KR101202669B1 - Multi-Input Multi-Output Visible Light Communication System - Google Patents

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김명섭
성진숙
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주식회사 투니텔
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Abstract

PURPOSE: An MIMO(Multiple Input Multiple Output) visible light communication system is provided to execute an MIMO process by transmitting and receiving signals using visible light. CONSTITUTION: A transmission unit(110) includes a plurality of output units(111). The transmission unit distributes transmission signals to the plurality of the output units. A reception unit(120) includes a plurality of input units(121). The reception unit combines optical signals received from the plurality of the input units with a reception signal. When the optical signal outputted from the plurality of the output units, an optical system(130) controls an optical path.

Description

다중 입출력 가시광 통신 시스템 {Multi-Input Multi-Output Visible Light Communication System}Multi-Input Multi-Output Visible Light Communication System

본 발명은 다중 입출력 가시광 통신 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a multiple input and output visible light communication system.

가시광 무선 통신 기술은, 반도체가 메모리 및 프로세서에 이어 조명으로도 활용되기 시작하면서 반도체에 의해 빛을 발광하는 LED(Light Emitting Diode)와 같은 조명의 빛을 통신 광원으로 사용할 수 있는 기술로 등장하게 되었다. 즉 이러한 LED 조명 통신 융합은 LED를 통해 조명을 함과 동시에 통신을 할 수 있는 융합 기술로서, 조명은 눈으로 볼 수 있는 가시광이므로 가시광 무선 통신 또는 가시광 통신이라고도 하는 것이다. 가시광 통신 기술은 디지털 조명과 통신을 융합한 통신 기술로, 통신 여부가 눈으로 확인될 수 있다는 편리함이 있다. 가시광 통신 기술에서는 상술한 바와 같이 반도체에 의해 빛을 발광하는 LED 조명을 사용하게 되는데, 이러한 LED 조명은 디지털로 제어할 수 있기 때문에, 기존의 아날로그 조명에 비하여 기술 발전 속도가 높고, 다양한 멀티미디어 조명 및 통신 서비스를 제공할 수 있다.Visible light communication technology has emerged as a technology that can be used as a communication light source, such as light emitting diodes (LEDs) that emit light by semiconductors, as semiconductors are also being used as lightings after memory and processors. . In other words, the LED lighting communication convergence is a fusion technology capable of communicating at the same time while lighting through the LED, the lighting is also visible light wireless communication or visible light communication because visible light visible. Visible light communication technology is a communication technology that combines digital lighting and communication, there is a convenience that communication can be visually confirmed. In the visible light communication technology, as described above, LED lights emitting light by semiconductors are used. Since the LED lights can be digitally controlled, the technology development speed is higher than that of conventional analog lights, and various multimedia lights and It can provide a communication service.

가시광 통신에서 사용되는 빛은 780nm에서 380nm의 파장(wavelength)을 갖는다. 이 파장을 주파수로 바꾸면, 385 THz에서 789 THz(주파수 대역 = 빛의 속도(300,000,000m)/파장(380ㅧ1000))에 해당하는데, 가청(오디오) 주파수 대역은 20 Hz에서 20,000 Hz에 해당되고, 적외선 파장을 사용하는 IrDA, 2.4 Hz의 IEEE 802.11n, UWB, 802.15.4 Zigbee, Bluetooth, 60 GHz의 IEEE802.15-3c 등이 있는 바, 가시광 통신은 종래의 통신 방법들 중 800-900nm를 사용하는 IrDA와 가장 유사한 파장을 사용하지만, 조명과 동시에 통신을 할 수 있다는 것이 특징이며 장점이 된다.Light used in visible light communication has a wavelength of 780nm to 380nm. Converting this wavelength to frequency corresponds to 385 THz to 789 THz (frequency band = speed of light (300,000,000 m) / wavelength (380 ㅧ 1000)), with the audible (audio) frequency band corresponding to 20 Hz to 20,000 Hz. , IrDA using infrared wavelengths, IEEE 802.11n at 2.4 Hz, UWB, 802.15.4 Zigbee, Bluetooth, IEEE802.15-3c at 60 GHz, and visible light communication is 800-900 nm among conventional communication methods. It uses the most similar wavelength to IrDA, but it can communicate with lighting at the same time.

가시광 통신을 이용할 경우 조명으로 사용되는 빛을 사용하기 때문에, 종래의 각종 전자파를 이용하는 통신 방법과는 달리 인체에 무해하며, 주파수 허가를 받을 필요가 없고, ISM과의 간섭도 없으며, 물리적으로 보안 기능을 제공하고, 초정밀 측위에 사용할 수 있는 등의 여러 가지 장점이 있다. 특히, 종래에 사용되는 대표적인 아날로그 조명인 형광등은 생산 시나 폐기 시에 환경 파괴 물질의 배출이 발생된다는 문제점이 있는 반면, LED 조명은 보다 친환경적이며, 90% 이상 전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 보다 긴 수명을 가지는 장점으로 인하여 미국, 유럽, 일본 등에서는 기존 조명 기구를 LED 조명으로 변경하도록 권장하는 법률 제정을 추진 중에 있다. 이러한 세계적인 추세에 따라 LED 조명 인프라는 더욱 확대될 전망이며, 따라서 상술한 바와 같은 가시광 통신의 활용 영역도 훨씬 확대될 것으로 예상된다.
In case of using visible light communication, it uses light used as lighting, so it is harmless to human body unlike the conventional communication method using various kinds of electromagnetic waves, does not need to obtain frequency permit, no interference with ISM, and physical security function. There are a number of advantages, including the ability to provide high precision positioning and use for ultra-precision positioning. In particular, fluorescent lamps, which are typical analog lights used in the related art, have a problem that emissions of environmentally destructive materials are generated during production or disposal, whereas LED lighting is more environmentally friendly, and saves more than 90% of power, Because of its longevity, the US, Europe, and Japan are enacting legislation that recommends changing existing lighting fixtures to LED lighting. According to this global trend, the LED lighting infrastructure is expected to be further expanded, and thus the utilization area of visible light communication as described above is expected to be further expanded.

한편, 다중 입출력(MIMO, Multi-Input Multi-Output) 시스템이란 현재 통신 분야에서 널리 사용되는 것으로, 다중의 입출력이 가능한 안테나 시스템을 말한다. 즉 기지국과 휴대 단말기의 안테나를 2개 이상으로 늘려 데이터를 여러 경로로 전송하고 수신단에서 각각의 경로로 수신된 신호를 검출하는 기술이다.On the other hand, MIMO (Multi-Input Multi-Output) system is widely used in the current communication field, and refers to an antenna system capable of multiple input and output. In other words, by increasing the number of antennas of the base station and the portable terminal to two or more, the data is transmitted in various paths, and the receiving end detects the signals received in each path.

MIMO(다중 입출력) 시스템의 원리를 현재 적용되고 있는 분야에서의 예시를 들어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 기존 무선랜은 안테나가 2개 달려 있음에도 불구하고 유선망과 무선망을 연결시켜주는 AP(Access Point)의 방향에 따라 하나의 안테나만 이용했지만, MIMO는 두 개의 안테나가 동시에 동작하도록 해 고속의 데이터 교환을 가능하게 한다. N개의 송신 안테나에 동일 시간에 동일 주파수를 사용하여 독립적인 신호를 전송한다. 이렇게 송신된 신호들은 무선 채널 상에서 공간적으로 다른 페이딩(수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상)을 겪게 되어 각 안테나로 수신되는 신호 간에는 비상관성을 갖게 된다. 이와 같이 송신 안테나마다 다른 신호를 송신함으로써, 기존보다 송신 안테나 수(N개)만큼 더 많은 데이터를 송신할 수 있는 것이다.The principle of the MIMO (multi-input / output) system will be described in more detail with reference to examples in the fields currently being applied. Existing wireless LAN uses only one antenna according to the direction of AP (Access Point) connecting the wired network to the wireless network even though there are two antennas, but MIMO allows two antennas to operate simultaneously for high-speed data exchange. To make it possible. An independent signal is transmitted to N transmit antennas using the same frequency at the same time. The transmitted signals undergo spatially different fading on the wireless channel (a phenomenon in which the intensity of the received radio waves fluctuates in response to changes in the medium through which the received radio waves pass), resulting in non-correlation between the signals received by each antenna. . In this way, by transmitting different signals for each transmitting antenna, more data can be transmitted by the number of transmitting antennas (N) than before.

이러한 MIMO 기술을 사용함으로써 얻을 수 있는 장점들은 다음과 같다. 먼저 기존 무선랜은 ieee802.11g라는 표준으로 54Mbps의 속도를 가졌던 데 반해 MIMO 기술을 탑재한 무선랜 제품들은 250~500Mbps의 전송 속도를 보여준다. 즉 MIMO 기술을 사용함으로써 전송 속도를 비약적으로 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 MIMO 기술을 사용하면 기존 무선랜에 비해 전송 속도 뿐만 아니라 도달 거리 또한 4배 정도 향상된다. 이와 같이 MIMO 기술은 안테나 구조에 관련된 개선만으로 쉽게 전송 속도와 도달 거리를 획기적으로 향상시킬 수 있는, 매우 효율적인 기술 중 하나이다.Advantages of using this MIMO technology are as follows. First of all, the existing wireless LAN is ieee802.11g standard and has a speed of 54Mbps, whereas wireless LAN products equipped with MIMO technology show a transmission speed of 250 ~ 500Mbps. In other words, by using the MIMO technology, there is an advantage that can significantly increase the transmission speed. In addition, the use of MIMO technology improves the transmission speed as well as the reach by four times compared to the existing WLAN. As such, MIMO technology is one of very efficient technologies that can easily improve the transmission speed and the reach by simply improving the antenna structure.

그런데, 이러한 MIMO 기술을 상술한 바와 같은 VLC(가시광 통신) 시스템에 그대로 적용하기에는 어려운 점이 있다. 전파의 경우 상술한 바와 같이 여러 개의 다른 신호를 동시에 송신하였을 때 각 신호 간에 간섭이 발생하거나 서로 섞이더라도 각각의 원래 신호로 분리하기가 상대적으로 용이하며, 따라서 다중 입출력 기술을 전파 통신 분야에서 적용하는 데에는 큰 무리가 없다. 그러나 VLC의 경우 신호를 전달하는 매체가 가시광인데, 가시광은 서로 간섭을 일으키거나 섞여 버리면 이를 분리하기가 매우 어렵다. 따라서 MIMO 기술을 그대로 VLC에 적용하는 것은 거의 불가능하다는 것이 잘 알려져 있다.
However, there is a difficulty in applying such MIMO technology to a VLC (visible light communication) system as described above. In the case of radio waves, when several different signals are transmitted at the same time as described above, even if interference occurs or mixed with each other, it is relatively easy to separate the signals into respective original signals. There is no big crowd. However, in the case of VLC, the medium that transmits the signal is visible light, which is very difficult to separate when it interferes or mixes with each other. Therefore, it is well known that it is almost impossible to apply MIMO technology to VLC as it is.

1. 한국특허공개 제2011-0063379호 (2011.06.10)1. Korean Patent Publication No. 2011-0063379 (2011.06.10) "가시광 신호 송수신 장치 및 그 방법""Visible light transmitting and receiving device and method thereof" 2. 한국특허공개 제2011-0068775호 (2011.06.22)2. Korean Patent Publication No. 2011-0068775 (2011.06.22) "다중 입출력 시스템, 수신 장치 및 신호 수신 방법""Multiple I / O Systems, Receivers, and Signal Receiving Methods" 3. 한국특허공개 제2011-0066160호 (2011.06.16)3. Korean Patent Publication No. 2011-0066160 (2011.06.16) "일종 고속 패킷 액세스 진화 시스템의 MIMO 전송 방법 및 설비""MIO Transmission Method and Equipment of a High Speed Packet Access Evolution System"

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가시광을 이용하여 신호의 송수신을 수행하되 다중 입출력이 가능하도록 하여 가시광 통신 시스템에서의 송수신 가능 데이터 용량 및 속도를 증대시킬 수 있는, 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 제공함에 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to perform the transmission and reception of signals using visible light, but to enable multiple input and output data transmission and reception in the visible light communication system An object of the present invention is to provide a multiple input / output visible light communication system capable of increasing capacity and speed.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템은, 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO)이 가능한 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 시스템(100)에 있어서, 각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하며, 송신 신호를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하는 송신부(110); 각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하며, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호로 합치는 수신부(120); 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 광학계(130); 를 포함하여 이루어지며, 상기 광학계(130)는, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와, 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 굴절시켜 상기 제1렌즈(131)에 의하여 만들어지는 상을 반전시키는 제2렌즈(132)와, 상기 제2렌즈를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제3렌즈(133)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the multiple input / output visible light communication system of the present invention is a visible light communication (VLC) system 100 capable of multiple input / output (Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO). A transmission unit (110) having a plurality of output units (111) each outputting a visible light signal, and distributing transmission signals to the plurality of output units (111); A receiver 120 having a plurality of input units 121 each receiving a visible light signal, and combining the optical signals received by the plurality of input units 121 into received signals; Located on the optical path between the output unit 111 and the input unit 121, when the optical signals output from the plurality of output unit 111 is input to the plurality of input unit 121 at intervals that can be resolved with each other An optical system 130 for adjusting an optical path to be input; The optical system 130 includes a first lens 131 and a first lens 131 that refracts the optical signals output from the plurality of output units 111 in a convergent direction. The second lens 132 refracts one optical signal to invert an image made by the first lens 131, and the third lens 133 refracts the optical signals passing through the second lens in a diffusion direction. It is characterized by comprising a).

이 때, 상기 광학계(130)는 상기 제3렌즈(133)가 상기 제2렌즈(132)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.In this case, the optical system 130 is characterized in that the third lens 133 is formed to be disposed inside the focal length of the second lens 132.

또한, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 상기 출력부(111)의 전단에 신호를 변조하는 모듈레이터(112)가 더 구비되며, 상기 입력부(121)의 후단에 신호를 복조하는 디모듈레이터(122)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 각각의 상기 모듈레이터(112) 및 이에 대응하는 상기 디모듈레이터(122)의 쌍마다 서로 다른 변복조 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the multiple input / output visible light communication system 100 further includes a modulator 112 for modulating a signal in front of the output unit 111 and a demodulator 122 for demodulating a signal at a rear end of the input unit 121. It is characterized in that the further provided. In this case, the multiple input-output visible light communication system 100 is characterized by using a different modulation and demodulation method for each pair of the modulator 112 and the corresponding demodulator 122.

또한, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 변복조 방식으로서 M-PSK(M-Phase Shift Keying, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), M-QAM(M-Quadrature Amplitude Modulation, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), FM(Frequency Modulation), AM(Amplitude Modulation) 방식 중 선택되는 적어도 어느 한 가지를 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the multiple input-output visible light communication system 100 is M-PK (M-Phase Shift Keying, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, ...)), M-QAM (M-Quadrature) as a modulation / demodulation scheme. Use at least one of Amplitude Modulation, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3,…)), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Frequency Modulation (FM), and Amplitude Modulation (AM) Characterized in that.

또한, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the multiple input / output visible light communication system 100 is characterized in that a plurality of the output unit 111 is arranged in a one-dimensional linear form consisting of a single row or column. Alternatively, the multiple input / output visible light communication system 100 is characterized in that a plurality of the output unit 111 is arranged in a two-dimensional matrix form consisting of a plurality of rows and columns.

또한, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 상기 입력부(121)는 상기 출력부(111)보다 적어도 하나 많도록 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the multiple input and output visible light communication system 100 is characterized in that the input unit 121 is formed so that at least one more than the output unit 111.

또한, 상기 출력부(111)는 LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 입력부(121)는 광전소자(photodiode)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the output unit 111 is characterized in that it is implemented as a light emitting diode (LED). In addition, the input unit 121 may be implemented as a photodiode.

본 발명에 의하면, 가시광 통신 시스템에 있어서 다중 입출력 기술을 도입함으로써, 가시광 통신에서도 대량의 데이터를 용이하고 정확하며 종래보다 더욱 높은 전송 속도로서 송수신할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 상세하게는, 본 발명에 의하면 가시광 통신 시 다중 출력된 신호를 적절한 광학계를 이용하여 전송함으로써 원래의 신호로 잘 분리되어 다중 입력이 이루어질 수 있도록 함으로써, 가시광 통신에서의 신호의 다중 입출력을 실현할 수 있게 해 주는 효과가 있는 것이다.According to the present invention, by introducing multiple input / output technologies in a visible light communication system, there is a great effect that a large amount of data can be easily and accurately transmitted and received even in visible light communication at a higher transmission speed than in the prior art. More specifically, according to the present invention, multiple inputs and outputs of the signals in the visible light communication can be realized by transmitting the multiple output signals in the visible light communication using an appropriate optical system so that the multiple inputs can be made. There is an effect that makes it possible.

물론 본 발명에 의하면 종래에 비하여 가시광 통신 시스템에서 전송할 수 있는 데이터 양 및 전송 속도의 한계를 크게 확대하는 효과가 있으며, 또한 이에 따라 가시광 통신 시스템의 적용 범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는 효과 또한 얻을 수 있다.
Of course, according to the present invention, there is an effect of greatly extending the limits of the amount of data and the transmission rate that can be transmitted in the visible light communication system, and thus, the effect of extending the scope of application of the visible light communication system is also obtained. Can be.

도 1은 다중 입출력 기술을 단순 적용한 가시광 통신 시스템.
도 2는 프라운호퍼 회절의 원리.
도 3은 에어리 디스크 및 레일리 기준의 원리.
도 4는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
도 5는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 실시예들.
도 6은 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템 출력부 또는 입력부 배치 형태의 실시예들.
도 7은 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 출력부-입력부 대응 형태의 한 실시예.
1 is a visible light communication system using a simple multiple input and output technology.
2 is a principle of Fraunhofer diffraction.
3 is a principle of Airy disc and Rayleigh reference.
4 is a multiple input and output visible light communication system of the present invention.
5 illustrates embodiments of a multiple input / output visible light communication system of the present invention.
6 illustrates embodiments of a multiple input / output visible light communication system output unit or input unit arrangement of the present invention.
7 is an embodiment of an output-input corresponding type of the multiple input-output visible light communication system of the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a multiple input / output visible light communication system according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 다중 입출력 기술을 단순 적용한 가시광 통신 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 송신부(110)에서는 송신 신호(TX Data)를 다수 개로 분리하여 각각을 다수 개의 출력부(111)를 통해 출력하게 되며, 수신부(120)에서는 다수 개의 입력부(121)를 통해 각각의 상기 출력부(111)로부터 출력된 신호를 수신받아 이를 수신 신호(RX Data)로 합치게 된다. 이 때, 가시광 통신 시스템의 경우 상기 출력부(111)는 가시광을 출력할 수 있는 장치로서 예를 들어 LED와 같은 장치가 될 수 있으며, 상기 입력부(121)는 역시 가시광을 감지할 수 있는 장치로서 예를 들어 광전소자(photodiode)와 같은 장치가 될 수 있다.1 schematically illustrates a visible light communication system using a simple multiple input / output technique. The transmitter 110 separates a plurality of transmission signals TX data into a plurality of output signals 111, and outputs each of them through a plurality of output units 111. In the receiver 120, a plurality of input units 121 each of the output units ( 111 receives the output signal and combines it with the received signal (RX Data). In this case, in the case of the visible light communication system, the output unit 111 may be a device such as an LED that can output visible light, and the input unit 121 may also be a device capable of sensing visible light. For example, it may be a device such as a photodiode.

그런데, 도 1에 굵게 표시되어 있는 선으로 보아 알 수 있듯이, 어떤 하나의 입력부(121)로는 다수 개의 출력부(111)로부터 송신된 신호들이 한꺼번에 들어오게 된다. 이 때, 가시광이 아닌 전파의 경우 이렇게 한꺼번에 여러 다른 신호들이 들어오더라도 이를 분리하는 다양한 기법들(예를 들어 송신 신호를 다중 출력하는 시점에서 이미 추후에 각각을 구분하여 입력하는 것이 가능하도록 하는 기법 등)이 있는데, 가시광의 경우에는 일반 전파와는 그 특성이 매우 상이하기 때문에 일반 전파를 사용하는 통신 기술에서의 종래의 기법들을 그대로 적용하는 데에는 무리가 있다. 즉 도 1에 표시되어 있는 것과 같이, 어떤 하나의 입력부(121)로 다수 개의 출력부(111)로부터 발산된 가시광이 합쳐서 들어오게 되면, 각각의 빛이 모두 서로 간섭을 일으켜 이를 분리하는 것이 불가능해지고, 이에 따라 신호들로부터 유의미한 데이터를 뽑아내는 것이 불가능해지게 된다.
However, as can be seen from the line marked in bold in FIG. 1, the signals transmitted from the plurality of output units 111 are introduced into one input unit 121 at a time. In this case, in the case of radio waves that are not visible light, various techniques for separating even if several different signals come in at the same time (for example, a technique for allowing separate input at a later point in time when multiple transmission signals are outputted). In the case of visible light, since its characteristics are very different from those of general radio waves, it is difficult to apply the conventional techniques in the communication technology using general radio waves. That is, as shown in FIG. 1, when the visible light emitted from the plurality of outputs 111 is combined into a single input unit 121, each of the lights interferes with each other, making it impossible to separate them. Therefore, it becomes impossible to extract meaningful data from the signals.

이러한 문제를 해소하기 위하여 본 발명에서는, 출력부(111)와 입력부(121) 사이에 적절한 광학계를 배치함으로써 각각의 출력부(111)에서 발산된 가시광 신호가 용이하게 분리되어 상기 입력부(121)로 입력될 수 있도록 하고 있다. 여기에서, 상기 입력부(121)에서 받아들이는 다중 가시광 신호 각각이 충분히 안정적으로 분리되어 수신될 수 있는 간격의 임계치와 관련된 광학적 이론에 대하여 간략히 설명한다.In order to solve this problem, in the present invention, by placing a suitable optical system between the output unit 111 and the input unit 121, the visible light signal emitted from each output unit 111 is easily separated into the input unit 121. It can be input. Here, the optical theory related to the threshold of the interval at which each of the multiple visible light signals received by the input unit 121 can be sufficiently and stably separated will be described.

도 2는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절의 원리를 간략하게 도시한 것이다. 도 2(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 파동이 진행하는 방향에 벽면이 가로막혀 있고 그 벽면에 작은 틈이 있을 때, 파동은 그 틈을 지나는 직선 경로 뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 휘어져 도달하게 되는데, 이러한 현상을 회절이라고 한다. 프라운호퍼 회절은 평면파에서 일어나는 회절을 말하는 것으로, 도 2는 원형 틈에 의한 프라운호퍼 회절의 원리를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이, 원형 틈의 중심으로부터 반경 방향으로의 임의의 한 점까지의 거리를 y라 하고, 상기 임의의 한 점으로부터 회절광이 입사면 상에 도달하는 점을 P점이라 하고, 상기 임의의 한 점으로부터 P점까지의 위치벡터를 r이라 하고, 상기 r벡터의 각도를 θ라 할 때, 하기의 수학식 1과 같은 평면파가 입사되면, P점에서의 회절광의 세기는 수학식 2와 같이 계산된다. (이러한 프라운호퍼 회절의 원리 및 계산 방식은 일반 광학 이론에서 널리 알려져 있는 것이다.)2 briefly illustrates the principle of Fraunhofer diffraction. As shown in Fig. 2 (A), when a wall is obstructed in the direction of wave propagation and there is a small gap in the wall, the wave bends to a certain range around it as well as a straight path through the gap. This phenomenon is called diffraction. Fraunhofer diffraction refers to diffraction occurring in a plane wave, and FIG. 2 shows the principle of Fraunhofer diffraction due to a circular gap. As shown in Fig. 2A, the distance from the center of the circular gap to any one point in the radial direction is y, and the point at which the diffracted light reaches the incident surface from any one point is P. If the position vector from any one point to the point P is r and the angle of the r vector is θ, a plane wave as shown in Equation 1 below is incident. The intensity is calculated as in Equation 2. (The principles and calculations of these Fraunhofer diffraction are well known in general optical theory.)

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이와 같은 방식으로 계산될 때, 원형 틈에 의한 회절광의 세기는 도 2(B)와 같은 형태로 나타나며, 이를 3차원적으로 표시하면 도 2(C)와 같이 나타난다.When calculated in this manner, the intensity of the diffracted light due to the circular gap is shown in the form as shown in Fig. 2 (B), when it is displayed three-dimensionally as shown in Fig. 2 (C).

도 3은 에어리 디스크 및 레일리 기준의 원리를 도시한 것이다. 실제로 원형 틈에 의한 회절광의 측정 결과는 도 3(A)와 같이 나타나는데, 즉 중앙의 밝은 점을 중심으로 밝고 어두운 고리들이 동심원 모양으로 나타나게 된다. (도 2(B) 또는 도 2(C)의 회절광 세기로 나타나는 것이 바로 이 고리들의 밝기이다.) 이 때 이 중앙의 밝은 점(즉 도 2(B)에서 볼 때 중심축에서부터 진행된 회절광 세기 그래프가 처음으로 0이 되는 점까지로 나타나는 영역)을 에어리 디스크(airy disc)라고 한다. 빛의 파장을 λ라 하고 원형 틈의 지름을 D라 할 때, 이러한 에어리 디스크의 사이즈는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 나타나게 된다.3 illustrates the principle of Airy discs and Rayleigh criteria. In fact, the measurement result of the diffracted light due to the circular gap is shown in Fig. 3 (A), that is, the bright and dark rings centered on the bright spot in the center appear concentrically. (It is the brightness of these rings that is represented by the diffracted light intensity in FIG. 2 (B) or FIG. 2 (C).) At this point, the bright point in the center (ie, the diffracted light traveling from the central axis as seen in FIG. 2 (B)) The area where the intensity graph appears to the first zero point is called an airy disc. When the wavelength of light is λ and the diameter of the circular gap is D, the size of the airy disk is shown as shown in Fig. 3B.

이와 같은 에어리 디스크로부터 레일리 기준(Rayleigh's criterion)이 나타나게 된다. 레일리 기준이란 두 점광원 사이의 분해 기준으로, 한 회절 무늬의 중심이 다른 회절 무늬의 첫 번째 극소점과 일치할 때 두 점광원은 간신히 분해될 수 있음을 나타낸다.From this Airy disk, Rayleigh's criterion emerges. The Rayleigh criterion is a decomposition criterion between two point sources, indicating that the two point sources can barely resolve when the center of one diffraction pattern coincides with the first minima of the other diffraction pattern.

도 2, 도 3 및 이와 관련된 설명은 빛의 회절에 관한 기본적인 원리를 설명하기 위한 것일 뿐으로, 구형파가 이용되는 경우 프레넬 회절 원리를 이용하여 계산을 수행해야 하거나, 보다 복잡한 형태의 다중 슬릿 등이 적용될 경우 또 다른 요소들을 고려해야 하는 등, 도 2, 도 3 및 이와 관련된 설명에 국한되지 않고 다양한 광학적 원리들이 적용되어야 함은 당연하다. 이러한 광학적 원리들은 일반적인 광학 지식에 해당하는 것인 바, 여기에서는 기본적인 광학 원리를 설명하는 것으로 그치고 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
2, 3 and related descriptions are only for explaining the basic principle of the diffraction of light, and when the square wave is used, the calculation must be performed using the Fresnel diffraction principle, Naturally, various optical principles should be applied, without being limited to FIGS. 2, 3 and related descriptions, such as considering other factors when applied. These optical principles correspond to general optical knowledge, and the description of the basic optical principles will be omitted here, and a detailed description thereof will be omitted.

상술한 바와 같은 광학적 원리들을 응용하여 볼 때, 가시광 통신 시스템에 다중 입출력 기술을 적용함에 있어 각 입출력 신호들의 분해 가능한 최소 간격을 예측할 수 있으며, 이러한 최소 간격 이상이 되도록 입력 신호가 들어오도록 하면 가시광 통신 시스템에서도 입력 신호들이 도 1에서와 같이 서로 섞여 버리지 않고 분해 가능하게 되어 다중 입출력 기술을 실현할 수 있을 것을 예상할 수 있다.
By applying the optical principles as described above, in applying the multi-input / output technology in the visible light communication system, it is possible to predict the minimum resolution of each input and output signal resolution, and if the input signal is to be more than this minimum interval visible light communication In the system, it can be expected that the input signals can be resolved without being mixed with each other, as shown in FIG.

도 4는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, 이하 MIMO) 가시광 통신(Visible Light Communication, 이하 VLC) 시스템(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이 송신부(110), 수신부(120) 및 광학계(130)를 포함하여 이루어진다.4 illustrates a multiple input / output visible light communication system of the present invention. As shown, the multi-input multi-output (MIMO) visible light communication (VLC) system 100 of the present invention, the transmitter 110, as shown in FIG. , Including the receiver 120 and the optical system 130.

상기 송신부(110)는 도시된 바와 같이 각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하여, 송신하고자 하는 원래의 송신 신호(TX Data)를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하여 준다. 이와 같이 분배된 송신 신호가 각각의 상기 출력부(111)를 통해 다수 개로 분리되어 출력되도록 함으로써, 상기 송신부(110)에 의한 광신호의 다중 출력이 이루어지게 된다. 이 때 상기 출력부(111)는, 가시광 신호에 원하는 데이터를 합친 광신호를 만드는 것이 용이하도록, 일반적으로 가시광 통신 시스템에서 출력부로서 널리 사용되는 LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 송신부(110)에서 보내는 송신 신호가 변조가 완료된 신호일 수도 있고, 또는 상기 송신부(110)에서 보내는 송신 신호는 변조 신호이되 상기 송신부(110) 내에 이를 분배하는 장치가 구비되어 있도록 할 수도 있지만, 그렇지 않고 상기 송신부(110)에서 보내는 송신 신호가 변조되지 않은 신호이며 상기 송신부(110)에서는 단지 전기 신호 형태로 된 송신 신호를 분배하기만 하도록 되어 있는 경우라면, 이를 변조하는 것이 필요하다. 따라서 이러한 경우에는, 상기 출력부(111)의 전단에는 신호를 변조하는 모듈레이터(112)가 더 구비되도록 한다.As shown, the transmitter 110 includes a plurality of output units 111 for outputting visible light signals, respectively, to distribute the original transmit signal TX data to the plurality of output units 111. give. In this way, a plurality of divided transmission signals are output through each of the output units 111, so that multiple outputs of the optical signals by the transmitter 110 are performed. In this case, the output unit 111 is preferably implemented as a light emitting diode (LED), which is generally used as an output unit in a visible light communication system, so as to easily make an optical signal in which desired data is added to a visible light signal. In addition, although the transmission signal transmitted from the transmitter 110 may be a signal for which modulation is completed, or the transmission signal transmitted from the transmitter 110 may be a modulated signal but an apparatus for distributing it may be provided in the transmitter 110. Otherwise, if the transmission signal transmitted from the transmission unit 110 is an unmodulated signal and the transmission unit 110 is only intended to distribute the transmission signal in the form of an electrical signal, it is necessary to modulate it. Therefore, in this case, the front end of the output unit 111 is further provided with a modulator 112 for modulating the signal.

상기 수신부(120)는 역시 도시된 바와 같이 각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하여, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호(RX Data)로 합치는 역할을 한다. 즉 상기 수신부(120)에 구비된 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 광신호들을 수신할 수 있도록 이루어짐으로써 광신호의 다중 입력이 이루어지는 것이다. 이 때 상기 입력부(121)는 광전소자(photodiode)로 구현될 수 있다. 이 때 도면 상에서는 마치 하나의 출력부(111) 당 하나의 입력부(121)가 대응되는 것처럼 도시되어 있으나 물론 상기 입력부(121)가 그렇게 이루어지는 것만은 물론 아니고, 예를 들어 다수 개의 광전소자가 평면 상에 2차원적으로 배치되어 있는 형태로 이루어지도록 하는 등과 같이 구현되도록 할 수 있다. 더불어, 상기 송신부(110)에서와 유사한 논리로, 상기 수신부(120)도 상기 입력부(121)의 후단에 신호를 복조하는 디모듈레이터(122)가 더 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
As shown in the drawing, the receiver 120 includes a plurality of input units 121 for receiving a visible light signal, respectively, to combine the optical signals respectively received by the plurality of input units 121 into a received signal RX data. Play a role. That is, multiple inputs of the optical signals are performed by receiving the optical signals with the plurality of input units 121 provided in the receiver 120. In this case, the input unit 121 may be implemented as a photodiode. At this time, it is shown in the drawing as if one input unit 121 corresponds to one output unit 111, but of course, the input unit 121 is not so formed, and for example, a plurality of photoelectric elements are planar. It can be implemented such as to be made in the form that is arranged in two dimensions. In addition, similar to the logic of the transmitter 110, the receiver 120 may further include a demodulator 122 that demodulates a signal at a rear end of the input unit 121.

여기에서, 상기 송신부(110)에서 각각의 상기 출력부(111)마다 상기 모듈레이터(112)가, 또한 상기 수신부(120)에서 각각의 상기 입력부(121)마다 상기 디모듈레이터(122)가 구비되도록 할 경우, 각각의 경로마다 서로 다른 변조 방식을 적용할 수 있게 된다. 보다 명확히 설명하자면, 각각의 상기 모듈레이터(112) 및 이에 대응하는 상기 디모듈레이터(122)의 쌍마다 서로 다른 변복조 방식을 사용하도록 할 수 있다는 것이다.In this case, when the modulator 112 is provided for each of the output units 111 in the transmitter 110 and the demodulator 122 is provided for each of the input units 121 in the receiver 120. Therefore, different modulation schemes can be applied to each path. More specifically, it is possible to use different modulation and demodulation schemes for each pair of the modulator 112 and the corresponding demodulator 122.

본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)에서는 또한, 변복조 방식으로서 M-PSK(M-Phase Shift Keying, 여기에서 M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), M-QAM(M-Quadrature Amplitude Modulation, 여기에서 M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), FM(Frequency Modulation), AM(Amplitude Modulation) 방식 중 선택되는 적어도 어느 한 가지를 사용할 수 있다. 이 때, 상기 송신부(110)에서 각각의 상기 출력부(111)마다 상기 모듈레이터(112)가, 또한 상기 수신부(120)에서 각각의 상기 입력부(121)마다 상기 디모듈레이터(122)가 구비되는 경우에는, 상기 모듈레이터(112) 및 상기 디모듈레이터(122)에 상술한 바와 같은 변복조 방식 중 사용자가 원하는 대로 선택하여, 각각의 모듈레이터(112)마다 다른 변조 방식을 사용하도록 할 수 있다. (물론 이 때, 한 모듈레이터(112)에 대응하는 디모듈레이터(122)는 그에 상응하는 복조 방식을 사용하게 되며, 따라서 이 경우 자연히 각각의 디모듈레이터(122)마다 다른 복조 방식이 사용되게 된다.)
In the multiple input-output visible light communication system 100 of the present invention, M-PK (M-Phase Shift Keying, where M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, ...)), M-QAM as a modulation / demodulation method. (M-Quadrature Amplitude Modulation, where M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, ...)), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Frequency Modulation (FM), Amplitude Modulation (AM) At least one can be used. In this case, when the modulator 112 is provided for each of the output units 111 in the transmitter 110, and the demodulator 122 is provided for each of the input units 121 in the receiver 120, In addition, the modulator 112 and the demodulator 122 may select one of the modulation and demodulation schemes described above as desired by the user, and use a different modulation scheme for each modulator 112. (At this time, the demodulator 122 corresponding to one modulator 112 uses a corresponding demodulation scheme. Therefore, a different demodulation scheme is naturally used for each demodulator 122 in this case.)

여기에서, 상기 송신부(110)와 상기 수신부(120)만이 존재할 경우 도 1로 설명했던 바와 같이 상기 송신부(110)의 각 출력부(111)에서 송신되는 광신호들이 입력부(121)로 서로 섞여서 들어오게 되어 각 광신호들을 분리하는 것이 불가능해지며, 이에 따라 수신 신호를 재구성하는 것이 어려운 문제가 있었다. 본 발명에서는 도 4에서와 같이 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치시킨 상기 광학계(130)를 이용하여 이러한 문제를 해소하고 가시광 통신 시스템에서의 다중 입출력을 가능하게 한다.In this case, when only the transmitter 110 and the receiver 120 exist, as described with reference to FIG. 1, optical signals transmitted from each output unit 111 of the transmitter 110 are mixed into the input unit 121. As a result, it is impossible to separate each optical signal, and thus, it is difficult to reconstruct the received signal. In the present invention, the optical system 130 positioned on the optical path between the output unit 111 and the input unit 121 as shown in FIG. 4 solves this problem and enables multiple input / output in a visible light communication system. Let's do it.

상기 광학계(130)는 상술한 바와 같이 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 점광원들은 레일리 기준 이상의 간격으로 배치되면 서로 분리하여 감지하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 바로 이러한 원리를 이용하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 송신되는 다중 출력 신호들의 광경로들을 상기 광학계(130)를 통해 레일리 기준 이상의 간격으로 배치되도록 조절하여 상기 입력부(121)로 입사시킴으로써, 각 광신호의 분리 입력이 가능하도록 하고 있는 것이다.
As described above, the optical system 130 is positioned on an optical path between the output unit 111 and the input unit 121, so that the optical signals output from the plurality of output units 111 are output to the plurality of input units 121. When inputting to), it controls the optical paths so that they are input at intervals that can be separated from each other. As described above, the point light sources may be separated from each other and sensed if they are arranged at intervals of more than a Rayleigh reference. In the present invention, using the same principle, the optical paths of the multiple output signals transmitted from the plurality of output units 111 are adjusted to be arranged at intervals of more than a Rayleigh reference through the optical system 130 to the input unit 121. By incidence, separate input of each optical signal is made possible.

상기 광학계(130)의 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 광학계(130)는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와, 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 굴절시켜 상기 제1렌즈(131)에 의하여 만들어지는 상을 반전시키는 제2렌즈(132)와, 상기 제2렌즈를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제3렌즈(133)를 포함하여 이루어지도록 할 수 있다. 다중 출력된 광신호는 먼저 상기 제1렌즈(131)를 통과하는 과정에서, 광경로가 도 4에 도시된 바와 같이 굴절되어 초점 방향으로 수렴하다가, 초점을 지나서는 상을 반전시키면서 확산된다. 따라서 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들로 이루어지는 상은 원래의 상에 대하여 반전된 상이 되는데, 이를 다시 반전시키도록 상기 제2렌즈(132)가 구비되게 된다. 이와 같이 상기 제2렌즈(132)를 통과한 광신호들은, 원래 상기 송신부(110)에서 보내진 상이 수렴되어 가는 형태의 상을 이루게 된다. 이와 같이 수렴된 광신호를 그대로 입력받게 될 경우 각 광신호들 간의 간격이 레일리 기준 이하가 될 가능성이 있다. 따라서 이를 다시 확산시켜 적절한 간격으로 벌어져 배치될 수 있도록 광신호가 상기 제3렌즈(133)를 통과하도록 한다. 이후 상기 제3렌즈(133)로부터 적절한 거리만큼 떨어진 위치에 상기 입력부(121)가 배치되도록 하여 광신호를 입력받게 함으로써, 잘 분리된 광신호가 각각의 입력부(121)로 입력될 수 있게 된다.Hereinafter, the configuration of the optical system 130 will be described in detail. As shown in FIG. 4, the optical system 130 includes a first lens 131 that refracts the optical signals output from the plurality of output units 111 in a convergent direction, and the first lens 131. A second lens 132 that inverts the image made by the first lens 131 by refracting the optical signals that pass through the second optical signal, and a third lens that refracts the optical signals passing through the second lens in a diffusion direction 133 may be included. In the process of first passing through the first lens 131, the multiplexed optical signal is refracted and converged in the focal direction as shown in FIG. 4, and then diffuses while inverting the image after the focal point. Therefore, the image formed of the optical signals passing through the first lens 131 becomes an inverted image with respect to the original image, and the second lens 132 is provided to invert it again. As such, the optical signals passing through the second lens 132 form an image in which the image originally sent from the transmitter 110 converges. When the converged optical signal is received as it is, the interval between the optical signals may be less than the Rayleigh reference. Therefore, the light signal passes through the third lens 133 so as to be diffused again so as to be spaced apart at appropriate intervals. Thereafter, the input unit 121 is disposed at a distance apart from the third lens 133 by an appropriate distance to receive the optical signal, so that the separated optical signal can be input to each input unit 121.

본 출원인은 한국특허출원 제10-2011-0035563호("다중 입출력 가시광 통신 시스템")에서 본 발명과 유사하지만 상기 제2렌즈(132)만이 생략된 형태의 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 개시한 바 있다. 상기 출원에서처럼 상기 제2렌즈(132)가 생략될 경우, 다중 입출력 기능을 구현하는 것 자체에는 아무런 문제가 없으나, 다만 상이 반전되어 들어오게 될 수 있으므로 이 경우에는 상기 출력부(111)와 상기 입력부(121)의 배치 상태가 서로 대칭을 이루도록 해야 한다. 그러나 본 발명에서는 상기 제2렌즈(132)를 부가함으로써 상을 재반전시켜 원래의 상을 이루도록 하기 때문에, 상기 출력부(111)와 상기 입력부(121)의 배치 상태가 서로 대칭이 되도록 할 필요가 없어, 설계 및 구현이 보다 용이해진다.The present applicant has disclosed a multiple input / output visible light communication system similar to the present invention in Korean Patent Application No. 10-2011-0035563 (“multiple input / output visible light communication system”), in which only the second lens 132 is omitted. . When the second lens 132 is omitted as in the application, there is no problem in implementing the multi-input / output function itself, but since the image may be inverted, in this case, the output unit 111 and the input unit The arrangement of the 121 must be symmetrical to each other. However, in the present invention, since the second lens 132 is added to invert the image to form the original image, it is necessary to make the arrangement of the output unit 111 and the input unit 121 symmetric with each other. There is no design and implementation easier.

더불어 이 때, 광신호 간 간섭을 최소화하고 보다 효과적으로 광신호를 분리할 수 있도록, 상기 광학계(130)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 제3렌즈(133)가 상기 제2렌즈(132)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 제2렌즈(132) 및 상기 제3렌즈(133) 간 간격을 상술한 바와 같이 함으로써 상기 광학계(130)의 부피 또한 줄일 수 있는 장점이 있다.
In addition, in this case, the optical system 130 has the third lens 133 as shown in FIG. 4 to minimize interference between the optical signals and to effectively separate the optical signals. It is more preferable that it is formed to be disposed inside the focal length of. In addition, as described above, the distance between the second lens 132 and the third lens 133 may reduce the volume of the optical system 130.

구체적인 예를 들어 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 더욱 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 여러 실시예로서, 먼저 도 5(A)에 도시된 바와 같이 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은, 다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어질 수 있다. 도 5(A)에서는 다수 개의 상기 출력부(111)들이 세로 방향으로 나열되어 단일 열을 이루는 형태로 되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 물론 이는 하나의 예시일 뿐으로 다수 개의 상기 출력부(111)들이 가로 방향으로 나열되어 단일 행을 이루는 형태가 되도록 할 수도 있고, 또는 대각선 방향이나 소정 각도를 이루도록 배치될 수도 있다.As a specific example, the multiple input / output visible light communication system of the present invention will be described in more detail. FIG. 5 illustrates various embodiments of a multiple input / output visible light communication system according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 5A, the multiple input / output visible light communication system 100 includes a plurality of output units 111 arranged in a single row. Or it may be arranged in a one-dimensional linear form consisting of columns. In FIG. 5A, a plurality of the output units 111 are arranged in a vertical direction to form a single column, but of course, this is only one example, and the plurality of the output units 111 are horizontal. It may be arranged in a direction to form a single row, or may be arranged to form a diagonal direction or a predetermined angle.

또한, 도 5(B)에 도시된 바와 같이 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은, 다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지도록 할 수도 있다. 도 5(B)는 간략하게 도시하기 위하여 2x2 행렬을 묘사하였으나 물론 행과 열의 개수는 얼마든지 늘어날 수 있음은 당연하다.In addition, as illustrated in FIG. 5B, the multiple input / output visible light communication system 100 may be configured such that a plurality of the output units 111 are arranged in a two-dimensional matrix form having a plurality of rows and columns. . Although FIG. 5B depicts a 2 × 2 matrix for simplicity, of course, the number of rows and columns can be increased.

도 5(A) 및 도 5(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 송신되는 다중 출력 신호는 원래 S1과 같은 배치 형태를 이루게 되는데, 상기 제1렌즈(131) 및 상기 제2렌즈(132)를 통과하면서 굴절되어 S2와 같이 배치 형태 자체는 유지되되 사이즈만 축소된 형태로 진행되게 된다. 이 때 상기 제3렌즈(133)를 통과하면서 각 광신호들이 확산되는 방향으로 굴절됨으로써, S3와 같이 각 광신호들 간 간격이 충분히 벌어져 레일리 기준 이상이 될 수 있게 되며, 이에 따라 상기 입력부(121)에서 각 광신호를 용이하게 분리 수신할 수 있게 된다.As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the multiple output signals transmitted from the plurality of output units 111 form the same arrangement as S1, and the first lens 131. And while being refracted while passing through the second lens 132, the arrangement itself is maintained as shown in S2, but only the size is reduced. At this time, the optical signals are refracted in the direction in which the optical signals are diffused while passing through the third lens 133, so that the intervals between the optical signals are sufficiently widened as in S3 to be equal to or greater than the Rayleigh reference. ), Each optical signal can be easily received separately.

본 발명의 시스템에 의하여 다중 입출력이 실현되기 위해서는, 다중 출력된 광신호가 상기 입력부(121)로 입력될 때, 각각의 광신호들 간에 레일리 기준 이상의 간격이 되도록 해야 한다는 조건만 이루어지면 된다. 이는 상기 제3렌즈(133)와 상기 입력부(121) 간의 간격이나, 또는 상기 제1렌즈(131), 상기 제2렌즈(132) 또는 상기 제3렌즈(133) 간의 간격들을 적절히 조절함으로써 얼마든지 쉽게 이룰 수 있다. 즉 다수 개의 상기 출력부(111)가 2차원 평면 상에서 어떤 형태로 배치되든 본 발명의 구조에 따른 상기 광학계(130)를 거치면 얼마든지 분리 가능하기 때문에, 상기 출력부(111)의 배치 형태는 도 5로 한정되는 것은 전혀 아니며 설계자의 의도나 목적 등에 따라 얼마든지 자유롭게 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 출력부(111)들이 도 6(A)에 도시되어 있는 바와 같이 방사상으로 배치되도록 할 수도 있고, 또는 도 6(B)에 도시되어 있는 바와 같이 특별한 규칙성이 없이 배치되도록 할 수도 있는 등, 2차원 평면 상에 배치되기만 한다면 어떤 형태여도 무방하다. (물론 상기 입력부(121)들은 상기 출력부(111)들에 대응되도록 배치되면 되므로, 상기 출력부(111)들의 배치 형태가 결정되면 그에 따라 상기 입력부(121)들의 배치 형태는 상기 출력부(111)들의 배치 형태와 동일하거나 또는 대칭된 형태를 이루게 됨은 당연하다.)
In order to realize multiple inputs and outputs by the system of the present invention, when the multiple outputs of the optical signals are input to the input unit 121, it is only necessary to make a condition that the distance between the optical signals should be at least a Rayleigh reference. This may be achieved by appropriately adjusting the gap between the third lens 133 and the input unit 121 or the gap between the first lens 131, the second lens 132, or the third lens 133. Easy to achieve. That is, since the plurality of output units 111 can be separated in any form on the two-dimensional plane through the optical system 130 according to the structure of the present invention, the arrangement of the output unit 111 is illustrated in FIG. It is not limited to 5 at all and may be freely configured according to the intention and purpose of the designer. For example, the outputs 111 may be arranged radially as shown in FIG. 6 (A), or may be arranged without special regularity as shown in FIG. 6 (B). It may be any shape as long as it is disposed on a two-dimensional plane. (Of course, since the input units 121 may be disposed to correspond to the output units 111, when the arrangement form of the output units 111 is determined, the arrangement form of the input units 121 is accordingly determined by the output unit 111. It is natural to have the same or symmetrical arrangement of the arrangements.)

더불어, 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)에서, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 상기 입력부(121)가 상기 출력부(111)보다 적어도 하나 많도록 형성되게 할 수 있다. 이와 같이 형성될 경우, 다수 개의 상기 출력부(111) 중 누구와도 대응되지 않는 입력부(121)(도 7(B)에서는 가장 중심에 있는 입력부(121))에는, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)이 놓여 있는 환경의 외부 조명으로 인한 빛이 유입되게 된다. 이로부터, 출력부(111)와 대응되지 않는 입력부(121)로 입력된 광신호를 주변 조명에 의한 노이즈로 간주하여, 나머지 입력부(121)들에 입력된 광신호로부터 이 노이즈를 제거함으로써, 신호 전달 과정에서의 정확성을 보다 높일 수 있다.
In addition, in the multiple input / output visible light communication system 100 of the present invention, as illustrated in FIG. 7, the input unit 121 may be formed to be at least one larger than the output unit 111. In this case, the multi-input / output visible light communication system may be provided in the input unit 121 (the input unit 121 at the center in FIG. 7B) which does not correspond to any of the plurality of output units 111. Light from the external lighting of the environment in which 100) is placed is introduced. From this, the optical signal input to the input unit 121 that does not correspond to the output unit 111 is regarded as noise by ambient lighting, and the noise is removed from the optical signal input to the remaining input units 121. It can increase the accuracy in the delivery process.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.

100: (본 발명의) 다중 입출력 가시광 통신 시스템
110: 송신부 111: 출력부 112: 모듈레이터
120: 수신부 121: 입력부 122: 디모듈레이터
130: 광학계
131: 제1렌즈 132: 제2렌즈 133: 제3렌즈
100: multiple input / output visible light communication system (of the present invention)
110: transmitter 111: output 112: modulator
120 receiving unit 121 input unit 122 demodulator
130: optical system
131: first lens 132: second lens 133: third lens

Claims (10)

다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO)이 가능한 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 시스템(100)에 있어서,
각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하며, 송신 신호를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하는 송신부(110);
각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하며, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호로 합치는 수신부(120);
상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 광학계(130);
를 포함하여 이루어지며,
상기 광학계(130)는, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와, 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 굴절시켜 상기 제1렌즈(131)에 의하여 만들어지는 상을 반전시키는 제2렌즈(132)와, 상기 제2렌즈를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제3렌즈(133)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
In the Visible Light Communication (VLC) system 100 capable of Multi-Input Multi-Output Visible Light (MIMO),
A transmitter 110 having a plurality of output units 111 for outputting visible light signals, respectively, for distributing transmission signals to the plurality of output units 111;
A receiver 120 having a plurality of input units 121 each receiving a visible light signal, and combining the optical signals received by the plurality of input units 121 into received signals;
Located on the optical path between the output unit 111 and the input unit 121, when the optical signals output from the plurality of output unit 111 is input to the plurality of input unit 121 at intervals that can be resolved with each other An optical system 130 for adjusting an optical path to be input;
And,
The optical system 130 includes a first lens 131 that refracts the optical signals output from the plurality of output units 111 in a converging direction, and refracts the optical signals that have passed through the first lens 131. And a second lens 132 that inverts the image made by the first lens 131 and a third lens 133 that refracts the optical signals passing through the second lens in a diffusion direction. Multiple input and output visible light communication system.
제 1항에 있어서, 상기 광학계(130)는
상기 제3렌즈(133)가 상기 제2렌즈(132)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the optical system 130
And the third lens (133) is formed to be disposed inside a focal length of the second lens (132).
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
상기 출력부(111)의 전단에 신호를 변조하는 모듈레이터(112)가 더 구비되며, 상기 입력부(121)의 후단에 신호를 복조하는 디모듈레이터(122)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
The front end of the output unit 111 is further provided with a modulator (112) for modulating the signal, the multi-input visible light communication characterized in that the demodulator 122 for demodulating the signal is further provided on the rear end of the input unit 121 system.
제 3항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
각각의 상기 모듈레이터(112) 및 이에 대응하는 상기 디모듈레이터(122)의 쌍마다 서로 다른 변복조 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 3, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
Multiple modulation and demodulation schemes are used for each pair of modulators (112) and corresponding demodulators (122).
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
변복조 방식으로서 M-PSK(M-Phase Shift Keying, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), M-QAM(M-Quadrature Amplitude Modulation, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3, …)), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), FM(Frequency Modulation), AM(Amplitude Modulation) 방식 중 선택되는 적어도 어느 한 가지를 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
M-PK (M-Phase Shift Keying, M = 2N (N = 0, 1, 2, 3,…)), M-Quadrature Amplitude Modulation, M = 2N (N = 0, 1) , 2, 3, ...)), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Frequency Modulation (FM), and Amplitude Modulation (AM).
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
A multiple input and output visible light communication system, characterized in that a plurality of the output unit 111 is arranged in a one-dimensional linear form consisting of a single row or column.
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
A multiple input and output visible light communication system, characterized in that the plurality of output unit 111 is arranged in the form of a two-dimensional matrix consisting of a plurality of rows and columns.
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
상기 입력부(121)는 상기 출력부(111)보다 적어도 하나 많도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the multiple input and output visible light communication system 100
The input unit 121 is a multiple input and output visible light communication system, characterized in that formed in at least one more than the output unit (111).
제 1항에 있어서, 상기 출력부(111)는
LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the output unit 111
Multiple input and output visible light communication system, characterized in that implemented by LED (Light Emitting Diode).
제 1항에 있어서, 상기 입력부(121)는
광전소자(photodiode)로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
The method of claim 1, wherein the input unit 121 is
Multiple input and output visible light communication system, characterized in that implemented as a photodiode.
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