KR102033941B1 - 차동 코딩을 이용한 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

차동 코딩을 이용한 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법 및 그 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법은 현재 프레임에 대응하는 현재 비트 스트림 및 이전 프레임에 대응하는 이전 비트 스트림을 획득하는 단계, 상기 현재 비트 스트림 및 상기 이전 비트 스트림 간의 해밍 거리를 결정하는 단계, 상기 결정된 해밍 거리 및 미리 정해진 임계치 간의 비교에 기초하여 전송 비트 스트림을 결정하는 단계, 및 LED 어레이에 상기 전송 비트 스트림을 출력하는 단계를 포함한다.

Description

차동 코딩을 이용한 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법 및 그 장치{COMMUNICATION METHOD FOR VISIBLE LIGHT COMMUNICATION SYSTEM USING DIFFERENTIAL CODING AND APPARATUS THEREOF}

아래 실시예들은 차동 부호화를 사용한 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

통신 용량에 대한 수요는 전 세계적으로 급속히 증가하고 있으며, 이용 가능한 무선 스펙트럼은 제한적이다. 따라서, 가시광 통신(visible light communication, VLC) 기술은 미래의 무선 통신 기술로 고려되어왔다. RF 통신과 비교할 때, VLC는 광대역, 무사 한 환경, 보안 및 높은 재사용 용량을 포함한 몇 가지 이점을 가지고 있다. 또한 VLC는 지능형 교통 시스템(intelligent transport system, ITS)의 필수 요소 인 차량 간(vehicle to vehicle, V2V) 통신에 사용될 수 있는 큰 가능성을 가지고 있다.

VLC 시스템에는 두 가지 유형의 수신기인 광 다이오드와 이미지 센서가 있다. V2V 통신의 경우 이미지 센서가 여러 가지 이유에서 유리한 선택이다. 첫째, 이미지 센서는 실외 환경에서 주변 광에 대한 강한 내성을 가지고 있다. 둘째, 고품질 이미지 센서를 갖춘 카메라는 대부분의 자동차에서 대시 보드 카메라로 사용할 수 있다. 전송이기로 사용되는 차량의 LED 테일 램프를 사용하면 카메라를 사용하는 차량 가시광 통신(vehicle visible light communication, V2LC) 비용이 매우 경제적이다. 이러한 이유로 이미지 센서에 기반한 V2LC는 많은 연구자들로부터 주목을 받고 있다.

관련 선행기술로는 공개특허 제10-2012-0130071호가 있다.

일 실시예에 따르면, 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법은 현재 프레임에 대응하는 현재 비트 스트림 및 이전 프레임에 대응하는 이전 비트 스트림을 획득하는 단계; 상기 현재 비트 스트림 및 상기 이전 비트 스트림 간의 해밍 거리(hamming distance)를 결정하는 단계; 상기 결정된 해밍 거리 및 미리 정해진 임계치 간의 비교에 기초하여 전송 비트 스트림을 결정하는 단계; 및 LED 어레이에 상기 전송 비트 스트림을 출력하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에 따르면, 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법은 현재 프레임에 대응하는 현재 비트 스트림 및 상기 현재 프레임 이전의 복수의 참조 프레임에 대응하는 복수의 참조 비트 스트림을 획득하는 단계; 상기 현재 비트 스트림 및 상기 복수의 참조 비트 스트림 각각 간의 복수의 해밍 거리(hamming distance)를 결정하는 단계; 상기 복수의 해밍 거리에서 최대 해밍 거리 및 최소 해밍 거리를 결정하는 단계; 상기 최대 해밍 거리 및 상기 최소 해밍 거리의 합, 및 미리 정해진 임계치 간의 비교에 기초하여 전송 비트 스트림을 결정하는 단계; 및 LED 어레이에 상기 전송 비트 스트림을 출력하는 단계를 포함한다.

도 1은 일 실시예에 따른 가시광 통신 시스템의 구조를 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 블루밍 현상을 나타낸 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 픽셀 간 간섭을 나타낸 도면.
도 5는 일 실시예에 따른 채널 모델을 나타낸 도면.
도 6은 일 실시예에 따른 블루밍 레벨 및 LED 간격이 BER에 미치는 영향을 나타낸 그래프.
도 7은 일 실시예에 따른 차동 코딩을 이용한 통신 방법을 나타낸 동작 흐름도.
도 8은 일 실시예에 따른 정보 페이로드를 나타낸 도면.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

차량 가시광 통신(vehicle visible light communication, V2LC) 시스템에서 데이터 레이트(data rate)를 향상시키기 위해 단일 LED 칩 대신 여러 LED 칩으로 구성된 LED 어레이가 사용된다. LED 어레이를 사용함으로써 하나의 프레임에서 여러 비트를 전송할 수 있다. 그러나 다중 LED를 사용하면 IPI라는 또 다른 문제가 발생한다.

기본적으로 수신기로 사용되는 카메라의 유형에 관계없이 LED는 어느 정도 블루밍 효과(blooming effect)가 있는 이미지로 촬영된다. 이 효과는 이미지에서 원점 LED(origin LED)를 둘러싼 픽셀의 강도를 증가시킨다. 여러 개의 LED를 사용할 때 하나의 LED에서 나타난 효과가 LED 주변 픽셀의 강도에 영향을 미치고 픽셀 간 간섭(inter pixel Interference, IPI) 문제가 발생한다. IPI 때문에 LED의 "ON" 또는 "OFF"의 상태를 판별하기가 어려워져서 수신 신호의 BER이 증가한다.

본 발명에서 IPI 문제는 수학적으로 분석된다. 이 분석을 토대로, IPI는 어레이의 "ON" LED의 수에 따라 달라진다는 것이 나타난다. 특히, 어레이의 "ON" LED 수가 많을수록 수신 신호에 대한 IPI의 영향이 커진다.

본 발명은 모든 전송된 프레임에서 "ON" LED의 수를 최소화하는 차동 코딩(differential coding)을 제안한다. 제안된 기법은 LED에 표시되는 비트를 결정하기 위해 연속적인 비트 스트림의 차이를 이용한다. 값의 차이를 계산하여 임계치, 예를 들어 전체 LED 수의 절반과 비교한다. 이 비교의 결과에 따라, 비트의 유사성 및 차이가 데이터 전송을 위해 결정된다. 수신기 측에서, 이전 비트 스트림은 수신의 차이에 기초하여 현재 비트 스트림을 디코딩하기 위해 고려된다. 이 절차의 목표는 블루밍 효과를 줄이기 위해 특정 시간 프레임에서 "ON" LED를 임계치 이하로 제한하는 것이다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 가시광 통신 시스템의 구조를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 인코더(111), 드라이버(112) 및 LED 어레이(113)는 송신 단(110)을 구성하고, 카메라(121), 이미지 프로세서(122) 및 디코더(123)는 수신 단(120)을 구성한다. 아래에서는 차량(100)은 수신 단(120)을 포함하고, 차량(100) 주변의 다른 차량, 혹은 LED 가로등에 포함된 송신 단(110)으로부터 가시광 신호를 수신하는 것을 가정하여 설명한다. 도 1에 나타나 있지 않지만, 차량(100)은 송신 단(110)에 대응하는 구성을 포함할 수 있으며, 이 구성을 통해 주변의 다른 차량, 혹은 LED 가로등으로 가시광 신호를 송신할 수 있다.

m Х n LED 어레이(113)는 차량(100)에 설치된 카메라(121), 바람직하게는 고속 카메라가 수신할 가시광 신호를 전송한다. 입력 데이터는 인코더(111)에 의해 인코딩된 다음 LED 어레이(113)를 제어하는 드라이버(112)에 제공된다. LED 어레이(113)의 각 LED는 드라이버(112)가 조절하는 전원에 따라 특정 방식으로 깜박일 수 있다. LED가 깜박이면 카메라(121)로 촬영된 LED 어레이(113)의 이미지에 LED가 없거나 존재하는 두 가지 상태가 발생한다. 이미지 프로세서(122)는 LED 어레이(113)의 LED 상태를 결정한다. 디코더(123)는 촬영된 이미지의 각 LED가 없거나 존재하는 상태에 기초하여 사용하여 논리 비트 0 또는 1로 변환된다. 아래에서 논리 비트 1은 논리 하이(logical high)로 지칭될 수 있고, 논리 비트 0은 논리 로우(logical low)로 지칭될 수 있다.

LED 어레이(113)의 각 LED가 단일 비트를 전송하는데 사용된다고 가정하면 전송 비트는

로 표시된다. 여기서 r = 1, 2, ..., m 및 c = 1, 2, ..., n은 각각 행 및 열 인덱스이다. 즉 LED 어레이(113)는 m개의 행 및 n개의 열에 대응하는 LED를 포함할 수 있으며, 따라서 LED 어레이(113) 내 LED의 총 수는 m x n이 된다.

NRZ-OOK 변조 기술이 T의 펄스 듀레이션(duration)을 갖는 광 신호를 변조하는데 사용된다고 하면, 전송 신호는 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서 k는 입력 비트의 인덱스이다. P가 LED로 전달되는 전력이라면, 펄스 함수는 수학식 2로 나타낼 수 있다.

단일 LED로부터 수신된 신호는 다음과 같이 표시된다.

여기서

,

는 LED 어레이(113) 내 LED의 위치 (r, c)에 대응하는 픽셀 좌표이고, θ는 기상 조건에 의해 결정되는 환경 게인이며,

는 주변 광에 의한 노이즈이다. 본 발명에서는 날씨가 채널에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하여 θ = 1로 둔다. 또한 카메라(121)와 LED 어레이(113)가 동기화된 것으로 가정한다.

도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 블루밍 현상을 나타낸다.

아래에서는 블루밍 효과가 픽셀 값에 미치는 영향에 대해 설명한다. 각 픽셀은 특정 시간에 저장되는 광자(photon)의 양을 제한한다. 한 픽셀에 대해 너무 많은 전하가 있다면 이 것은 주변 픽셀로 오버플로될 수 있다. 이 현상을 블루밍 효과 또는 픽셀 포화(pixel saturation)라고 한다. 본 발명에서 가우시안 블러(Gaussian blur) 함수는 블루밍 현상을 특성화하는데 사용되고, σ는 블루밍 효과의 레벨을 결정하는 표준 편차이다.

이미지(210) 및 이미지(220)에는 서로 다른 레벨의 블루밍이 존재한다. 도 2를 통해 블루밍 효과는 원점 LED(origin LED)를 둘러싸는 픽셀의 강도를 증가 시킨다는 것을 알 수 있다. 이미지(220)의 블루밍 효과 레벨은 이미지(210)의 블루밍 효과 레벨보다 높다. 따라서, 픽셀 값이 블루밍 효과에 의해 영향을 받는 이미지(220)의 LED를 둘러싸는 영역은 이미지(210)의 영역보다 크다. 또한 도 2는 이미지의 특정 픽셀과 원점 LED 간의 거리가 멀어 질수록 픽셀에 대한 블루밍 효과의 영향이 감소함을 보여준다.

도 3에 도시된 바와 같이 LED 중심까지의 거리 s를 갖는 픽셀이 주어지면, 행

및 열

에 위치된 픽셀의 값은 다음과 같이 주어진다.

여기서 σ는 가우시안 블러의 표준 편차이다.

도 4는 일 실시예에 따른 픽셀 간 간섭을 나타낸 도면이다.

데이터 전송 속도를 높이기 위해 LED 어레이에 여러 개의 LED가 설치되어 프레임 당 여러 비트를 전송할 수 있다. 촬영된 이미지에서 블루밍 효과와 결합된 다수의 LED가 존재하면 도 4에 도시된 픽셀 간 간섭(interpixel interference, IPI)이라는 현상이 발생할 수 있다. IPI 효과

는 수학식 5과 같이 모델링될 수 있다.

IPI 효과를 고려하여, 수신된 신호는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 5에서 볼 수 있듯이, IPI는 블루밍 계수(blooming coefficient) σ, 이미지의 LED 간 거리 s, 및 어레이의 "ON" LED 수와 같은 세 가지 요소의 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 도 5는 채널 모델을 나타내는데, 도 5에 도시된 파라미터 간의 관계는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 S는 LED 어레이 내 두 LED 간의 거리이고, s는 촬영된 이미지 내 두 LED 픽셀 간의 거리이고, L은 카메라의 통신 거리이고, f는 카메라의 초점 거리이다. 수학식 5 및 수학식 7에 따라 IPI 효과는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 8은 도 6에 도시된 블루밍 레벨 및 LED 간격이 BER에 미치는 영향을 통해 설명될 수 있다. 수학식 8에 따르면 IPI 효과를 줄이기 위해서는

가 가능한 감소되어야 함을 알 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 차동 코딩을 이용한 통신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

본 발명은 IPI 효과를 최소화하기 위해 차동 코딩(differential coding)에 따라 동일 프레임 내에서 "ON" LED의 수를 줄일 수 있다. 이진 비트 1이 "ON" LED로 표시된다고 가정하면, 비트 스트림은 비트 1의 수를 줄이기 위해 제안된 차동 코딩에 의해 인코딩될 것이고, 따라서 전송된 프레임은 적은 수의 "ON" LED를 가질 것이다.

도 7을 참조하면, 단계(710)에서 비트 스트림이 획득된다. 단계(710)에서 획득되는 비트 스트림은 현재 비트 스트림 및 이전 비트 스트림을 포함한다. 단계(720)에서 해밍 거리(hamming distance, HD)가 결정된다. 해밍 거리는 현재 비트 스트림 및 이전 비트 스트림 간의 배타적 논리 합(exclusive OR, XOR) 연산에 기초하여 결정될 수 있다. 단계(730)에서는 HD가 임계치와 비교되며, 그 비교 결과에 따라 단계(740)에서 전송 비트 스트림이 결정된다. 전송 비트 스트림은 비트 1의 수가 최소화되는 방향으로 결정될 수 있다. 단계(750)에서 전송 비트 스트림은 LED 어레이에 출력된다.

본 발명에 따른 차동 코딩 방법은 두 가지 실시예를 포함할 수 있다. 첫 번째 실시예는 현재 비트 스트림 및 이전 비트 스트림이 이용되는 것이고, 두 번째 실시예는 현재 비트 스트림 및 참조 비트 스트림이 이용되는 것이다. 참조 비트 스트림이란 현재 비트 스트림 이전의 비트 스트림을 복수 개 포함하는 것을 말한다. 아래에서는 각 실시예를 상세히 설명한다.

<제1 실시예 - 하나의 이전 비트 스트림이 이용되는 경우>

입력 비트 스트림은 차동 코딩을 적용하기 전에 m Х n 매트릭스로 조정된다. 상술된 것처럼, m은 LED 패널의 행을 나타내고, n은 LED 패널의 열을 나타낸다. 먼저, 현재 시간 t에서의 현재 프레임에 대응하는 현재 비트 스트림

와 이전 시간 t-1에서의 이전 프레임에 대응하는 이전 비트 스트림

간의 해밍 거리(hamming distance, HD)가 수학식 9와 같이 계산된다.

즉 HD는 비트 스트림

에서 논리 하이 값을 갖는 비트의 수를 나타낸다. 여기서

은 수학식 10과 같이 주어진다.

여기서

는 XOR 연산을 나타낸다. 따라서 HD 값은 현재 비트 스트림과 이전 비트 스트림 간의 서로 다른 비트의 수이다. 계산된 HD 값은 미리 정해진 임계치와 비교된다. 예를 들어 임계치는 비트 스트림의 비트 수, 다시 말해서 LED 패널에 포함된 LED 수의 50%일 수 있다. 비교 결과에 따라, 인코딩된 상태의 전송 비트 스트림

은 다음과 같이 주어진다.

수학식 11에 따르면 현재 비트 스트림과 이전 비트 스트림 간의 HD가 비트 스트림의 비트 수의 절반보다 작으면 다른 비트만 전송된다. 이 때 전송되는 비트 스트림은 차이 비트 스트림(differential bit stream)으로 지칭될 수 있다. 나머지 경우에는 반전된 비트가 전송되며, 따라서 동일한 비트만 전송되는 것이다. 이 때 전송되는 비트 스트림은 대응 비트 스트림(similarity bit stream)으로 지칭될 수 있다.

HD가 임계치보다 작은 경우 비트 스트림

가 전송 비트 스트림

로 결정되고, HD가 임계치보다 큰 경우

가 반전되어 비트 스트림

가 생성되며, 비트 스트림

가 전송 비트 스트림

로 결정된다. 결과적으로, 전송된 비트 스트림에서 비트 1의 수는 비트 스트림의 총 비트 수의 50 %보다 항상 작게 된다.

제안된 코딩 방법에 다르면 인코딩된 비트 스트림이 원래 비트 스트림과 비교하여 비트 1의 수가 항상 적다. 간단한 버전이지만이 버전의 효율성은 간단한 플리핑 코딩(flipping coding)만큼이나 높다. 플리핑 코딩에서, 비트 스트림의 비트 1의 수와 비트 0의 수는 서로 비교된다. 비트 1이 더 적으면 비트 스트림이 그대로 전송되고, 비트 1이 더 많으면 전송 전에 비트 스트림은 반전된다. 따라서 전송 비트의 비트 1이 총 비트 수의 50 % 미만인 것이 보장된다.

제안된 차동 코딩을 보다 간단한 플리핑 코딩 대신에 사용하는 이유는 차동 코딩의 효율성이 이전 기준 프레임에서 더 많은 비트 스트림을 사용함으로써 상당히 향상될 수 있기 때문이다. 이 메커니즘은 아래에서 설명한다.

<제2 실시예- 둘 이상의 이전 비트 스트림이 이용되는 경우 >

제2 실시예에 관해서는 아래 설명 이외에도 충돌하지 않는 범위에서 제1 실시예에 관한 설명이 적용될 수 있다.

현재 프레임에서 "ON" LED의 수를 줄이기 위해, 현재 비트 스트림은 이전 프레임의 비트 스트림 뿐만 아니라 더 이전의 비트 스트림을 포함하는 참조 프레임의 다중 비트 스트림과 비교되어 HD 값이 계산될 수 있다.

는 i 번째 이전 프레임에서 현재 비트 스트림과 비트 스트림 간의 해밍 거리를 나타낸다.

의 값은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 비트 스트림

는 다음과 같이 주어진다.

여기서

는 XOR 연산을 나타내고

는 i 번째 이전 참조 프레임의 비트 스트림이다.

현재 프레임에 대응하는 비트 스트림 및 N개의 이전 참조 프레임들에 대응하는 비트 스트림들로부터 계산된 N개의 HD 값들과 N개의 이전 참조 프레임들에서의 비트 스트림들 중에서 최대 HD 값

및 최소 HD 값

이 결정된다.

및

로부터, 전송 비트 스트림

은 수학식 14와 같이 결정될 수 있다.

여기서,

,

는 각각 현재의 비트 스트림과 이전의 i 번째 및 j 번째 비트 스트림 간의 XOR 결과이고, 이들은 각각

및

에 대응한다.

는 현재 비트 스트림과 이전 j 번째 비트 스트림 간의 차이 비트 스트림이고,

는 현재 비트 스트림과 이전 i 번째 비트 스트림 간의 유사 비트 스트림이다.

제2 실시예에서는

및

의 합이 임계치와 비교된다. 임계치는 비트 스트림의 비트 수, 다시 말해서 LED 패널에 포함된 LED 수에 대응할 수 있다.

가 임계치보다 큰 경우

에서

에 대응하는

가 추출되고,

가 반전되어

로 결정된다.

가 임계치보다 작은 경우

에서

에 대응하는

가 추출되고,

가 반전되어

로 결정된다.

수학식 14에서 차이 비트 스트림 또는 유사 비트 스트림이 전송되는지의 결정은 전송 비트 스트림에서 비트 "1"의 수를 최소화하는 원리에 기초하여 이루어진다.

유사 비트 스트림

의 비트 "1"의 수는 m Х n -

이다. 차이 비트 스트림

내의 비트 "1"의 수는

이다.

가 최대 HD 값이기 때문에, 비트 스트림

는 유사 비트 스트림 중에서 가장 적은 비트 수 "1"을 갖는 것이 명백하다. 또한, 비트 스트림

는

이 최소 HD 값이기 때문에 차이 비트 스트림 중에서 가장 낮은 비트 수 "1"을 갖는다.

+

≥ m x n일 때 유사 비트 스트림

가 전송된다.

+

≥ m x n의 조건에 따라 m x n -

≤

가 성립함을 알 수 있다. 따라서

+

≥ m x n인 경우, 유사 비트 스트림

은 최소 비트 "1"을 가지며 이에 따라 전송 대상으로 선택된다. 유사하게,

+

< m x n인 경우, 차이 비트 스트림

는 최소 비트 "1"을 가지며 따라서 전송 대상으로 선택된다.

또한, 참조 프레임의 수가 1보다 큰 경우에는, 디코딩을 위해 현재 프레임에서 이전의 참조 프레임까지의 인덱스 i, 및 전송되는 비트 스트림이 유사 비트 스트림인지 차이 비트 스트림인지를 나타내는 타입 정보가 데이터와 함께 전송될 필요가 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 정보 페이로드른 나타낸다.

도 8을 참조하면, 정보 페이로드(information payload)는 39개의 프리앰블 및 1000개의 데이터 프레임을 포함한다. 이는 하나의 실시예이며 프리앰블 및 데이터 프레임의 수는 실시예에 따라 적절하게 조절될 수 있다.

프리앰블은 바커 시퀀스(Barker sequence)를 사용하여 LED 어레이의 이동을 감지하고 추적한다. 짧은 시간 동안 많은 프리앰블 프레임을 획득하고 처리함으로써, 현재 프레임의 LED 영역이 식별될 수 있다. 또한, 프리앰블은 전송되는 흰색 및 검은 색 프레임을 포함한다. 프레임을 획득한 후, 픽셀 값은 LED의 상태 "ON" 또는 "OFF"를 결정하기 위해 임계치로서 평균화된다. LED의 상태는 "0" 또는 "1"의 비트 값으로 변환된다. 또한, 프리앰블은 주기적으로 전송되어, 환경 조건 변화로부터 임계치 변화를 적응시키는 것을 목표로 한다.

제안된 기법을 적용하면 수학식 5는 수학식 15와 같이 다시 작성될 수 있다.

이 모델은 부가적 가우시안 분포 잡음(additive Gaussian-distributednoise)을 고려한다. 출력 비트는 "0"인지 "1"인지를 결정하기 위한 조건부 확률로 디코딩된다.

는 프리앰블 프레임 동안 "ON" LED의 평균 휘도라 지칭될 수 있다.

는 수학식 17과 같이 휘도 임계치로 나타낼 수 있다.

여기서 n은 행렬 크기 인덱스이며, N ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 8, 9, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 21, 22, 24, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 34, 35, 37, 39}은 "1"의 비트에 해당하는 바커 시퀀스의 프레임 번호이다. PV는 LED 강도의 기준에 따라 계산된 추정 픽셀 값으로, 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다. 픽셀 값과 LED 휘도 간의 관계는 미리 알려질 수 있다.

수학식 16에서, P가 0보다 큰 경우 수신된 비트

이고, 그렇지 않으면

이다. 전송된 비트 스트림의 타입 정보에 기초하여

의 타입이 수학식 19와 같이 주어진다.

비교된 프레임의 인덱스가 전송 단으로부터 수신되면, 출력 데이터는 XOR 연산에 의해 다시 얻을 수 있다.

차동 코딩을 사용할 경우 누적 오류를 고려해야 한다. 수신 측에서는, 수신된 화상을 디코딩하고 출력 비트 스트림을 얻은 후에, HD 값이 다시 계산되어 전송된 HD 값과 비교된다. 두 HD 값 간에 차이가 있다면 이는 전송 오류가 있음을 나타내며, 이에 따라 현재 프레임이 다시 전송되어야 한다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

1. 가시광 통신 시스템을 위한 통신 방법에 있어서,
   현재 프레임에 대응하는 현재 비트 스트림 및 상기 현재 프레임 이전의 복수의 참조 프레임에 대응하는 복수의 참조 비트 스트림을 획득하는 단계;
   상기 현재 비트 스트림 및 상기 복수의 참조 비트 스트림 각각 간의 복수의 해밍 거리(hamming distance)를 결정하는 단계;
   상기 복수의 해밍 거리에서 최대 해밍 거리 및 최소 해밍 거리를 결정하는 단계;
   상기 최대 해밍 거리 및 상기 최소 해밍 거리의 합, 및 미리 정해진 임계치 간의 비교에 기초하여 전송 비트 스트림을 결정하는 단계; 및
   LED 어레이에 상기 전송 비트 스트림을 출력하는 단계
   를 포함하는 통신 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 해밍 거리를 결정하는 단계는
   상기 현재 비트 스트림 및 상기 복수의 참조 비트 스트림 각각 간의 배타적 논리 합(exclusive OR, XOR) 연산에 기초하여 복수의 제1 비트 스트림을 생성하는 단계; 및
   상기 복수의 제1 비트 스트림 각각에서 논리 하이 값을 갖는 비트의 수에 기초하여 상기 복수의 해밍 거리를 결정하는 단계
   를 포함하는, 통신 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 전송 비트 스트림을 결정하는 단계는
   상기 최대 해밍 거리 및 상기 최소 해밍 거리의 합이 상기 미리 정해진 임계치보다 큰 경우, 상기 복수의 제1 비트 스트림 중에 상기 최대 해밍 거리에 대응하는 비트 스트림을 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 비트 스트림을 반전하여 제2 비트 스트림을 생성하는 단계; 및
   상기 제2 비트 스트림을 상기 전송 비트 스트림으로 결정하는 단계
   를 포함하는, 통신 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 전송 비트 스트림을 결정하는 단계는
   상기 최대 해밍 거리 및 상기 최소 해밍 거리의 합이 상기 미리 정해진 임계치보다 작은 경우, 상기 복수의 제1 비트 스트림 중에 상기 최소 해밍 거리에 대응하는 비트 스트림을 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 비트 스트림을 상기 전송 비트 스트림으로 결정하는 단계
   를 포함하는, 통신 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 미리 정해진 임계치는 상기 LED 어레이에 포함된 LED의 수에 대응하는, 통신 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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