본 논문에서는 이기종 통신 기반의 스마트 조명의 선택적 알고리즘을 제안한다. 스마트 조명은 조명의 역할뿐만 아니라 통신의 역할을 동시에 수행한다. 이기종 통신을 이용한 스마트 조명의 BER 성능을 높이기 위해, Line-of-Sight(LOS)/Non-LOS 채널에서 스마트 조명과 센서와의 거리, 조명사용시간, 사용자 요구를 위한 낮은 전력소모량에 따라 Optical Camera Communication(OCC), Wi-Fi, BLE 중 적합한 통신방식을 선택하도록 하였다. 그리하여 LOS/NLOS 채널에서 제안된 알고리즘의 성능과 기존의 방식과의 시뮬레이션 결과 비교를 통해 성능 향상을 확인하였다.
본 논문에서는 이기종 통신 기반의 스마트 조명의 선택적 알고리즘을 제안한다. 스마트 조명은 조명의 역할뿐만 아니라 통신의 역할을 동시에 수행한다. 이기종 통신을 이용한 스마트 조명의 BER 성능을 높이기 위해, Line-of-Sight(LOS)/Non-LOS 채널에서 스마트 조명과 센서와의 거리, 조명사용시간, 사용자 요구를 위한 낮은 전력소모량에 따라 Optical Camera Communication(OCC), Wi-Fi, BLE 중 적합한 통신방식을 선택하도록 하였다. 그리하여 LOS/NLOS 채널에서 제안된 알고리즘의 성능과 기존의 방식과의 시뮬레이션 결과 비교를 통해 성능 향상을 확인하였다.
In this paper, we propose an algorithm for optimal selection of communications for smart lighting in heterogeneous networks. The smart lighting can be used for information communications and lighting simultaneously. To improve BER performance of smart lighting in heterogeneous networks, it adaptivel...
In this paper, we propose an algorithm for optimal selection of communications for smart lighting in heterogeneous networks. The smart lighting can be used for information communications and lighting simultaneously. To improve BER performance of smart lighting in heterogeneous networks, it adaptively selects a communication method among OCC, Wi-Fi, BLE based on distance between sensors and smart lightings, low power consumption for user requirements, operating time of smart lighting in Line-of-Sight(LOS)/Non-LOS channels. Thus, simulation results demonstrate effectiveness of the proposed algorithm contrary to baseline methods in LOS/NLOS channels.
In this paper, we propose an algorithm for optimal selection of communications for smart lighting in heterogeneous networks. The smart lighting can be used for information communications and lighting simultaneously. To improve BER performance of smart lighting in heterogeneous networks, it adaptively selects a communication method among OCC, Wi-Fi, BLE based on distance between sensors and smart lightings, low power consumption for user requirements, operating time of smart lighting in Line-of-Sight(LOS)/Non-LOS channels. Thus, simulation results demonstrate effectiveness of the proposed algorithm contrary to baseline methods in LOS/NLOS channels.
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문제 정의
본 논문에서는 LOS/NLOS 채널을 고려하고, 이기통 통신방식을 이용한 최적 통신 방식 선택 알고리즘을 제안하였다. 성능이 가장 좋은 OCC만을 사용하면 데이터 처리율이 높지만, OCC는 빛이 닿는 곳과 장애물이 있지 않은 곳에서만 통신을 할 수 있기 때문에 OCC를 사용할 수 없는 NLOS 채널에서 성능이 좋은 Wi-Fi를 이용하거나, 저전력 모드를 위한 BLE를 사용하여 에너지 효율을 높이는 방식을 선택할 수 있다.
가설 설정
4mW를 절약할 수 있다. 조명의 수와 센서의 수가 커질수록 절약되는 양 더 늘어난다.
제안 방법
5dBm 이하라면 5m 이상의 원거리에 센서가 위치하고 있으므로, BLE로는 원할한 통신을 할 수 없기 때문에 Wi-Fi를 사용한다. 그리고 수신된 전력 세기를 이용해 센서들의 거리를 파악하여 5m 이내에 있는지 그 이상인지를 파악하여 저전력 모드에 사용될 수 있는 센서를 파악한다.
하지만 LOS/NLOS채널, 통신 환경에 따른 통신방식을 고려하여야 하며, 이에 대한 대안책이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 이기종 통신(OCC, Wi-Fi, BLE)을 이용하여 LOS 채널에서는 OCC를 이용하여, 고속의 데이터 전송속도로 통신을 하고, 또한 방해물에 의한 빛의 차단에 대비하여 Soft Hand-Off를 이용하고, OCC를 최대한 사용할 수 있도록 한다. NLOS 채널에서는 센서와의 거리 및 전력사용량, 데이터 전송 속도를 고려하여 Wi-Fi와 BLE 통신방식을 선택하여 사용하는 센서와 스마트 조명과의 통신방식에 대한 선택적 알고리즘의 관한 내용을 다룬다.
또한 스마트폰과의 통신을 통해 사용자가 쉽게 센서 정보를 파악하는 것이 가능하다. 스마트 조명과 센서들과의 통신은 LOS 채널에서 전송속도가 가장 빠른 OCC와 NLOS 채널에서 저전력 기능이 사용될 때는 BLE, 거리와 전송속도가 요구되어 질 때 Wi-Fi를 사용함으로써, 다양한 채널에서 전송속도와 전력제어를 통해 효율적인 스마트 조명으로써의 역할을 수행할 수 있도록 한다.
전력은 LOS 채널과 NLOS 채널을 나누어 분석하였으며, 센서와 조명과의 거리 5m 이내라면 저전력 모드를 사용할 수 있다. LOS 채널에서는 조명의 깜박임을 이용한 OCC만을 사용한다고 하였을 때, LED 하나 당 10W의 전력소모가 있다.
다음으로 그림 7은 제안된 알고리즘을 적용한 통신방식과 Wi-Fi의 BER 비교를 그래프로 나타낸 것이다. 채널을 LOS채널로 판단 후, OCC는 10Gbps에 소모전력은 10W, Wi-Fi는 100Mbps에 소모전력은 200mW, BLE는 1Mbps에 소모전력은 26.5mW로 설정하고, QPSK를 방식을 이용하여 성능분석을 실시하였다. NLOS 채널에서는 Wi-Fi를 사용할 경우 BER이 동일하다.
성능/효과
NLOS 채널에서는 Wi-Fi를 사용할 경우 BER이 동일하다. 따라서 LOS 채널에서 제안된 알고리즘을 적용한 통신성능이 Wi-Fi만을 사용하였을 때보다 5~6dB 가량 성능이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 알고리즘을 통해 LOS/ NLOS 채널에서도 원할한 통신이 가능하며, 실내에서 어떤 방해 요소가 있더라도 통신이 이루어 질 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 LOS 채널에서 제안된 알고리즘을 적용한 통신성능이 Wi-Fi만을 사용하였을 때보다 5~6dB 가량 성능이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 알고리즘을 통해 LOS/ NLOS 채널에서도 원할한 통신이 가능하며, 실내에서 어떤 방해 요소가 있더라도 통신이 이루어 질 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
성능이 가장 좋은 OCC만을 사용하면 데이터 처리율이 높지만, OCC는 빛이 닿는 곳과 장애물이 있지 않은 곳에서만 통신을 할 수 있기 때문에 OCC를 사용할 수 없는 NLOS 채널에서 성능이 좋은 Wi-Fi를 이용하거나, 저전력 모드를 위한 BLE를 사용하여 에너지 효율을 높이는 방식을 선택할 수 있다. 따라서 최적 통신 방식 선택 알고리즘을 통해 LOS 채널과 NLOS 채널에서의 조명과 센서 간의 이음매 없는 통신이 가능하므로, 집, 학교, 도서관 및 마트 등 다양한 실내 환경에서의 이기종 통신 기반의 스마트 조명의 활용이 가능할 것이다. 하지만 스마트 디바이스 및 휴대폰에 OCC 기능을 추가하여야 하며, 외부환경에서도 적용이 가능하도록 여러 방법들을 조합한 기술 및 통신에 관한 연구와 기술의 개발이 요구되어 진다.
따라서 최적 통신 방식 선택 알고리즘을 통해 LOS 채널과 NLOS 채널에서의 조명과 센서 간의 이음매 없는 통신이 가능하므로, 집, 학교, 도서관 및 마트 등 다양한 실내 환경에서의 이기종 통신 기반의 스마트 조명의 활용이 가능할 것이다. 하지만 스마트 디바이스 및 휴대폰에 OCC 기능을 추가하여야 하며, 외부환경에서도 적용이 가능하도록 여러 방법들을 조합한 기술 및 통신에 관한 연구와 기술의 개발이 요구되어 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Soft Hand-Off는 무엇을 의미하는가?
따라서 OCC의 단점을 보완하기 위해 Soft Hand-Off을 사용하는데, 이를 통하여 성능이 좋은 OCC 방식을 유지하여 줄 수 있도록 한다. Soft Hand-Off는 그림 2와 같이 한 조명과 센서와의 OCC 통신 채널을 유지하면서, 빛이 차단되거나 간섭에 따른 통신 두절을 대비하기 위해 기존의 조명과의 통신 채널을 유지하고, 다른 조명의 통신 채널로 통신이 교체 되는 것을 의미한다. 따라서 OCC의 이음매 없는 통신 환경을 구축할 수 있다.
OCC의 단점은 무엇인가?
따라서 지하상가나 대형백화점, 주차장, 공장 등 조명이 항상 켜져 있는 곳에서는 아주 적합한 동작을 수행할 수 있다. 하지만 NLOS 채널 즉, 빛이 닿는 곳에서만 통신이 가능하고, 태양에서 오는 가시광선이 간섭을 일으키는 단점이 있다. 따라서 OCC의 단점을 보완하기 위해 Soft Hand-Off을 사용하는데, 이를 통하여 성능이 좋은 OCC 방식을 유지하여 줄 수 있도록 한다.
스마트 조명의 장점은?
최근 세계 전력소비에서 조명은 19%이며 약 2조 1000kWh를 소모하고 있으며, 이에 경제적으로 에너지 절감효과가 큰 동시에 환경 친화적인 장점이 있는 스마트 조명보급에 관심이 높아지고 있다 [1]. 또한 IoT와 센서 네트워크의 발달로 인해 스마트 조명과 IoT를 융합한 기술의 연구가 진행되어지고 있다.
참고문헌 (4)
H. D. Moon, S. S. Lee, J. H. Yoo, S. J. Lee and S. Y. Jung, "Technical Trends of Visible Light Communication Systems Based on LED," Journal of Photonic Science and Technology., Vol. 1, no. 1, pp. 10-17, Dec. 2011.
D. Tsonev, S. Videv, and H. Haas, "Gb/s single-LED OFDM-based VLC using violet and UV Gallium nitride ${\mu}$ LEDs," in Proc. of summer topicals meeting series., pp. 175-176, Nassau, July. 2015.
M. Hellebrandt and R. Mathar, "Location tracking of mobiles in cellular radio networks," IEEE Transaction on Vehicular Technology., vol.48, no.5, pp.1558-1562, 1999.
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