[논문]LED 조명등을 이용한 가시광통신 중계기

이성호

doi:10.5369/jsst.2016.25.3.189

LED 조명등을 이용한 가시광통신 중계기
A Visible Light Communication Repeater Using an LED Lamp 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.25 no.3, 2016년, pp.189 - 195

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we newly introduce a visible light communication (VLC) repeater using the LED array in an LED lamp. The LED array is used for a light source in the repeater, which radiates light both for illumination and data transmission. A VLC repeater is made by adding some electronic circuits to the LED array including a photodetector, a demodulator, and a modulator. The repeater is installed on the ceiling of a room like a conventional LED lamp, receives the VLC signal from an arbitrary transmitter, recovers data, and radiates the signal to wide area in the room. We used a carrier frequency of 100 kHz for the uplink from a transmitter to the repeater, and 500 kHz for the downlink from the repeater to a receiver. The repeater is useful for increasing the transmission path to wide area over the obstacles that may exist between VLC transmitters and receivers.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 실내에서 가시광 전송구간에 장애물이 존재하는 경우에 실내의 천정에 설치된 LED 조명등을 중계기로 활용하여 장애물 너머로 신호광을 전송할 수 있는 새로운 방법을 소개한다. 이러한 VLC 중계기(repeater)는 LED 조명등을 구성하는 LED 배열(array)의 중간에 1개의 광검출기를 설치하고 신호광을 수신하여 원신호를 복구한 후 다시 LED 배열을 구동함으로써 LED 조명이 도달하는 실내의 전 구간에서 가시광 신호를 수신할 수 있도록 고안된 구조이다.
본 논문에서는 이와 같이 송신부와 수신부 사이에 장애물이 존재하여 VLC신호광이 차단되는 경우에 이를 해결하기 위하여 기존의 LED조명등에 변·복조 회로를 부가하여 VLC 중계기로 활용하는 방법을 새로이 소개하였다.

제안 방법

LED 조명등을 이용하여 중계기 1개를 제작하여 실내의 천정 중앙부근에 설치하고 앞의 Fig. 1과 같이 송신부로부터 중계기를 경유하여 수신부에 데이터가 전송되도록 실험하였다. 송신부와 수신부에서 사용한 회로는 중계기 내부에서 사용한 변조기 와 복조기의 구조와 동일하다.
중계기 회로와 다른 점은 송신부 에서 ASK 변조용으로 사용한 캐리어 주파수가 100kHz이며, 송신부 광원은 LED 3개를 직렬로 연결하여 사용하였다. VLC 수신부는 중계기로 부터의 500 kHz ASK 신호광을 수신해야 하므로 이에 적합하도록 포토트랜지스터 대신에 Hamamatsu S6968 PIN 포토다이오드를 사용하였다. 이 포토다이오드는 부하저항 1 kΩ에서 약 2 MHz의 수식대역폭을 가진다.
x-y 평면상에서 광검출기의 위치에 따른 검출전압을 계산하기 위하여 먼저 LED 1개의 방사패턴을 측정하였다. 방사패턴을 측 정하기 위하여 LED한개를 스텝모터의 회전축에 부착하고 약 1 m의 거리에 광검출기를 설치한 후 스텝모터를 회전하면서 검 출전압을 기록하였다.
증폭기로는 MC33272연산증폭기를 사용하였다. 대역통과필터로는 중심주파수가 100 kHz인 Chebyshev 필터를 제작하여 사용하였으며, 진폭검출기는 다이오드와 RC회로로 구성 하였다. 판별회로는 연산증폭기로 구성된 비교기 회로를 사용하였다.
동일한 특성을 가진 M×N 개의 LED를 사용하여 직각의 형태로 배열하여 천정에 설치하고 VLC수신부가 바닥에 놓여있는 경우, 수신부의 위치에 따라 신호광의 세기가 어느 정도 달라지는지 알아보기 위하여 Fig. 6와 같이 좌표계를 설정하였다.
x-y 평면상에서 광검출기의 위치에 따른 검출전압을 계산하기 위하여 먼저 LED 1개의 방사패턴을 측정하였다. 방사패턴을 측 정하기 위하여 LED한개를 스텝모터의 회전축에 부착하고 약 1 m의 거리에 광검출기를 설치한 후 스텝모터를 회전하면서 검 출전압을 기록하였다. Fig.
LED 조명등의 설치 위치가 천정과 같이 높은 장소에 설치되면 실내의 거의 모든 영역이 조명을 받게되므로 실내의 전 구간이 수신가능한 영역이 된다. 본문에서는 중계기의 구조와 동작원리, 그리고 실내에서 LED 조명등에 의한 강도분포의 변화를 차례로 계산하고 측정한 후, 중계기를 통하여 데이터를 전송하는 실험을 실시하였다. 이러한 VLC중계기는 기존의 조명상태에 영향을 주지 않고 장애물 너머로 전송영역을 넓혀주는 효과가 있으므로 가시광통신 시스템을 신설하거나 기존의 시스템의 전송구간을 확장하는 데에 활용하면 많은 도움이 된다.
이러한 경우에는 LED의 변조가 정상적으로 이루어지지 않으므로 이를 방지하기 위하여 중계기에서 사용하는 캐리어 주파수를 송신부와 다르게 정하였다. 실험에서는 송신부에서 100 kHz, 중계기에서 500 kHz의 주파수를 사용하여 ASK변조하였다.
이 LED 배열을 높이 h=2.7 m 인 사무실 중앙의 천정 근처에 부착하고 이를 조명등과 VLC 중계기의 역할을 동시에 수행하는 광원으로 사용할 경우, LED 배열로부터 발생한 빛이 가로와 세로의 길이가 모두 5m인 실내 에서 위치에 따라 강도분포가 어느 정도 달라지는지 알아보기 위하여 실내 바닥에서 y=0으로 고정하고 x=±2.5 m 범위에서 광검출기를 이동하면서 검출전압을 기록하였다.
중계기의 동작과정을 확인하기 위하여 VLC 송신부에서 문자 ”V”를 전송하면서 중계기에 나타난 전압파형을 관측하였다.

대상 데이터

수식에서 사용한 LED 배열의 수는 M×N=3×5이었으며, LED간의 간격 d=2.5 cm, Lambertian pattern을 나타내는 지수 k=1.5, LED 배열의 높이 h=2.7 m, 광검출기의 전류응답도 ρ=0.5A/W, 광검출기의 표면적 Spd=1 mm2, 부하저항 RL=1kΩ을 사용하였다.
실험에서 사용한 Analog switch 는 Analog device사의 ADG417이고, FET는 International Rectifier 사의 IRF540, LED 배열은 Helio사의 백색광 1W의 조명용 LED 15개를 사용하여 3×5 배열로 구성하였다.
실험에서 사용한 광검출소자는 Kodenshi사의 포토트랜지스터 KST1-1KLA로서 부하저항 100 Ω에서 약 100 kHz의 수신대역 폭을 가진다.
실험에서 사용한 광검출소자는 Kodenshi사의 포토트랜지스터 KST1-1KLA로서 부하저항 100 Ω에서 약 100 kHz의 수신대역 폭을 가진다. 증폭기로는 MC33272연산증폭기를 사용하였다. 대역통과필터로는 중심주파수가 100 kHz인 Chebyshev 필터를 제작하여 사용하였으며, 진폭검출기는 다이오드와 RC회로로 구성 하였다.

성능/효과

Fig. 8에서 보는 바와 같이 측정값과 계산결과는 유사한 경향을 보였으며, LED 배열로부터 수직방향인 사무실의 중심위치, 즉 x=0의 위치에서 검출전압이 최대로서 약 3.6 V이었으며 ±x방향으로 거리가 증가할수록 검출전압이 점점 약해져 사무실의 가장자리, 즉 x=±2.5 m 위치에서 최소 1.5 V 정도의 검출전압을 유지하였다.
이러한 환경에서는 잡음이 신호성분과 간섭을 일으키고 전송과정에서 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 잡음광의 영향을 소거하기 위한 방법이 필요하다. 두 번째로, 가시광통신에서 사용하는 광원이 안정된 조명의 역할도 충실히 수행해야 하므로 데이터의 전송 시 평균전력의 변화로 인한 깜박거림 현상 (flickering)이 발생하지 않고 일정한 조명상태를 유지할 수 있도록 시스템을 설계하여야 한다.
송신부에서 보낸 문자열 중에서 “\t”, “\r”, “\n”은 모니터상에서 문자열의 위치를 조정하기 위하여 사용한 특수문자이므로 모니터상에 나타나지 않는다. 이와 같이 송신부로부터 보낸 임의의 데이터가 천정에 설치된 중계기를 경유하여 수신부에 잘 전송됨을 실험적으로 확인하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광통신에서 사용하는 광원이 안정된 조명의 역할을 충실히 수행하기 위해 어떻게 시스템을 설계해야하는가?	이러한 환경에서는 잡음이 신호성분과 간섭을 일으키고 전송과정에서 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 잡음광의 영향을 소거하기 위한 방법이 필요하다. 두 번째로, 가시광통신에서 사용하는 광원이 안정된 조명의 역할도 충실히 수행해야 하므로 데이터의 전송 시 평균전력의 변화로 인한 깜박거림 현상 (flickering)이 발생 하지 않고 일정한 조명상태를 유지할 수 있도록 시스템을 설계 하여야 한다.
	가시광통신에서 잡음광의 영향을 소거하기 위한 방법은 어떠한 경우로 인해 필요한가?	이러한 가시광통신은 조명 빛을 이용하여 조명과 통신을 겸하기 때문에 기존의 통신 시스템과 달리 설계과정에서부터 중요하게 고려해야 할 사항이 있다. 첫 번째로, 가시광통신은 자유공간을 전송매체로 사용하므로 LED 신호광 이외에 주변에 설치된 형광등 또는 백열등과 같은 기존의 조명시설로부터 발생하는 잡음광이 수신부에 유입되는 경우가 있다. 이러한 환경에서는 잡음이 신호성분과 간섭을 일으키고 전송과정에서 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 잡음광의 영향을 소거하기 위한 방법이 필요하다.
	LED의 장점은?	최근에 들어 발광다이오드(LED: light emitting diode)의 제조 기술이 발전하면서 고출력의 가시광 LED가 다양하게 개발 ·생산되고 실내에서는 LED조명등이 기존의 형광등이나 백열등을 대체해가고 있으며, 실외에서는 가로등, 전광판, 신호등 및 자동차 조명과 같은 다양한 분야에 LED의 사용이 증가하고 있다. LED는 기존의 백열등이나 형광등에 비하여 수명이 길고, 에너지 변환효율이 높으며, 기계적으로도 안정하여 취급하기에 편리 한 장점을 가지고 있다. 또한 LED출력광이 전기적으로 고속 변조가 가능하여 한 개의 LED 조명등을 이용하여 조명과 무선통신의기능을 겸하는 가시광통신(VLC: visible light communication) 기술이 발전하고 있다[1-4].

참고문헌 (7)

T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEEE Trans. Consumer Electron., Vol. 50, No. 1, pp. 100-107, 2004.

상세보기
Y. K. Cheong, X. W. Ng, and W. Y. Chung, "Hazardless biomedical sensing data transmission using VLC," IEEE Sensors Journal, Vol. 13, No. 9, pp. 3347-3348, 2013.

상세보기
Z. Yu, R. J. Baxley and G. T. Zhou, "Peak-to-average power ratio and illumination-to-communication efficiency considerations in visible light OFDM systems," IEEE Int. Conf. on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 5397-5401, Vancouver, BC, 2013.
S. H. Lee, "A passive transponder for visible light identification using a solar cell," IEEE Sensors Journal, Vol.15, No.10, pp.5398-5403, 2015.

상세보기
J. M. Kahn and J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proc. IEEE, Vol. 85, No. 2, pp. 265-298, 1997.

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S. H. Lee, "An indoor broadcasting system using light-emitting diode lamps coupled with power line," J. Sensor Sci. & Tech.,Vol. 24, No. 5, pp. 342-347, 2015.

원문보기 상세보기
F. Yuan, "Design techniques for ASK demodulators of passive wireless microsystems: a state-of-the-art review," Analog Integr. Circ. Sig. Process, Vol. 63, No.1, pp. 33-45, Apr. 2010.

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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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