KR101035798B1 - 무선 가시광 통신 방법과 무선 가시광 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템은 서로 다른 주파수 대역으로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 복수의 광송신기들과, 상기 각 광 송신기들과 상기 광신호에 의해 무선 통신할 수 있는 적어도 하나의 단말기를 포함한다.
무선 통신, 가시광, 발광다이오드

Description

무선 가시광 통신 방법과 무선 가시광 통신 시스템{WIRELESS VISIBLE OPTICAL COMMUNICATION METHOD AND WIRELESS VISIBLE OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 광 무선 통신 시스템에 관한 발명으로서 특히 발광 다이오드를 포함하는 가시광 무선 통신 시스템에 관한 발명이다.
광 무선 통신 시스템은 광 송신기에서 생성된 광신호를 무선으로 타 측의 단말기로 전송하는 시스템으로서, 근적외선(near Infra Red) 파장 대역의 광을 생성할 수 있는 광원을 광 송신기로서 사용하거나 또는 백색의 광을 생성할 수 있는 백색 발광다이오드(LED)가 광 송신기로서 사용될 수 있다.
상술한 백색 발광다이오드는 백색의 광을 데이터(Data) 변조에 이용함으로써 조명의 기능도 동시에 제공할 수 있으며, 삼원색의 발광다이오드들이 조합에 의한 백색 광원 또는 청색 광을 생성할 수 있는 활성층 상에 황색의 형광체가 도포된 발광다이오드가 광 송신기로서 사용될 수 있다.
청색 광을 생성하는 활성층 상에 황색의 형광체가 도포된 백색 발광다이오드는 삼원색의 발광다이오드들로 구성된 광 송신기에 비해서 저렴하게 구성가능하므 로, 비교적 널리 사용되고 있다.
그러나, 상술한 형태(청색 광을 생성할 수 있는 활성층 상에 황색의 형광체가 도포된 백색 발광다이오드)의 백색 광원은 황색 형광체의 임펄스 응답(impulse response)에 대한 감쇠(decay) 속도가 느려져서 사용할 수 있는 주파수 대역이 좁아지는 문제가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 백색 발광다이오드의 파장 스펙트럼(spectrum)을 도시한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 청청색 파장의 광은 440nm에서 중심으로 약 25nm의 파장 대역 폭(투과 계수가 0.4인 경우)이고, 황색 형광체에서 생성되는 황색 파장의 광은 550nm를 중심으로 약 50nm의 파장 대역 폭(투과 계수가 0.4인 경우)로서 황색 파장의 광이 청색 파장의 광에 비해 적어도 2배 이상 넓은 파장 대역 폭을 갖게 됨을 알 수 있다.
도 2는 백색 발광다이오드에서 생성된 백색 광 및 황색 광의 주파수에 따른 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 2의 x 축은 생성되는 광신호의 주파수(Hz) 대역이고, y축은 이득(Gain, dB)을 의미한다. 도 2를 참조하면, 백색 발광다이오드에서 출력되는 백색 광을 구성하는 광 중에서 활성층에서 생성된 청색 파장 대역 광의 대역폭은 13MHz이고, 형광 물질에 의해 생성된 황색 광의 대역폭은 2.3MHz이다. 도 2 그래프의 점선은 청색 파장 광의 응답을, 실선은 백색 파장 광의 응답을 각각 나타낸다.
상술한 바와 같은 백색 발광다이오드의 대역 폭 및 파장 특성은 가시광 무선 통신에 있어서, 사용 가능한 주파수 대역을 제한하는 요인이 될 수 있다. 즉, 황색 광의 발광 특성은 청색 광에 비해 많은 시간이 소요되는 완만하게 변화되는 특성을 보이며, 이로 인해서 청색 광에 비해 변조해서 전송할 수 있는 주파수 대역폭이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명은 넓은 주파수 대역을 무선 통신에 이용할 수 있는 가시광 무선 통신 시스템 및 그 구현 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따른 무선 가시광 통신 시스템은,
서로 다른 주파수 대역으로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 복수의 광송신기들과;
상기 각 광 송신기들과 상기 광신호에 의해 무선 통신할 수 있는 적어도 하나의 단말기를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 무선 가시광 통신 방법은,
서로 다른 주파수 대역으로 변조된 복수의 광신호들을 생성하는 과정과;
상기 광신호들을 결합해서 전송하는 과정을 포함한다.
본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템은 서로 다른 주파수 대역으로 변조된 광신호를 생성하는 복수의 광송신기들을 포함함으로써, 넓은 주파수 대역을 가시광 통신에 이용할 수 있다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템은 무선 가시광 통신을 위한 적어도 하나의 단말기들과, 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 생성할 수 있는 복수의 광 송신기들을 포함하며, 상기 광 송신기들은 상호 다른 주파수의 광신호를 변조할 수 있는 백색 발광다이오드를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 송신기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템의 광 송신기(100)는 백색 광을 생성할 수 있는 광원(120)과, 상기 광원(120)의 주파수 변조를 위한 주파수 변환부(110)를 포함한다.
그 외에도, 상기 광 송신기(100)는 외부로부터 신호가 입력되는 단자(Signal)와, 고속의 버퍼(High-speed buffer)와, 교류 및 직류 성분을 차단하기 위한 회로(130)를 더 포함해서 구성될 수 있다.
상기 광원(120)은 청색 파장의 광을 생성할 수 있는 활성층 상에 황색 파장의 광을 발광할 수 있는 형광체가 도포된 형태의 백색 발광다이오드가 사용될 수 있으며, 상기 주파수 변환부(110)에 의해 변조되는 광신호의 주파수가 제어될 수 있다. 상술한 백색 발광다이오드로는 녹색 또는 적색 파장의 광을 생성할 수 있는 활성층 상에 황색 파장의 광을 발광할 수 있는 형광체가 도포된 형태 또는 황색 파장의 광을 생성할 수 있는 활성층 상에 녹색, 적색 또는 청색 파장의 광을 발광할 수 있는 형광체가 도포된 형태로 적용될 수 있다.
상기 주파수 변환부(110)는 상기 광원(120)의 주파수 변조를 위한 캐패시터(111)와, 상기 캐패시터(111)와 상기 광원(120)의 사이에 위치된 DC 암(DC arm, 112)을 포함하며, 상기 캐패시터(111)의 캐패시턴스 용량에 따라서 상기 광원(120)에서 변조되는 광신호의 주파수를 변화시킬 수 있다.
상기 광원(120)은 각각 고유한 인덕턴스(inductance, Lseries) 값을 가지고 있어서 주파수 변환이 불가능하나, 외부에서 인위적으로 캐패시턴스 값을 변화시킴으로써 고유의 인덕턴스 값을 가지고 있음에도 불구하고 주파수 변화된 광신호를 생성할 수 있다.
아래의 <수학식 1>은 통상의 전자 소자의 임피던스 값을 설명하기 위한 수학식이다.
Figure 112008047967049-pat00001
위의 <수학식 1>에서 Z(ω)는 도 3에 도시된 회로의 입력 임피던스를 의미하고, R은 저항을 의미하며, Lserise는 광원의 임피던스를 의미한다. 그 외에 C는 주파수 변화부의 캐패시턴스 용량을 의미한다. 위의 <수학식 1>에서 jωLseries는 인덕턴스를 나타내고, 위의 <수학식 1>의 1/jωC는 용량 리액턴스를 의미한다. <수학식 1>의 ω는 2πf(f는 주파수)를 의미한다.
위의 <수학식 1>로부터 아래의 <수학식 2>를 유추할 수 있으며, 아래의 <수 학식 2>로부터 주파수와 캐패시턴스 및 인덕턴스와의 관계를 알 수 있다.
Figure 112008047967049-pat00002
위의 <수학식 2>에서 fi는 다수의 광 송신기들(100) 중 임의의 하나에서 생성된 광신호의 주파수를 의미하고, Ci도 다수의 광 송신기들(100) 중 하나에 포함된 캐패시터(111)의 캐패시턴스 값을 의미한다.
결국, 본 발명은 위의 <수학식 2>로부터 상기 캐패시터(capacitor;111)의 캐패시턴스에 따라서, 상기 광원(120)에서 변조되는 광신호의 주파수가 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 서로 다른 주파수로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 다수의 광 송신기들(100)을 포함하는 무선 가시광 통신 시스템을 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 가시광 통신 시스템의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4에서 가는 실선들은 각각의 광 송신기(100)에서 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 나타내고, 굵은 실선은 상기 광신호들이 결합된 선을 의미하고, 일점 쇄선은 상기 각 광신호들의 주파수 응답의 최대 값을 연결한 선이다.
도 4는 상기 각 광 송신기에 인가된 전기 신호는 동일하게 인가한 실험 결과이나, 주파수가 증가함에 따라서 이득(또는 광학 응답)도 감소하게 됨을 알 수 있다. 약 2.5MHz의 최대 주파수로 변조된 광신호의 이득(응답 특성)은 약 -2.5dB이고, 약 9MHz의 최대 주파수로 변조된 광신호의 이득은 약 -13dB이고, 약 23MHz의 최대 주파수로 변조된 광신호의 이득은 약 -24dB로서 주파수가 증가함에 따라 이득(또는 광학 응답)이 감소 됨을 알 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 그래프를 지수 함수 형태로 근사한 그래프로서, 도 5의 그래프는 백색 발광다이오드를 광원으로 포함한, 광 송신기에서 출력되는 광신호를 측정한 그래프로서, 지수함수의 형태로 근사한 그래프이다.
도 5의 그래프는 주파수가 3.6MHz일 경우에 측정한 결과로서, 아래의 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008047967049-pat00003
위 <수학식 3>의 H(ω)는 백색 발광다이오드에서 주파수에 따른 응답 특성을 근사한 함수이고, ωLED는 측정에 이용된 백색 발광다이오드의 각속도(fLED=ωLED/2π)를 의미한다.
도 6은 본 발명의 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 생성하는 무선 가시광 통신 시스템에서의 이득 보상을 설명하기 위한 그래프로서, 서로 다른 주파수로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 복수의 광 송신기들을 포함하는 무선 가시광 통신 시스템의 실험을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 4와 동일한 형태이나, 도 6은 본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템의 이득 보상에 대해 설명하기 위한 그래프이다. 도 6의 점선 들(G1,G2,G3,G4)은 광 송신기들 각각의 이득 곡선으로서, 주파수에 따라 서로 다름을 알 수 있다. 또한, 도 4에서 살펴 보았듯이, 주파수가 커질수록 이득도 감소하게 됨을 알 수 있다.
본 발명은 무선 가시광 통신 시스템에 관한 발명으로서, 광 송신기들에서 생성된 광신호들을 통신에 이용하기 위해서 일정한 이득을 갖도록 보상할 필요가 있다. 도 6의 실선은 광신호들 각각의 최대 이득을 연결한 곡선이고, 일점 쇄선(G0)은 보상하기 위한 최대 이득을 의미한다. 서로 다른 주파수로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 백색 발광다이오드를 포함하는 각각의 광 송신기들은 대역 평탄화(Pre-equalization)는 공진 주파수 값과 개수, 공진 주파수 각각의 이득 레벨(Gain level)을 고려해서 이루어질 수 있다.
아래의 <수학식 4>는 백색 발광다이오드의 구동 전류에 따른 전광 변환 효율의 관계를 나타내는 수학식이다.
Figure 112008047967049-pat00004
위의 <수학식 4>에서 Gi(ω)는 백색 발광다이오드들 중 하나의 이득 함수이고, H LED (ω)은 위의 <수학식 3>에서 설명한 백색 발광다이오드에서 주파수에 따른 응답 특성을 근사한 지수 함수 이고, I(ω)는 해당 백색 발광다이오드에 인가되는 구동 전류의 함수이다. 타측의 단말기가 선형적인 구간에서 동작한다고 가정하면, 이득 평탄화된 주파수 응답함수는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112008047967049-pat00005
위 <수학식 5>에서 F(ω)는 이득 평탄화된 주파수 응답 함수로서, 도 6의 일점 쇄선과 같이 이득 보상된 상태를 의미하며, αi는 도 6의 실선과 일점 쇄선 사이의 화살표와 같이 이득 보상을 위한 상수이고, Gi(ω)는 위의 <수학식 4>의 이득 함수와 동일하다.
즉, 본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템은 각각의 광 송신기들(백색 발광다이오들)에서 생성된 광신호들의 최대 이득을 갖도록 위의 <수학식 5>와 같이 이득 평탄화시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템에 따른 주파수 응답의 이론 값과, 실측 값을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
도 7의 제일 아래에 위치된 그래프는 백색 발광다이오(LED) 만의 대역폭을 측정한 그래프이고, 두 번째 아래 그래프(제일 아래의 그래프로부터 두 번째)는 이론적 모델을 적용하여 계산된 그래프이다. 또한, 세 번째 아래 그래프(제일 아래의 그래프로부터 세 번째)는 도 4 그래프들에서 얻어진 각각의 백색 발광다이오드들의 응답을 합하여 계산한 그래프이며, 제일 위의 그래프는 실제 측정된 대역 평탄화된 백색 발광다이오드의 실측 그래프이다. 도 7로부터 이론적 모델과 실제 본 발명에 따른 데이터가 거의 유사함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명과 종래 무선 가시광 통신 시스템을 비교하기 위한 도면으로서, 본 발명에 따른 주파수 변환된 복수의 광신호들을 이용한 무선 가시광 통신 시스템과, 종래의 무선 가시광 통신 시스템의 아이다이어그램(eye diagram)을 비교 하기 위한 도면이다.
도 8은 하나의 광 송신기만을 포함하는 종래의 기술과, 서로 다른 주파수로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 2개 및 3개의 광 송신기를 구비하는 본 발명에 따른 기술들을 비교한다. 도 8은 5Mbps, 10Mbps, 20Mbps, 30Mbps, 40Mbps인 경우에, 아이 다이어그램을 비교한다.
도 8을 참조하면, 종래 기술에 따른 하나의 광 송신기를 포함하는 경우는 5Mbps 이외의 경우에 아이(eye)가 닫혀져서 사용 불가능한 상태임을 알 수 있다. 반면에, 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 생성할 수 있는 두 개의 광 송신기들을 포함하는 경우는 10Mbps부터 30Mbps까지 아이 다이어그램(eye diagram)이 유지되는 반면에, 40Mbps부터는 아이(eye)가 닫혀짐을 알 수 있다.
또한, 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 생성할 수 있는 세 개의 광 송신기들을 포함하는 본 발명의 또 다른 예를 살펴보면, 10Mbps부터 40Mbps까지 아이 다이어그램이 유지됨을 알 수 있다.
도 8로부터 본 발명과 같이 서로 다른 주파수를 생성할 수 있는 복수의 광 송신기들을 다수 구비한 무선 가시광 통신 시스템은 전송 가능한 데이터 용량이 증가하게 됨을 알 수 있다.
도 1은 백색 발광다이오드의 발광 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 2는 백색 발광다이오드의 응답 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 송신기의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 가시광 통신 시스템의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 5는 도 4에 도시된 그래프를 지수 함수 형태로 근사한 그래프,
도 6은 본 발명의 서로 다른 주파수로 변조된 광신호들을 생성하는 무선 가시광 통신 시스템에서의 이득 보상을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 무선 가시광 통신 시스템에 따른 주파수 응답의 이론 값과, 실측 값을 비교 설명하기 위한 그래프,
도 8은 본 발명과 종래 무선 가시광 통신 시스템을 비교하기 위한 도면.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 단말기들과 가시광 통신을 위한 무선 가시광 통신 시스템에 있어서,
    상기 단말기들과 무선 통신을 위해서 서로 다른 주파수 대역으로 변조된 광신호를 생성할 수 있는 복수의 광송신기들을 포함하며,
    상기 각 광송신기는,
    백색 광을 생성할 수 있는 광원과;
    상기 광원의 주파수 변조를 위한 주파수 변환부를 포함함을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 주파수 변환부는 상기 광원의 주파수 변조를 위한 캐패시터를 포함함을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 광원에서 변조되는 광신호의 주파수는 아래의 <수학식 6>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 시스템.
    Figure 112008047967049-pat00006
    (fi는 상기 광원에서 생성되는 광신호의 주파수, L은 상기 광원의 인덕턴스, Ci는 상기 캐패시터의 캐패시턴스 용량)
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 광원은 백색 발광다이오드를 포함함을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 시스템.
  6. 삭제
  7. 무선 가시광 통신 방법에 있어서,
    제1 광 송신기에 구비된 제1주파수 변환부가 광원으로 전달되는 신호를 제1주파수 대역으로 변조하는 과정과,
    상기 제1주파수 대역으로 변조된 광신호를 출력하는 과정과,
    제2 광송신기에 구비된 상기 제1주파수 변환부와 다른 제2주파수 변환부가 상기 광원으로 전달되는 신호를 상기 제1주파수 대역과 서로 다른 제2주파수 대역으로 변조하는 과정과,
    상기 제2주파수 대역으로 변조된 광신호를 출력하는 과정을 포함하며,
    서로 다른 캐패시턴스를 갖는 광 송신기들을 사용함으로써 상기 각 광신호들이 서로 다른 주파수를 갖도록 변조함을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각 광 송신기에서 변조되는 광신호의 주파수 대역과, 상기 각 광 송신기의 캐패시턴스는 아래의 <수학식 7>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 방법.
    Figure 712011000762827-pat00007
    (fi는 상기 광원에서 생성된 광신호의 주파수, L은 상기 광원의 인덕턴스, Ci는 캐패시터의 캐패시턴스 용량)
  9. 제8항에 있어서,
    서로 다른 주파수로 변조된 광신호들은 아래의 <수학식 8>에 의해 결합됨을 특징으로 하는 무선 가시광 통신 방법.
    Figure 112010067577917-pat00008
    (αi : 보상 계수, F(ω) : 보상된 주파수 응답함수, Gi : 광원의 이득)
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