KR20090077546A - 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 견지에 따르면, 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 방법에 있어서, 각 채널 별로 채널 상태 정보를 알아보기 위한 신호인 파일럿(pilot) 신호를 송신기에서 수신기로 전송하고, 수신기에서 각 채널 별 채널 상태 정보를 담고 있는 신호인 파일럿 응답(Response) 신호를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 송신기에서 파일럿 응답 신호에 따라 데이터 비(Data Rate)를 제어하는 과정과, 송신기에서 수신기로 데이터 비 정보를 헤더(Header)에 실어서 데이터를 전송하는 과정과, 수신기에서 헤더 정보가 가지고 있는 데이터를 참조하여 각 채널 별로 데이터 비를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

WDM, 차등 전송, 데이터 비

Description

무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 장치 및 방법{DATA TRANSMISSION APPARATUS AND METHOD IN WIRELESS VISIBLE LIGHT OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선 가시광 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 무선 가시광 통신 시스템에서 파장 분할 병렬(Wavelength Division Multiplexing : WDM) 방식을 이용하여 정보를 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

한국 산업자원부에서는 2015년까지 현재 조명 대신에 LED가 그 자리를 대신 할 것이라고 예고하고 있다. 가시광 통신은 LED(Light Emitting Diode) 기반의 실내 또는 실외의 조명, 광고판, 신호등, 가로등과 같은 사물을 사용하여 무선으로 데이터 전송을 하는 시스템을 말한다. 이러한 가시광 통신 시스템은 RF(Radio Frequency) 사용이 제한된 병원, 비행기에서도 적용이 가능하며 전광판을 이용한 부가 정보 서비스도 가능하다.

WDM 기술은 다른 곳에서 온 여러 종류의 데이터를 하나의 광섬유에 함께 싣는 기술로서, 통신 용량과 속도를 향상시켜 주는 광 전송 방식이다. 각 데이터들은 고유한 광 파장으로 전송되는데, 광섬유 하나에 최고 80개의 파장이나 데이터 채널을 실을 수 있다. 즉 기존 광섬유의 전송 데이터량을 80배까지 늘릴 수 있다는 것 이다. 인터넷 데이터와 SONET(Synchronous Optical Network) 데이터, ATM(Asynchronous Transfer Mode) 데이터 등과 같이 각기 다른 속도의, 각기 다른 데이터들을 함께 전송할 수 있다. 이러한 WDM 전송 기술을 화이트 LED에 접목하려는 움직임이 있다. 화이트 LED의 종류 중 RGB LED의 경우, Red, Green, Blue 각각의 채널을 통해 독립적으로 데이터를 전송함으로써 유선의 WDM 기술을 무선 가시광 통신에 적용할 수 있다.

도 1은 기존의 가시광 통신의 일반적인 시스템 구성을 나타낸 도면이다. 가시광 통신은 눈에 보이는 가시광을 통해서 통신을 하는 것으로 그 응용 방안의 실시 예를 나타내었다.

도 1을 살펴보면, 다수의 LED로 이루어진 AP(100)는 가시광 신호를 단말기로 보낸다. 상기 AP(100)는 다수의 LED(101, 102, 103)로 이루어져 있다. 단말기는 이동형 단말기(120)와 고정형 단말기(121)가 있을 수 있다. 도 1의 경우는 AP가 조명의 역할을 하는 동시에 통신의 역할을 하고 있는 경우이며, 이와는 별도로 기기간의 통신을 생각해 볼 수도 있다. 단말기(130, 131, 132)들 간에 통신을 가시광을 이용해서 수행하는 경우에는 조명기로서의 역할보다는 사용자로 하여금 자신이 통신을 하고자 하는 대상을 선정하여 통신이 가능한 범위를 눈으로 확인하면서 통신을 할 수 있으므로 보안 측면에서 안심할 수 있다.

도 2는 기존의 WDM 가시광 통신 송수신기의 일 예시 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 가시광 통신의 송신기는 송신할 데이터를 채널 코딩하는 병렬로 구성된 다수의 부호화기(210, 211, 212)와, 부호화기에서 채널 코딩한 데이 터를 변조하는 병렬로 구성된 다수의 변조기(220, 221, 222)와, 변조기에서 변조한 신호를 가시광 신호로 송신하는 하나 또는 그 이상의 광 발생기와, 가시광 통신 송신기의 각 구성요소들을 제어하는 조종기(200)를 포함한다.

가시광 통신의 수신기는 가시광 신호를 수신하는 하나 또는 그 이상의 광 감지기와, 광 감지기에서 수신한 신호를 복조하는 병렬로 구성된 다수의 복조기(280, 281, 282)와, 복조기에서 복조된 신호를 받아서 채널 디코딩을 수행하여 데이터를 복원하는 병렬로 구성된 다수의 복호화기(290, 291, 292)와, 가시광 통신 수신기의 각 구성요소들을 제어하는 조종기(270)를 포함한다. WDM 가시광 통신 장치에서 각각의 경로는 전송되는 정보가 어느 경로를 통해서 전송되는지가 결정된 이후에는 각각의 경로 별로 독립적으로 작동한다.

도 3은 기존의 일반적인 WDM 가시광 통신의 송수신 동작 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 가시광 통신 송수신기가 동작을 시작하여, 301단계에서 가시광 통신 송신기가 가시광 신호를 송신하고, 303단계로 진행하여 가시광 통신 수신기는 가시광 통신 송신기로부터 가시광 신호를 수신한다. 305단계에서 송수신 동작이 종료될 지의 여부를 판단하여, 종료될 경우에는 가시광 통신의 송수신 동작이 종료되고, 종료되지 않을 경우에는 처음으로 돌아가 상기 과정을 동작이 종료될 때까지 반복하여 수행한다.

빛의 색상은 혼합되는 삼원색 간의 에너지 비에 따라 결정된다. 즉 빛의 파장에 따른 에너지 분포 정도가 그 빛의 색상을 결정하게 된다. 이러한 빛의 파장별 에너지와 색상의 관계는 색도도(Chromaticity diagram)를 참조하면 알 수 있다.

도 4는 기존의 백색광을 만드는 경우 각 파장 별 에너지 분포를 나타낸 도면으로서, 적색 LED, 청색 LED 녹색 LED를 이용하여 빛을 발생시키고, 발생된 빛의 혼합을 통해서 백색광을 만드는 경우에 파장 별 에너지 분포를 표시한 도면이다.

도 4를 살펴보면, 백색광의 경우에는 적색, 녹색, 청색의 모든 파장 대역에 걸쳐 있지만 그 에너지 분포는 각 파장 별로 달라서 녹색의 에너지가 가장 낮고, 청색, 적색 순으로 높아진다.

통상적으로 사용되는 WDM 기술은 주로 광섬유 통신에 사용되는데, 이 경우 적색, 녹색, 청색의 파장 별로 부여되는 에너지의 차이가 없고, 이는 독립된 각 채널에 동일한 값을 주어 각 파장 별로 동일한 에너지를 할당해 준다.

하지만 조명을 위해 사용되는 화이트 LED의 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이 각 파장 대역의 전송 에너지가 다르기 때문에 이런 환경 하에서 상기의 WDM 기술을 적용하게 되면, 각 파장의 전송 에너지가 같아지게 되고 이는 색 비율의 불균형으로 인해 조명으로서의 본연의 기능을 상실하게 되는 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 보안하기 위해 RGB 각 색의 에너지 비율을 조정해 주면서도 최대 전송 능력을 가능하게 해 주는 WDM 기술이 요구된다.

본 발명은 무선 가시광 통신에서 적색, 녹색, 청색의 각 파장의 전력비를 조절하면서 각 파장의 전력비에 맞게 데이터 전송률을 분배하여 최적의 WDM 기술을 적용하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 방법에 있어서, 각 채널 별로 채널 상태 정보를 알아보기 위한 신호인 파일럿(pilot) 신호를 송신기에서 수신기로 전송하고, 수신기에서 각 채널 별 채널 상태 정보를 담고 있는 신호인 파일럿 응답(Response) 신호를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 송신기에서 파일럿 응답 신호에 따라 데이터 비(Data Rate)를 제어하는 과정과, 송신기에서 수신기로 데이터 비 정보를 헤더(Header)에 실어서 데이터를 전송하는 과정과, 수신기에서 헤더 정보가 가지고 있는 데이터를 참조하여 각 채널 별로 데이터 비를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 장치에 있어서, 사용자가 미리 설정한 색상의 빛을 일정하게 유지하기 위해 데이터 비(Data Rate)와 파워(Power)를 제어하는 송신기와, 송신기로부터 헤더(Header) 안에 포함되어 있는 상기 데이터 비를 수신 받는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 적색, 녹색, 청색의 각 파장의 전력비를 조절하면서 각 파장의 신호대 잡음비에 맞게 데이터 전송률을 분배하여 최대 데이터 비를 지원해 줄 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

종래의 기술에서 언급한 바와 같이, 조명을 위해 사용되는 화이트 LED의 경우에는, 각 파장 대역의 전송 에너지가 다르기 때문에 이런 환경 하에서 종래의 WDM 기술을 적용하게 되면, 각 파장의 전송 에너지가 같아지게 되고 이는 색 비율의 불균형으로 인해 조명으로서의 본연의 기능을 상실하게 되는 결과를 가져오는 문제점이 있었다. 따라서 종래 기술에서 언급한 문제를 해결하고자 본 발명에서는 적색, 녹색, 청색의 각 파장의 전력비를 조절하면서 각 파장의 전력비에 맞게 데이터 전송률을 조절하여 전송하는 새로운 WDM 방식을 제안한다. 이하 본 발명의 내부 구성을 도시한 구성도와 흐름도를 참조하여 자세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 WDM 가시광 송수신기의 블록 구성도이다.

도 5를 살펴보면, 가시광 통신 송신기는 송신할 데이터를 채널 코딩하는 병 렬로 구성된 다수의 부호화기(510, 511, 512)와, 상기 부호화기에서 채널 코딩(Coding)한 데이터를 변조하는 병렬로 구성된 다수의 변조기(520, 521, 522)와, 변조기에서 변조한 신호를 가시광 신호로 송신하는 광 발생기와, 각 파장 별로 파워와 데이터 비를 제어해 주는 데이터 비(Date Rate)/파워(Power) 제어기(530)와, 송신할 데이터를 수신하고 가시광 통신 송신기의 각 구성요소들을 제어하는 조종기(500)를 포함한다.

가시광 통신 수신기는 가시광 신호를 수신하는 광 수신기와, 광 수신기에서 수신한 변조된 신호를 복조하는 병렬로 구성된 다수의 복조기(580, 581, 582)와, 복조기에서 복조된 신호를 받아서 채널 디코딩(Decoding)을 수행하여 채널 코딩된 데이터를 복원하는 병렬로 구성된 다수의 복호화기(590, 591, 592)와, 각 파장 별로 서로 다른 데이터 비를 제어하는 데이터 비 제어기(560)와, 수신된 데이터를 송신하고 가시광 통신 수신기의 각 구성 요소들을 제어하는 조종기(570)를 포함한다.

WDM 가시광 송수신기는 사용자가 설정한 색상의 빛인 광 신호를 송수신 시키기 위해서, 적색, 청색, 녹색의 광을 반송파로서 광 통신에 이용한다. 예를 들면, 상기 가시광 통신 송신기에서 다수의 부호화기들 중 하나는 적색의 광 신호를 전송하고, 다른 부호화기는 청색의 광 신호를 전송하고, 다른 부호화기는 녹색의 광 신호를 전송할 수 있다. 각 부호화기는 각 색에 따른 광 신호들의 세기 비율을 조절해서 사용자가 설정한 색상의 빛을 일정하게 유지시킨다.

도 5에서 설명한 블록 구성도를 참조하여 본 발명에서 제시하는 파장 별로 서로 다른 전송률을 지원하는 방법을 설명하면 하기와 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 WDM 가시광 송수신기의 동작 절차를 나타낸 흐름도이다. 각 단계 별로 수행하는 절차에 대해 기술하면 다음과 같다.

도 6을 살펴보면, 송수신기가 작동을 시작하고, 601단계에서 송신기는 수신기로 R(Red), G(Green), B(Blue) 각각의 파장 별로 채널 상태 정보를 알아보기 위한 신호를 송신한다. 본 발명에서는 이 신호를 파일럿(pilot) 신호라 부르고, 송신기로부터 상기 파일럿 신호를 수신한 수신기가 각각의 채널에 대한 상태 정보를 판단하도록 하는 역할을 한다. 이를 일 실시 예로 나타내면 하기 도 7의 (a)와 같다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 파장 별 신호를 나타낸 그래프로서, 도 7의 (a)는 동등한 세기를 가진 신호 전송을 예로 나타낸 그래프이고, 도 7의 (b)는 다른 잡음의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 7의 (c)는 구현 색상을 나타낸 그래프이고, 도 7의(d)는 실제로 전송할 데이터 비를 결정하기 위한 신호대 잡음비를 나타낸 그래프이다.

도 7의 (a)에서는 일 예로 각 파장 별로 같은 세기의 파일럿 신호를 나타내었으나, 파일럿의 세기가 파장 별로 달라지더라도, 각각의 파일럿이 하나의 수신기로 들어오기 때문에 수신기에서 그 차이를 알 수 있고, 이를 이용하여 채널의 잡음 측정이 가능하다.

603단계에서 수신기는 송신기로부터 수신된 RGB 각 파장 별 채널 정보를 알아보기 위한 파일럿 신호에 응답하기 위해 각 파장 별 채널 정보를 측정하고 채널 응답 신호를 생성한다. 이를 파일럿 응답 신호라 하고, 수신기에서는 이러한 채널 응답 신호가 담겨있는 파일럿 응답 신호를 송신기로 전송한다. 이 후 605단계에서 송신기는 수신기로부터 전송받은 파일럿 응답 신호를 이용하여 각 파장 별로 잡음의 정도를 파악하고, 사용자가 설정한 색상의 빛을 발생시키기 위해 각 파장 별로 신호대 잡음비를 분석하여 데이터 비를 제어한다.

이를 일 예로 그래프로 나타내면 상기에 설명된 도 7의 (b), (c), (d)와 같다. 만약 사용자가 구현하고자 하는 색상의 RGB 색상 잡음의 세기 비율이 도 7의 (b)와 같고, 사용자가 구현하고자 하는 색상의 RGB 색상 비율이 도 7의 (c)와 같다면, 그 차이에 해당하는 데이터 비를 결정하기 위한 신호대 잡음비는 도 7의 (d)에서 보는 것과 같다.

도 7의 (d)에서 사용자 구현 색상과 잡음의 차이를 뺀 부분이 각 RGB 채널의 SNR이라고 정의할 수 있다. 데이터를 송수신하기 위하여 전기적인 신호를 비트로 변환하게 되는데, 여기서 SNR 마진(신호 복원이 가능한 최소한의 SNR)을 이용한 비트 할당 알고리즘을 적용하면 각 파장에 할당되는 비트를 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 i는 적색광, 녹색광, 청색광을 포함하고, SNRi는 각 채널의 신호 대 잡음비를 나타내며, Γ는 신호 대 잡음비 마진(SNR gap)을 나타낸다.

수학식 1을 이용하여 RGB 각 채널별 할당되는 비트 수의 비율을 구할 수 있는데, 이를 하기의 수학식으로 나타내었다.

수학식 2에서

는 각각 적색광, 녹색광, 청색광의 SNR을 나타낸다. 즉, 각 파장 별로 SNR이 정해지면 수학식 2를 사용하여 전송 가능한 비트 수의 비율을 결정할 수 있게 된다.

이 후, 607단계에서 송신기는 각 파장 별로 서로 다른 데이터 비 정보를 프레임(Frame)의 헤더(Header)에 실어서 수신기로 데이터와 함께 전송한다. 609단계에서 수신기는 수신한 프레임의 헤더 정보를 참조하여 데이터를 수신하고, 각 채널 별 전송 속도에 맞추어 수신된 데이터를 복원하는 작업을 하게 된다.

채널은 수시로 변할 수 있기 때문에 변화하는 채널을 파악하기 위해서는 주기적으로 채널을 측정해야 한다. 따라서 611단계에서 송신기는 타이머를 도입해 정해진 시간이 지나면 처음으로 돌아가 상기의 과정을 반복한다. 변화하는 채널이 없을 시에는 613단계로 진행하여 사용자가 조명색 값을 변경하였는지를 파악하고 조명색 값을 변경하였다면 처음으로 돌아가 상기의 과정을 반복하고 변경하지 않았다면, 일정 시간이 지나도 변화하는 채널이 없고, 사용자가 임의로 조명색 값을 변경하지 않았다면, 615단계로 진행하여 시스템이 종료되기 전까지 607단계부터 615단계의 과정을 반복 수행한다.

상술한 실시 예 이외에도 일반적으로 제어 정보(Signaling)의 중요도가 데이터에 우선하는 경우가 많으므로 각 파장별로 SNR을 계산하여 가장 신뢰할 수 있는 채널을 선택하여 제어 정보를 전송해주는 방법도 있다. 이 경우에 전송되고 있는 정보가 제어 정보인지 데이터인지는 역시 헤더를 통해서 구분할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 장치 및 방법의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

도 1은 기존의 가시광 통신의 일반적인 시스템 구성을 나타낸 도면

도 2는 기존의 WDM 가시광 통신 송수신기의 일 예시 블록 구성도

도 3은 기존의 일반적인 WDM 가시광 통신의 송수신 동작 흐름도

도 4는 기존의 백색광을 만드는 경우 각 파장 별 에너지 분포를 나타낸 도면

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 WDM 가시광 송수신기의 블록 구성도

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 WDM 가시광 송수신기의 동작 절차를 나타낸 흐름도

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 파장 별 신호를 나타낸 그래프

Claims (12)

1. 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 방법에 있어서,

   파일럿(pilot) 신호를 송신기에서 수신기로 전송하고, 상기 수신기에서 파일럿 응답(Response) 신호를 상기 송신기로 전송하는 과정과,

   상기 송신기에서는 상기 수긴기로부터 전송된 상기 파일럿 응답 신호에 따라 데이터 비(Data Rate)를 제어하는 과정과,

   상기 송신기에서 상기 수신기로 상기 데이터 비 정보를 헤더(Header)에 실어서 전송하는 과정과,

   상기 수신기에서 상기 헤더 정보가 가지고 있는 데이터 비 정보를 참조하여 각 채널 별로 데이터 비를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 파일럿 신호는

   각 채널의 상태 정보를 알아보기 위하여 송신기에서 수신기로 전송되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 파일럿 응답 신호는

   상기 수신기에서 각 채널의 상태 정보를 판단하여, 상기 송신기로 각 채널의 상태 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 각 채널의 상태 정보를 전송하는 것은

   상기 수신기로부터 전송된 상기 파일럿 응답 신호를 참조하여 각 파장 별로 잡음의 정도를 파악하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 데이터 비를 제어하는 것은

   사용자가 미리 설정한 색상의 빛을 발생시키기 위해 각 파장 별로 신호대 잡음비를 분석하여 상기 데이터 비를 제어하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 파장 별로 신호대 잡음비를 분석하는 것은

   상기 사용자가 구현하고자 하는 각 파장 별 색상 비율에서 각 파장 별 잡음의 세기를 비교하여 상기 데이터 비를 제어하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 데이터 비를 헤더에 실어 전송하는 과정은

   각 파장에 할당되는 비트를 구하고, 구하여진 상기 신호대 잡음비로 각 비트 수의 비를 결정한 뒤, 상기 각 비트 수의 비를 헤더에 실어 사용자가 신뢰할 수 있는 채널을 선택하여 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 각 파장에 할당되는 비트를 구하는 것은

   하기의 수학식을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

   

   상기 수학식 3에서 i는 적색광, 녹색광, 청색광을 포함하고, SNRi는 각 채널의 신호 대 잡음비를 나타내며, Γ는 신호 복원이 가능한 최소한의 신호 대 잡음비인 신호대 잡음비 마진(SNR gap)을 나타낸다.
9. 제 7항에 있어서, 상기 각 비트 수의 비를 결정하는 것은

   하기의 수학식을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

   

   상기 수학식 4에서

   

   는 각각 적색광, 녹색광, 청색광의 SNR을 나타낸다.
10. 무선 가시광 통신 시스템에서 데이터 전송 장치에 있어서,

    사용자가 미리 설정한 색상의 빛을 일정하게 유지하기 위해 데이터 비(Data Rate)와 파워(Power)를 제어하는 송신기와,

    상기 송신기로부터 헤더(Header) 안에 포함되어 있는 상기 데이터 비를 수신 받는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 송신기는

    상기 데이터 비와 파워를 제어하기 위하여 데이터 비/ 파워 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
12. 제 10항에 있어서, 상기 수신기는

    상기 송신기로부터 전송된 데이터를 각 채널 별 전송 속도에 맞추어주는 데이터 비 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.

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