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문제 정의
- 본 논문에서는 LED 기술이 발전함에 따라 많은 주목을 받고 있는 가시광 무선통신에 대한 통신 성능을 분석하였다. 통신 시스템은 실내 환경의 SISO VLC 시스템에 오류제어 방식인 SR-ARQ를 적용하여 구성하였고, 4가지의 수신지점 및 NRZ-OOK와 VPPM 변조 방식을 적용하여 수신지점 및 변조 방법에 따른 통신 성능을 BER, 전송횟수, Throughput을 이용하여 분석하였다.
제안 방법
- 본 논문에서 SR-ARQ 적용 시 Window Size는 3으로, 최대 재전송 횟수는 6으로 제한하였고, 전송 데이터 개수는 100개로 설정하였다. SR-ARQ를 적용시킨 시스템 환경에서 통신 성능 분석에는 BER, 전송횟수(T), Throughput 의 세 가지 항목을 이용하였으며, 측정되는 BER값을 이용하여 전송횟수(T)와 Throughput의 값을 수식 (4)~(10)을 이용하여 도출하였다.[7][8][9]
- 우선 송신측에서 확인 응답을 기다리지 않고 전송할 수 있는 데이터의 크기를 의미하는 Window Size만큼 연속적으로 데이터 전송을 한다. 그 후 수신측에서 수신된 데이터의 오류 발생 유무를 점검하고 이에 대한 확인 응답 신호를 송신 측에 전송을 한다. 수신측에서 전송한 확인 응답 신호에 따라 송신측은 긍정 확인인 ACK 신호를 수신하였을 경우 다음 순번의 데이터를 전송하고, 부정 확인인 NACK 신호를 수신하였을 경우 해당 데이터를 재전송하게 된다.
- ARQ 기법은 오류정정 기능을 갖추지 못하였지만, 오류 검출 기능만으로도 통신회선의 신뢰성 확보에 많은 이점을 가져다주며 특히 낮은 오류 발생률에서 효과적인 기법이다. 대표적인 ARQ 기법으로는 표 2와 같이 Stop and Wait, Go Back N, Selective Repeat가 있으며, 본 논문에서는 전송 효율을 고려하여 SR-ARQ (Selective Repeat ARQ)를 적용하였다.
- 본 논문에서는 실내 환경의 SISO VLC 시스템에 오류 제어 기법인 ARQ(Automatic Repeat reQuest)를 적용하여 통신 환경을 구축하였고, 4가지의 수신지점을 설정하여 각각의 수신 지점에 따른 통신 성능을 비교 및 분석하였다. 또한, 두 종류의 변조 방식인 NRZ-OOK와 VPPM을 적용하여 변조 방식에 따른 통신 성능도 비교 및 분석하였다. ARQ란 데이터 전송의 신뢰성을 보장하기 위한 기법으로써 수신측에서 오류가 발생한 데이터에 대하여 송신측에 재전송을 요청하여 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 오류 제어 프로토콜이다.
- 본 논문에서는 수신지점에 따른 성능을 비교하기 위해 m값을 1로 설정하여 φmax가 60°의 값을 갖는 넓은 영역으로 고르게 가시광 파장이 방사되는 환경을 조성하였다.
- 본 논문에서는 실내 환경의 SISO VLC 시스템에 오류 제어 기법인 ARQ(Automatic Repeat reQuest)를 적용하여 통신 환경을 구축하였고, 4가지의 수신지점을 설정하여 각각의 수신 지점에 따른 통신 성능을 비교 및 분석하였다. 또한, 두 종류의 변조 방식인 NRZ-OOK와 VPPM을 적용하여 변조 방식에 따른 통신 성능도 비교 및 분석하였다.
- 실내 환경을 고려하여 시스템 환경을 5m×5m×3m의 방으로 설정하였으며, 송신지점은 2.5m×2.5m×3m지점에 고정시키고 수신지점에 따른 성능 비교를 위하여 방의 가장자리부터 중앙 부근에 걸쳐 4가지의 수신지점을 그림 1과 같이 설정하였으며 모든수신 지점의 높이는 0m이다.
- 본 논문에서는 LED 기술이 발전함에 따라 많은 주목을 받고 있는 가시광 무선통신에 대한 통신 성능을 분석하였다. 통신 시스템은 실내 환경의 SISO VLC 시스템에 오류제어 방식인 SR-ARQ를 적용하여 구성하였고, 4가지의 수신지점 및 NRZ-OOK와 VPPM 변조 방식을 적용하여 수신지점 및 변조 방법에 따른 통신 성능을 BER, 전송횟수, Throughput을 이용하여 분석하였다.
- 표 1과 같이 송신부에서 전송되는 하나의 OFDM Symbol은 1120bits의 길이를 갖으며 오류제어 기법인 SR-ARQ를 적용하여 오류가 발생한 데이터의 경우 재전송을 수행하도록 구성하였다. 또한, 변조 방식에 따른 성능 비교를 위하여 NRZ-OOK와 VPPM의 변조 방식을 이용하였다.
대상 데이터
- ARQ 기법을 시스템에 적용할 시에는 높은 오류 발생률에서 지속적으로 재전송이 요구되는 것을 방지하기 위해 최대 재전송 횟수를 미리 설정하여 부정 확인을 수신했을 경우에도 최대 재전송 횟수를 초과하게 되면 다음 순번의 데이터를 전송하게 된다. 본 논문에서 SR-ARQ 적용 시 Window Size는 3으로, 최대 재전송 횟수는 6으로 제한하였고, 전송 데이터 개수는 100개로 설정하였다. SR-ARQ를 적용시킨 시스템 환경에서 통신 성능 분석에는 BER, 전송횟수(T), Throughput 의 세 가지 항목을 이용하였으며, 측정되는 BER값을 이용하여 전송횟수(T)와 Throughput의 값을 수식 (4)~(10)을 이용하여 도출하였다.
데이터처리
- 그림 5는 NRZ-OOK 변조를 적용한 VLC 시스템의 수신지점 별 시뮬레이션 결과로써 전송된 100개의 데이터의 평균값을 계산하였다. 그림 5의 (a)와 같이 BER 그래프에서는 수신지점 별 약 2～3dB정도의 성능 차이를 보였다.
- 그림 6은 VPPM 변조를 적용한 VLC 시스템의 수신지점 별 시뮬레이션 결과로써 전송된 100개의 데이터의 평균값을 계산하였다. NRZ-OOK 변조를 적용한 시스템의 성능과 유사하게 그림 6의 (a)와 같이 BER 그래프에서 수신지점 별 약 2～3dB정도의 성능 차이를 보였다.
- 본 논문에서는 ARQ 기법 중 SR-ARQ(Selective Repeat-ARQ)를 적용시켰다. 통신 성능 분석 항목은 BER, Throughput, 전송횟수를 이용하였고, 이론값과 비교하여 시뮬레이션 결과의 유효성을 확인 후 수신지점 및 변조 방식에 따른 성능을 비교 및 분석하였다.
이론/모형
- 표 1과 같이 송신부에서 전송되는 하나의 OFDM Symbol은 1120bits의 길이를 갖으며 오류제어 기법인 SR-ARQ를 적용하여 오류가 발생한 데이터의 경우 재전송을 수행하도록 구성하였다. 또한, 변조 방식에 따른 성능 비교를 위하여 NRZ-OOK와 VPPM의 변조 방식을 이용하였다.
- 그림 3의 (b)와 같이 VPPM 변조에서는 한 주기(T)에서 광 펄스 폭(d)의 조절를 통해 디밍값을 조절할 수 있으며 이를 통해 밝기 조절이 가능하다. 본 논문에서는 0.5의 디밍값을 갖는 VPPM 변조 방식을 이용하였다.[2][6]
- ARQ란 데이터 전송의 신뢰성을 보장하기 위한 기법으로써 수신측에서 오류가 발생한 데이터에 대하여 송신측에 재전송을 요청하여 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 오류 제어 프로토콜이다. 본 논문에서는 ARQ 기법 중 SR-ARQ(Selective Repeat-ARQ)를 적용시켰다. 통신 성능 분석 항목은 BER, Throughput, 전송횟수를 이용하였고, 이론값과 비교하여 시뮬레이션 결과의 유효성을 확인 후 수신지점 및 변조 방식에 따른 성능을 비교 및 분석하였다.
성능/효과
- 본 논문의 SISO VLC 시스템에 적용했을 경우 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식보다 수신지점 별 약 2～3dB정도의 높은 성능을 보였고, 이에 따라 전송횟수와 Throughput에서도 2～3dB정도 우수한 통신 성능을 확인하였다. 그림 7의 (a)와 같이 전체적으로 낮은 오류 발생률 환경에서 BER값이 SNR의 값에 따라 급격히 변화했기 때문에 낮은 오류 발생률 환경에서 효과적인 신뢰성 향상을 보이는 SR-ARQ를 시스템에 적용했을 경우 그림 7의 (b),(c)와 같이 전송횟수나 Throughput의 값도 SNR의 값에 따라 급격히 변화하는 경향을 보였다.
- 또한, 전송횟수 1은 1개의 데이터가 정상 수신하기까지 1회 전송만을 수행했음을 의미하므로 별도의 재전송이 수행되지 않은 좋은 성능의 환경임을 보여준다. ARQ는 오류 정정 기능을 갖추지 않은 오류 검출 및 재전송 기법이므로 높은 오류 발생률 환경에서는 전송횟수 그래프의 변화가 없었으며, 시뮬레이션에 이용한 데이터 길이인 1120bits를 고려했을 때 수신지점 별 약 10-3의 BER값을 갖는 낮은 오류 발생률 환경 부근에서 재전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 것을 확인하였다. 그림 5의 (c)와 같이 Throughput 그래프에서도 BER을 이용하여 계산한 Throughput의 이론값과 실제 측정값이 대부분 유사함을 보였다.
- 수신 지점 별 전송횟수 값이 이론값보다 실제 측정값에서 낮게 측정되었지만 값의 큰 차이는 보이지 않았다. NRZ-OOK 변조를 적용한 VLC 시스템과 동일한 1120bits길이의 데이터를 사용했으므로 수신지점 별 약 10-3의 BER값을 갖는 낮은 오류 발생률 환경 부근에서 전송횟수 값의 변화가 발생하였고, 재전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 것을 확인하였다. 그림 6의 (c)와 같이 Throughput 그래프에서도 BER을 이용하여 계산한 Throughput의 이론값과 실제 측정값이 대부분 유사함을 보였다.
- 변조 방식에 따른 통신 성능을 비교하였을 경우 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식에 비해 각 수신지점에서 약 2～3dB정도의 높은 성능을 보임을 확인하여 본 논문에서 구성한 VLC 시스템 환경에서는 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식보다 효과적임을 확인하였다. 또한, SR-ARQ의 적용으로 인해 높은 오류 발생률 환경에서는 성능향상을 보이지 않았지만, 통신 성능 분석에 사용된 데이터의 크기를 고려하였을 경우 10-3의 BER 값을 갖는 낮은 오류 발생률 환경 부근에서 재전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성이 높아짐을 확인하였다.
- 최대 재전송 횟수를 6으로 설정하였기 때문에 그래프 상의 전송횟수 7은 최대 재전송 횟수만큼 재전송을 수행했음을 의미하며, 7이상의 값은 갖지 않는다. 또한, 전송횟수 1은 1개의 데이터가 정상 수신하기까지 1회 전송만을 수행했음을 의미하므로 별도의 재전송이 수행되지 않은 좋은 성능의 환경임을 보여준다. ARQ는 오류 정정 기능을 갖추지 않은 오류 검출 및 재전송 기법이므로 높은 오류 발생률 환경에서는 전송횟수 그래프의 변화가 없었으며, 시뮬레이션에 이용한 데이터 길이인 1120bits를 고려했을 때 수신지점 별 약 10-3의 BER값을 갖는 낮은 오류 발생률 환경 부근에서 재전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 것을 확인하였다.
- 분석 결과 NRZ-OOK와 VPPM의 각 변조 방식을 이용한 시스템에서 수신지점에 따라 약 2～3dB정도의 성능차이를 보였다. 변조 방식에 따른 통신 성능을 비교하였을 경우 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식에 비해 각 수신지점에서 약 2～3dB정도의 높은 성능을 보임을 확인하여 본 논문에서 구성한 VLC 시스템 환경에서는 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식보다 효과적임을 확인하였다. 또한, SR-ARQ의 적용으로 인해 높은 오류 발생률 환경에서는 성능향상을 보이지 않았지만, 통신 성능 분석에 사용된 데이터의 크기를 고려하였을 경우 10-3의 BER 값을 갖는 낮은 오류 발생률 환경 부근에서 재전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성이 높아짐을 확인하였다.
- 그림 7은 수신지점 및 변조 방식에 따른 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 논문의 SISO VLC 시스템에 적용했을 경우 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식보다 수신지점 별 약 2～3dB정도의 높은 성능을 보였고, 이에 따라 전송횟수와 Throughput에서도 2～3dB정도 우수한 통신 성능을 확인하였다. 그림 7의 (a)와 같이 전체적으로 낮은 오류 발생률 환경에서 BER값이 SNR의 값에 따라 급격히 변화했기 때문에 낮은 오류 발생률 환경에서 효과적인 신뢰성 향상을 보이는 SR-ARQ를 시스템에 적용했을 경우 그림 7의 (b),(c)와 같이 전송횟수나 Throughput의 값도 SNR의 값에 따라 급격히 변화하는 경향을 보였다.
- 분석 결과 NRZ-OOK와 VPPM의 각 변조 방식을 이용한 시스템에서 수신지점에 따라 약 2～3dB정도의 성능차이를 보였다. 변조 방식에 따른 통신 성능을 비교하였을 경우 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식에 비해 각 수신지점에서 약 2～3dB정도의 높은 성능을 보임을 확인하여 본 논문에서 구성한 VLC 시스템 환경에서는 NRZ-OOK 변조 방식이 VPPM 변조 방식보다 효과적임을 확인하였다.
- 3번의 전송이 필요함을 의미한다. 이처럼 Throughput 값이 1에 가까울수록 좋은 성능을 의미하는데 전송횟수 그래프와 동일하게 높은 오류 발생률에서는 Throughput값의 변화가 없었으며 수신지점 별 낮은 오류 발생률 환경에서 값의 변화가 발생하여 재전송을 통해 통신 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
- 그림 6의 (c)와 같이 Throughput 그래프에서도 BER을 이용하여 계산한 Throughput의 이론값과 실제 측정값이 대부분 유사함을 보였다. 전송횟수 그래프와 동일하게 높은 오류 발생률에서는 Throughput값의 변화가 없었으며 수신 지점 별 낮은 오류 발생률 환경에서 값의 변화가 발생하여 재전송을 통해 통신 성능이 향상됨을 보였다.
후속연구
- 본 논문에서 연구한 SR-ARQ를 적용한 실내 환경의 SISO VLC 시스템 성능 분석 외에 VLC 시스템 파라미터 및 ARQ 기법을 변경한 다양한 연구가 효율적인 가시광 무선통신 시스템 구축과 통신 성능 향상 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.
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