가시광 무선통신은 전송하고자 하는 데이터를 빠른 ON/OFF 속도를 갖는 LED를 이용해 고속의 무선 데이터 전송 수단으로 사용하는 통신 방식이다. VLC 시스템이 발전함에 따라 기본적인 연구 문제는 통신 신뢰성 확보와 성능을 향상시키는 것이다. 가시광 무선통신의 특성 상 빛의 도달 범위에만 통신이 이루어지며, 이는 빛의 발광각도에 따라서 큰 차이를 나타낸다. 이에 본 논문에서는 일반적인 실내 환경의 경우, 여러 개의 LED가 장착되어 있는 속성을 이용하여 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템 적용하였으며, 송신기의 발광각도를 변화시켜 수신단에서 얻는 총 전력과 SNR성능을 분석하였다. 이에 대해 시뮬레이션을 실행한 결과, 송신기의 발광 각도에 따라서 SNR 성능과 BER성능에 많은 영향을 끼침을 확인하였다.
가시광 무선통신은 전송하고자 하는 데이터를 빠른 ON/OFF 속도를 갖는 LED를 이용해 고속의 무선 데이터 전송 수단으로 사용하는 통신 방식이다. VLC 시스템이 발전함에 따라 기본적인 연구 문제는 통신 신뢰성 확보와 성능을 향상시키는 것이다. 가시광 무선통신의 특성 상 빛의 도달 범위에만 통신이 이루어지며, 이는 빛의 발광각도에 따라서 큰 차이를 나타낸다. 이에 본 논문에서는 일반적인 실내 환경의 경우, 여러 개의 LED가 장착되어 있는 속성을 이용하여 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템 적용하였으며, 송신기의 발광각도를 변화시켜 수신단에서 얻는 총 전력과 SNR성능을 분석하였다. 이에 대해 시뮬레이션을 실행한 결과, 송신기의 발광 각도에 따라서 SNR 성능과 BER성능에 많은 영향을 끼침을 확인하였다.
Visible light communication is a communication method using an LED having a high-speed ON / OFF rate data to be transmitted, it is used as a wireless high speed data transmission. VLC system evolves, the problem of basic research is intended to improve performance and ensure reliability of the commu...
Visible light communication is a communication method using an LED having a high-speed ON / OFF rate data to be transmitted, it is used as a wireless high speed data transmission. VLC system evolves, the problem of basic research is intended to improve performance and ensure reliability of the communication. The nature of the visible light communication, communication is performed only in the reach of the light, which indicates a big difference by the emission angle of the light. Therefore, in this paper, in the case of indoor environments generally, with the attributes of the multiple LED is equipped, was applied to a MIMO (Multiple Input Multiple Output) communication system. and analyzed SNR performance and total power can be obtained on the reception side by changing the emission angle of the transmitter. As a result of the simulation was run against this, it was confirmed that there is a significant impact on the performance of BER and SNR performance by the emission angle of the transmitter.
Visible light communication is a communication method using an LED having a high-speed ON / OFF rate data to be transmitted, it is used as a wireless high speed data transmission. VLC system evolves, the problem of basic research is intended to improve performance and ensure reliability of the communication. The nature of the visible light communication, communication is performed only in the reach of the light, which indicates a big difference by the emission angle of the light. Therefore, in this paper, in the case of indoor environments generally, with the attributes of the multiple LED is equipped, was applied to a MIMO (Multiple Input Multiple Output) communication system. and analyzed SNR performance and total power can be obtained on the reception side by changing the emission angle of the transmitter. As a result of the simulation was run against this, it was confirmed that there is a significant impact on the performance of BER and SNR performance by the emission angle of the transmitter.
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문제 정의
발광각도 변화에 따라서 SNR 성능에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 모의실험을 수행하였다. 5.
본 논문에서는 LED 패널을 고정하고, Photo Diode를 가진 단말기를 움직여 발광각도에 따른 채널 품질 영향을 분석하였으며, MIMO전송 기술을 이용해 발광각도에 따른 BER성능 변화를 분석하였다. MIMO 전송 기술 중 하나는 송신 다이버시티를 위해 Alamouti가 제안한 space-time code에 기초한다[3].
가설 설정
5.0m × 5.0m× 3.0m의 방에서 4x4 실내 시나리오를 가정하였으며, 송신기와 수신기는 각각 방의 천장과 바닥에 배치하고 똑바로 아래쪽과 위를 지향한다고 가정한다.
LED의 발광각도의 변화는 다음과 같다. LED는 실내 방안의 천장에 위치하고 수평하며, 똑바로 아래쪽을 지향한다고 가정한다.
제안 방법
/DD(Intensity Modulated Direct Detection) 시스템을 고려한다. 그림 1과 같이, Nt개의 송신기와 Nr개의 광 검출기를 구성하였으며, 송신기에서 OOK(On-Off keying), 또는 VPPM (Variable Pulse Position Modulation)으로 변조된 펄스를 검출기로 송신하며, 수신된 신호벡터는 다음과 같다.
8% 감소하였다. 또한, BER성능도 MIMO환경에 따라서 각각 7dB, 9dB의 성능하락에 영향을 끼침을 확인하였다. 전송 방식별로는 다수의 송신기와 수신기의 개구 수 증가에 따라 성능이 개선됨으로 인해 RC, STBC, SM순으로 BER성능이 좋음을 확인하였다.
VLC 시스템이 발전함에 따라서 서비스 영역에서의 통신 신뢰성 확보와 데이터 레이트를 증가시키는 것은 기본적인 연구 문제이다. 이에 LED 패널을 고정하고, Photo Diode를 가진 단말기를 움직여 송신기의 발광각도에 따른 SNR 성능을 분석하였으며, MIMO전송 기술을 이용해 발광각도에 따른 BER성능 변화를 분석하였다. 그 결과 발광 각도가 변함에 따라 4x4 MIMO 환경을 기준으로 총 수신전력은 26.
데이터처리
그림 5는 2x2 MIMO 환경에서 각각의 변조방식에 따라서 발광각도를 변화시켜서 BER 성능을 비교하였으며, Zero-forcing(ZF) 등화기를 사용하여 신호를 검출하였다. 발광각도가 70도 일 때, LED로부터 수신 받는 영역이 늘어나 수신 전력이 증가한다.
이론/모형
본 논문에서는 LED 패널을 고정하고, Photo Diode를 가진 단말기를 움직여 발광각도에 따른 채널 품질 영향을 분석하였으며, MIMO전송 기술을 이용해 발광각도에 따른 BER성능 변화를 분석하였다. MIMO 전송 기술 중 하나는 송신 다이버시티를 위해 Alamouti가 제안한 space-time code에 기초한다[3]. 다른 하나는 두 개의 독립적 인 데이터 스트림들을 전송하기 위해 2개 이상의 송신 안테나를 사용하는 Spatial Multiplexing 과 동일한 정보를 동시에 다수의 송신기로부터 전송되는 방법을 적용한 Repetition code이다.
성능/효과
STBC 방식을 기준으로 35도와 비교해서 약 6dB정도 좋은 성능을 나타낸다. VLC채널에서 상대적인 성능 향상은 다이버시티 효과에 의해 나타남을 보여주며, 전송 방식에 따라서 STBC, RC, SM순으로 BER성능이 좋음을 확인하였다. 발광각도가 35도 일 때는 다른 LED로부터 데이터 수신을 하지 못하는 곳이 존재한다.
이에 LED 패널을 고정하고, Photo Diode를 가진 단말기를 움직여 송신기의 발광각도에 따른 SNR 성능을 분석하였으며, MIMO전송 기술을 이용해 발광각도에 따른 BER성능 변화를 분석하였다. 그 결과 발광 각도가 변함에 따라 4x4 MIMO 환경을 기준으로 총 수신전력은 26.9% 감소하였으며 SNR은 5.8% 감소하였다. 또한, BER성능도 MIMO환경에 따라서 각각 7dB, 9dB의 성능하락에 영향을 끼침을 확인하였다.
STBC 방식을 기준으로 약 8dB정도 좋은 성능을 나타내며, 발광각도가 변함에 따라 변하는 채널 이득값에 의해서 성능차이를 나타내고 있다. 또한 다수의 송신기와 수신기의 개구 수 증가에 따라 성능이 개선됨으로 인해, 2x2 MIMO 환경과 비교해 볼 때, RC방식이 STBC보다 좋은 성능을 나타냄을 볼 수 있다.
이는 모델링한 방안에서 송신기와 수신기 사이의 각도 변화는 최대 70도 이상 변하지 않음을 의미한다. 발광 각도가 70도에서 35도로 변화는 동안 총 수신전력은 4x4는 36.7%, 2x2는 36.6%, 1x1은 36.8% 감소하였으며 SNR은 7.8%, 8.9% 10.3% 감소하였다. 발광 각도가 작아지면서 각 LED로부터 빛을 받는 영역 또한 작아지므로 수신되는 전력 역시 감소함을 볼 수 있으며, 수신되는 전력이 감소함에 따라 노이즈의 영향이 증가해 SNR이 감소한다.
또한, BER성능도 MIMO환경에 따라서 각각 7dB, 9dB의 성능하락에 영향을 끼침을 확인하였다. 전송 방식별로는 다수의 송신기와 수신기의 개구 수 증가에 따라 성능이 개선됨으로 인해 RC, STBC, SM순으로 BER성능이 좋음을 확인하였다. Type 2는 Type 1에 비해서 Optical clock rate가 2배로 증가하면서 채널 분산으로 인해 잡음 대역폭이 증가함으로 성능 열화가 나타난다.
후속연구
이와 같은 연구는 가시광 무선 통신 시스템의 통신 영역에 따라 적응적으로 성능을 높이기 위해 발광 각도를 결정하고 MIMO 기술을 적용하여 성능을 향상 시킬 수 있는 기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가시광 무선통신이란?
가시광 무선통신은 전송하고자 하는 데이터를 빠른 ON/OFF 속도를 갖는 LED를 이용해 고속의 무선 데이터 전송 수단으로 사용하는 통신방식이며, 빛을 내는 조명의 역할을 함께 겸하여 통신을 할 수 있다는 특징에 현재 주목받고 있는 기술이다. 특히, 점멸이나 명암의 변화 주기가 짧을수록 고속의 데이터를 전송할 수 있다[1].
가시광 무선통신의 특징은?
가시광 무선통신은 전송하고자 하는 데이터를 빠른 ON/OFF 속도를 갖는 LED를 이용해 고속의 무선 데이터 전송 수단으로 사용하는 통신방식이며, 빛을 내는 조명의 역할을 함께 겸하여 통신을 할 수 있다는 특징에 현재 주목받고 있는 기술이다. 특히, 점멸이나 명암의 변화 주기가 짧을수록 고속의 데이터를 전송할 수 있다[1].
가시광 무선 통신은 어느 분야에서 많은 연구를 통해 기반이 완성되어 가고 있는가?
이 표준은 오디오 및 비디오 멀티미디어 서비스를 지원하기에 충분한 데이터 속도를 제공하기 위해 서로 데이터 통신 및 조명 용도를 병합하는 가시광 무선 통신 (VLC)의 사용을 기재 하고 있다. 현재 VLC는 모바일-단말기간의 통신, WPAN, 그리고 전자파의 간섭이 민감한 병원 및 항공기 등의 분야에서 많은 연구 활동을 통해 기반이 완성되어 가고 있다. VLC 시스템이 발전함에 따라서 서비스 영역에서의 통신 신뢰성 확보와 데이터 레이트를 증가시키는 것은 기본적인 연구 문제이다.
참고문헌 (8)
Y. Tanaka, T. Komine, S. Haruyama and M.Nakagawa, "Indoor Visible Light Data Transmission System Utilizing White LED Lights," IEICE Trans. Communication, E86-B, pp.2440-2454, 2003.
IEEE Std 802.15.7, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks -Part 15.7, Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light (IEEE, Piscataway, 2011)
S. M. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 16, no. 8, pp. 1451-1458, Oct. 1998.
L. Zeng, D. C. O'Brien, H. Le-Minh, K. Lee, D. Jung and Y. Oh, "Improvement of Data Rate by Using Equalization in an Indoor VLC System", IEEE ICCSC 2008, Shanghai, China, May 2008.
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G. 1. Foschini and M. J. Gans. "On limits of wireless commumcations in a fading environment when using multiple antennas," wireless Personal Cornmunicarions. vol. 6, pp. 311-335. 1998.
S. Navidpour, M. Uysal, and M. Kavehrad, "BER performance of freespace optical transmission with spatial diversity," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no. 8, pp. 2813-2819, Aug. 2007.
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