[논문]거리 보상 기능이 내장된 가시광 통신 회로 설계와 구현

박정욱; 이용업

doi:10.7840/kics.2015.40.4.740

거리 보상 기능이 내장된 가시광 통신 회로 설계와 구현
Design and Implementation of Visible Light Communication Circuit with a Built-in Distance Compensation Function 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.40 no.4, 2015년, pp.740 - 749

박정욱 (Hallym University, Dept. of Electronic Engineering) , 이용업 (Hallym University, Dept. of Electronic Engineering)

초록
AI-Helper

종래의 LED(Light Emitting Diode) 조명을 사용한 가시광 통신에서 송수신기 회로 사이의 통신 거리가 증가함에 따라 가시광 채널의 페이딩과 채널의 경로손실 특성으로 인해 가시광 수신 회로의 포토다이오드에서 수신된 신호는 불규칙한 크기이며 감쇠된 특성을 가진다. 이런 문제점을 극복하기 위해, 이 논문에서는 가시광 통신의 통신거리 확장을 위해 반드시 필요한 거리 보상 회로가 내장된 비교기 문턱 전압 기반의 가시광 통신 회로를 제안하여 설계하고 가시광 시스템 시스템을 구현한다. 또한, 구현된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템을 통신 거리와 통신 시스템 속도에 따라 종래 가시광 통신 시스템과 비교하여 제안된 방식시스템의 성능을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the visible light (VL) communication based on the conventional LED lights, depending on the increase of the communication range, the signal received at the photodiode of the VL receiver has usually the random distorted and decreased amplitude due to the path loss and fading effects of the VL channel. In order to overcome this problem, we propose, design, and implement the visible light communication circuit based on the comparator threshold voltage, where has a built-in distance compensation function. In addition, the performance of the proposed technique is evaluated and analyzed depending on the distance and communication speed through comparing the proposed VLC system based on the threshold voltage with the conventional one.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 논문 연구는 이런 연구의 일환이면서, 이전 연구[4,5]인 간편한 비캐리어 변조 기반의 가시광 통신 기법의 확장 연구로, 기존의 가시광 통신 기법에서 통신거리 확장에 대한 가시광 채널의 경로손실 감쇠와 페이딩에 의한 신호 왜곡현상을 보상해 주는 거리보상 기능을 보완한 새로운 가시광 통신 회로 설계와 구프에 대한 연구이다.
통신거리 증가에 따른 신호감쇠가 일어나는 종래 가시광 통신 시스템의 문제점을 개선하기 위해, 문턱 값 기반의 가시광 통신 시스템을 제안하고 구현 하였다. 통신 거리 증가에 따라 채널의 경로손실, 페이딩에 따른 수신된 신호의 감쇠를 미리 보상하는 방식으로, 통신거리를 구역으로 나누어 정한 구간에서 미리 실험적으로 적합한 문턱값 전압을 정하고 이를 수신신호 전압과 비교 보상하여 거리와 무관하게 안정된 수신신호를 얻는 방법이다.
통신거리가 증대할 경우 경로 손실에 의한 신호감쇠 보상을 위해, 이 논문에서는 가시광 수신기의 포토다이오드에서 일정한 세기의 가시 광 신호 수신을 위해 새로 문턱값 기반의 가시광 통신 기법을 제안한다. 문턱값 방식의 핵심 아이디어는 다음과 같다: 문턱값 방식은 통신거리를 미리 구역으로 나누어 정한 구간에서 통신 채널의 경로손실, 페이딩에 따른 수신 신호감쇠를 미리 보상하는 방식인데, 미리 구역으로 나누고 실험적으로 미리 얻은 수신신호에 따라 문턱값 전압을 각각 생성하고 수신되는 전압과 기준전압을 비교기를 이용하여 비교하여 일정한 수신 전압을 얻는 방식이다.

제안 방법

이때 트랜지스터 MPS2222A의 스위칭 시간이 35ns, 285ns로 굉장히 빠르므로, 9600bps 통신 환경에서 한 비트 간격이 대략 80us 임을 감안할 때 원활한 스위칭이 가능하다. LED의 배열은 6x2로 전류 증대를 유지하기 위해, 트랜지스터 2개, 하나의 트랜지스터에 6개의 LED를 병렬연결하였다.
그림 9에서 중앙 좌측 상단에 1 m 거리의 멀리 있는 가시광 송신기의 LED 배열을 통해 가시광 채널로 방출된 조명과 가시광 신호는 중앙부 우축 하단의 가시 광 수신기의 포토다이오드에 수신되며 올바른 통신 결과 여부를 위해, 이 신호를 수신부 PC에서 확인한다. 구현된 가시광 송수신 프로토 타입에 전원공급기를 사용하여 전원을 인가한 뒤, 데이터 생성용 송신 PC, 수신 PC와 제작된 가시광 송신 프로토 타입, 가시광수 신기 프로토 타입에 각각 연결하고 각 컴퓨터에 직렬 통신용 소프트웨어를 설치하여 데이터 송수신을 관측하였다.
그림 2의 문턱값 처리 블록에서 문턱값 전압은 통신거리에 따라 영역을 나누고, 각 영역에 해당 하는 기준전압을 선택한다. 다시 말해, 통신거리를 미리 구역으로 나누어 가시광 채널 특성인 경로 손실 효과에 의한 신호감쇠를 보상하기 적절한 전압으로, 문턱값을 정하고, 이를 포토다이오드에서 수신된 신호와 비교한다. 즉, 수신신호가 문턱 값보다 클 경우 5V 출력, 수신신호가 문턱 값보다 작을 경우 0V의 일정한 출력이 된다.
비교기의 기준전압은 전원 5V 전압을 분배하여 3개의 딥스위치를 이용하여 구현하였으며, 통신거리에 따라 스위치를 조정하여 3가지의 문턱값을 설정하였다. LM339 비교기에 입력된 데이터 신호는 딥스위치를 통해 조정된 문턱값에 따라 비교되는데, 입력된 신호가 HIGH 값일 경우 문턱 값보다 크기 때문에 비교기 출력은 TTL HIGH 5V, 입력된 신호가 LOW일 경우 문턱값보다 작으므로 TTL LOW 0V가 출력된다.
그림 9의 가시광 통신시스템에서 송수신 데이터 형식은 비동기 프레임이며 데이터 비트는 16비트, 정지 비트는 1비트, 패리티 비트는 사용되지 않았다. 사용자 인터페이스는 Docklite v2.0 소프트웨어를 사용하였으며, 통신 속도는 9600bps, 송신된 데이터는 송신 PC에서 Docklite 소프트웨어를 통해 Hex 형식의 데이터 (AB CD)를 1초 주기로 반복해 전송하였다. 통신거리는 0 - 300cm 사이의 거리에서 10cm 간격으로 30회 실험하였다.
이 논문에서는 가시 광 송수신기 사이의 거리를 확장할 경우, 생기는 가시광 채널의 페이딩과 경로손실에 따른 신호감쇠왜곡을 보상하기 통신거리를 구역으로 나누어 정한 구간에서 미리 실험적으로 적합한 문턱값 전압을 정하고 이를 수신신호 전압과 비교 보상하여 거리와 무관하게 안정된 수신신호를 얻는 새로운 방법인 문턱값 기반의 가시광 통신 회로를 설계하고, 구현한다.
이 논문에서는 포토다이오드를 통하여 수신되어 증폭된 신호를 거리에 따라 3구간으로 나누어서 LM339의 기준전압으로 정하였다. 그림 9에서 알 수 있듯이, 송수신 간의 통신거리에 따라 포토다이오드에서 측정되는 전압 값이 다르기 때문에 0~100cm, 100~200cm, 200~300cm로 간단하게 나누어 이때 측정되어 증폭된 신호의 최대 차이의 평균인 중간으로 문턱값을 설정하였다.
제안 아이디어에 따라 문턱값 기반 가시광 통신 시스템을 구현하기 위해 기본 가시광 통신 시스템은 이전 연구인 비 캐리어 변조 가시광 통신 회로를 참조로 하고, 핵심 회로인 문턱값 결정회로, 수신신호와 문턱값 전압 비교기 모듈을 설계한다. 그래서 구상한 문턱값 기반 가시광 통신 시스템 구조가 그림 2에 있다.
제안된 방법론에 따라 상위설계와 상세 설계된 가시광 송수신 회로를 제안하였고, 구현된 프로토 타입을 사용하여 제안 방식의 타당성을 보이기 위해 회로 검증과 가시광 통신 실험, 설계된 회로 내 신호 파형에 대해 소개하였다. 또한, 세 가지 통신거리 영역에서 문턱값 설정 예들도 들었다.
0 소프트웨어를 사용하였으며, 통신 속도는 9600bps, 송신된 데이터는 송신 PC에서 Docklite 소프트웨어를 통해 Hex 형식의 데이터 (AB CD)를 1초 주기로 반복해 전송하였다. 통신거리는 0 - 300cm 사이의 거리에서 10cm 간격으로 30회 실험하였다. 회로 내의 파형 측정용 오실로스코프는 Tektronix 사의 TDS-2022B를 사용하였다.

대상 데이터

회로 내의 파형 측정용 오실로스코프는 Tektronix 사의 TDS-2022B를 사용하였다. 실험 장소는 공학관 통신 연구실에서 진행하였고, 송신부 LED 배열과 인접 조명인 일반 형광등의 간섭 외에는 다른 광원에 의한 간섭이 존재하지 않는 야간에 진행되었다. 송수신부는 지상에서 90cm에 위치하였으며, 수신부에서 인접 조명인 일반 형광등에 의한 조도는 263 Lux 값으로 측정되었다.
제안된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템의 통신시스템 속도에 따른 성능을 확인하기 위해, 종래 가시광 통신 시스템과 비교 분석하였다. 실험 환경은 그림 9의 환경과 동일하게 Docklite v2.0 소프트웨어를 송신 PC와 수신 PC에 설치하고, 동일한 LED 개수의 가시광 송신 프로토 타입에서 송신 PC에서 57.6kbps, 115.2kbps, 128kbps, 256kbps 전송속도로 변경해 가며, 종래 가시광 통신 시스템과 제안한 문턱값 기반 가시광 통신 시스템에서 각각 실험을 총 100회 수행하여 얻은 결과가 그림 17에 있다.
통신거리는 0 - 300cm 사이의 거리에서 10cm 간격으로 30회 실험하였다. 회로 내의 파형 측정용 오실로스코프는 Tektronix 사의 TDS-2022B를 사용하였다. 실험 장소는 공학관 통신 연구실에서 진행하였고, 송신부 LED 배열과 인접 조명인 일반 형광등의 간섭 외에는 다른 광원에 의한 간섭이 존재하지 않는 야간에 진행되었다.

데이터처리

그림 16. 여러 가지 통신거리에 따라, 제안된 방식의 구현 프로토 타입에서 측정한 성능 비교.
제안된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템의 통신시스템 속도에 따른 성능을 확인하기 위해, 종래 가시광 통신 시스템과 비교 분석하였다. 실험 환경은 그림 9의 환경과 동일하게 Docklite v2.

성능/효과

두 방식 모두 통신 속도가 증가에 따라 통신거리가 다소 감소하였지만 제안한 가시광 통신 시스템의 최대 통신 거리가 기존의 가시광 통신 시스템에 비하여 두 배 이상 증가하였음을 볼 수 있다. 구체적으로 전송속도 256 kbps에서 제안된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템의 최대 전송거리는 기존의 가시광 통신 시스템에 비해 송수신 통신거리가 약 2배 이상인 약 400cm이였으며, 전송 속도에 따른 통신거리는 57.6kbps에서 약 450cm로 기존의 가시광 통신과 마찬가지로 전송속도가 느릴수록 최대 전송거리는 연장됨을 확인할 수 있다.
그림 17에서 네 가지의 종류의 통신 속도에 대해서 기존의 가시광 통신시스템과 제안한 문턱값 기반 가시광 통신 시스템의 최대 통신 거리가 있다. 두 방식 모두 통신 속도가 증가에 따라 통신거리가 다소 감소하였지만 제안한 가시광 통신 시스템의 최대 통신 거리가 기존의 가시광 통신 시스템에 비하여 두 배 이상 증가하였음을 볼 수 있다. 구체적으로 전송속도 256 kbps에서 제안된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템의 최대 전송거리는 기존의 가시광 통신 시스템에 비해 송수신 통신거리가 약 2배 이상인 약 400cm이였으며, 전송 속도에 따른 통신거리는 57.
통신거리에 따라 급격히 감소한 포토다이오드 출력전압을 증폭했을 때, 100cm 이내의 가까운 거리에서는 일정한 전압이 출력되었지만 통신거리가 늘어남에 따라 증폭된 전압 값 또한 급격히 감소되어 일정한 출력신호를 얻을 수 없다. 따라서 제안된 문턱값 기반 가시광 통신 시스템을 사용할 경우, 100cm 이후의 최대 270cm의 통신거리에서도 거리에 따른 경로 손실 효과가 없이 일정한 출력이 됨을 볼 수 있다.
제안된 방식의 통신 거리에 대한 보상 성능 분석 결과로 100cm 이후의 최대 270cm의 통신거리에서도 거리에 따른 경로 손실 효과가 없이 일정한 출력이 되는 거리 보상 효과가 됨을 볼 수 있었고, 제안한 가시 광 통신 방식의 최대 통신 거리가 기존의 방식에 비하여 두 배 이상 증가하였음을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광 통신은 무엇을 이용한 통신인가?	가시광 통신은 가시광 위파를 이용한 통신으로 조명을 위해 공급되는 위기 신호를 매우 빠르게 변화 시키면, 이런 변환 동작은 380~780 THz의 가시광 신호를 통신 변조하는 효과로 볼 수 있어, 통신이 가능하다. 최근 그린 IT융합 연구 일환으로 LED 조명 인프라를 사용하여 가시광 통신을 이용한 여러 가지 서비스를 창출하는 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다[1-3].
	기존 가시광 송수신 회로에서 포토다이오드의 일정한 가시 광 수신이 힘든 이유는?	기존 가시광 송수신 회로에서는 LED 조명 신호의 빠른 스위칭 형식으로 가시광 신호를 일정하게 위송해도, 가시광 채널특성으로 인한 통신 거리에 의한 신호 감쇠와 인접 조명의 간섭 등으로 인해, 포토다이오드에서 일정한 세기의 가시 광 수신이 힘들다. 그림 1의 가시광 통신 환경에서 통신거리에 따른 가시광 수신기의 포토다이오드에서 수신된 신호 크기의 페이딩에 의한 왜곡과 불규칙한 신호 감쇠를 볼 수 있다.
	수신 신호가 문턱 값 보다 클 경우 5V, 작을 경우 0V로 일정하게 출력되는 것은 어떤 효과를 제공하나?	즉, 수신 신호가 문턱 값보다 클 경우 5V 출력, 수신 신호가 문턱 값보다 작을 경우 0V의 일정한 출력이 된다. 이는 특정 통신 범위에서는 통신 거리 차이가 있어도 이를 보상하는 효과를 제공한다. 비교기 출력 신호는 다시 선로 부호화를 거쳐 RS-232 신호 형식으로 변환되어 출력된다.

참고문헌 (7)

T. D. C. Little, P. Dib, K. Shah, N. Barraford, and B. Gallagher, "Using LED lighting for ubiquitous indoor wireless networking," in Proc. IEEE WIMOB, pp. 373-378, 2008.
D. Obrien, H. L. Minh, L. Zeng, G. Faulkner, and K. Lee, "Indoor visible light communications: Challenges and prospects," in Proc. SPIE, vol. 7091, pp. 1-9, Aug. 2008.
Y. Tanaka, T. Komine, S. Haruyama, and M. Nakagawa, "Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights," IEICE Trans. Commun., vol. E86-B, no. 8, pp. 2440-2454, Aug. 2003.
K. S. Lim, S. Baang, and Y. U. Lee, "Realization of non-carrier visible light communication system based upon LED IT," J. KICS, vol. 36, pp. 1117-1125, Sept. 2011.
Y. U. Lee and Y. S. Kang, "Performance analysis and design of a carrier-based visible light communication circuit for LED IT Service," J. KICS, vol. 38c, pp. 787-796, Sept. 2013.
T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEICE Trans. Fundamentals, vol. 50, no. 1, pp. 100-107, Feb. 2004.
V. Jungnikel, V. Phol, S. Nonning, and C. von Helmolt, "A physical model for the wireless infrared communication channel," IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 20, no. 3, pp. 631- 640, Apr. 2012.

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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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