 통신 기술을 소개하고 실제 본 연구를 통해 개발된 시스템 및 소프트웨어 시뮬레이터 기술의 다양한 특성과 구조를 소개하고자 한다.
본 논문에서는 최근 융합기술의 한 분야인 조명을 이용한 무선통신 기술인 LED-VLC 무선통신 시스템을 개발하고 송수신 플랫폼의 구조 및 모듈별 기술을 제안하였다. VLC 통신시스템의 송신부로서 아날로그 LED 드라이브 모듈, 디지털 변조 모듈 및 수신부는 광신호 센싱모듈, 신호복조 모듈로 분류하고 개별 모듈에 대한 구체적인 개발 시스템에 대해서 소자 및 주요 부품의 특성을 기반으로 분석하였다.
가설 설정
클라이언트는 수신된 데이터를 VPPM복조 작업을 통해 정상적으로 데이터를 수신하게 된다. 하나의 공간을 가정한 곳에서 LED의 거리를 650mm 로 가정하고 조명 분포 및 광 전력 분포, 반사의 효과를 반영한 통신을 확인한다.
제안 방법
LED 조명은 시제품 케이스의 위판에 고정되도록 설치하였으며, IrDA 모듈은 VLC 가시광통신에서의 가시광의 영향을 덜 받게 하기 위하여 약간 떨어진 위치에 설치하였다. IRDAT에서의 데이터는 SMA 커넥터를 사용하여 LDM (LED DRIVE MODULE) 모듈에 연결되도록 하였다.
LED 조명 DRIVE MODULE과 PHOTODIODE DRIVE MODULE의 전원을 분리하여 공급할 수 있도록 하여 추후 분리되어 동작되는 상황을 고려하였다. 전체적인 시제품의 외관 크기는 가로 500mm, 세로 400mm, 높이 650mm이다.
LED 조명 및 무선광통신 테스트베드 시제품의 외부에는 각종 데이터 전송과 전원 공급에 필요한 소켓과 커텍터 및 동작 스위치를 설치하여 외부 터미널을 통하여 동작 제어가 가능하도록 설계하였다.
본 논문에서는 최근 융합기술의 한 분야인 조명을 이용한 무선통신 기술인 LED-VLC 무선통신 시스템을 개발하고 송수신 플랫폼의 구조 및 모듈별 기술을 제안하였다. VLC 통신시스템의 송신부로서 아날로그 LED 드라이브 모듈, 디지털 변조 모듈 및 수신부는 광신호 센싱모듈, 신호복조 모듈로 분류하고 개별 모듈에 대한 구체적인 개발 시스템에 대해서 소자 및 주요 부품의 특성을 기반으로 분석하였다.
그림 4와 같이 펄스의 폭을 변화시킴으로써 광원의 밝기를 조절하는 변조 방법으로 현재의 LED조명에서 대부분 사용되고 있는 기술이다. Variable-PPM 변조 시뮬레이션은 IEEE 802.12.7 기반 4B6B 코드 방식으로 규현하였으며, VLC를 통해 전송받은 데이터를 VPPM 변조방식을 사용하여 IEEE 802.15.7 기반 4B6B 코드를 적용하여 그래프로 출력한다.
전체적인 시제품의 외관 크기는 가로 500mm, 세로 400mm, 높이 650mm이다. 또한 IrDA 송수신 통신 실험을 위하여 LDM (LED DRIVE MODULE) 모듈과 PDM (PHOTODIODE DRIVE MODULE) 모듈에 각각 IrDA 수신모듈과 IrDA 송신모듈을 설치하였다.
5m로 설정하였다. 송수신 모듈에 전원공급을 위한 전원 시스템을 시제품의 케이스 안쪽에 배치하여 외부로 드러나지 않도록 구성하였다. 또한 LED DRIVER MODULE 보드와 PHOTODIODE DRIVE MODULE 보드 또한 케이스 내부에 장착하여 깔끔하게 정리하였다.
수신모듈에서는 실제 빛으로 전송되는 고속 펄스 데이터를 photo LED를 통하여 데이터를 복호화하는 역할을 한다. 이를 위해서 정밀 가공된 광렌즈를 활용하여 빛으로 전송되는 펄스의 형태를 가장 잘 수신할 수 있도록 설계하였으며, 당연히 6Mbps의 데이터율을 지원하여 수신할 수 있는 고효율의 photo 다이오드를 채택하였다.
IrDA 구동모듈에 인가된 신호는 IrDA 송신 센서에 의해 IR (INFRA RED) 광신호로 변환되어 수신 모듈로 전달된다. 전체적인 통일성과 신호전달의 안전성을 위하여 SMA 케이블을 사용하여 신호를 전송한다.
그림 7은 실제 개발된 LED 기반 VLC 시스템을 보여 주고 있다. 제작한 LED 조명 및 무선광통신 테스트베드 시제품에서는 LED 조명과 수신 광렌즈까지 거리를 0.5m로 설정하였다. 송수신 모듈에 전원공급을 위한 전원 시스템을 시제품의 케이스 안쪽에 배치하여 외부로 드러나지 않도록 구성하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 분석장비는 Tetronix 社의 TDS2022 모델(200MHz, 2Gs/s)이다. Function Generator에서 구형파를 출력하고, 주파수의 범위를 1MHz에서 점차 높여 가면서 실험한 결과를 보인다.
LED 조명 DRIVE MODULE과 PHOTODIODE DRIVE MODULE의 전원을 분리하여 공급할 수 있도록 하여 추후 분리되어 동작되는 상황을 고려하였다. 전체적인 시제품의 외관 크기는 가로 500mm, 세로 400mm, 높이 650mm이다. 또한 IrDA 송수신 통신 실험을 위하여 LDM (LED DRIVE MODULE) 모듈과 PDM (PHOTODIODE DRIVE MODULE) 모듈에 각각 IrDA 수신모듈과 IrDA 송신모듈을 설치하였다.
성능/효과
입력 신호는 가장 위에 나타나며 4B6B VPPM신호로 변조된 신호를 화면을 통해 확인할 수 있다. VLC-LED 조명의 30~70% 밝기에 대한 디밍 시뮬레이션이 가능하며 설정을 통하여 광원의 밝기와 하드웨어의 성능에 다양한 결과를 확인할 수 있다.
또한 통신 검증을 위한 VLC 통신 소프트웨어 시뮬레이터를 개발하여 실제 디밍 조절까지 가능하도록 검증하였으며, 개발된 시스템을 통한 실험에서 볼 수 있듯이 데이터 패킷의 손실 없이 기존의 6Mbps 속도 이상인 약 12Mbps 데이터 전송률을 보였으며 신호의 왜곡정도도 매우 적음을 확인하였다. 통신 거리는 약 0.
본 연구에서는 실제 실험을 통해 거리 1m 내외에서는 신호 파형의 왜곡이 거의 없었으나 전체적으로 신호의 강도가 조금 약해짐을 관측할 수 있었다. 이를 토대로 더 높은 데이율에서 다양한 상황을 분석하여 추후 40Mbps 속도로 올리기 위한 다양한 기법의 연구가 필요하다.
낮은 주파수에서는 신호의 흔들림이나 왜곡이 매우 작으면서도 잘 전달되는 것을 확인할 수 있었다. 주파수가 점차 높아지면서 전송되는 데이터 신호에 대한 가시광의 세기가 감소하면서 전달된 신호에서 왜곡과 하모닉스 에 의한 신호 흔들림 현상이 나타남을 확인할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 높은 데이터 전송률에도 상당히 펄스 신호가 유지되면서 전송됨을 알 수 있다.
후속연구
또한 일반 전기적 무선신호에 비해 인체에 무해한 것으로 알려져 있으나 조명이라는 특성 때문에 특히 눈에 다양한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 부분도 좀 더 심층적인 실험을 통해 연구가 수행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 실제 실험을 통해 거리 1m 내외에서는 신호 파형의 왜곡이 거의 없었으나 전체적으로 신호의 강도가 조금 약해짐을 관측할 수 있었다. 이를 토대로 더 높은 데이율에서 다양한 상황을 분석하여 추후 40Mbps 속도로 올리기 위한 다양한 기법의 연구가 필요하다. 또한 일반 전기적 무선신호에 비해 인체에 무해한 것으로 알려져 있으나 조명이라는 특성 때문에 특히 눈에 다양한 영향을 미칠 수 있다.
또한 통신 검증을 위한 VLC 통신 소프트웨어 시뮬레이터를 개발하여 실제 디밍 조절까지 가능하도록 검증하였으며, 개발된 시스템을 통한 실험에서 볼 수 있듯이 데이터 패킷의 손실 없이 기존의 6Mbps 속도 이상인 약 12Mbps 데이터 전송률을 보였으며 신호의 왜곡정도도 매우 적음을 확인하였다. 통신 거리는 약 0.5m~1m정도로 이 후 개선된 개발 시스템에서는 실내조명으로 역할을 사용하기 위해서는 약 1.5m까지 통신이 가능하도록 기술 개발이 필요하며 이를 통해 가정 내 또는 실내 주차장 등과 같이 실내 측위 또는 조명과 함께 다양한 융합 데이터 서비스가 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED 융합조명 기술이란?
최근의 고효율 조명 기술의 발전으로 LED 조명의 보급 확대와 가시광통신 기능을 결합한 고부가가치 융합조명의 개발의 필요성이 매우 고조되고 있는 상황이다. 조명 환경과 무선통신 기능을 동시에 제공하는 LED 융합조명 기술은 LED 조명 광원에서 발산되는 빛을 이용하여 본질적인 조명 환경을 제공함과 동시에 무선으로 디지털 정보를 전달할 수 있는 통신 환경을 제공할 수 있는 기술로서 LED 조명 산업의 부가가치와 경쟁력을 배가시킬 수 있고, 이를 기반으로 한 다양한 신규 서비스 시장을 창출할 수 있는 융합산업으로서 각광받고 있다 [1]-[3]. 그림 1은 통신과 조명의 기능을 동시에 제공 가능한 LED 융합 조명의 개념도를 보여 주고 있다.
LED 융합조명 기술의 장점은?
최근의 고효율 조명 기술의 발전으로 LED 조명의 보급 확대와 가시광통신 기능을 결합한 고부가가치 융합조명의 개발의 필요성이 매우 고조되고 있는 상황이다. 조명 환경과 무선통신 기능을 동시에 제공하는 LED 융합조명 기술은 LED 조명 광원에서 발산되는 빛을 이용하여 본질적인 조명 환경을 제공함과 동시에 무선으로 디지털 정보를 전달할 수 있는 통신 환경을 제공할 수 있는 기술로서 LED 조명 산업의 부가가치와 경쟁력을 배가시킬 수 있고, 이를 기반으로 한 다양한 신규 서비스 시장을 창출할 수 있는 융합산업으로서 각광받고 있다 [1]-[3]. 그림 1은 통신과 조명의 기능을 동시에 제공 가능한 LED 융합 조명의 개념도를 보여 주고 있다.
LED 융합조명 기술은 어떤 분야로 확산 중인가?
이러한 LED 융합조명 기술은 무선통신 기능을 LED 조명에 융합할 때 훼손될 수 있는 LED 조명의 장점들 (밝기 제어 기능, 색상 제어 기능 등의 디지털 조명 환경)을 그대로 보존함으로써 무선통신 융합 LED 조명 산업화의 기술적 걸림돌을 제거하고 산업화를 촉진할 수 있는 대표적 고부가가치 기술이다[4]. 이러한 융합 조명 기술은 그린산업의 핵심으로 자리 매김하고 있으며, 지식경제부 123대 전략제품 자연친화 디자인 기반 지능형 융복합 조명 시스템과 같이 에너지 절감, IT 디지털 제어에 의한 전광판, LED TV 등 LED를 이용한 디지털 융합 조명으로 급속히 확산되고 있는 추세이다.
참고문헌 (15)
Le-Minh, H., Zeng, L., O'Brien, D.C., Bouchet, O., Randel, S., Walewski, J., Borges, J.A.R., Langer, K.-D., grubor, J.G., Lee, K., and Won, E.T.: ''Shortrange Visible Light Communications'', Wireless World Research Forum, 2007
Hugh-Sing-Liu, and Pang-G: ''Positioning beacon system using digital camera and LEDs'', IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2003, 52, (2), pp. 406-419.
IEEE: IEEE 802.15 WPAN Visual Light Communication Study Group (IGvlc) http://www.ieee802.org/15/pub/IGvlc.html, 2008.
O'Brien-Dc, Zeng, L., Le-Minh, H., and Faulkner, G.: ''VLC with whitelightLEDs: strategies to increase data-rate'', Presented at IEEE 802.15c meeting Jacksonville, Fl, USA, May, 2008, https://mentor.ieee.org/802.15/documents.
Yoshino, M., Haruyama, S., and Nakagawa, M.: ''High-accuracy positioning system using visible LED lights and image sensor'', Radio and Wireless Symposium, 2008 IEEE, 2008, pp. 439-442.
백색 LED 조명광통신에 관한 연구, 한국해양정보통신학회 2004 춘계종합학술대회지 제8권 제 1 호, pp. 479-481, 2004
신영종, 차세대 멀티미디어 이동 통신 단말 기술 동향, TTA 가시광무선통신 멀티미디어 표준 기술워크숍, 2007. 8. 30.
Haruyama S., "Visible light communication using sustainable LED lights," 2013 Proceedings of ITU Kaleidoscope: Building Sustainable Communities (K-2013), pp. 22-24, April 2013.
문현동, 이성수, 유종호, 이석주, 정성윤, "LED 기반 가시광 통신 기술 동향," 한국전자광학회지, Vol.1, No.1, pp.10-17, December, 2011.
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