[논문]Micro LED-to-LED 무선 가시광 통신의 실험적 증명

권동윤; 김성만

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.2.219

Micro LED-to-LED 무선 가시광 통신의 실험적 증명
Experimental Demonstration of Micro LED-to-LED Visible Light Communications 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.2, 2021년, pp.219 - 226

초록
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LED-to-LED VLC(: Visible Light Communications) 기술은 기존의 VLC 기술과 달리 송신부와 수신부를 모두 LED로 사용한 기술이다. 본 논문에서는 Micro LED를 송신부로 사용한 Micro LED-to-LED VLC 기술을 연구하였다. Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 송/수신부 LED에 따라 통신 시스템의 상승 시간과 신호 대 잡음비를 측정하여 채널 용량을 비교하였다. 본 실험 결과에 따르면, 송신부 Micro LED가 Blue이고 수신부 LED가 Green일 때에 통신 시스템 중에서 가장 좋은 결과인 125 kbps의 채널 용량을 갖는 것을 확인하였다. 또한, OFDM(: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호를 사용하여 비트 에러율을 확인한 결과, 250 kbps까지는 통신이 가능함을 실험적으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

LED-to-LED VLC is a technology that uses LEDs as both a transmitter and a receiver unlike the typical VLCs. In this paper, we experimentally demonstrate a micro LED-to-LED VLC using Micro LED. We tested all the possible VLC cases using red, yellow, green, blue, and white color LED as both a transmitter and a receiver, and measured rise time and SNR. Then we calculated channel capacity depending on the LED color sets. Our experimental results show that the best channel capacity is 125 kbps when the transmitter micro LED was blue and the receiver LED was green. We also measured BERs of VLCs using OFDM signal, and we showed a successful micro LED-to-LED VLC upto 250 kbps.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 기존 VLC의 블록 다이어그램 Fig. 1 Block Diagram of typical VLC system
그림 그림 2. LED-to-LED VLC의 블록 다이어그램 Fig. 2 Block Diagram of LED-to-LED VLC system
그림 그림 3. 송신부 Micro LED의 파장 측정 Fig. 3 Wavelength of Transmitter Micro LED
그림 그림 4. 송신부 Micro LED의 광파워 측정 Fig. 4 Optical Power of Transmitter Micro LED
그림 그림 5. 수신부 LED의 파장 측정 Fig. 5 Wavelength of Receiver LED
그림 그림 6. 수신부 LED의 광파워 측정 Fig. 6 Optical Power of Receiver LED
그림 그림 7. 상승 시간과 신호 대 잡음비를 측정하기 위한 실험 구성도 Fig. 7 Experimental setup for measuring rise time and SNR
표 표 1. 각 색상 조합의 채널 용량 Table 1. Channel capacity of color set
그림 그림 8. OFDM 통신 실험의 블록 다이어그램 Fig. 8 Block diagram of OFDM communication experiment
그림 그림 9. OFDM 통신 실험 사진 Fig. 9 Picture of OFDM communication experiment
그림 그림 10. 데이터 율에 따른 비트 에러율 결과 Fig. 10 BER Results as a function of data rate

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 Micro LED를 송신부로 사용한 Micro LED-to-LED VLC를 제안하고자 한다. Micro LED-to-LED VLC의 실험적 증명을 위해 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 LED들을 사용하였고, 각 채널의 상승 시간과 신호 대 잡음 비를 측정하여 채널 용량을 비교하였다.
또한, 송신부의 신호가 수신부에서 선형적으로 수신이 되기 위해서 송신부와 수신부 간의 선형성을 확인하기 위한 실험도 진행하였다. 송신부 Micro LED 에 0~5V까지 입력 전압을 변화시켰을 때, 수신부의 출력 전압을 측정하였고, 모든 경우에서 입력 전압이 3~4V 사이일 때, 선형성을 나타내는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 Micro LED를 송신부로서 사용하는 Micro LED-to-LED VLC에 대한 실험을 수행하였다. 송신부와 수신부로 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 Micro LED와 LED를 사용하였고, 송신부와 수신부의 모든 색상 조합에서 가장 적합한 색상 조합을 찾기 위해 사각파를 이용해 상승 시간과 신호 대잡음비를 측정하였으며, 이를 섀넌의 채널 용량 공식 (1)에 대입하여 모든 색상 조합의 채널 용량을 비교하였다.
본 연구에서는 Micro LED-to-LED VLC의 가장 적합한 색상 조합을 찾기 위해서 송신부 Micro LED 와 수신부 LED를 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상을 사용한 모든 경우를 측정하였다. 송신부 Micro LED는 2.
이러한 장점들 때문에 Micro LED를 VLC에 적용한 연구가 이미 진행되었다[14-15]. 하지만, Micro LED 를 LED-to-LED VLC에 적용한 연구는 부족하기 때문에 본 논문에서는 Micro LED를 송신부로 사용하는 Micro LED-to-LED VLC를 제안하고자 한다.

제안 방법

Micro LED-to-LED VLC 실험을 하기에 앞서, 송신부와 수신부의 모든 색상 조합 중에서 가장 적합한 색상 조합을 찾는 방법으로 채널 용량을 비교하였다. 채널 용량을 구하기 위해서 모든 색상 조합으로 사각 파 신호를 송신했을 때 수신부의 상승 시간과 신호대 잡음비를 측정하였다.
Micro LED-to-LED VLC가 실제 통신 모델에 활용될 수 있을지 확인하기 위해서 Blue-to-Green 조합에 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 신호 통신 실험을 진행하였다. 그림 8은 OFDM 신호 통신 실험의 블록 다이어그램이며, 그림 9는 실제 실험한 OFDM 신호 통신 실험의 사진이다.
한다. Micro LED-to-LED VLC의 실험적 증명을 위해 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 LED들을 사용하였고, 각 채널의 상승 시간과 신호 대 잡음 비를 측정하여 채널 용량을 비교하였다. 또한, 실제 통신시스템으로 활용될 수 있을지 판단하기 위해서 가장 높은 채널 용량을 가진 채널에 OFDM 신호를 송신하는 실험을 진행하였다.
5 mm 크기의 Bowerful 사의 Micro LED를 사용하였고, 수신부 LED는 5 mm의 지름을 가지는 YINHUI PHOTOELECTRIC 사의 NBL-R5 LED를 사용하였다. 그리고 송/수신부의 더 세부적인 특성을 얻기 위해 각 LED들의 파장과 광 파워를 측정하였다. 측정한 결과는 각각 그림 3, 그림 4, 그림 5, 그림 6에 나타내었다.
송신부 Micro LED 에 0~5V까지 입력 전압을 변화시켰을 때, 수신부의 출력 전압을 측정하였고, 모든 경우에서 입력 전압이 3~4V 사이일 때, 선형성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 이 선형성을 바탕으로 신호의 진폭을 3~4V로 조정하여 Micro LED-to-LED VLC 실험을 진행하였다.
Micro LED-to-LED VLC의 실험적 증명을 위해 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 LED들을 사용하였고, 각 채널의 상승 시간과 신호 대 잡음 비를 측정하여 채널 용량을 비교하였다. 또한, 실제 통신시스템으로 활용될 수 있을지 판단하기 위해서 가장 높은 채널 용량을 가진 채널에 OFDM 신호를 송신하는 실험을 진행하였다. 마지막으로, 데이터 율에 따른 비트 에러율을 측정하여 Micro LED-to-LED VLC의성능을 확인하였다.
또한, 실제 통신시스템으로 활용될 수 있을지 판단하기 위해서 가장 높은 채널 용량을 가진 채널에 OFDM 신호를 송신하는 실험을 진행하였다. 마지막으로, 데이터 율에 따른 비트 에러율을 측정하여 Micro LED-to-LED VLC의성능을 확인하였다.
수행하였다. 송신부와 수신부로 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 Micro LED와 LED를 사용하였고, 송신부와 수신부의 모든 색상 조합에서 가장 적합한 색상 조합을 찾기 위해 사각파를 이용해 상승 시간과 신호 대잡음비를 측정하였으며, 이를 섀넌의 채널 용량 공식 (1)에 대입하여 모든 색상 조합의 채널 용량을 비교하였다. 비교한 결과, 송신부 Micro LED가 Blue, 수신부 LED가 Green일 때, 125 kbps로 가장 좋은 결과를 나타내었다.
실험 과정은 우선 PRBS (pseudo random binary sequence) 신호를 32-QAM (quadrature amplitude modulation) 변조한 후에 Hermitian Symmetry로 배열하고 IFFT(: Inverse Fast Fourier Transform) 처리를 통해 OFDM 신호를 생성하였다. 이렇게 생성된 OFDM 신호를 Blue 색상의 Micro LED로 송신하고, Green 색상의 LED로 그 신호를 수신하였다.
통해 OFDM 신호를 생성하였다. 이렇게 생성된 OFDM 신호를 Blue 색상의 Micro LED로 송신하고, Green 색상의 LED로 그 신호를 수신하였다. 그 이후 과정은 송신부 과정과 반대로 진행하게 되며, 마지막으로 매트랩(Matlab)을 이용해 비트 에러율을 계산하였다.
비교하였다. 채널 용량을 구하기 위해서 모든 색상 조합으로 사각 파 신호를 송신했을 때 수신부의 상승 시간과 신호대 잡음비를 측정하였다. 측정된 상승 시간과 신호 대잡음비는 섀넌의 채널 용량 공식(1)에 대입하여 모든 색상 조합의 채널 용량을 구하였다.

대상 데이터

송신부 Micro LED는 2.0 x 1.5 mm 크기의 Bowerful 사의 Micro LED를 사용하였고, 수신부 LED는 5 mm의 지름을 가지는 YINHUI PHOTOELECTRIC 사의 NBL-R5 LED를 사용하였다. 그리고 송/수신부의 더 세부적인 특성을 얻기 위해 각 LED들의 파장과 광 파워를 측정하였다.

이론/모형

이렇게 생성된 OFDM 신호를 Blue 색상의 Micro LED로 송신하고, Green 색상의 LED로 그 신호를 수신하였다. 그 이후 과정은 송신부 과정과 반대로 진행하게 되며, 마지막으로 매트랩(Matlab)을 이용해 비트 에러율을 계산하였다. 그리고 데이터 율에 따른 비트 에러율 결과를 그린 그래프를 그림 10에 나타내었다.
채널 용량을 구하기 위해서 모든 색상 조합으로 사각 파 신호를 송신했을 때 수신부의 상승 시간과 신호대 잡음비를 측정하였다. 측정된 상승 시간과 신호 대잡음비는 섀넌의 채널 용량 공식(1)에 대입하여 모든 색상 조합의 채널 용량을 구하였다. 또한, 상승 시간과 신호 대 잡음비를 측정하기 위한 실험 구성도는 그림 7에 나타내었다.

성능/효과

측정한 결과는 각각 그림 3, 그림 4, 그림 5, 그림 6에 나타내었다. Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 Micro LED의 파장은 각각 671, 606, 518, 465, 453 nm이며, Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 LED의 파장은 각각 629, 591, 526, 465, 455 nm로 측정되었다.
LED의 파장 간의 밴드갭 에너지 때문에 수신부 파장이 송신부 파장보다 짧은 경우에는 통신이 되지 않기 때문에 통신이 되지 않는 색상의 조합은 -로 표시하였다. 계산한 결과, 송신부 Micro LED가 Blue, 수신부 LED가 Green 색상일 경우(Blue-to-Green), 채널 용량이 124.6 kbps로 가장 좋은 결과를 나타냈다. 따라서, Micro LED-to-LED VLC에서 가장 적합한 색상 조합은 Blue-to-Green 조합인 것으로 확인하였다.
실험 결과, 데이터율이 25~125 kbps일 때, ^미만의 비트 에러율이 검출되었고, 250 kbps일 경우의 비트 에러율 결과는 ^로 준수한 결과를 나타내었다. 따라서, Micro LED-to-LED VLC로 OFDM 신호를 송신했을 때, 250 kbps까지는 통신이 가능함을 확인하였다.
6 kbps로 가장 좋은 결과를 나타냈다. 따라서, Micro LED-to-LED VLC에서 가장 적합한 색상 조합은 Blue-to-Green 조합인 것으로 확인하였다.
비교한 결과, 송신부 Micro LED가 Blue, 수신부 LED가 Green일 때, 125 kbps로 가장 좋은 결과를 나타내었다. 또한, Blue-to-Green 조합일 때 실제 통신 모델에 활용될 수 있을지 판단하기 위해 OFDM 신호 통신 실험을 진행하였고, 데이터 율에 따른 비트 에러율 결과를 확인한 결과, 250 kbps까지는 통신이 가능함을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 Micro LED-to-LED VLC의데이터 율이 250kbps로 다소 낮은 결과를 보인다. 데이터 율 결과를 높일 방법으로 추후 연구에서 OFDM 통신 실험 과정에서 등화(Equalization) 기법을 추가할 필요가 있다.
송신부와 수신부로 Red, Yellow, Green, Blue, White 색상의 Micro LED와 LED를 사용하였고, 송신부와 수신부의 모든 색상 조합에서 가장 적합한 색상 조합을 찾기 위해 사각파를 이용해 상승 시간과 신호 대잡음비를 측정하였으며, 이를 섀넌의 채널 용량 공식 (1)에 대입하여 모든 색상 조합의 채널 용량을 비교하였다. 비교한 결과, 송신부 Micro LED가 Blue, 수신부 LED가 Green일 때, 125 kbps로 가장 좋은 결과를 나타내었다. 또한, Blue-to-Green 조합일 때 실제 통신 모델에 활용될 수 있을지 판단하기 위해 OFDM 신호 통신 실험을 진행하였고, 데이터 율에 따른 비트 에러율 결과를 확인한 결과, 250 kbps까지는 통신이 가능함을 확인하였다.
위한 실험도 진행하였다. 송신부 Micro LED 에 0~5V까지 입력 전압을 변화시켰을 때, 수신부의 출력 전압을 측정하였고, 모든 경우에서 입력 전압이 3~4V 사이일 때, 선형성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 이 선형성을 바탕으로 신호의 진폭을 3~4V로 조정하여 Micro LED-to-LED VLC 실험을 진행하였다.
그리고 데이터 율에 따른 비트 에러율 결과를 그린 그래프를 그림 10에 나타내었다. 실험 결과, 데이터율이 25~125 kbps일 때, ^미만의 비트 에러율이 검출되었고, 250 kbps일 경우의 비트 에러율 결과는 ^로 준수한 결과를 나타내었다. 따라서, Micro LED-to-LED VLC로 OFDM 신호를 송신했을 때, 250 kbps까지는 통신이 가능함을 확인하였다.

후속연구

또한, LED-to-LED VLC 기술이전 이중 통신도 가능함을 실험적으로 증명하였다 [2] 한편, Micro LED가 차세대 LED 소자로 주목받으며, Micro LED에 대한 개발 및 연구가 최근 활발히 진행 중이다. Micro LED는 기존 LED보다 빠른 응답 속도, 높은 광 효율 등의 장점이 있어 LED-to-LED VLC에적용한다면 더 좋은 성능을 낼 것이라 기대된다.
데이터 율 결과를 높일 방법으로 추후 연구에서 OFDM 통신 실험 과정에서 등화(Equalization) 기법을 추가할 필요가 있다. 또한, 시중에 판매하는 저렴한 Micro LED를 사용했기 때문에 Micro LED를 수신부로 사용했을 때 성능이 매우 좋지 않았다.
또한, 시중에 판매하는 저렴한 Micro LED를 사용했기 때문에 Micro LED를 수신부로 사용했을 때 성능이 매우 좋지 않았다. 따라서 본 논문에서는 Micro LED를 송신부로만 사용했기 때문에 고가의 Micro LED를 사용한다면 Micro LED-to-LED VLC도 가능할 것으로 예상한다.
쉽고 편리하게 구현할 수 있다. 또한, LED 는 이미 신호등, 스마트폰, 텔레비전 디스플레이, 자동차, 조명 등에 수많은 기기들에 내장되어 있으므로 LED가 내장된 기기들 간의 사물인터넷이나 대규모 사물 통신, 차량-사물 통신 등에도 활용이 가능할 것으로 보인다.

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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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