KR101576746B1 - 가시광 통신 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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정국현
박주현
황유민
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가시광 통신 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가시광 통신 장치는 송신부, 수신부 및 제어부를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 가시광 통신 장치는 적어도 하나의 가시광 통신 기지국에서 발신된 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 비콘 신호를 수신하고, 상기 비콘 신호로부터 시스템 파라미터를 추출한다. 가시광 통신 장치는 상기 시스템 파라미터를 참조하여 통신을 수행할 가시광 통신 기지국과 통신 주파수를 선택한다. 가시광 통신 장치는 선택된 통신 주파수와 시스템 파라미터를 선택된 가시광 통신 기지국으로 전송한다. 가시광 통신 장치는 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 심볼 맵핑 정보를 수신한다. 두 장치는 상기 변조 방식 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하고, 상기 변조된 데이터를 상호 송수신한다. 이때, 가시광 통신 장치는 정보를 송수신할 때 상기 시스템 파라미터를 참조하여 송신부 및 수신부의 작동을 제어할 수 있다.

Description

가시광 통신 장치 및 그 제어 방법{An apparatus and a method for VLC}
본 발명은 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템 파라미터를 측정하고, 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 장치를 제어하며, VLC에 특화된 변조 방식을 활용함으로써 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 가시광 통신 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
무선 통신 기술은 현대 정보 사회의 근간을 이루는 핵심 기술이다. 지금까지는 RF 통신과 관련하여 광범위한 분야에서 연구가 진행되어왔으며, 통신 기술이 발전함에 따라 인간이 활용할 수 있는 주파수의 범위 또한 날로 확대되었다. 이제는 각 국가별로 가용한 주파수 대역이 포화상태에 이르렀으며, 최근에는 제한된 주파수 대역을 효율적으로 활용하는 방안에 대해서 연구를 진행하고 있다.
한편, 인간은 RF 통신이 연구되기 훨씬 전부터 빛을 원거리 정보 전달 수단으로 활용해왔다. 멀리 떨어진 두 지점 사이에서 횃불이나 거울을 통한 빛의 반짝임을 통해서 의사 소통을 수행했다는 오래된 기록이 지금도 남아있다. 즉, 빛은 조명뿐만 아니라 의사 소통의 수단으로서도 유용하게 활용될 수 있다.
최근 각종 소재 산업 및 IT 기술의 발달 덕분에 기존의 조명을 대체할 LED(Light Emitting Diode) 전구가 개발되었다. 공급된 전력의 대부분을 열로 소모하는 기존의 백열 전구와는 달리 LED는 열 방출에 따른 에너지 소모가 적으며 수명이 매우 길다. 또한 LED는 전자적으로 매우 세밀하게 제어될 수 있으며 다양한 색상으로 구현 가능하다. 이처럼 LED는 다양한 장점을 지니며 이 때문에 차세대 조명으로 각광 받고 있다.
VLC는 눈으로 볼 수 있는 빛의 점멸을 전자적 신호 0과 1로 가정하고 통신을 수행한다. 전술한 바와 같이 LED는 다양한 장점을 지니고 있는데, 이런 LED의 특징들 때문에 LED는 VLC를 구성하는 핵심 부품으로써 활용될 수 있다.
통신의 측면에서 LED를 이용한 VLC는 다음과 같은 추가적인 장점을 지닌다. 우선, 전술한 바에 따르면 RF 통신의 주파수 대역은 각종 규제 및 계약에 의해 이미 사용처가 정해져 있는 반면, 가시광선 대역은 누구나 자유롭게 활용할 수 있다. 또한, 가시광은 몇몇 RF 주파수 대역과는 달리 인체에 전혀 무해하며, 조명 장치로 설치된 LED에 대하여 별도의 큰 추가 비용 없이 통신용으로 활용할 수 있다. 무엇보다도, LED를 통한 VLC에서 정보의 전송은 빛이 비춰지는 구역에 한정되어 진행되기 때문에 보안에 매우 우수하다.
지금까지 VLC를 수행하기 위한 다양한 연구가 진행되어왔으나 아직은 초보적인 단계에 불과하다. 최근, 몇몇 박물관이나 쇼핑몰 등에서 특정 장소에 위치한 작품이나 제품을 고객에게 설명하는 용도로 VLC가 활용되고 있으나, 해당 LED 조명을 통한 오디오나 텍스트의 전송에 그칠 뿐이다. 한편, VLC연구에 있어서 기존의 RF 통신 방식에서 사용했던 변조 방식 등의 기술이 그대로 적용되고 있는 실정이다. 이에 대하여, VLC 만의 주파수 광대역 특성과 가시광 셀의 독립적인 특성을 이용한 저전력 가시광 통신 실내 근거리 전송 기법에 대한 요구가 나날이 증대되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 가시광 통신 장치를 효율적으로 제어하고 VLC에 특화된 변조 방식을 사용하는 가시광 통신 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산하는 단계; 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택하는 단계;
상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신하는 단계; 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받는 단계; 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신하는 단계; 상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하는 단계; 및 상기 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신하는 단계; 를 포함하되, 상기 변조된 데이터를 송수신하는 단계는 상기 시스템 파라미터를 참조하여 송신부 및 수신부의 작동을 제어하고, 상기 시스템 파라미터는 가시광 통신 기지국과 단말기 사이의 거리, 방향 및 통신 채널 상태 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신에서의 단말기 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가시광 통신 기지국으로 정보를 전송하는 송신부; 상기 가시광 통신 기지국으로부터 발신된 정보를 수신하는 수신부; 및 각 부를 제어하는 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 수신부를 통해 상기 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신하고, 상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산하고, 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택하고, 상기 송신부를 통해 상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신하고, 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받고, 상기 수신부를 통해 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신하고, 상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하고, 상기 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신하되, 상기 송신부 및 수신부를 통해 상기 변조된 데이터를 송수신할 때, 상기 시스템 파라미터를 참조하여 송신부 및 수신부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 선택된 통신 주파수를 기준으로 기 설정된 주파수 범위 내에 포함되는 적어도 둘 이상의 주파수를 이용하는 FSK 방식을 통해 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 전송될 정보를 변조하되, 상기 FSK의 각 주파수로 변조된 상기 정보에 대하여 기 설정된 M진 변조 방식과 PPM 방식이 중복적으로 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, VLC에 특화된 변조 방식을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 가시광 통신 수행 시 효율적으로 가시광 통신 장치를 제어함으로써 전력의 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치의 변조 방식을 나타낸 도면이다.
도 3은 시스템 파라미터 중 방향 정보를 계산하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명은 시스템 파라미터를 측정하고, 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 장치를 제어하며, VLC에 특화된 변조 방식을 활용함으로써 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 가시광 통신 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 본문에서 사용된 ‘통신 주파수’ 단어는 빛이 가지는 고유의 주파수를 말하는 것이 아닌, 정보 전송을 위한 LED 등의 광원의 점멸 빈도 수를 의미하는 것이다. 하지만 이에 한정되지 않으며 RF 통신에서 일반적으로 사용되는 의미로도 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 따르면 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치(100)는 송신부(120), 수신부(140) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 가시광 통신 장치(100)는 자세 감지부(180)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 가시광 통신 장치(100)는 바람직하게는 가시광 통신 단말기를 의미하지만 이에 한정되지 않으며, 통신을 수행하는 상대방인 가시광 통신 기지국과 구별되는 별도의 통신 단말기 및 장치를 모두 포함할 수 있다.
송신부(120)는 가시광 통신 기지국으로 정보를 전송할 수 있다. 송신부(120)는 LED로 구비되나 이에 한정되지 않으며, 빛을 출력하는 모든 광원이 송신부(120)로 활용될 수 있다. 경우에 따라서, 사용자에게 시각적 정보를 출력하는 TV나 모니터 등의 디스플레이 장치도 송신부(120)가 될 수 있다.
송신부(120)는 단일의 광원으로 구비될 수 있지만 가시광 통신 장치(100)의 구성에 따라서 복수의 광원을 포함할 수 있으며, 가시광 통신 변조 방식에 따라서 각기 다른 색상을 출력하는 복수의 광원이 한 묶음으로 동시에 제어될 수 있다.
송신부(120)는 복수의 광원이 각기 다른 방향을 빛을 출력하도록 구비될 수 있다. 또한, 송신부(120)는 빛의 진행 경로를 변경하는 반사판 모듈과 빛의 집중 및 확산을 조절하는 렌즈 모듈을 더 포함할 수 있으며, 후술하는 제어부(160)에 의해 제어될 수 있다. 이에 따라 제어부(160)는 송신부(120)에서 출력되는 빛의 방향과 반경을 조정할 수 있다.
수신부(140)는 가시광 통신 기지국으로부터 발신된 정보를 수신할 수 있다. 수신부(140)는 외부에서 전달된 빛을 감지하고 이를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해서, 수신부(140)는 포토 다이오드(Photodiode) 및 CCD(Charge-Coupled Device) 등의 광센서로 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
수신부(140)는 단일의 포토 다이오드로 구비될 수 있지만 가시광 통신 장치(100)의 구성에 따라서 복수의 광원을 포함할 수 있다. 수신부(140)의 포토 다이오드가 복수로 구비되어 각기 다른 방향을 향해 설치된 경우 다양한 방향에서 전달되는 빛을 감지할 수 있다. 후술하는 제어부(160)는 기 설정된 방식에 따라 복수의 포토 다이오드의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(160)는 가시광 통신 장치(100)의 각 부를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, VLC에서의 통신 주파수는 전자적 제어에 의한 LED 등의 광원의 온-오프(On - Off)를 뜻하기 때문에 가시광선 자체가 지니고 있는 고유의 주파수와는 무관하다. VLC에서의 통신 주파수는 1초에 1번 점멸되는 1Hz의 극단적으로 느린 주파수부터 전자부품이 허용하는 한도 내의 극단적으로 높은 주파수까지 자유롭게 설정 가능하다는 장점이 있다. 이점에서 VLC는 일반적인 RF 통신과 큰 차이점을 지니게 되며 이로 인해 변조 방식도 상대적으로 자유롭게 구비될 수 있다. 하지만 가시광 통신 장치(100)가 조명의 역할도 동시에 수행하는 경우가 많기 때문에 사용자의 눈의 피로도를 가중시키는 플리커(Flicker) 현상을 고려하여 적어도 수백 Hz 이상의 점멸이 요구된다.
상기 제어부(160)는 상기 수신부(140)를 통해 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신할 수 있다. 일반적으로 가시광 통신 장치(100)의 사용자는 자신의 머리 위에 위치하고 있는 조명 장치(가시광 통신 기지국)와 통신을 수행하게 된다. 하지만 각 조명 장치에서 출력되는 빛이 일부 겹쳐질 수 있으며, 상기 빛이 겹쳐지는 범위에 사용자가 위치하는 경우 해당 빛을 출력한 조명 장치 모두와 통신을 수행할 수 있다. 또한 각 조명 장치는 다양한 통신 주파수를 통해서 비콘 신호를 발신함으로써 해당 조명 장치에 연결될 단말기를 탐색하게 된다.
가시광 통신 기지국은 적어도 하나의 통신 주파수를 이용하여 비콘(Beacon) 신호를 발신할 수 있다. 가시광 통신 기지국은 점멸하는 광원을 통해 일정 시간 구간(Time Slot) 동안 특정 통신 주파수를 통한 비콘 신호를 발신하고, 해당 시간 구간이 만료되면 새로운 시간 구간 동안 전과 상이한 통신 주파수를 통해 비콘 신호를 발신할 수 있다. 이 방식은 가시광 통신 장치(100)와 복수의 가시광 통신 단말기 사이의 정보 전송 시에도 활용될 수 있다. 하지만 가시광 통신에서의 다중화 기법은 이에 한정되지 않으며 다양한 방식으로 구비될 수 있다.
여기서, 비콘 신호는 다양한 정보를 포함할 수 있는데, 비콘 신호를 발신한 가시광 통신 기지국의 식별 부호, 위치, 비콘 신호를 발신한 시간, 가용 통신 주파수 정보, 가시광 통신 기지국의 송신 이득 및 수신 이득 등을 포함할 수 있다.
제어부(160)는 상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산할 수 있다. 시스템 파라미터는 가시광 통신 장치(100)의 작동을 제어하기 위해 참조되는 각종 측정 값들로 구성될 수 있다. 시스템 파라미터는 가시광 통신 장치(100)와 기지국 사이의 거리, 방향 및 통신 채널 상태 중 적어도 하나의 정보를 포함할 수 있다.
시스템 파라미터의 거리 정보는 다음과 같은 방식으로 계산될 수 있다. 즉, 제어부(160)는 상기 비콘 신호에 포함된 가시광 통신 기지국의 송신 이득 정보를 추출할 수 있다. 제어부(160)는 수신부(140)의 수신 이득 정보, 수신부(140)에서 검출된 비콘 신호의 세기 및 상기 추출된 가시광 통신 단말기의 송신 이득 정보에 기초하여 상기 가시광 통신 기지국까지의 거리를 계산할 수 있다. 가시광 통신 기지국의 송신 이득과 가시광 통신 장치(100)의 수신 이득이 클수록 측정된 신호의 세기가 크므로 상기 두 이득 값은 신호의 세기에 근거한 거리 계산에 영향을 주게 된다. 물론, 제어부(160)는 상기 두 이득과 무관하게 단순히 비콘 신호의 세기 만으로도 거리를 추정하는 방식으로 구성될 수 있다.
만약 수신부(140)가 각기 상이한 방향에 구비된 적어도 두 개의 포토 다이오드를 포함하는 경우, 제어부(160)는 수신부(140)를 통해 비콘 신호를 수신할 때 상기 복수의 포토 다이오드에서 검출되는 각 신호의 세기 정보들의 조합으로부터 가시광 통신 기지국의 방향을 계산할 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서 보다 상세하게 다루기로 한다.
제어부(160)는 수신된 비콘 신호의 세기가 기 설정된 기준값 이상인 경우 해당 비콘 신호를 발신한 상기 가시광 통신 기지국으로의 통신 채널 상태가 LOS(Line of Sight)인 것으로 파악하고, 상기 기준값 미만인 경우 NLOS(Non Line of Sight) 인 것으로 파악할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제어부(160)는 시스템 파라미터를 각 통신 주파수마다 별도로 생성할 수 있다. 제어부(160)는 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 수신된 모든 비콘 신호를 분석한 뒤, 통신 채널 상태가 LOS인 것들 중 거리가 가장 가까운 가시광 통신 기지국을 선택할 수 있다. 그리고, 제어부(160)는 상기 선택된 가시광 통신 기지국에서 발신된 비콘 신호들 중 가장 신호의 세기가 강한 비콘 신호의 통신 주파수를 선택할 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않으며 시스템 파라미터를 활용한 다양한 방식의 통신 수행 방식이 구비될 수 있다. 한편, 제어부(160)는 시스템 파라미터와 무관하게, 기 설정된 제어 방식에 따라 통신 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 가용 통신 주파수 중 식별 번호가 가장 작은 통신 주파수를 선택할 수 있고, 가장 광원의 점멸 빈도수가 많은 통신 주파수를 선택할 수도 있다.
제어부(160)는 송신부(120)를 통해 상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신할 수 있다.
제어부(160)는 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받을 수 있는데, 이는 가시광 통신 장치(100)와 상기 선택된 가시광 통신 기지국 사이의 통신이 종료되기 전까지 유효하다.
제어부(160)는 수신부(140)를 통해 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 제어부(160)는 상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조할 수 있다.
변조 방식은 기존의 RF 통신에서 활용되던 다양한 방식이 그대로 사용될 수 있으나 VLC에 특화된 변조 방식이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(160)는 상기 선택된 통신 주파수를 기준으로 기 설정된 주파수 범위 내에 포함되는 적어도 둘 이상의 주파수를 이용하는 FSK(Frequency Shift Keying) 방식을 통해 상기 가시광 통신 기지국으로 전송될 정보를 변조할 수 있다. 여기서, 상기 기 설정된 주파수 범위는 가시광 통신 기지국에 연결된 가시광 통신 단말기의 수에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 가시광 통신 기지국이 오직 1 개의 가시광 통신 단말기와 통신을 수행하는 경우, 상기 주파수 범위는 최대치로 설정될 수 있으며, 이에 따라 가시광 통신 단말기는 모든 가용 통신 주파수를 이용하여 고속의 통신을 수행할 수 있다. 한편, 제어부(160)는 상기 FSK의 각 주파수로 변조된 상기 정보에 대하여 기 설정된 M진(M-ary) 변조 방식과 PPM(Pulse Position Modulation) 방식을 중복적으로 적용할 수 있다. 여기서 M 진 변조 방식은 PDM(Pulse Density Modulation), PSK(Phase Shift Keying), AM(Amplitude Modulation), QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 변조 방식의 중복적 적용에 대해서는 도 2에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
이후, 가시광 통신 장치(100) 는 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신할 수 있다.
모든 통신 과정이 종료되면 가시광 통신 장치(100)에 부여했던 해당 통신 주파수에 대한 독점 권한이 해제되며, 타 통신 단말기가 사용할 수 있게 된다.
제어부(160)는 송신부(120) 및 수신부(140)를 통해 가시광 통신 기지국과 정보를 송수신할 때, 시스템 파라미터를 참조하여 송신부(120) 및 수신부(140)의 작동을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 제어부(160)는 시스템 파라미터의 거리 정보 및 방향 정보 중 적어도 하나에 기초하여 송신부(120)의 송신 이득 및 수신부(140)의 수신 이득을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 시스템 파라미터를 통해 가시광 통신 장치(100)와 가시광 통신 기지국 사이의 거리를 판별할 수 있는데, 상기 거리 정보가 큰 값을 가지면 송신 이득 및 수신 이득을 증가시키고 상기 거리 정보가 작은 값을 가지면 송신 이득 및 수신 이득을 감소시킬 수 있다. 즉 제어부(160)는 상기 거리 정보 크기에 비례하여 송신 이득 및 수신 이득을 조절할 수 있다. 이를 통해, 제어부(160)는 두 장치 사이의 거리가 가까움에도 불구하고 필요 이상의 송신 이득 및 수신 이득을 사용함으로써 발생될 수 있는 가시광 통신 장치(100)의 전력 낭비를 막을 수 있어 효율적으로 VLC를 운영할 수 있게 된다. 또한, 제어부(160)는 두 장치 사이의 거리가 멀 경우 송신 이득 및 수신 이득을 증가시켜 통신 연결 가능성을 높일 수 있다. 또한, 제어부(160)는 가시광 통신 기지국의 거리가 멀 경우, 수신부(140)에 수신되는 다양한 신호들 중 복호화 할 신호를 선택하는 기준이 되는 문턱 신호 세기(Threshold)를 기 설정된 값 이하로 낮추어 가시광 통신 기지국으로부터 전송된 정보에 대한 수신 민감도를 높일 수 있다.
여기서, 상기 송신 이득은 송신부(120)에서 데이터를 송신할 때, 상기 데이터에 가해진 증폭 계수를 의미한다. 상기 송신 이득에 따라서 LED 등의 광원의 빛의 세기가 변화될 수 있다. 광원에서 발신된 데이터는 빛의 전달 거리에 따라서 크기가 감소된다. 수신 이득은 수신부(140)에서 상기 감소된 수신 데이터를 증폭할 때 사용된 증폭 계수를 의미한다. 송신 이득 및 수신 이득은 증폭기 및 트랜지스터 등의 전자 소자를 통해 제어될 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 제어부(160)는 특정 거리 이상에 존재하는 가시광 통신 기지국으로부터 전송된 정보나 특정 세기 이하의 신호를 무시함으로써 VLC 수행 시 발생될 수 있는 신호의 간섭을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 수신부(140)는 복수의 포토 다이오드를 구비할 수 있는데, 제어부(160)는 시스템 파라미터의 방향 정보를 참조하여 가시광 통신 기지국이 있는 방향의 포토 다이오드의 수신 감도를 증가시키는 제어 정보를 생성할 수도 있다.
한편, 제어부(160)는 가시광 통신 기지국과의 통신 채널 상태가 NLOS인 것으로 판별되는 경우, 수신부(140)의 수신 이득을 증가 시키고, 송신부(120)를 통해 상기 가시광 통신 기지국으로 가시광 통신 기지국의 송신부의 송신 이득을 증가시키는 제어 정보를 전송할 수 있다.
송신부(120)가 렌즈 모듈 빛 반사판 모듈을 포함하는 경우, 제어부(160)는 시스템 파라미터의 방향 정보에 기초하여 송신부(120)의 렌즈 모듈 및 반사판 모듈을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(160)는 송신부(120)의 렌즈 모듈을 제어함으로써 빛을 집중되게 할 수 있고, 반사판 모듈을 제어함으로써 광원의 빛이 가시광 통신 기지국 방향으로 굴절되도록 조절할 수 있다.
자세 감지부(180)는 가시광 통신 장치(100)의 방향 및 상하좌우 기울어짐 정도를 측정할 수 있다. 자세 감지부(180)는 바람직하게는 자이로 센서 및 가속도 센서로 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제어부(160)는 상기 선택된 가시광 통신 기지국과 정보를 송수신할 때, 상기 자세 감지부(180)에서 감지된 가시광 통신 장치(100)의 방향 및 상하좌우 기울어짐 정도에 기초하여 송신부(120) 및 수신부(140)의 작동을 제어할 수 있다. 보다 상세하게 설명하자면, 제어부(160)는 시스템 파라미터의 가시광 통신 기지국 방향 정보와 자세 감지부(180)의 가시광 통신 장치(100)의 방향 및 기울어짐 정보를 분석하여 가시광 통신 기지국의 방향을 마주보는 수신부(140)의 포토 다이오드를 판별할 수 있고, 상기 포토 다이오드의 수신 이득을 증가시키는 제어 정보를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치의 변조 방식을 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 VLC에서의 2진 FSK을 도시한 것이다. FSK의 경우, 주파수에 따라 다른 신호가 맵핑 되는데, 도 2(a)에서 높은 주파수로 광원이 점멸되는 신호 구간은 1, 낮은 주파수로 광원이 점멸되는 신호 구간은 0인 것으로 설정할 수 있다. 본 발명에서는 이에 더하여, 기존의 FSK 방식에 M 진 변조 방식과 PPM 방식을 중복적으로 적용한 변조 방식을 제안한다. 도 2(b)는 2진 FSK에 4진 AM이 적용된 변조 방식을 도시하고 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 VLC 변조 방식은 8가지 심볼로 정보를 표현할 수 있게 되어 효과적인 정보의 송수신이 가능해진다. 도 2(c)는 2진 FSK와 4진 AM이 적용된 신호에 대하여 다시 2진 PPM이 적용된 변조 방식을 도시하고 있다. 도 2(c)에서 한 심볼이 차지하는 시간 영역이 두 개의 1점 쇄선 사각형으로 표시되었다. 변조된 데이터가 앞 사각형에 위치하는 경우 신호 0으로 인지하고 뒤 쪽 사각형에 위치하는 경우 신호 1로 인지하는 것으로 구성될 수 있다. 이에 따라 도 2(c)의 변조 방식은 총 16가지의 정보를 구분할 수 있다. 하지만 전술한 내용은 한 예일 뿐이며 본 발명에 따른 변조 방식은 다양하게 구비될 수 있다. 광원으로 사용되는 LED는 전자적으로 극히 세밀하게 제어될 수 있기 때문에 도 2(b) 및 2(c)와 같은 세밀한 주파수 제어 및 신호 세기 제어가 가능하다. 특히, 전술한 바와 같이 VLC에서는 극히 넓은 통신 주파수 대역을 활용할 수 있으므로 각 통신 주파수간, 또는 FSK의 각 주파수 사이의 간격을 넓게 사용함으로써 모든 심볼 간의 구분을 명확하게 할 수 있고, 이를 통해 신호의 혼선을 용이하게 방지할 수 있다. 각 심볼 간의 간격이 기존의 RF 통신 방식에 비해서 넓기 때문에 동일한 M 진 변조에 대해서 보다 적은 에너지로 각 심볼간의 혼선을 방지할 수 있다. 따라서, 동일한 에너지를 사용할 경우, 본 발명에 따른 변조 방식이 일반적인 RF 통신 방식에 비해 더 먼 거리까지 신호를 전송할 수 있다.
도 3은 시스템 파라미터 중 방향 정보를 계산하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 3(a)에서 파선은 광원(220)에서 각 포토 다이오드(142a, 142b)로 전달되는 빛의 경로를 도시한 것이다. 도 3(a)에 의하면 가시광 통신 장치(100)의 수신부(140)는 두 개의 포토 다이오드(142a, 142b)를 포함하고 있다. 가시광 통신 기지국의 송신부의 광원(220)에서 발신된 정보는 두 포토 다이오드(142a, 142b) 에게 수신될 수 있다. 여기서, 좌측의 포토 다이오드(142a)는 상기 광원(220) 방향으로 설치되어있으며 우측의 포토 다이오드(142b)는 상기 광원(220)의 반대 방향으로 설치되어있다. 따라서 동일한 광원(220)에서 비롯된 신호는 두 포토 다이오드에서 다르게 검출된다. 도 3(b)에 따르면 각 포토 다이오드에서 검출된 신호의 세기를 확인할 수 있다. 가시광 통신 장치의 제어부는 상기 각 포토 다이오드에서 검출된 신호의 세기를 조합하여 광원(220) 또는 가시광 통신 단말기의 방향을 계산할 수 있다. 바람직하게는, 각 포토 다이오드에서 검출된 신호의 피크(peak) 값의 비율로부터 시스템 파라미터의 방향 정보를 계산할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 4에 따르면, 본 발명에 따른 가시광 통신에서의 단말기 제어 방법은, 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신하는 단계(S10), 상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산하는 단계(S20), 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택하는 단계(S30), 상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신하는 단계(S40), 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받는 단계(S50), 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신하는 단계(S60), 상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하는 단계(S70) 및 상기 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신하는 단계(S80)를 포함할 수 있다. 이에 더하여 가시광 통신 장치의 제어 방법은 모든 통신이 완료된 후 가시광 통신 단말기에 부여되었던, 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 해제하는 단계(S90)를 추가적으로 포함할 수 있다.
비콘 신호를 수신하는 단계(S10)에서 가시광 통신 단말기는 가시광 통신 기지국에서 가시광 통신 단말기를 검색하기 위해 발신한 적어도 하나의 비콘 신호를 수신하는 단계이다. 이 때 가시광 통신 기지국은 특정 가시광 통신 단말기에 독점되지 않은 가용 통신 주파수를 통해 비콘 신호를 발신할 수 있다.
시스템 파라미터를 계산하는 단계(S20)는 상기 비콘 신호를 분석하여 그로부터 시스템 파라미터를 추출할 수 있다. 시스템 파라미터는 가시광 통신 기지국과 단말기 사이의 거리, 방향 및 통신 채널 상태 중 적어도 한의 정보를 포함할 수 있다.
가시광 통신 기지국 및 통신 주파수를 선택하는 단계(S30)에서 가시광 통신 단말기는 상기 추출된 시스템 파라미터를 참조하여 적어도 하나의 가시광 통신 기지국을 선택할 수 있으며 선택된 가시광 통신 기지국의 가용 통신 주파수 중 하나를 선택할 수 있다.
이후, 가시광 통신 단말기는 상기 선택된 통신 주파수 정보를 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신한다(S40). 이 때 통신 주파수는 시스템 파라미터를 참조하여 선택될 수 있지만 이와는 무관하게 기 설정된 제어 방식에 따라서 선택될 수도 있다.
선택된 가시광 통신 기지국으로부터 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받는 단계(S50)는 선택된 주파수를 해당 가시광 통신 단말기만 사용할 수 있게 한다. 이에 따라서 타 가시광 통신 단말기와 가시광 통신 장치 사이의 혼선을 방지할 수 있다.
선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 및 심볼 맵핑 정보를 수신하는 단계(S60)를 통해 가시광 통신 단말기는 가시광 통신 기지국과 동일한 방식으로 송신할 정보에 대한 변조를 수행할 수 있게 된다. 이 때, 가시광 통신 기지국 및 가시광 통신 단말기는 상기 선택된 통신 주파수를 기준으로 기 설정된 주파수 범위 내에 포함되는 적어도 둘 이상의 주파수를 이용하는 FSK 방식을 통해 전송될 정보를 변조하되, 상기 FSK의 각 주파수로 변조된 상기 정보에 대하여 기 설정된 M진 변조 방식과 PPM 방식이 중복적으로 적용될 수 있다.
이후 가시광 통신 단말기는 상기 수신한 변조 방식 및 심볼 맵핑 정보에 기초하여 송신할 정보를 변조하고(S70), 가시광 통신 기지국과 변조된 정보를 송수신(S80)한다.
모든 통신 과정이 완료되면 가시광 통신 단말기에 부여된 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 해제하는 단계(S100)에서 상기 독점 권한을 해제된다.
한편, 변조된 데이터를 송수신하는 단계(S90)는 상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 단말기의 송신부 및 수신부의 작동을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 시스템 파라미터의 거리, 방향 및 채널 상황을 참조하여 송신부의 렌즈 및 반사판 모듈, 수신부의 포토 다이오드, 그리고 송신부와 수신부의 송신 이득 및 수신 이득을 조정할 수 있다.
각 단계에 대한 상세한 설명은 가시광 통신 장치(100)의 각 부를 설명할 때 서술되었다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경을 할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 가시광 통신 장치
120 : 송신부
140 : 수신부
160 : 제어부
180 : 자세 감지부

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 통신 주파수는 상기 비콘 신호를 발신하는 광원의 점멸 빈도수임,
    상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산하는 단계;
    상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택하는 단계;
    상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신하는 단계;
    상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받는 단계;
    상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신하는 단계;
    상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하는 단계; 및
    상기 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신하는 단계; 를 포함하되,
    상기 시스템 파라미터는 가시광 통신 기지국과 단말기 사이의 거리, 방향 및 통신 채널 상태 정보를 포함하고,
    상기 시스템 파라미터의 거리 정보 및 방향 정보에 기초하여 송신부의 송신 이득 및 수신부의 수신 이득을 조절하며,
    상기 선택된 변조 방식은 상기 선택된 통신 주파수를 기준으로 기 설정된 주파수 범위 내에 포함되는 적어도 둘 이상의 주파수를 이용하는 FSK에 PPM 및 기 설정된 M진 변조가 중복적으로 적용되는 변조 방식인 것을 특징으로 하는 가시광 통신에서의 단말기 제어 방법.
  2. 가시광 통신 기지국과 가시광 통신을 수행하는 가시광 통신 장치에 있어서,
    상기 가시광 통신 기지국으로 정보를 전송하는 송신부;
    상기 가시광 통신 기지국으로부터 발신된 정보를 수신하는 수신부; 및
    각 부를 제어하는 제어부; 를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 수신부를 통해 상기 적어도 하나의 가시광 통신 기지국으로부터 적어도 하나의 통신 주파수를 통해 발신된 비콘 신호를 수신하고,
    상기 수신된 비콘 신호에 기초하여 시스템 파라미터를 계산하고,
    상기 시스템 파라미터를 참조하여 가시광 통신 기지국 및 상기 수신된 비콘 주파수 중 하나의 통신 주파수를 선택하고,
    상기 송신부를 통해 상기 선택된 통신 주파수 정보를 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로 송신하고,
    상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 상기 선택된 통신 주파수에 대한 독점 권한을 부여 받고,
    상기 수신부를 통해 상기 선택된 가시광 통신 기지국으로부터 변조 방식 정보 및 상기 선택된 통신 주파수에 기초한 심볼 맵핑 정보를 수신하고,
    상기 변조 방식 정보 및 상기 심볼 맵핑 정보에 따라 송신할 데이터를 변조하고,
    상기 선택된 가시광 통신 기지국과 상기 변조된 데이터를 송수신하되,
    상기 통신 주파수는 상기 비콘 신호를 발신하는 광원의 점멸 빈도수이고,
    상기 시스템 파라미터는 상기 가시광 통신 기지국과 상기 가시광 통신 장치 사이의 거리, 방향 및 통신 채널 상태 정보를 포함하고,
    상기 시스템 파라미터의 거리 정보 및 방향 정보에 기초하여 상기 송신부의 송신 이득 및 상기 수신부의 수신 이득을 조절하며,
    상기 선택된 변조 방식은 상기 선택된 통신 주파수를 기준으로 기 설정된 주파수 범위 내에 포함되는 적어도 둘 이상의 주파수를 이용하는 FSK에 PPM 및 기 설정된 M진 변조가 중복적으로 적용되는 변조 방식인 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 M진 변조 방식은 PDM, PSK, AM, QAM 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치.
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비콘 신호에 포함된 상기 가시광 통신 기지국의 송신 이득 정보를 추출하고,
    상기 수신부의 수신 이득 정보, 상기 수신부에서 검출된 상기 비콘 신호의 세기 및 상기 추출된 가시광 통신 기지국의 송신 이득 정보에 기초하여 상기 가시광 통신 기지국까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신부는,
    각기 상이한 방향에 구비된 적어도 두 개의 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 수신부를 통해 상기 비콘 신호를 수신할 때 상기 복수의 포토 다이오드에서 검출되는 각 신호의 세기 정보들의 조합으로부터 상기 가시광 통신 기지국의 방향을 계산하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치.
  8. 삭제
  9. 제 2 항에 있어서,
    가시광 통신 장치의 방향 및 상하좌우 기울어짐 정도를 측정하는 자세 감지부; 를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 송신부 및 수신부를 통해 상기 선택된 가시광 통신 기지국과 정보를 송수신할 때, 상기 자세 감지부에서 감지된 가시광 통신 장치의 방향 및 상하 기울어짐 정도에 기초하여 상기 송신부 및 수신부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 장치.
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