[논문]CSK-OFDM 기반의 MIMO-VLC 시스템 성능 비교

황란미; 이병진; 최병곤; 김용원; 김경석

doi:10.7236/jiibc.2014.14.4.77

CSK-OFDM 기반의 MIMO-VLC 시스템 성능 비교
Performance Comparison of MIMO-VLC Systems based on CSK-OFDM 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.14 no.4, 2014년, pp.77 - 83

황란미 (충북대학교 전파통신공학과) , 이병진 (충북대학교 전파통신공학과) , 최병곤 (충북대학교 전파통신공학과) , 김용원 (충청지역사업평가원) , 김경석 (충북대학교 정보통신공학과)

초록
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가시광 무선통신 기술(VLC)은 LED 조명을 사용하여 통신이 가능하게 하는 기술로써 조명장치와 통신기능을 융합하는 기술이다. Color LED를 사용한 무선 통신의 성능을 향상시키고 데이터 효율을 향상시키기 위해서 이를 연구할 필요성이 있다. 본 논문에서는 일반적인 실내에서의 통신 환경을 가정하고, CSK-OFDM 기반의 LED 통신 시스템에 MIMO 기법을 적용하여, 더 효율적인 통신을 전송하는 방법에 대해서 연구하였다. IEEE 802.15.7 표준화에 근거하여 시뮬레이션을 통해 성능을 분석해 본 결과, CSK-OFDM 기반의 LED 통신 시스템에서 사용하는 MIMO 기반의 전송 기법과 외부 잡음은 SNR과 BER의 성능에 많은 영향을 끼침을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Visible light communication is a converging communication by technologies that enable solutions using the LED Lighting. There is a need to research about it in order to improve the performance of the wireless communication by using a Color LED and improve the efficiency of data. In this paper, Assume the General indoor communication environment and LED communication systems based on CSK-OFDM applied to a MIMO communication system, We studied about transmitting method of more efficient communication. After performing the simulation based on IEEE 802.15.7 Standardization, as a result of the analysis of performance, it was confirmed the there is a significant impact on the performance of SNR and BER performance by the transmitting method based on MIMO and external noise using the LED communication system based on CSK-OFDM.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

표 1에 주어진 파라미터에 따라 방을 구성한 실내 시나리오를 가정하였다. 방 사이즈는 5x5x2m로 사람이 수신기를 들고 있는 가정 하에 높이를 정하였다. 송신기와 수신기는 방에 각각 천장과 바닥의 정 가운데에 배치되어 있고, 수신기는 위를 송신기는 아래를 지향한다고 가정한다.
방 사이즈는 5x5x2m로 사람이 수신기를 들고 있는 가정 하에 높이를 정하였다. 송신기와 수신기는 방에 각각 천장과 바닥의 정 가운데에 배치되어 있고, 수신기는 위를 송신기는 아래를 지향한다고 가정한다. 수신각도(FOV ; Field of View)는 60도이고, FFT의 크기는 64, 유효 심볼 구간은 56이고, CP의 개수는 유효 심볼 구간의 25%인 14이다.
표 1에 주어진 파라미터에 따라 방을 구성한 실내 시나리오를 가정하였다. 방 사이즈는 5x5x2m로 사람이 수신기를 들고 있는 가정 하에 높이를 정하였다.

제안 방법

4장에서 제시된 표 2의 시뮬레이션 환경을 바탕으로, VLC에서 CSK-OFDM기반에서 MIMO와 외부 잡음에 따른 BER값의 성능을 분석하였다.
주파수 효율은 높이는 OFDM은 직·병렬 변환기, BPSK, IFFT, FFT, Cyclic Prefix(CP) 등으로 구성되어 있다. 그리고 MIMO 전송 기술은 총 3가지를 사용하였다. 하나는 에러 정정 코드 중 가장 기본적인 반복 코드(Repetition Code)이다.
다른 하나는 공간 다중화 혹은 공간 분할 다중화(Spatial Multiplexing) 방식으로 R,G,B를 각 분할하여 송·수신한다. 마지막으로 Alamouti가 제안한 시공간 블록 코드(STBC ; Space-Time Block Code)를 Mohammed I. Salemdeeb가 제안한 3x3으로 확장하여 분석하였다.
이를 위하여 MIMO 방식을 기본적인 RC, SM, STBC로 설정하였다. 여기에 실제 통신 환경에 외부 영향을 끼칠 수 있는 형광등, 직사광선을 고려하여 성능을 확인하고 비교했다.
외부 잡음으로는 외부 잡음을 적용하지 않은 상태(No Interference), 형광등(Fluorescent light), 직사광선(Sun)을 고려하였다.
이 논문에서는 CSK-OFDM을 적용한 Color LED 가시광 통신에서 다양한 MIMO 방식과 외부 잡음을 적용한 상황에 따른 시스템 성능을 비교 분석 하였다.
CSK방식은 백색 LED를 각각 R,G,B로 분류하여 Color LED로 통신이 가능하게 해주는 역할을 한다. 이 논문에서는 표준화에 따라 4-CSK와 8-CSK로 분석하였다. 주파수 효율은 높이는 OFDM은 직·병렬 변환기, BPSK, IFFT, FFT, Cyclic Prefix(CP) 등으로 구성되어 있다.
이를 위하여 MIMO 방식을 기본적인 RC, SM, STBC로 설정하였다. 여기에 실제 통신 환경에 외부 영향을 끼칠 수 있는 형광등, 직사광선을 고려하여 성능을 확인하고 비교했다.
본 논문에서는 CSK(Color Shift Key)와 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 전송 기술을 이용하였다. 통신의 비트 오류율(BER ; Bit Error Rate)은 신호 대 잡음비(SNR ; Signal to Noise Ratio)로 나타내어 성능을 비교하였다.

데이터처리

그림 5은 외부환경을 적용하지 않은 Ambient light 환경에서 4-CSK와 8-CSK에 MIMO 방식을 변화시켜 BER의 성능을 비교하였으며, ZF 이퀄라이저를 사용하여 신호를 검출하였다. 모든 MIMO 방식에서 8-CSK보다 4-CSK의 신호에서 SNR이 약 0.

이론/모형

본 논문에서는 CSK(Color Shift Key)와 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 전송 기술을 이용하였다. 통신의 비트 오류율(BER ; Bit Error Rate)은 신호 대 잡음비(SNR ; Signal to Noise Ratio)로 나타내어 성능을 비교하였다.

성능/효과

5dB정도 증가하였다. MIMO 방식에 따른 SNR은 RC와 비교하였을 때 STBC는 2dB, SM은 5dB 정도의 차이를 확인 할 수 있고, 외부잡음인 형광등과 직사광선을 적용하였을 때 역시 성능이 감소됨을 알 수 있다. 특히, STBC 방식인 경우, 직사광선에 영향을 많이 받는 것은 확인 할 수 있다.
5dB정도 증가됨을 알 수 있다. 또한 RC, STBC, SM순으로 성능이 향상되고, SNR 값이 RC를 기준으로 STBC는 약 2dB, SM은 약 5dB정도 차이를 확인할 수 있다.
그림 5은 외부환경을 적용하지 않은 Ambient light 환경에서 4-CSK와 8-CSK에 MIMO 방식을 변화시켜 BER의 성능을 비교하였으며, ZF 이퀄라이저를 사용하여 신호를 검출하였다. 모든 MIMO 방식에서 8-CSK보다 4-CSK의 신호에서 SNR이 약 0.5dB정도 증가됨을 알 수 있다. 또한 RC, STBC, SM순으로 성능이 향상되고, SNR 값이 RC를 기준으로 STBC는 약 2dB, SM은 약 5dB정도 차이를 확인할 수 있다.
외부 잡음을 고려하지 않았을 때 보다 형광등과 직사광선의 외부잡음을 고려하였을 때 전체적으로 성능이 열등하게 나오는 것을 확인할 수 있다. 외부 잡음의 세기가 클수록 최종 출력되는 신호가 변하게 되어 입력신호와 비교하게 되었을 때 변형이 많이 일어나게 되므로 BER 값이 증가하게 된다.
MIMO 방식에서 RC는 SM에 비해 데이터 효율은 감소되지만 같은 비트를 여러 번 반복해 전송되므로 성능은 향상된다. 즉, 4-CSK에 RC를 적용한 방식이 성능이 우수하고, 8-CSK에 SM을 적용한 방식은 성능이 열등함을 볼 수 있다.
외부 잡음의 세기가 클수록 최종 출력되는 신호가 변하게 되어 입력신호와 비교하게 되었을 때 변형이 많이 일어나게 되므로 BER 값이 증가하게 된다. 즉, 형광등과 직사광선 중 영향을 크게 미치는 것은 외부 잡음 세기가 가장 강한 직사광선 환경으로 STBC 환경에서는 형광등의 환경보다 약 2dB 이상의 성능을 하락시킴을 확인하였다.

후속연구

이 논문의 이러한 연구 결과는 Color LED 가시광 무선 통신 환경에서 MIMO 방식과 외부 잡음의 방식에 따라 수신 성능을 향상시키기 위해 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CSK방식의 역할은?	CSK방식은 백색 LED를 각각 R,G,B로 분류하여 Color LED로 통신이 가능하게 해주는 역할을 한다. 이논문에서는 표준화에 따라 4-CSK와 8-CSK로 분석하였 다.
	백열전등 퇴 출 정책과 LED 조명 제품 추진 정책의 장점은?	현재 정부의 백열전등 퇴 출 정책과 LED 조명 제품 추진 정책으로 LED로의 교체가 가속화 되고 있다. 이러한 정책으로 가시광 무선통신을 위해서만 LED를 다시 설치할 필요가 없이, 조명용으로 설치된 LED로 통신이 가능하여 설치비용이 절감되 고, LED조명이 있는 곳에서는 어디든 통신이 가능하기 때문에 기존 통신에서 불가능한 지역인 병원, 항공기 등 에서도 사용 가능하다는 장점이 있다. 또한, 기존에 사용 하던 무선 통신과 달리 조명이 있는 지역에만 통신이 가능하므로 보안 기능 또한 갖추고 있다[1].
	가시광 무선통신 기술이란?	가시광 무선통신 기술(VLC)은 LED 조명을 사용하여 통신이 가능하게 하는 기술로써 조명장치와 통신기능을 융합하는 기술이다. Color LED를 사용한 무선 통신의 성능을 향상시키고 데이터 효율을 향상시키기 위해서 이를 연구할 필요성이 있다.

참고문헌 (10)

Young Mo Gu, "Inter-carrier Interference Reduction Method Using Mask in a Fast Moving OFDM Receive", JBE Vol. 18, No. 3, May 2013
Pankaz Das, "Color-Independent OFDM-based Visible Light Communication", 2013 IEEE
Joachim Walewski, "Coding Scheme And Method For A Colour-Shift-Keying Constellation In A Visible-Light Communication System", November 2013.
Ravinder Singh, Timothy O'Farrell, "Performance Evaluation of IEEE 802.15.7 CSK physical Layer", 2013 IEEE
Seung-ho Lee,"A Study of Watermarking Data Transmission Scheme for BPSK-OFDM Based LED Communication System", 11-10 Vol.36 No.10

원문보기 상세보기
Byung-Jin Lee,"Performance comparison of MIMO-VLC systems according to the change of an emission angle",JIWIT, January 2013

원문보기 상세보기
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.

상세보기
Mohammed I. Salemdeeb, "Hybrid BLAST Space-Time Block Code for MIMO Communication Systems", Gaza, Palestine, pp. 21-22, 2011.
Mangal Singh, Dinesh choudhary and Pankaj mishra, "A Project Report on Study and implementation of Space Time Block Codes for MIMO wireless communication system", University of Pune, Pune, 2012-13.
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)

저자의 다른 논문 :

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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