KR101696096B1 - 압축 센싱 기반의 광 카메라 통신 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에 있어서, 제 1 레이트를 옵티컬 레이트(optical rate)로 가지는 가시광 신호를 전송하는 송신 장치; 및 상기 가시광 신호를 상기 제1 레이트보다 낮은 제2 레이트로 수신하는 수신 장치를 포함하되, 상기 송신 장치는,소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈; 상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈;상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED(Light Emitting Diode)의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하며,상기 수신 장치는,상기 제2 레이트를 프레임 레이트(frame rate)로 가지는 카메라 모듈; 상기 카메라 모듈을 통해 수신된 프레임 내에서 상기 가시광 신호의 전송 영역을 검출하는 관심 영역 검출 모듈; 및상기 검출된 관심 영역을 통해 전송된 가시광 신호에서 상기 소스 데이터를 검출하는 신호 검출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템을 제공할 수 있다.

Description

압축 센싱 기반의 광 카메라 통신{Optical Camera Communications Based on Compressed Sensing}

본 명세서는 압축 센싱 기반의 광 카메라 통신 방법 및 이를 지원하기 위한 장치에 관한 것이다.

광학 카메라 통신(Optical Camera Communication; Optical Camcom)은 카메라 센서를 기초로 하여 LED(Light Emitting Diode) 광 데이터를 수신하는 새로운 컨셉의 기술이다.

적어도 하나의 LED로부터 생성된 LED 광 데이터는 카메라 센서에 의해 검출될 수 있다. 포토 다이오드를 리시버 컴포넌트로서 사용하는 종래의 가시 광선 통신(Visible Light Communications; VLC)과는 다르게, 본 명세서의 Optical Camcom은 휴대폰, CCTV와 같은 전자 기기 등에 장착되어 있는 카메라에 적용하는 데 있어 추가적인 비용이 들지 않는다.

LED 광을 기초로 한 데이터 통신에 있어서, 송신 장치는 데이터 변조를 위해 보다 넓은 범위의 디밍 레벨을 제공해야 하며, 플리커 현상이 없어야 한다.

여기서, 플리커 현상은 빛의 깜박거림 현상을 나타내는 것으로, LED 광의 깜빡거림(플리커링)이 사람의 육안으로 인식되는 현상을 의미한다. 일반적으로, 100Hz 이하의 주파수로 LED가 플리커링되는 경우, 상기 플리커링은 사람의 육안으로 인식될 수 있다. 따라서, 이러한 플리커링 현상을 방지하기 위해 Optical Camcom의 LED는 100Hz가 초과하는 주파수로 플리커링될 수 있다. IEEE 802.15.7 VLC 표준에서는, 최대 플리커링 주기(maximum flickering time period; MFTP)는 5ms라고 보고하고 있다.

일반적인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라의 캡쳐 레이트(또는 프레임 레이트)는 초당 대략 30 프레임에 불과하다. 그 결과, Optical Camcom은 데이터 송신 레이트보다 더 낮은 샘플링 레이트로 신호를 획득하게 된다. 그 결과, 샘플링되지 않은 데이터가 발생하게 되어 데이터 손실이 발생하고, 그로 인해 정확한 신호 검출 확률이 현저하게 낮아진다. 또한, 카메라에 포함된 고속 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 실행에 있어, 비용과 복잡도 측면에서 불리한 효과가 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위해, LED-LCD 카메라 통신에서 RGB 코딩 방법이 제안된 바 있다.

여기서, RGB 코딩 방법은 QR(Quick Response) 코드를 색 공간으로 확장한 코딩 방식이다. 그러나, RGB 코딩 방법에 있어서, LED/LCD는 데이터 송신기로서만 기능을 수행하며, 일반적인 디스플레이 기능은 수행하지 못한다는 단점이 존재한다.

디스플레이 기능 및 통신 기능의 수행을 위하여 LED 광원을 고려했을 때, 특정 CMOS 이미지 센서를 포함한 플리커-프리 Optical Camcom 스킴이 제안될 수 있다.

상기 특정 CMOS 이미지 센서는 광의 세기 변화에 즉각적으로 반응할 수 있다.

여기서, 특정 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드로 구성된 적어도 하나의 통신용 픽셀을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 특정 CMOS 이미지 센서는 비용 효율이 높은 일반적인 CMOS 이미지 센서에 직접적으로 적용될 수 없다는 단점이 존재한다.

이를 해결하기 위해, 최근에는 엘리어싱(aliasing) 특성을 이용한 undersampled frequency shift ON-OFF keying (UFSOOK) 스킴이 제안되었다. 그러나, 이 스킴은 특정 패턴의 주파수를 가정한 상태에서만 신호를 디코딩할 수 있다. 이는, 시스템의 플렉시빌리티(flexibiltiy)를 제한한다.

최근, Candes et al.과 Donoho는 낮은 샘플링 레이트로 신호를 복원하는 압축 센싱 이론을 발전시켰다. 확률 신호의 스파스 발생 특성에 기초하여, 압축 센싱은 높은 비트 레이트의 신호를 나이퀴스트 레이트(Nyquist rate) 보다 낮은 샘플링 레이트로 복원하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에 있어서, 제 1 레이트를 옵티컬 레이트(optical rate)로 가지는 가시광 신호를 전송하는 송신 장치; 및 상기 가시광 신호를 상기 제1 레이트보다 낮은 제2 레이트로 수신하는 수신 장치를 포함하되, 상기 송신 장치는, 소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈; 상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈; 상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED(Light Emitting Diode)의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하며, 상기 수신 장치는, 상기 제2 레이트를 프레임 레이트(frame rate)로 가지는 카메라 모듈; 상기 카메라 모듈을 통해 수신된 프레임 내에서 상기 가시광 신호의 전송 영역을 검출하는 관심 영역 검출 모듈; 및 상기 검출된 관심 영역을 통해 전송된 가시광 신호에서 상기 소스 데이터를 검출하는 신호 검출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 2 레이트는 상기 PN 코드의 길이에 따라 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에서 신호를 전송하기 위한 송신 장치에 있어서, 소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈; 상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈; 상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광 카메라 통신(Optical Camcom) 방법은 송신 장치에서 PPM 방식 및 PN 코드를 이용하여 신호를 전송함으로써, 카메라를 이용하는 수신 장치에서 낮은 샘플링 비율로도 신호의 복원 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 Optical Camcom 방법은 PN 코드를 이용한 랜덤 프로젝션을 통해 나이퀴스트 레이트보다 낮은 샘플링 레이트에서 신호 검출을 수행함으로써, 수신 장치의 구현 복잡도를 줄일 수 있는 효과가 있다. 압축 센싱 기반 신호 검출 스킴을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 Optical Camcom 방법은 다운 샘플링 레이트를 특정 레이트로 제한하지 않기 때문에, Optical Camcom 시스템에 대한 자유로운 디자인이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱(CS) 기반의 광 카메라 통신(Optical CamCom) 시스템 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-ary PPM 방식을 이용한 전송 신호 구조를 나타낸 도이다.
도 3a 및 3b는 다양한 DSR(Down Sampling Rate)에 따른 신호의 검출(detection) 확률 결과 그래프의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4는 PN 코드의 길이 및 DSR에 따른 신호의 검출 확률을 3차원 이미지로 도시한 도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.

더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

압축 센싱 (Compressed Sensing:CS ) 이론

압축 센싱 이론은 통상적으로 다루는 자연계의 신호는 대부분 특정한 신호 공간(space)로 변형(transform)시켜 보았을 때, 대부분의 값들이 0을 가지는 “스파스(sparse)” 신호라는 것이다.

여기서, Sparse 신호는 x-y 그래프(graph) 상에 신호를 표시할 때, 대부분의 x 값에서 y는 0(zero) 이고, 상대적으로 아주 적은 수의 x 값에서 non-zero의 y값을 가지는 신호를 말한다.

또한, 원래 신호에서 0이 아닌 수들의 개수는 'sparsity'라 부른다. 즉, 원래 신호에서의 0이 아닌 값들의 수를 'sparsity'라고 정의하고, 상기 sparsity를 특정 변수로 표현할 수 있다.

압축 센싱(CS) 이론에 따르면, 상기 sparse 신호는 아주 적은 수의 선형 측정(linear measurements)만으로도 원래의 신호를 거의 완벽하게 복원시킬 수 있다.

이하에서, 압축 센싱에 기초한 광 카메라 통신(Optical CamCom) 방법에 대해 살펴보기로 한다.

먼저, 광 카메라 통신(Optical Camcom) 시스템은 데이터 전송 신호가 실수(real-valued) 및 양수(positive-valued)를 가질 것을 요구한다. 왜냐하면, LED들은 광(또는 빛)의 세기를 이용하여 데이터를 전송하는데 사용되기 때문이다.

NX1 신호 벡터 X 를 고려해보자.

여기서, 상기 X는 실수 및 양수이고, 유한한 길이를 가지는 신호 벡터이다.

가 성립하는 특정 신호 벡터 X는 NX1의 기본 벡터(

)로 표현될 수 있다고 가정한다. 이 경우, 상기 신호 벡터 X는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, 상기 NX1의 기본 벡터는 자연계의 모든 신호를 표현할 수 있는 벡터를 의미한다.

[수학식 1]

,

여기서,

는 계수 세트(coefficient set)를 나타내며, 기본 벡터 앞에 곱해지는 스칼라(scalar) 값이다.

상기 NX1 신호 벡터 X를 행렬 형식으로 표현하면

로 표현될 수 있다.

여기서,

는 기본 벡터들과

로 구성된 NXN 행렬을 나타낸다.

여기서,

는

의 전치 행렬(transposed matrix)을 나타낸다.

압축 센싱 이론에 따르면, 만일 X가 K(=N) 기본 벡터들의 선형 결합(linear combination)으로서 표현 가능한 경우, X는 K-sparse 신호로서 정의될 수 있다.

이는 계수 벡터

가 K개의 논-제로(non-zero) 요소(element)들을 가지며, 나머지 요소들은 제로 임을 의미한다.

따라서, 신호 X는

및

로부터 선택된 K 벡터들의 선형 결합으로서 재표현될 수 있으며, 이는 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

,

,

여기서,

는 자연수 세트를 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 NX1 신호 벡터 x가 직접적으로 K-sparse 신호가 아닌 경우에는 아래 수학식 3과 같이 특정 선형 변형 과정을 거쳐 K-sparse 신호로 표현될 수 있다.

구체적으로,

를 DXN(D=cK, c≥1이고, D는 N보다 작은 자연수) 랜덤 측정 행렬(random measurement matrix)라고 하고, y를 DX1 크기의 압축 측정 벡터라고 했을 때, y는 행렬

를 기초로 프로젝션 변형(projection transformation)되어 이하의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서,

는 수신 장치에서의 다운 샘플링을 의미하며,

는 송신 장치에서의 랜덤 프로젝션을 의미하며,

는 K-sparse 신호를 의미한다.

즉, 수학식 3의 y는

라는 K-sparse 신호를 랜덤 프로젝션한 뒤, 다운 샘플링한 결과를 나타낸다.

수학식 3에 따를 때, 원본 신호의 복원을 위한 샘플링 레이트(또는 측정 개수)는 행렬

의 요소들 및 계수 벡터

의 스파시티 레벨(Sparsity level)에 의해 결정될 수 있다. 이때, 압축률(D/N)은 대응하는 다운 샘플링 비율(down sampling ratio)과 관련될 수 있다.

이하에서는 상술한 내용들에 기초하여, 본 발명에서 제안하는 CS 기반의 광 카메라 통신(Optical Camcom) 방법에 관해 관련 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

즉, 본 발명은 sparse 신호 조건(예: Ristricted Isometry Property:RIP)를 만족하는 입력 신호를 (1) 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 K-sparse 신호로 출력하고, (2) 이를 PN 코드를 통해 랜덤 프로젝션(random projection)함으로써, 낮은 샘플링 레이트를 가지는 카메라 기반의 수신 장치에서 전송된 sparse 신호를 복원 또는 검출하는 방법을 제공한다.

도 1은 본 명세서에서 제안하는 압축 센싱(CS) 기반의 광 카메라 통신(Optical CamCom) 시스템 구조의 일 예를 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면, 광학 카메라 시스템(100)은 송신 장치(transmitter, 110)과 수신 장치(receiver, 120)를 포함한다.

상기 송신 장치(110)은 입력 신호를 PPM 변조 및 PN 코드를 이용하여 K-sparse 신호를 생성하고, 적어도 하나의 LED를 통해 출력되는 가시광 신호를 (채널을 통해) 외부로 전송한다.

이하, 상기 송신 장치(110)의 구성 요소들에 대해 좀 더 구체적으로 살펴본다.

상기 송신 장치(110)은 신호 변조(signal modulation) 모듈(111), PN 코드 생성 모듈(112), LED 구동 모듈(113) 및 LED 모듈(114)를 포함한다.

도 1에 도시된 송신 장치(110)의 구성 요소들은 일 예로서, 상기 송신 장치(110)는 그보다 많은 구성 요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 가지고 구현될 수도 있다.

상기 신호 변조 모듈(111)은 M-ary PPM 방식을 이용하여 입력 신호를 변조(modulation) 한다.

이때, 상기 입력 신호는 sparse 신호가 되기 위한 RIP(Ristricted Isometry Property) 조건을 만족하는 신호일 수 있다. 또한, 상기 입력 신호는 입력 데이터, 입력 비트, 소스 데이터 등으로 표현될 수도 있다.

즉, 상기 신호 변조 모듈(111)은 입력 신호를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격(time interval)들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션(pulse position)으로 전환한다.

여기서, 상기 펄스 포지션으로 변조된 신호는 K-sparse 신호이며, 상기 K-sparse 신호는 살핀 것처럼 0이 아닌 값(non-zero value)가 K개인 신호를 의미한다.

앞서 살핀 수학식 3에서 PPM 신호 벡터

는 상기 신호 변조 모듈을 통해 출력되는 신호에 해당한다.

후술할 도 2에 도시된 바와 같이, 4-ary PPM 방식을 사용하는 경우, 상기 신호 변조 모듈로부터 출력되는 K-sparse 신호는 1-sparse 신호일 수 있다.

그 이유는 상기

에 포함된 M 요소(element)들 중 논-제로(non-zero) 요소들의 개수가 하나이기 때문이다.

상기 PN 코드 생성 모듈(112)는 상기 변조된 PPM 신호를 (CS 이론에 기초하여) 랜덤 프로젝션하기 위한 PN(Pseudo noise) code를 생성한다.

상기 PN 코드는 송신 장치에서 전송되는 신호의 랜덤도(randomness)와 랜덤 개수(random number)들을 포함하는 다운 샘플링된 신호를 수치화하기 위해 사용된다.

상기 PN 코드를 이용하여 K-sparse 신호를 랜덤 프로젝션함으로써, 송신 장치(110)에서의 전송 신호가 다운 샘플링되더라도 수신 장치에서 수신한 신호의 랜덤도는 동일한 레벨로 유지될 수 있게 된다.

즉, 송신 장치(110)에서의 전송 신호 자체가 랜덤한 특성을 가지고 있으므로, 수신 장치(120)는 송신 장치(110)에서의 전송되는 신호의 싱크(sync.)를 정확하게 잡지 않더라도 K-sparse 전송 신호를 복원하는데 크게 문제가 되지 않는다.

또한, 상기 송신 장치(110)는 상기 PN 코드의 길이 조절을 통해 수신 장치(120)에서의 다운 샘플링된 신호의 복원 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 송신 장치(110)는 상기 PN 코드의 길이 조절을 통해 VLC에서 발생할 수 있는 깜박거림 현상(flicker)을 없앨 수 있도록 할 수 있다.

상기 송신 장치(110)는 상기 PPM 변조 신호와 상기 PN 코드를 결합하여 수학식 1 내지 수학식 3에서 살핀 전송 신호 X를 생성한다.

상기 PPM 변조 신호와 상기 PN 코드는 incoherent property를 가진다.

상기 K-sparse 신호와 PN 코드를 결합하는 과정에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 송신 장치(110)는 스파스 신호 벡터

를 랜덤 기초 벡터 셋트(random basis vector set)로 프로젝션하기 위해

를 (Ns+(M-1))XM 크기의 랜덤 프로젝션 행렬(random projection matrix)

와 곱할 수 있다. 이때, 랜덤 프로젝션 행렬

와 관련하여, 랜덤 시퀀스로서 통계적으로 모델링된 PN 코드가 고려될 수 있다.

상기 랜덤 프로젝션 행렬

는 첫 번째 열을 (

)로 가지는 순환(circulant) 행렬로 결정될 수 있다.

여기서, C는 Ns 길이를 갖는 PN 코드 벡터를 나타내며, 0은 (M-1)X1 길이를 갖는 제로 벡터를 나타낼 수 있다.

즉, 송신 장치(110)는

를

와 곱함으로써 전송 신호 X를 생성하게 된다.

상기 송신 장치(110)를 통해 생성된 전송 신호 x는 상기 LED 구동 모듈(113)로 입력된다.

상기 LED 구동 모듈(113)은 변조된 신호에 따라서 적어도 하나의 LED의 켜짐과 꺼짐 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하고, 이를 상기 LED 모듈(113)로 출력한다.

특히, 상기 LED 구동 모듈(113)은 관심 영역(Region Of Interest: ROI)에 대응하는(또는, ROI에 위치한) LED를 제어하여 상기 LED 모듈(113)에서 이에 따른 광 신호를 출력할 수 있도록 한다.

예를 들어, 상기 LED 구동 모듈(113)은 ROI에 위치한 적어도 하나의 LED의 광의 세기, 광 주파수(또는 플리커링 주파수) 등을 조절함으로써 LED 모듈(114)에서 광 신호를 출력할 수 있도록 할 수 있다.

상기 LED 모듈(114)은 상기 LED 구동 모듈(113)의 구동 신호에 따라 점등되어, 적어도 하나의 LED로부터 발광되는 빛을 이용하여 가시광 변조 신호를 생성하고, 이를 외부로 전송한다.

상기 LED 모듈(114)은 적어도 하나의 LED를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 LED 구동 모듈(113)과 상기 LED 모듈(114)은 하나의 광원 발광 모듈로 구현될 수 있다.

상기 수신 장치(120)는 카메라 모듈(121)을 통해 다운 샘플링된 신호를 수신하고, ROI 검출(Region-Of-Interest detection)을 통해 입력 신호를 복원한다.

이하, 상기 수신 장치(120)의 구성 요소들에 대해 좀 더 구체적으로 살펴본다.

상기 수신 장치(120)은 카메라 모듈(121), ROI 검출 모듈(122) 및 신호 검출(signal detection) 모듈(123)을 포함한다.

도 1에 도시된 수신 장치(120)의 구성 요소들은 일 예로서, 상기 수신 장치(120)는 그보다 많은 구성 요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 가지고 구현될 수도 있다.

상기 카메라 모듈(121)은 송신 장치(110)에서 전송되는 가시광 신호를 수신한다.

상기 카메라 모듈(121)은 CCD 카메라 모듈일 수 있다.

상기 수신된 가시광 신호는 상기 카메라 모듈(121)의 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)로 샘플링된다.

여기서, 상기 카메라 모듈(121)의 프레임 레이트는 LED의 옵티컬 레이트보다 작기 때문에, 상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신되는 가시광 신호는 다운 샘플링된 신호에 해당한다.

상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신된 신호는 D X (Ns+M-1)의 크기를 갖는 측정 행렬

에 의해 모델링될 수 있다.

여기서, 측정 행렬

는 (Ns+M-1) X (Ns+M-1) 크기의 단위 행렬로부터 D개의 행을 선택적으로 포함하는 행렬을 나타낸다.

이 경우,

는 랜덤 프로젝션 프로시져(random projection procedure), 채널 이득(channel gain) 및 프레임-레이트(frame-rate) ADC를 포함하는 행렬이 될 수 있다.

상기 ROI 검출 모듈(122)은 상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신되는 프레임 영역 중 통신 수행을 위한 가시광 신호가 전송되는 영역 즉, 관심 영역(ROI; Region Of Interest)를 검출한다.

상기 ROI 검출 모듈(122)은 심플 이미지 처리 방법(Simple image processing scheme)을 사용하여 ROI를 검출할 수 있다.

즉, 상기 ROI 검출 모듈(122)은 프레임 스타트 시점을 기준으로 딜레이된 시간과 통신 수행을 위한 특정 광 신호를 검출한다.

상기 신호 검출 모듈(123)은 상기 변조 방식(PPM)에 대응하는 복조 방식을 통해 입력 신호를 복원 또는 검출한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-ary PPM 방식을 이용한 전송 신호 구조를 나타낸 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, PN 코드의 칩 듀레이션(chip duration)을 tc(=1/optical rate)라고 정의하고, PPM 펄스 간격

이 tc와 같다고 가정하기로 한다. 이 경우, 심볼 듀레이션(symbol duration) ts는 이하의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 4]

ts=tc X (Ns+3)

여기서, Ns는 PN 코드의 길이를 나타낸다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 Ns가 5인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

M-ary 구조의 경우, a개의 비트(들)을 포함한 블록은 Ns+(M-1) 길이의 시간 프레임에서 M=2^a 위치 간격(interval position 또는 position interval)을 나타낸다.

따라서, PN 코드의 위치를 통해 프레임에서 a-bits 데이터를 확인할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 2 비트들을 포함한 블록은 5+4-1=8 길이의 시간 프레임 내에 4개의 서로 다른 위치에 위치할 수 있다.

즉, 상기 2 비트들을 포함하는 블록은 총 2^2=4개의 위치 간격들로 표현될 수 있다. 살핀 것처럼, 시간 프레임 내의 PN 코드의 위치는 데이터를 나타낸다.

본 발명의 심볼 구조로부터 비트 레이트(bit rate)는 옵티컬 레이트(Optical rate,

), PN 코드의 길이(Ns), 및 PPM ary(M)에 의해 결정될 수 있으며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 5와 같다.

[수학식 5]

압축 센싱 이론의 RIP 조건(Restricted Isomtry Property condition)을 만족하기 위해, PN 코드의 엔트리는 가우시안 분포(Gaussian distributions) 또는 베르누이 분포(Bernoulli distributions)에 기초하여 생성될 수 있다. 여기서, RIP 조건은 압축 센싱 이론에 있어서, 노이즈에 대한 강인성 정도(Robustness)를 나타낸다.

보다 상세하게는, 일 실시예로서 PN 코드는 평균 값 0.5, 분산 값

을 갖는 i.i.d.(Independent and Identically Distributed) 가우시안 엔트리를 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, PN 코드는 유니폼 베르누이 분포(Uniform Bernoulli distribution)로부터 i.i.d.로서 0 과 1의 랜덤 변수들을 포함할 수 있다.

이와 같은 PN 코드의 생성 조건 하에 본 발명은, 대략 50%에 가까운 디밍 라이트 레벨(dimming light level)을 제공할 수 있다. 이는, 일반적으로 시간 프레임 길이가 Ns+(M-1)이고, tc=ts 조건을 만족하는 경우, 광 레벨은 PN 코드의 통계적 특성에 의해 큰 영향을 받기 때문이다. 보다 넓은 범위의 디밍 레벨을 보장하기 위하여, 본 발명에 아날로그 디밍 컨트롤이 적용될 수 있다.

채널을 통해 수신된 광 신호는 카메라의 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)로 샘플링될 수 있다. 이때, 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)는 송신 장치 LED의 옵티컬 레이트보다 작을 수 있다. 이때, 수신된 광 신호는 D X (Ns+M-1)의 크기를 갖는 측정 행렬

에 의해 모델링될 수 있다. 여기서 측정 행렬

는 (Ns+M-1) X (Ns+M-1) 크기의 단위 행렬로부터 D개의 행을 선택적으로 포함하는 행렬을 나타낸다. 이 경우,

는 랜덤 프로젝션 프로시져, 채널 이득 및 프레임-레이트 ADC를 포함하는 행렬이 될 수 있다.

송신 장치로부터 전송된 광 신호를 검출하기 전, 수신 장치는 ROI 검출 알고리즘을 수행할 수 있다. ROI 검출 알고리즘은 다양한 광 신호들을 출력하는 송신 장치의 LEDs 영역 중 통신 수행을 위한 특정 광 신호가 출력되는 ROI를 검출하기 위한 알고리즘이다.

ROI에서 출력되는 LED 광 신호에 포함된 VLC 데이터는 수신 장치 카메라에 의해 캡쳐된 연속된 프레임 내에서 다양한 분포를 가질 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 수신 장치는 심플 이미지 처리 스킴(Simple image processing scheme; 예를 들어, weighted differential image)을 적용함으로써 ROI를 검출할 수 있다. 그 결과, 수신 장치는 프레임 스타트 시점을 기준으로 딜레이된 시간과 송신 장치로부터 수신된 특정 광 신호를 검출하여 송신 장치로부터 수신된 광 신호에 대응하는 데이터를 획득하게 된다.

또한, 본 발명은 코스한 동기화(corse synchronization)를 위해 고주파수(예를 들어, 10kHz 이상의 주파수)를 갖는 스퀘어 웨이브(square wave)로 구성된 프레임 헤더(frame header)를 차용할 수 있다. 이 경우, 잔여 동기 오프셋(residual synchronization offset)이 다운 샘플링 인터벌(1/프레임 레이트) 사이에 잔존할 수 있다. 본 발명은 전송 신호의 랜덤도(randomness)와 랜덤 숫자들로 구성된 다운 샘플링 신호를 수치화하기 위해 PN 코드를 사용한다. 따라서, 비록 전송 신호가 다운 샘플링되더라도 랜덤도는 동일한 레벨로 유지될 수 있다. 즉, 전송 신호 자체가 랜덤 특성을 가지고 있으므로, 전송 신호의 싱크를 정확하게 잡지 않더라도 원본 신호를 복원하는 데 크게 문제되지 않는다.

압축 센싱 이론에 따르면, 스파시티 기본 행렬

과 랜덤 측정 행렬

이 incoherent property를 갖는 경우, 압축된 신호 y로부터 원본 신호가 성공적으로 복원될 수 있다고 본다. 변조된 PPM 신호는 스파스한 특성을 가지며, PN 코드

는 incoherent property를 가지므로, 컨벡스 최적화(covex optimization)을 해결함으로써 원본 신호가 복원될 수 있다. 이를 수식으로 표현한 식은 이하의 수학식 6과 같다.

[수학식 6]

여기서,

는 복원된 K-sparse 계수를 의미한다. 수신 장치는 컨벡스 최적화가 가장 잘되는

값을 선택하여 적용할 수 있다.

이러한 컨벡스 최적화 문제는, 만일 전송 신호가 실수 형태인 경우, 선형 프로그래밍 기술(linear programming technique)을 적용함으로써 해결될 수 있다.

의 최대 크기(또는 진폭)의 위치를 검출함으로써 PPM 신호는 성공적으로 복원(또는 복조)될 수 있게 된다.

나이퀴스트 레이트(Nyquist rate)로 샘플링될 필요가 있는 대역폭이 제한된 신호(band-limited signal)에 기초한 종래의 샘플링 이론과 다르게, 본 발명은 나이퀴스트 레이트보다 낮은 레이트로 신호를 (다운) 샘플링할 수 있다.

이 경우, 샘플링되는 신호는 스파스한 특성을 가진 신호일 수 있다. 이는, 육안으로 인식 가능한 플리커 현상의 발생 없이 광 신호의 전송이 가능하도록, 송신 장치의 적어도 하나의 LED는 보다 높은 변조 주기로 광 신호를 변조할 수 있음을 의미한다. 수신 장치는 송신 장치로부터 출력되는 광 신호를 검출하기 위하여 낮은 프레임 레이트의 ADC 기능을 갖는 카메라만을 요구하게 되므로, 추가적인 제조 비용이 필요 없게 되어, 제조 단가 및 제품 적용 가능성 측면에서 유리하다.

시뮬레이션 결과

상술한 내용을 증명하기 위해 압축 센싱 이론을 기초로 한 Optical camcom의 신호 검출검출 성능(detection performance)에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션과 관련하여, 다운 샘플링 비율(down-sampling ratio, DSR)은 수신 장치의 카메라의 옵티컬 레이트(또는 플리커 레이트)에 대한 상대적인 샘플링 간격을 의미한다.

예를 들어, DSR이 5인 경우, 신호 복조를 위한 샘플링 레이트는 LED의 옵티컬 레이트의 1/5이 된다. 이는, 송신 장치의 LED로부터 출력되는 광 신호의 옵티컬 레이트가 150/300Hz인 경우, 수신 장치 카메라의 샘플링 레이트가 30/60Hz가 됨을 의미한다.

본 시뮬레이션에서 가우시안 분포에 기초한 PN 코드의 경우, 분산

은 0.25로 설정하였다. 채널 DC 이득은 광 신호의 파워 감쇄를 고려하여 0.6으로 설정하였다.

데이터 검출 프로세스에서는 코스 동기화로 인한 타이밍 오프셋의 존재가 고려되었다. 본 발명의 신호 복원 성능을 평가하기 위해 PPM 신호의 성공적인 검출 가능성은 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 획득하였다.

도 3a 및 3b는 다양한 DSR에 따른 신호의 검출 확률 결과 그래프이다. 보다 상세하게는, 도 3a는 8-PPM 신호를 다양한 DSR에 따른 신호의 검출 확률 결과 그래프이며, 도 3b는 16PPM 신호를 다양한 DSR로 복조한 결과 그래프이다.

도 3a 및 3b에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면, 베르누이 분포를 갖는 PN 코드보다 가우시안 분포를 갖는 PN 코드의 검출 확률(또는 복조 성능, 복조 확률)이 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 모든 DSR 값에서, PN 코드의 길이 Ns는 측정 벡터의 길이에 비례하다는 것을 알 수 있었다. 측정 벡터의 길이는 데이터 복조에 있어 중요한 팩터이다. 따라서, 높은 신호 검출 확률을 위해 PN 코드의 길이 Ns는 증가할 수 있다.

도 3a의 시뮬레이션 결과 그래프를 참조하면, Ns가 27 이상인 경우에는 DSR이 6인 경우라도, 가우시안 분포 또는 베르누이 분포를 갖는 PN 코드들의 검출 확률이 93% 초과로 유지된다는 것을 알 수 있다. 본 시뮬레이션에서 PN 코드의 길이 Ns가 20~36의 범위를 갖는 경우, Ns+M-1 식에 의해 프레임 길이의 범위는 27~43이 될 수 있다(M=8).

도 3b의 시뮬레이션 결과 그래프를 참조하면, DSR이 6에서 약 90% 이상의 검출 확률이 유지되기 위해서는 PN 코드의 길이 Ns가 30 이상이어야 함을 알 수 있다. 도 3a의 경우에는 Ns가 24 이상인 경우에 검출 확률이 90% 이상으로 유지되었다. 이는, 높은 차수의 변조는 고정된 타겟 검출 확률, 프레임 레이트 및 플리커링 주파수와 함께 데이터 레이트에 있어 유리함을 의미한다. 본 시뮬레이션에서 PN 코드의 길이 Ns가 20~36의 범위를 갖는 경우, Ns+M-1 식에 의해 프레임 길이의 범위는 35~51이 될 수 있다(M=16).

도 3a 및 3b를 통해, 본 발명은 타겟 검출 확률을 고려하여 신호 변조율 선택의 자유도를 제공한다는 것을 알 수 있다. 또한, 만일 전송 신호가 스파스한 경우, 나이퀴스트 레이트보다 낮은 샘플링 레이트로써 원본 신호를 복원할 수 있음을 알 수 있다.

도 4는 가우시안 분포를 갖는 PN 코드에 기초한 8-PPM 신호와 0.6 채널 이득을 고려했을 때, PN 코드의 길이 및 DSR에 따른 검출 확률을 3차원 이미지로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, PN 코드의 길이가 30 초과 및 DSR이 6 이하인 경우, 검출 확률이 포화되는 것을 알 수 있다. 이는, 30 길이를 갖는 PN 코드를 기초로 한 8-PPM 신호가 180/360Hz의 옵티컬 레이트로 전송되는 경우, 30/60Hz의 프레임 레이트를 갖는 일반 카메라에 의해서도 검출이 가능함을 의미한다. 만일, PN 코드의 길이가 PPM 인터벌 포지션의 3배 초과인 경우에는 매우 낮은 DSR에서도 약 95%의 검출 확률로 신호가 복원됨을 알 수 있다.

결론

앞에서, 본 발명에서 제안하는 압축 센싱 기반의 광 카메라 통신(Optical camcom) 방법에 관하여 살펴보았다.

즉, 본 발명에서 제안하는 CS 기반의 광 카메라 통신 방법은 PPM 방식 및 PN 코드를 이용하여 낮은 샘플링 레이트에서 전송 신호를 복원하는 방법이다.

본 발명은 빠르게 깜빡이는 광원 소스(flickering light source)에 비해 상업용 카메라의 낮은 프레임 레이트로 인해 수신 장치에서 신호 복원 성능이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해, PPM 기반의 PN 코드로 표현되는 K-sparse 신호를 정의하였다.

또한, 본 발명은 송신 장치에서 PN 코드를 이용하여 랜덤 프로젝션을 수행함으로써 수신 장치의 간단한 구현이 가능하며, 수신 장치에서 낮은 샘플링 레이트를 가지고도 전송 신호의 검출을 수행할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4의 시뮬레이션 결과는 나이퀴스트 레이트보다 훨씬 낮은 샘플링 레이트를 가지고도 신호 복원을 성공적으로 할 수 있음을 보여준다.

또한, 본 발명은 송신 장치에서의 LED 플리커 주파수 선택의 자유도를 높이며, 디스플레이 및 통신 성능을 동시에 향상시킨다는 이점을 갖는다.

설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100: 광 카메라 통신 시스템
110: 송신 장치
120: 수신 장치

Claims (7)

1. 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에 있어서,
   제 1 레이트를 옵티컬 레이트(optical rate)로 가지는 가시광 신호를 전송하는 송신 장치; 및
   상기 송신 장치를 통해 전송되는 가시광 신호를 상기 제1 레이트보다 낮은 레이트를 가지는 제2 레이트로 수신하는 수신 장치를 포함하되,
   상기 송신 장치는,
   소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈;
   상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈;
   상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED(Light Emitting Diode)의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및
   상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하며,
   상기 수신 장치는,
   상기 제2 레이트를 프레임 레이트(frame rate)로 가지는 카메라 모듈;
   상기 카메라 모듈을 통해 수신된 프레임에서 상기 가시광 신호의 전송 영역을 검출하는 관심 영역 검출 모듈; 및
   상기 검출된 관심 영역을 통해 전송된 가시광 신호에서 상기 소스 데이터를 검출하는 신호 검출 모듈을 포함하되,
   상기 랜덤 프로젝션은 상기 M 값 또는 상기 PN 코드의 길이 중 적어도 하나를 이용하여 수행되며,
   상기 신호 변조 모듈은,
   상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하며,
   상기 랜덤 프로젝션은 순환 행렬(circulant matrix)를 가지는 랜덤 프로젝션 행렬을 이용하며,
   상기 랜덤 프로젝션된 신호는 상기 K-sparse 신호의 벡터와 상기 랜덤 프로젝션 행렬의 곱으로 생성되며,
   상기 랜덤 프로젝션 행렬은 (Ns+(M-1)ΧM) 크기를 가지는 행렬이며,
   상기 순환 행렬은 첫 번째 열을

   

   로 가지는 행렬이며, 상기 Ns는 상기 PN 코드의 길이이며, 상기 C는 상기 Ns 길이를 가지는 PN 코드 벡터이며, 상기 0은 (M-1)Χ1 길이를 가지는 제로 벡터인 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 변조 모듈은,
   상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템.
4. 삭제
5. 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에서 신호를 전송하기 위한 송신 장치에 있어서,
   소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈;
   상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈;
   상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및
   상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하되,
   상기 랜덤 프로젝션은 상기 M 값 또는 상기 PN 코드의 길이 중 적어도 하나를 이용하여 수행되며,
   상기 신호 변조 모듈은,
   상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하며,
   상기 랜덤 프로젝션은 순환 행렬(circulant matrix)를 가지는 랜덤 프로젝션 행렬을 이용하며,
   상기 랜덤 프로젝션된 신호는 상기 K-sparse 신호의 벡터와 상기 랜덤 프로젝션 행렬의 곱으로 생성되며,
   상기 랜덤 프로젝션 행렬은 (Ns+(M-1)ΧM) 크기를 가지는 행렬이며,
   상기 순환 행렬은 첫 번째 열을

   

   로 가지는 행렬이며, 상기 Ns는 상기 PN 코드의 길이이며, 상기 C는 상기 Ns 길이를 가지는 PN 코드 벡터이며, 상기 0은 (M-1)Χ1 길이를 가지는 제로 벡터인 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 신호 변조 모듈은,
   상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
7. 삭제

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