KR20110035717A - 가시광 통신에서 조명 기능 향상을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가시광 통신에 적합한 변복조 기법에 적용가능한 채널 코딩 방법을 제안한다. 본원 발명의 채널 코딩 방법을 사용하여 성능 저하없이 가시광 신호의 출력을 높이기 위한 방법에 관한 것이다. 이를 위해 가시광 통신 기능을 가진 단말 장치에서 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치는, 전송하고자 하는 데이터를 수신하는 입력부와, 상기 입력부로부터 수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 비트 가산기와, 상기 가산기로부터 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 채널 코딩부로 보내어 p비트의 코드워드를 생성하는 채널 부호부와, 상기 p비트의 코드워드들은 상기 입력부로부터 수신된 동일한 입력 신호에 대하여 복수개 생성됨을 특징으로 하는 상기 채널 부호부와, 상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 채널부호부를 통해 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택하는 비트 선택기와, 상기 비트 선택기를 통해 선택된 코드워드를 변조부에 보내어 데이터를 전송함을 특징으로 한다.
Figure P1020090093534
가시광, 변복조, 리드뮬러 코드(Reed Muller code), 해밍코드(Hamming code)

Description

가시광 통신에서 조명 기능 향상을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVING THE BRIGHTNESS IN VISIBLE LIGHT COMMUNICATION USING LED}
본 발명은 가시광 통신에서 가시광 통신 출력을 높이기 위한 방법에 관한 것이다. 특히 가시광 통신에 사용되는 변복조의 성능을 향상시키면서도 가시광 통신 출력을 높이기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
가시광 무선통신은 백열전구와 형광등과 같은 조명이 디지털 반도체에 의한 Light Emitting Diode (LED) 조명으로 교체되는 인프라를 이용하여 LED의 빠른 깜박임을 이용한 모듈레이션 기술을 적용하여 통신하는 기술이다. 즉, 가시광 통신은 반도체가 조명으로도 사용하기 시작하면서 조명 빛을 통신 광원으로 사용할 수 있는 기술로써의 조명과 통신의 융합된 실체라고 할 수 있다. 현재 IEEE 802.15 VLC, TTA 가시광통신 서비스 실무반 등 표준을 추진하고 있고, LED 조명 인프라를 활용하여 광 ID, 광센서, 초정밀 실내 측위, 위치 방송 등의 신규 통신 서비스를 제공할 수 있다.
가시광 무선 통신은 400nm(750THz)에서 700nm(400THz)에 이르는 가시광 대역에서 통신이 이루어지고 가시광 무선 통신과 유사한 통신으로 IrDA(적외선 통신) 이 있으나 가시광 통신의 경우 조명과 동시에 통신을 할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
가시광 통신은 크게 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 첫째, LED는 통신 뿐만 아니라 조명 기능으로써의 역할도 중요하므로, 가시성(Visibility)이라는 특징이 있다. 둘째, 가시광 통신은 빛이 도달하는 거리까지 통신이 가능하고 이에 따라 RF 통신과 달리 통신의 보안이 이루어질 수 있으므로, 보안성 (Security)이라는 특징이 있다. 셋째, 눈보호(eye safety)를 고려한 조건 하에서 빛은 인체에 무해하므로, 무해성(Health)이라는 특징이 있다.
무선 가시광 통신대역에서 변복조가 이루어질 때 사용되는 광원(LED & Photodetector)으로는 낮은 전력소비량과 긴 수명을 지닌 LED가 각광 받고 있다. LED 광원의 장점으로 낮은 전력 소비량과 긴 수명을 들 수 있다. 백열전구는 전력의 10%만을 빛으로 전환시키지만, LED 는 90%를 빛으로 변환시켜 전력 소모가 현저히 낮다. 또한 기존 전구의 수명이 최대 4,000 시간인데 반해, LED 의 수명은 10 만시간 정도로 긴 수명을 갖는다.
도 1은 발광다이오드를 이용한 가시광 통신의 통신 개념을 설명하기 위한 것이다. 가시광 통신의 송신부(100)는 LED에 입력되는 전기적 신호를 빛으로 변조시켜주어 빛의 세기 변조(Intensity modulation)된 신호를 광원을 통해 전송하고 수신부(110)는 수신된 광 신호를 광다이오드(photodiode)에 직접 전류 크기의 변화로써 검출(direct detection)한다. 이러한 전송 방식을 세기변조/직접검파(IM/DD : Intensity modulation/direct detection) 방식이라고 한다.
도 1의 가시광 통신의 송신부와 수신부에 사용된 대표적인 변복조 기법은 크게 기저대역에서 변조가 이루어지는 기저대역 변조 기법(Baseband modulation) 과 부반송파(Subcarrier)를 이용하여 전송하는 서브캐리어 변조(Subcarrier modulation) 기법으로 분류할 수 있다. 대표적인 기저대역 변조 기법에는 라인 코딩과 펄스의 특성 예컨대, 위치, 넓이, 간격을 이용하는 펄스 변조 기법이 있고, 부반송파에 정보를 실어 보내는 변조 기법으로 일반적인 M-ary PSK/PAM/QAM 변조 기법 등을 살펴볼 수 있다. 현재 가시광 통신에서 고려되고 있는 변조 기법으로는 적외선 통신에서도 이미 사용되고 있는 온-오프 키잉(On-off keying: 이하, OOK) 변조 기법과 펄스 위치 변조(PPM : Pulse Position Modulation) 가 있다.
도 2는 가시광 통신에 사용되는 변조기법을 보여주고 있다. 도 2(a)는 OOK변조 기법을 예시하고 있는 데. 진폭 변조 기법의 기본적인 형태라고 할 수 있다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 이진 정보에 따라 전기적인 신호를 온/오프시킴으로써 데이터를 전송하는 방식이다. OOK 변조 기법은 다른 변조 기법에 비해 구현이 비교적 단순하고 주파수 효율성이 높기 때문에 높은 잡음 면역성이 요구되지 않는 경우에 사용되고, 전기적인 신호를 오프시켰을 경우 송신 전력을 절감할 수 있기 때문에 휴대용 어플리케이션에서 많이 고려되는 방식이다.
도 2(b)는 펄스 위치 변조(Pulse Position Modulation, 이하 PPM)방식을 예시하고 있는데, 그 중에서도 4-PPM을 예시하고 있다. PPM은 이진 정보에 따라 펄스의 위치를 변화시켜 전송하는 방식으로 에너지 효율성이 뛰어나 적외선 통신의 표준 변복조 방식으로도 이용되고 있다.
도 2(c)는 인버터 펄스 위치 변조( 이하, Inverted 4-PPM)를 보이고 있다. 이는 M-ary 펄스 위치 변조 기법의 펄스를 반전시켜 광출력을 높여 조명기능을 향상시키는 방법으로 제안되었다. OOK 변조 기법의 첨두값은 4-PPM의 첨두값의 절반으로 줄어들어 비트 오류율 성능이 저하되고, 또한 광출력 또한 절반으로 줄어드는 단점이 있다. Inverted 4-PPM 방법을 사용할시, 4-PPM과 비교할 때 첨두값을 A로 동일하게 가정하였을 경우 평균 광출력을 기존의 A/4에서 3A/4로 3배 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
앞서 제시한 가시광 통신에서 고려될 수 있는 대표적인 변조 기법들의 성능은 동일한 신호 대 잡음비에 따라 검증되었는데, 이는 무선 통신의 성능을 검증하는데 가장 기초적인 제한 사항이라고 할 수 있다. 그러나 가시광 통신에서 주목할 점은 발광 다이오드를 구동할 때 첨두값(peak power)의 전력에 대한 제한이 있다는 것이다. 다시 말해서 사용되는 발광 다이오드의 전기적 신호를 빛으로 전환할 때, 최대로 보낼 수 있는 전류 신호가 엄격하게 규제되고 있으며, 각 변조가 적용된 송신 신호의 크기(amplitude)를 동일하게 가정하고 성능을 살펴보아야 한다. 또한 이러한 가정(same peak power constraint) 하에서 각 변조 기법을 통해 소비되는 광출력 (optical power) 가 각각 달라지게 되는데 이에 따라 각 변조 기법을 적용할 시에 밝기의 정도(illumination)가 각각 달라지게 된다.
발광 다이오드의 응답 속도나 사용에 대한 규제를 고려하여 각 변조 기법간의 성능을 검증하여야 한다. 실제 사용되는 발광다이오드는 광다이오드를 사용하여 수신 단에서의 임펄스 응답을 찾아보면 발광다이오드의 응답곡선이 저역 통과 필터 (LPF: low pass filter)와 유사한 응답 곡선을 보여준다. 이 때 발광다이오드의 응답속도(rise/fall time)에 따라 전송률과 비트 오류율에 영향을 줄 수 있다. 이는 발광다이오드의 대역특성에 따라 각 변조 기법이 영향을 받음을 의미한다. 4-PPM의 경우 OOK에 비해 대역 효율성이 나쁘기 때문에 발광 다이오드의 주파수 대역 특성에 더 크게 영향을 받을 수 있다.
실시 예로, 발광다이오드의 주파수 응답을 1계 RC 저역 통과 필터(first order RC filter)로 모델링하여 시뮬레이션 환경에 다음과 같이 적용한다. 발광다이오드의 주파수 대역 특성에 따른 펄스의 왜곡이 발생하고 이에 따라 심볼간의 간섭(ISI : Intersymbol interference)이 생기므로 이를 극복하기 위해 수신 단에 등화기(equalizer)(360)를 사용한다고 가정한 것이다.
도 3은 가시광 통신에 있어서 일반적인 송수신기 구조를 보이고 있으며, 상기 도 3의 송수신부 구조하에서 도 4(a)에서는 각 변조 기법에 따른 비트 오류율과 도 4(b)에서는 빛의 세기에 대한 성능이 어떻게 변화되는지를 보여준다. 실험 환경은 다음과 같다.
가시광 통신 시스템에 고려된 가정을 정리해보면, 광학 채널(340) 환경은 LOS(Line of Sight) 성분이 NLOS(Non Line Of Sight)성분보다 매우 크다고 가정하여 백색 잡음 채널로 가정하였고, LED(330)통해 전송되는 신호의 광출력은 동일한 첨두값을 갖는다. 전송율은 Infra-to-mobile 또는 Fixed-to-mobile 환경을 가정하여 저속의 10Mbps를 갖으며, 발광다이오드 주파수 응답의 3dB 주파수 대역을 3.5MHz로 가정하였다. 보통 기존의 발광다이오드의 주파수 대역은 2~10MHz로 알려 져 있고, 최근 고속 데이터 전송을 할 수 있는 광대역의 주파수 응답을 갖는 발광다이오드(RCLED)도 개발되고 있다. 변조부(310)에는 OOK, 4-PPM, Inverted 4-PPM, QPSK, Duobinary, Miller coding(delay modulation), Multi-pulse PPM(Generalized PPM)등을 고려하였고, 펄스 형상부(Pulse shape)(320)은 직사각형 펄스(rectangular pulse)를 사용하였다. 또한 각 변조 기법은 수신부의 복조 및 검출부(Demodulation & detection)(370)에서 사용하는 복조기법으로 Maximum Likelihood(ML) 디코딩(decoding)되었고, Duobinary 코딩의 경우 임계값 복호(threshold decoding)를 하였다. 상기한 바 이외의 다른 구성부들(320, 350, 380)은 일반적인 송수신기 구조에서의 구성부들이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
여기서 크게 주목해야할 두 가지 변조 기법이 Inverted 4-PPM과 OOK 변조 기법이다. 발광다이오드가 없을 경우의 Inverted 4-PPM의 성능은 OOK의 비트 오류율과 비슷함을 볼 수 있으나 발광다이오드의 주파수 대역 특성을 거칠 경우 낮은 대역 효율성으로 인해 OOK에 비해 성능이 현저히 저하되었다. 이와 반대로 OOK의 경우에는 대역 효율성이 우수하기 때문에 발광다이오드의 주파수 대역 특성에 상대적으로 잘 극복하고 있어 가장 우수한 비트 오류율을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 광출력의 경우 Inverted 4-PPM에 비해 상대적으로 낮다는 것을 볼 수 있다.
따라서, 발광다이오드의 주파수 대역 특성을 고려하여서도 성능이 저하되지 않으며, 전송 신호의 광출력 신호가 크도록 함으로써 가시광 통신의 조명 기능과 통신 기능을 향상시키는 기술이 요구된다.
또한 앞에서 살펴본 바와 같이 발광다이오드를 이용한 가시광 통신은 조명 기능과 통신 기능이 융합된 기술이다. 따라서 이 두 기능을 적절히 이용하거나 두 기능 사이의 트레이드 오프(trade-off)를 활용한 기술을 개발하는 것이 요구된다.
따라서 본 발명은 통신 기능 즉, 비트 오류율은 OOK의 것에 가깝거나 우월한 성능을 보이면서 조명기능을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 채널 코딩의 1의 가중치를 의도적으로 늘려 변조 기법에 적용함으로써 조명 기능을 향상시키면서 통신 기능을 유지시켜주는 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은, 가시광 통신 기능을 가진 단말 장치에서 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치에 있어서, 전송하고자 하는 데이터를 수신하는 입력부와, 상기 입력부로부터 수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 비트 가산기와, 상기 비트 가산기로부터 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 p비트의 코드워드를 생성하며, 상기 p비트의 코드워드들은 상기 입력부로부터 수신된 동일한 입력 신호에 대하여 복수개 생성되는 채널 부호부와, 상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 채널부호부를 통해 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택하는 비트 선택기와, 데이터 전송을 위해 상기 비트 선택기를 통해 선택된 코드워드를 변조하는 변조부를 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 가시광 통신 기능을 가진 단말 장치에서 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법에 있어서, 수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 과정과, 상기 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 p비트의 코드워드를 생성하는 과정과, 상기 p비트의 코드워드들은 동일한 입력신호에 대하여 복수개 생성되며, 상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택한 후 상기 선택된 코드워드를 변조하여 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안된 높은 가중치 해밍 부호화 변조 방법은 간단하게 구현 가 능하며, 광출력과 비트 오류률 성능까지 향상시킬 수 있다.. 다시 말해 채널 코드의 정보 비트와 빛의 세기 간의 트레이드오프를 이용하여 1 비트의 정보를 비록 소모하였지만, 1의 분포를 증가시켜 광출력을 향상시킬 수 있었고, 기존의 OOK 기법보다 조명 기능과 비트 오류율 성능을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 임의의 채널 코드와 함께 동작할 수 있어 다양한 채널코딩 기법에도 적용가능한 기술이다. 또한, 수신 단의 복잡도를 증가시켜 소프트결정 디코딩(soft decision decoding)을 할 경우에도 비트 오류율 성능 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신을 수행하는 단말 장치에서의 송수신부 구조를 보이고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 가시광 통신의 송수신부는, 1의 가중치(1's weigjht)를 의도적으로 늘려주는 채널 코딩부(HHW Channel encoding)(510)와 이를 통해 광출력을 높여주는 변조부(Modulation)(520)에 특징이 있다. 따라서 이하의 설명에서는 다른 블록의 경우는 도 3의 블록의 기능과 동일함으로 설명을 생략하고, 채널 코딩부(510)와 변조부(520)을 위주로 설명하기로 한다.
도 6a 및 도 6b는 상기 도 5의 채널 코딩부(510)의 상세 구조를 보이고 있 다. 특히, 도 6a는 매핑테이블없는 가시광 통신의 송신부의 채널 코딩부(510)를 예시하고 있다. 도 6a를 참조하면, 가산기(adder)(601)는 입력된 (k-1) 이진 정보에 비트를 더하는 1비트 가산기이다. 본 발명의 실시예에서는 1비트(예컨대, 0 혹은 1)를 더하는 것을 고려하여 설명하고자 한다. 예를 들어, 3비트의 이진정보 Ik-1=[i1,i2,i3]을 입력받으면, 가산기(601)은 그 입력을 [0,i1,i2,i3] 혹은 [1,i1,i2,i3]의 0 혹은 1이 추가된 4비트로 만들어 내게 된다. 채널부호부(Channel Encoder)(602)는 상기 가산기(601)로부터 1비트 더하여진 k 이진 정보를 입력으로 받아 n 길이의 코드워드를 생성하는 일반적인 (n,k) 채널부호부이다. 또한 상기 채널부호부(602)를 통해 생성된 두 개의 코드 워드의 가중치를 비교하고 큰 코드워드를 선택하는 코드워드 선택부(603)를 갖는다.
도 6b는 상기 도 6a의 방법에 의하여 만들어진 코드워드 테이블을 이용한 방법을 도시하고 있다. 다시 말해서, 가산기(604)에서 입력된 (k-1) 이진 정보에 0 혹은 1를 더하여 k비트 2개를 만들고, 각각에 대하여 (n,k)채널 부호부(605)를 통해 n길이의 코드워드를 만든 후, 코드워드 선택기(606)에서 1의 많은 코드워드를 선택하여 만들어진 코드워드 테이블을 메모리에 저장하여 사용하는 것을 보이고 있다. 가산기(604)는 추가하고자하는 k비트에 대한 매핑 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.
입력된 이진정보에 더하여지는 비트수에 따라 혹은 다중 채널부호부를 사용하는 경우 복수개의 코드워드 테이블을 가짐과 이를 구별하기 위한 별도의 장치(도 시하지 않음)가 필요함은 자명하다.
상기한 바와 같이, 송신단은 크게 전송하고자 하는 데이터를 수신하는 입력부와, 채널 코딩부(510) 및 변조부(520)를 포함한다. 그 중에서도 채널 코딩부(510)는 상기 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 가산기(601 or 604), 채널 부호부(602 or 605) 및 코드워드 선택기(603 or 606)를 포함하여 구성된다.
구체적으로 전송하고자 하는 데이터를 입력부를 통해 수신하면, 가산기(601 or 604)에서 상기 입력부로부터 수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성한다. 이때, 상기 입력부를 통해 수신하는 전송 데이터는 가시광 통신을 위한 단말 장치에 저장된 오디오, 비디오 및 테스트 데이터이다. 그리고나서 그 가산기(601 or 604)로부터 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 채널 코딩부로 보내어 p비트의 코드워드를 채널 부호부(602 or 605)에서 생성한다. 이때, 상기 p비트의 코드워드들은 상기 입력부로부터 수신된 동일한 입력 신호에 대하여 복수개 생성된다. 이어, 코드워드 선택기(603 or 606)에서 상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 채널부호부(602 or 605)를 통해 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택하면, 상기 코드워드 선택기(603 or 606)를 통해 선택된 코드워드를 변조부(520)에 보내어 데이터를 전송하게 된다.
도 7a 및 도 7b는 상기 도 5의 가시광 통신의 수신부의 채널 디코딩부(590)의 상세 도면을 보이고 있다. 도 7a는 상기 도 6a의 코드워드 테이블을 사용하지 않는 구조에 대응되는 구조이며, 도 7b는 상기 도 6b의 코드워드 테이블을 사용하 는 구조를 대응되는 수신부 구조를 보이고 있다. (n,k) 복조 및 검출부(580)은 n길이의 코드워드를 복조하여 채널 복호부(701)에 송신한다. 또한 오류 검출부(702)에서 채널 복호부(701)로부터 입력된 신호에 오류가 검출되지 않았을 경우 복조된 k비트로부터 1비트를 차감부(703)를 통해 뺀 후 (k-1) 이진 정보를 출력하게 된다.
도 7b는 코드워드 테이블(706)을 메모리에 저장하는 것을 이용한다. 상기 코드워드 테이블(706)은 가시광 통신의 송수신부간 통신이 이루어지기 전에 동일한 매핑 테이블을 저장하고 있어야 한다. (n,k)복조 및 검출부(580)을 통해 n길이의 코드워드를 복조하여 채널 복호부(704)에 전송하며, 채널 복호부(704)은 복호된 k비트를 가지고 오류 검출&차감부(705)를 통해 오류 발생 여부를 검출한 후, 오류가 발생하지 않았을 시, k비트로부터 1비트를 뺀 k-1 이진 정보에 해당하는 것을 출력한다.
이하, 도 6a 내지 도 7b에서와 같은 구성부에서의 동작을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6a를 참조하여 설명하면, 가시광 통신의 채널 코딩부에서 높은 해밍 가중치를 갖는 코드를 이용한 변조 기법은 임의의 채널 코딩과 함께 사용될 수 있다. 임의의 채널 코딩에서 위와 같은 높은 해밍 가중치를 선택하는 알고리듬은 아래와 같다. 그 알고리듬 동작 순서는 (k-1)bit를 입력하는 단계, 입력된 (k-1)bit에 동일한 위치에 0과 1을 추가하여 2개의 k bit 메시지를 만드는 단계, 임의의 채널 코딩을 이용하여 메시지를 인코딩하고 코드워드를 생성하는 단계, 두 코드워드의 해밍 가중치를 계산하여 높은 해밍 가중치를 갖는 코드워드를 선택하는 단계 및 선택 된 코드워드를 1과 0을 전송 시 분포가 다른 광출력을 이용하여 변조 기법을 이용하여 전송하는 단계로 이루어진다. 그 중에서 코드 워드를 선택하는 단계는 하기 수학식 1을 기반으로 수행된다.
Figure 112009060487727-PAT00001
반면, 상기 과정은 도 6b에서와 같이 통신이 이루어지기 전에 매핑 테이블을 통해 이루어질 수 있다. 임의의 채널 코드가 사용되었을 경우에 위와 같은 과정을 거쳐 미리 (k-1) 정보 비트에 대한 코드워드 c의 집합을 구할 수 있다. 이에 따라 나머지 한 개의 비트가 어떤 값 (0 또는 1)을 갖는지 저장된 테이블을 미리 만들 수가 있다. 따라서 임의의 (k-1) 정보 비트가 들어왔을 때 매핑 테이블에서 더해주어야 할 1bit 정보를 검색하여 k 비트의 정보를 만들어주고 이를 채널 부호부(605)에 넣어주어 원하는 코드워드를 만들 수 있다. 또는 각 (k-1) 정보 비트에 해당하는 코드워드에 대한 매핑 테이블을 작성하여 임의의 (k-1) 정보 비트가 입력되었을 때 매핑 테이블을 참조하여 직접 코드워드를 출력할 수 있다. 실시 예로 1bit 정보(0 또는 1)을 추가하는 것을 제안하였으나, 1bit이상을 추가하여 1의 값을 증가하는 것은 고려할 수 있음은 자명하다.
또한 도 6a에서와 같은 구조를 갖는 경우에 대해 수신 단에 대해서는 기존의 채널 코딩에 대한 복호화하는 과정과 동일하게 적용하여 정보 비트를 검출할 수 있다. 복호부에서 오류 검출을 할 수 있는데, 복조된 신호가 채널 복호부에 의해 복호되어 k bits의 정보 비트를 생성하였을 때, 송신 단에서 사용된 2k-1 개의 코드워드가 아닌 나머지 2k-1 코드워드에 의한 정보 비트로 판정이 된다면 오류가 발생했다고 판정을 할 수 있기 때문에 송신 단으로 에러가 발생했음을 보고 할 수 있다. 만약 송신 단에서 사용된 2k-1 개의 코드워드중의 하나에 해당하는 정보 비트로 복호가 된 경우에는 송신단에서 정보 전송에 이용되지 않은 위치에 있는 정보 x를 제거하고 (k-1)개의 정보 비트를 얻을 수 있다. 수신 코드워드가 오류가 발생했는지를 검사하기 위해 송신 단에서와 마찬가지로 송신에 사용되는 메시지 비트와 코드워드간의 매핑 테이블이 통신이 이루어지기 전에 미리 만들 수 있다. 도면 6(b)에서와 같이 전송된 코드워드를 복호하여 k 복호 비트를 얻었을 때, 임의의 (k-1) 비트에 해당하는 1 비트 매핑 테이블을 참조하여 얻어진 k 비트가 전송에 사용되는 비트인지 오류가 발생한 것인지를 검사할 수 있다.
이하, 채널 코딩을 이용하였을 경우에 1의 분포를 높이기 위한 방법을 간략하게 설명하기 위해 채널 부호부(701 or 704)에서 (p.k) 해밍코드 예컨대, (7, 4) 해밍 코드를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 하기 표 1에서와 같은 제너레이터 매트릭스(Generator matrix)를 갖는 해밍 코드를 살펴보기로 한다.
Figure 112009060487727-PAT00002
제너레이터 매트릭스를 이용하여 4비트 메시지에 대한 코드워드를 구하면 하기 표 2에서와 같이 16가지의 코드워드를 구할 수 있다.
Figure 112009060487727-PAT00003
상기 표 2를 참조하면, 첫번째 비트를 제외하고 두번째 비트에서부터 네번째 비트까지 동일한 정보를 전송하는 두 개의 메시지를 비교하면 두 메시지가 다른 해밍 가중치를 갖고 있음을 알 수 있다. 예를 들어, [0 0 0 0]와 [1 0 0 0] 을 비교하였을 경우 전자는 0의 해밍 가중치를, 후자는 3의 해밍 가중치를 갖고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 첫번째 비트를 제외한 나머지 2~4번째 비트가 같은 두 가지 중에서 더 높은 해밍 가중치를 고를 경우 8개의 코드워드를 선택할 수 있다. 이를 다시 2~4번째 비트와 코드워드간의 표로 정리하면 하기 표 3과 같다.
Figure 112009060487727-PAT00004
여기서 (7,4) 해밍 코드의 첫번째 비트의 손실을 통해 (7,3) 코드를 만들 수 있고, 이 때 코드워드의 평균적인 1의 분포는 34/56 = 0.607이 된다는 것을 알 수 있다. 이러한 코드워드를 OOK와 같은 레벨 코드로 송신을 할 경우에 전송에 이용할 수 있는 광출력을 0.5에서 0.607로 높일 수 있고 이에 따라 시스템의 광도가 향상되어 조명으로서의 기능을 개선할 수 있다.
이하, 다른 예로써, 채널 부호부(701 or 704)에서 (p.k) 리드-뮬러(Reed Muller) 코드를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명에서 제안하는 알고리듬과 기존의 변복조 시스템간의 성능 비교를 위해 시뮬레이션을 실시하였을 때, 그 시뮬레이션 환경은 앞에서 실시한 시뮬레이션 환경과 동일하다. 또한 본 발명에서 제안한 높은 해밍 가중치를 갖는 부호화 변조 기법(HHW coded modulation : High Hamming Weight coded modulation)의 채널 코딩을 위해 임의의 채널 코딩 기법을 선택한 경우를 예로 들어 설명한다. 또한 시뮬레이션 시간을 절약하고 복호 단의 복잡도를 낮추기 위해 (32,16)의 리드-뮬러 코드를 이용한다. 복호 단에서의 채널 디코더로서는 부호화된 비트들간의 체크섬의 다수의 원칙을 이용하여 복호하는 다수결 논리 디코딩(Majority logic decoding: MLD) 방식을 이용한다. 채널 코딩을 통해 심볼 레이트가 높아지기 때문에 이를 보상하기 위해 OOK를 이용하는데, 부호화되지 않은 OOK 기법에서의 펄스의 폭의 1/2에 해당하는 펄스 폭을 갖는 OOK 방식을 이용하여 전송율을 유지시킨다. 실제 1bit를 높은 해밍 가중치를 갖는 채널 코딩으로 만들어주기 위해 사용하므로 실제 전송율이 (32,15)가 되지만, 성능 검증을 위한 예로서 전송율이 동일하다고 가정하고, 실제로 1/2보다 높은 코드 레이트를 갖는 채널 코딩을 선택하여 정확하게 1/2가 되는 채널 코딩 기법을 만들어줄 수 있다. 높은 해밍 가중치를 갖도록 코드워드를 선택함으로써 얻어지는 광출력은 0.5577로 기존의 OOK보다 11.5%의 광출력의 향상을 이룰 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 높은 가중치를 갖는 변복조 기법(HHW coded modulation)의 성능 비교 결과표이다. 도 8은 앞서 구한 기존의 변조 기법에 비교하여 본 발명에 다른 기법의 BER 성능을 검증한 시뮬레이션 결과를 예시하고 있다. 이러한 본 발명에 따른 방법을 살펴보면, 채널 코딩의 특성에 따라 낮은 신호 대 잡음비 영역에서의 성능은 낮은 반면 높은 신호 대 잡음비 영역에서 기존의 OOK 방식보다 우월한 BER 성능을 얻어낸다는 것을 알 수 있다. 여기서 주목할 점은 더 좋은 비트 오류율 성능을 얻어내면서 조명으로서의 광출력을 향상시켰다는 점이다. 즉, 비트 오류율 성능은 OOK에 비해 좋고, I-4-PPM에 비해서는 월등하고, 조명 기능으로서는 OOK와 I-4-PPM의 사이에 있는 기법이라고 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 높은 가중치를 갖는 변복조 기법은 임의의 채널 코드와 같이 동작할 수 있기 때문에 성능을 향상시킬 수 있는 두가지 요인을 더 언급하는 것이 가능하다. 첫번째는 리드-뮬러 Muller 코드가 아닌 좀더 강력한 오류 정정 능력을 갖는 채널 코드를 사용하였을 경우 비트 오류율 성능은 현재의 시뮬레이션 결과보다 더욱 좋아질 수 있다는 점이다. 둘째는 현재는 복호 단의 복잡도를 줄이기 위해 하드 결정 디코딩(Hard decision decoding: HDD) 을 이용하여 복호를 하였는데, 만약 소프트 결정 디코딩(Soft decision decoding)을 이용할 경우 일반적으로 하드 결정 디코딩보다 3dB의 성능 이득을 더 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문에 소프트 결정 디코딩을 디코더로 사용함으로써 비트 오류율 성능을 높일 수 있다는 점이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 가시광 통신의 송수신부 도면,
도 2는 일반적인 가시광 통신에 적용되는 변조기법,
도 3은 일반적인 가시광 통신의 송수신부의 상세 블럭도,
도 4는 도면 2의 일반적인 가시광 통신에 적용되는 변조기법을 도면 3의 송수신부에 적용하였을 때의 성능 비교도면,
도 5는 본 발명에 따른 가시광 통신의 송수신부의 상세 블록도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 높은 가중치를 갖는 채널 부호부의 상세 블록도,
도 7a 및 도 7b은 본 발명에 따른 높은 가중치를 갖는 채널 복호부의 상세 블록도,
도 8은 본 발명에 따른 높은 가중치를 갖는 부/복호부를 적용하였을 때의 성능 비교 도면.

Claims (17)

  1. 가시광 통신 기능을 가진 단말 장치에서 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치에 있어서,
    전송하고자 하는 데이터를 수신하는 입력부와,
    상기 입력부로부터 수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 비트 가산기와,
    상기 비트 가산기로부터 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 p비트의 코드워드를 생성하며, 상기 p비트의 코드워드들은 상기 입력부로부터 수신된 동일한 입력 신호에 대하여 복수개 생성되는 채널 부호부와,
    상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 채널부호부를 통해 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택하는 비트 선택기와,
    데이터 전송을 위해 상기 비트 선택기를 통해 선택된 코드워드를 변조하는 변조부를 포함함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력부를 통해 수신하는 전송 데이터는 상기 단말 장치에 저장된 오디오, 비디오 및 테스트 데이터임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비트 가산기는 상기 입력부를 통해 입력된 비트에 0 또는 1를 추가하는 1비트 가산기임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비트 가산기는 추가하고자하는 k비트에 대한 매핑 테이블을 저장하는 메모리부를 더 가지고 있음을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널부호부는 (p,k) 해밍코드를 사용함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 채널부호부는 (p.k) 리드-뮬러 코드를 사용함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 채널부호부는 입력된 k비트에 대하여 p비트의 코드워드를 갖는 매핑테이블을 저장할 수 있는 메모리부를 더 가짐을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비트 선택기는 상기 채널 부호부를 통해 생성된 복수개의 코드워드 중에서 해밍(hamming)가중치가 높은 것을 선택함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는 온-오프 키잉(on-off keying: OOK), 펄스 위치 변조 기법(M-Pulse Position Modulation: M-PPM) 및 인버터 펄스 위치 변조 기법(Inverted M-PPM) 중 하나를 사용함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 변조부를 통해 변조된 신호를 수신부에 전송하는 LED 출력부를 더 포함함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 장치.
  11. 가시광 통신 기능을 가진 단말 장치에서 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법에 있어서,
    수신된 입력 신호에 k개의 비트를 추가하여 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 과정과,
    상기 생성된 상기 복수개의 k비트 가산된 입력신호 n비트 각각을 p비트의 코드워드를 생성하는 과정과, 상기 p비트의 코드워드들은 동일한 입력신호에 대하여 복수개 생성되며,
    상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택한 후 상기 선택된 코드워드를 변조하여 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수개의 k비트 추가된 입력 신호를 생성하는 과정은,
    상기 수신된 입력 신호에 해당하는 비트에 0 또는 1를 추가하는 과정임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 p비트의 코드워드를 생성하는 과정은,
    (p,k) 해밍코드를 사용하는 과정임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 p비트의 코드워드를 생성하는 과정은,
    (p,k) 리드-뮬러 코드를 사용하는 과정임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 동일한 입력신호에 대하여 상기 생성된 복수개의 p비트의 코드워드로부터 하나를 선택하는 과정은,
    상기 채널 부호부를 통해 생성된 복수개의 코드워드 중에서 해밍(hamming)가중치가 높은 것을 선택하는 과정임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 변조는 온-오프 키잉(on-off keying: OOK), 펄스 위치 변조 기법(M-Pulse Position Modulation: M-PPM) 및 인버터 펄스 위치 변조 기법(Inverted M-PPM) 중 어느 하나를 사용하는 것임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 선택된 코드워드를 변조하여 전송하는 과정은,
    상기 단말 장치에 구비된 LED 출력부를 통해 수신부로 전송하는 과정임을 특징으로 하는 전송 신호의 광출력을 높이기 위한 방법.
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