고속 전송 가시광통신 환경에서의 다중 광 간섭 제거를 위한 듀얼 이미지 센서 및 이미지 추정기법 Dual Image Sensor and Image Estimation Technique for Multiple Optical Interference Cancellation in High Speed Transmission Visible Light Communication Environment원문보기
본 논문에서는 CMOS센서 기반 가시광 통신 시스템에서 고속전송을 위한 다중 광원의 간섭제거 및 이미지 센싱 처리기술에 대해서 연구하였다. 이미지센서를 통한 광학카메라 통신에서 전송 용량을 향상 시키려면 각 LED에서 다른 데이터를 동시에 전송해야한다. 그러나 고속전송을 위한 다수의 LED광원 환경은 인접한 LED 간 간섭을 일으킬 수 있다. 이 경우, 가시광통신시스템은 일반적으로 세기 변조를 사용하기 때문에 다수의 LED가 동시에 데이터를 전송할 경우 인접한 LED의 빛 퍼짐 간섭으로 인해 각각의 LED들의 정확한 신호 검출이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 듀얼 CMOS 센서를 사용하여 다수의 광원 LED의 ON/OFF 상태를 정확히 인식하고, 각각의 LED들의 이미지 시그널 프로세싱 기법을 제안하였다. 이러한 기법을 통해 다수의 LED픽셀을 정확하게 인식하여 다중LED OCVLC 시스템의 총 평균 비트 오류율과 처리량을 향상시킬 수 있다.
본 논문에서는 CMOS센서 기반 가시광 통신 시스템에서 고속전송을 위한 다중 광원의 간섭제거 및 이미지 센싱 처리기술에 대해서 연구하였다. 이미지센서를 통한 광학카메라 통신에서 전송 용량을 향상 시키려면 각 LED에서 다른 데이터를 동시에 전송해야한다. 그러나 고속전송을 위한 다수의 LED광원 환경은 인접한 LED 간 간섭을 일으킬 수 있다. 이 경우, 가시광통신시스템은 일반적으로 세기 변조를 사용하기 때문에 다수의 LED가 동시에 데이터를 전송할 경우 인접한 LED의 빛 퍼짐 간섭으로 인해 각각의 LED들의 정확한 신호 검출이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 듀얼 CMOS 센서를 사용하여 다수의 광원 LED의 ON/OFF 상태를 정확히 인식하고, 각각의 LED들의 이미지 시그널 프로세싱 기법을 제안하였다. 이러한 기법을 통해 다수의 LED픽셀을 정확하게 인식하여 다중LED OCVLC 시스템의 총 평균 비트 오류율과 처리량을 향상시킬 수 있다.
In this paper, we study the interference canceling and image sensing processing technology of multiple light sources for high speed transmission in CMOS sensor based visible light communication system. To improve transmission capacity in optical camera communications via image sensors, different dat...
In this paper, we study the interference canceling and image sensing processing technology of multiple light sources for high speed transmission in CMOS sensor based visible light communication system. To improve transmission capacity in optical camera communications via image sensors, different data must be transmitted simultaneously from each LED. However, multiple LED light source environments for high-speed transmission can cause interference between adjacent LEDs. In this case, since the visible light communication system generally uses intensity modulation, when a plurality of LEDs transmit data at the same time, it is difficult to accurately detect the respective LEDs due to the light scattering interference of the adjacent LEDs. In order to solve this problem, the ON / OFF state of many LEDs of the light source is accurately recognized by using a dual CMOS sensor, and the spectral estimation technique and the pixel image signal processing technique of each LED are proposed. This technique can accurately recognize multiple LED pixels and improve the total average bit error rate and throughput of a MISO-VLC system.
In this paper, we study the interference canceling and image sensing processing technology of multiple light sources for high speed transmission in CMOS sensor based visible light communication system. To improve transmission capacity in optical camera communications via image sensors, different data must be transmitted simultaneously from each LED. However, multiple LED light source environments for high-speed transmission can cause interference between adjacent LEDs. In this case, since the visible light communication system generally uses intensity modulation, when a plurality of LEDs transmit data at the same time, it is difficult to accurately detect the respective LEDs due to the light scattering interference of the adjacent LEDs. In order to solve this problem, the ON / OFF state of many LEDs of the light source is accurately recognized by using a dual CMOS sensor, and the spectral estimation technique and the pixel image signal processing technique of each LED are proposed. This technique can accurately recognize multiple LED pixels and improve the total average bit error rate and throughput of a MISO-VLC system.
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문제 정의
가시광 통신은 포토다이오드 또는 이미지 센서(카메라)를 수신기로 전송하는 가시광선을 사용한다. 본 논문에서는 가시광을 이용한 이미지 센서 기반의 통신으로서 차세대 무선 서비스를 위한 고속 전송 환경에서, 다중 광 소스에 의한 광간섭 제거 및 영상 처리 기술을 연구하였다. 가시광 통신은 태양광 및 다른 광원과 같은 다양한 간섭을 받는다.
본 논문에서는 고속 전송을 위한 이미제 센서 기반 가시광 통신 시스템에서 LED가 동시에 데이터를 전송할 때 발생하는 인접한 LED의 광 분산 간섭을 제거하기 위한 듀얼 이미지 센서 및 이미지 추정기법을 제안하였다. 고속 전송을 위한 다중 LED의 병렬 처리를 위해서는 이러한 간섭 및 채널 조건에 대한 연구가 필요하다.
이 다중LED OCVLC에서는 간섭모델에서 설명한 바와 같이 다수의 LED가 동시에 데이터를 전송할 때 인접한 LED의 광 산란 간섭으로 인해 각 LED를 정확히 검출하기가 어렵다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 각 듀얼 CMOS 이미지 센서를 이용한 간섭제거 및 이미지 추정기법을 제안한다. 기존의 싱글 이미지센서를 이용한 OCVLC 시스템은 다수의 LED의 정보를 읽어오는데 한계가 있다.
가설 설정
송신기와 수신기 사이의 채널은 LOS(Line of Sight) 채널과 NLOS(None Line of Sight) 채널 그리고 다른 광원들로부터 들어오는 배경잡음으로 구성된다. 다른 광원들로부터 들어오는 배경잡음은 백색 가우시안 노이즈 모델로 가정한다. 벽면에서 반사되어 들어오는 반사광원은 Lambertian 복사강도패턴으로 모델링한다.
제안 방법
또한 저속 이미지 센서는 동조속도 조정을 통해각 광원의 섹터를 구분한다. LED 매트릭스 섹터링을 통해 각각 m*m 셀로 나누고, 각 셀의 LED 경계 바운더리에서 ON/OFF정보를 구분한다. 이러한 고속센서의 이미지 정보와 저속 센서의 이미지 정보를 실시간으로 합성하여 각각의 LED의 ON/OFF 상태를 정확하게 추정한다.
제안 시스템에서는 이미지 센서를 듀얼로 구성하고 각각의 이미지 센서의 프레임 속도를 다르게 세팅하였다. 또한 저속 이미지 센서에는 편광필터를 적용해서, 빛의 퍼짐에 대한 왜곡현상을 최소화 하였다. 초당 120프레임의 고속이미지 센서와 초당 15프레임의 저속 이미지 센서를 이용해서 동시에 같은 광원을 촬영한다.
본 절에서는 VLC 시스템을 위한 Optical Wireless Channel 모델을 분석한다. 실내 환경에서 VLC 시스템은 LED 광원과 실내 공간에 위치하는 광 수신기로 구성되어 있다.
가시광통신시스템은 일반적으로 세기 변조를 사용하기 때문에 다수의 LED가 동시에 데이터를 전송할 경우 인접한 LED의 빛 퍼짐 간섭으로 인해 각각의 LED들의 정확한 신호 검출이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 듀얼 CMOS 센서를 사용하여 다수의 광원 LED의 ON/OFF 상태를 정확히 인식하고, 각각의 LED들의 이미지 추정 기법 기법을 제안하였다. 이러한 기법을 통해 다수의 LED픽셀을 정확하게 인식하여 다중LED OCVLC 시스템의 총 평균 비트 오류율과 처리량을 향상시킬 수 있다.
기존의 싱글 이미지센서를 이용한 OCVLC 시스템은 다수의 LED의 정보를 읽어오는데 한계가 있다. 제안 시스템에서는 이미지 센서를 듀얼로 구성하고 각각의 이미지 센서의 프레임 속도를 다르게 세팅하였다. 또한 저속 이미지 센서에는 편광필터를 적용해서, 빛의 퍼짐에 대한 왜곡현상을 최소화 하였다.
성능/효과
이러한 문제를 해결하기 위해서, 듀얼 CMOS 센서를 사용하여 다수의 광원 LED의 ON/OFF 상태를 정확히 인식하고, 각각의 LED들의 이미지 추정 기법 기법을 제안하였다. 이러한 기법을 통해 다수의 LED픽셀을 정확하게 인식하여 다중LED OCVLC 시스템의 총 평균 비트 오류율과 처리량을 향상시킬 수 있다.
후속연구
[1] 가시광 통신은 LED를 사용하여 조명과 동시에 통신하는 기술로, 조명 인프라를 이용하여 무선 네트워크 환경을 쉽게 구축 할 수 있어 활용 가치가 높은 기술이다. 앞으로 5G 네트워크는 초 고화질 (UHD) 비디오 스트리밍, 증강 및 가상 현실, 클라우드 게임, 스마트 홈, 커넥티드카 및 원격 제어와 같은 첨단 요구 사항을 갖춘 광범위한 새로운 서비스를 제공 할 것으로 예상된다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해 가시광 통신은 고속 응답 특성을 갖는 LED를 사용한다.
또한, 거친 대기 환경 및 악천후 (안개, 비)와 같은 환경의 가시광 통신은 매우 어렵기 때문에, 이 문제를 극복하기 위한 전송 기술에 관한 연구가 수행 되어야한다. 이러한 연구를 통해 전송 효율을 향상시킴으로써 전체 시스템의 QoS를 만족하는 서비스를 제공 할 수 있을 것으로 기대한다.
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