KR20120065534A

KR20120065534A - 가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템

Info

Publication number: KR20120065534A
Application number: KR1020100126716A
Authority: KR
Inventors: 유명식; 황준호; 이지수
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-21

Abstract

본 발명은 LED를 송신기기로 PD를 수신기기로 동작하는 가시광 무선 통신 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 거리에 따른 경로 손실 영향을 분석하고, 특히 수평적 이동 환경에서 급격한 경로 손실이 발생하는 원인 분석과 이를 해결하기 위해 수신기의 각도를 변화시키는 모델을 제시한다. 또한 실내 가시광 무선 랜 서비스에서 사용자 단말의 전송률 향상을 위해 경로 상태 정보를 가시광선의 색상으로 표현함으로써, 수신자가 단말기를 조절하여 최소한의 경로 손실을 제공할 수 있는 영역을 알려주는 시스템을 포함한다.

Description

가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템{METHOD FOR IMPROVING PATH LOSE PERFORMANCE OF VISIBLE LIGHT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND CONTORL SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템에 관한 것이다.

고성능 스마트 폰의 등장으로 인해 사용자들은 언제 어디서나 다양한 무선 응용 서비스를 제공받을 수 있는 유비쿼터스 사회를 인식할 수 있게 되었다. 하지만 상용화된 무선 통신 기술은 가용 주파수 대역이 한정적이고, 또한 무선기기 간 주파수 간섭으로 인한 성능 저하의 문제가 발생하여 기존 무선 통신 기술의 주파수 간섭을 해결할 수 있는 진보된 무선 통신 기술의 개발이 요구되고 있다. 이에 반도체 조명인 LED(light emitted diode)의 특성을 무선 통신에 접목하여 새로운 형태의 무선 통신 기술로 이용하고자 하는 가시광 무선 통신 기술이 등장하게 되었다. 가시광 무선 통신(visible light communication) 기술의 주요 통신 개념은 ON/OFF의 반복을 통해 빛을 내는 LED 소자의 특성을 이용하여 디지털 신호를 전송하는 것이다. 즉, 초당 수백?수천 번 이상의 깜박거림은 인간의 눈에 영향을 주지 않고, 조명으로서의 역할을 수행함과 동시에 디지털 신호를 전송할 수 있다는 점을 이용한 것이다. 현재 가시광 무선 통신 기술은 IEEE 802.15.7 VLC WG에서 표준화를 진행하고 있으며, 삼성전자, ETRI등의 국내 연구진이 표준화 문서 작성에 중추적인 역할을 수행하고 있다.

가시광 무선 통신은 실내 환경에서 매우 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 특히 조명 기기와 무선 통신을 동시에 수행할 수 있기 때문에 ISM 대역의 간섭으로 인해 실내 무선 통신 기술의 적용이 어려웠던 항공기, 병원 등에서 사용이 가능하며, WLAN (wireless local area network)과 유사한 형태로 실내 VLAN (Visible LAN) 서비스가 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 하지만 실내 환경에서 VLAN 서비스를 제공하기 위해서는 가시광 무선 통신 기술의 통신 환경을 명확히 이해하고, 이를 토대로 정확한 서비스 제공 모델을 설계하는 것이 중요하다.

종래의 가시광 무선 통신에서의 수신 광 출력은 광 출력의 세기와 경로 손실의 곱으로 표현되었다. 아래의 수학식 1은 이러한 기존 가시광 무선 통신에서 사용된 경로 손실 계산 과정을 나타낸 것이다. 종래의 기술의 특징은 수신기와 송신기의 중심축을 연결한 직선과 수신기와 중심축이 이루는 각도에 영향을 받는다. 이를 다시 말하면 수신기에 입사되는 빛의 각도가 수신 성능의 영향을 끼치는 것이다.

이에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

현재 가시광 무선 통신 모델로 고려되는 있는 것은 적외선 통신 (infrared communication) 기술에서 사용했던 경로 손실 모델이다. 이중 LOS(line of sight) 모델은 송신기와 수신기 간의 통신 거리 및 통신 각도에 따라 유입되는 빛에 따라 수신 성능이 변화한다. 즉, 유입되는 빛이 적거나 수신 PD(photo diode)의 수신 가능 임계각(threshold degree)을 벗어날 경우 수신 오류율이 급격히 증가한다. 상기의 수학식 1의 첫번째 수식은 기존 광-무선 링크 LOS 환경에서 경로 손실을 계산하는 식이다.

여기서,

는 광 필터 이득이고,

는 수신 PD의 FOV (field of view) 그리고 θ는 수신기의 유입각을 의미한다. 또한 A는 수신 PD 검파 면적, d는 송신기의 중심과 수신기의 중심을 연결하는 직선거리, m은 Lambertian 반사 계수, 그리고

는 광 집광 이득을 의미하며, m과

는 상기의 수학식 1의 두번째 수식 및 세번째 수식과 같이 정의된다. 여기서, n은 수신 PD의 반사 계수이다.

이러한 가시광 무선 통신의 DC gain 이득을 나타내는 광 손실 모델에서 가장 중요한 것이 수신기와 송신기 간의 거리와 두 장치의 위치에 따라 변화하는

와

각도이다. 하지만 기존의 채널 모델 분석 논문에서는 도 1과 같이 송신기를 고정하고, 수신기의 위치를 수직적 이동과 수평적 이동 환경에 대해 분석하였다.

도 2는 수평적, 수직적 경로 이동 모델에 대한 경로 손실 정도를 도시하고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 수직적 이동 모델은 거리에 따라 비례적으로 수신 광 전력이 감소되는 것을 볼 수 있으나, 수평적 이동 모델의 경우 20cm를 넘어서는 시점부터 급격하게 수신 광 전력이 감쇄되는 것을 볼 수 있다.

한편, 가시광 무선 통신 기술은 LED의 ON/OFF 주기를 통해 디지털 신호를 전송하고 PD는 이를 수신하여 디지털 신호로 변조하는 방법을 사용하는 새로운 무선 통신 기술이다. 이러한 가시광 무선 통신 시스템의 수신기는 수신된 광 출력의 세기를 통해 디지털 신호를 구분하는 IM/DD 방식을 사용한다. 이때 수신 광출력의 세기는 앞서 설명한 송신 출력의 세기와 경로 손실에 따라 결정되는데, 수신기의 입사각이 커질수록 수신 성능이 급격하게 나빠지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제는 수신기의 입사각에 따른 수신 성능에 기인한 것이다. 도 3은 이러한 수신기에 입사되는 빛의 각도에 따른 수신 성능을 나타낸 그림이다.

본 발명은 기존 가시광 무선 통신 시스템에서 나타나는 경로 손실의 영향을 최소화하여 전송 효율을 증가시킬 수 있는 가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 가시광 무선 통신에서 가시광선을 통해 전송 상태 및 데이터 전송 과정을 사용자에게 보여줌으로써 가시광 통신 기술의 활용도 증진시킬 수 있도록 하는 가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

하기의 상세한 설명 및 도면에 의해 설명되는 수단을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존 가시광 무선 통신 시스템에서 나타나는 경로 손실의 영향을 최소화하여 전송 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 가시광 무선 통신에서 가시광선을 통해 전송 상태 및 데이터 전송 과정을 사용자에게 보여줌으로써 가시광 통신 기술의 활용도 증진시킬 수 있게 된다.

도 1은 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 관련 기술을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 가시광 무선 통신 시스템의 전송 효율성 증가를 위해 경로 손실에 가장 큰 영향을 끼치는 수신기의 입사각 문제를 해결하기 위해 수신기의 각도를 변화시켜 경로 손실을 최소화하고, 이러한 수신기의 각도를 제어하기 위해 사용자에게 경로 품질 정보를 가시광선으로 알려주고, 사용자가 최적의 통신 경로를 탐지할 수 있도록 도와주는 시스템이다. 이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 가시광 무선 통신 시스템의 통신 개념을 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이 수신기는 LED 제어기를 통해 전기적 디지털 신호를 광 신호로 변화시켜, LED를 제어하고, 수신기에서는 광 수신 세기를 토대로 광 신호를 전기적 신호로 변화시키고, 다시 디지털 신호로 복조하여 사용자에게 디지털 신호를 전송한다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 도 1은 가시광 무선 통신 시스템에서 수직적, 수평적 이동모델을 도시한 것으로서, 수직적 이동모델이란 송신기를 고정되어있고, 수신기의 이동이 입사각의 변화없이 단순히 거리만 변화하는 환경을 의미한다. 반면 수평적 이동 모델은 수신기의 입사각이 변화하는 환경을 말한다.

그리고, 앞서 설명한 수직적, 수평적 이동 모델에서 수평적 이동 모델은 수직적 이동 모델에 비해 더 민감한 경로 손실 특성을 볼 수 있다. 즉, 수신기의 FOV 영역에 따른 민감도의 영향으로 인해 빛의 입사각이 커질수록 경로 손실이 발생하는 것이다. 이에 본 발명에서는 수신기의 각도를 변화시켜, 수신기의 각도 변화만으로도 경로 손실이 최소화될 수 있음을 증명하고자 한다. 도 5는 본 발명에서 제안하는 수신기 각도 변화 모델의 개념을 도시하고 있다.

도 6은 송신측과 수신측 세부 동작 개용의 흐름도를 도시하고 있다. 먼저 송신측에서는 채널 상태에 따란 색상 결정을 위해 채널 오류율에 따른 임계치를 설정한다. 이후 각 단말에게 전송할 데이터를 하향링크로 전송하는데, 이때 채널 상태에 따른 색상 정보도 함께 전송한다. (단, 도 6에서는 아직 채널 상태가 파악되지 않은 수신 단말에게 데이터를 전송하는 흐름을 도시한 것이다.) 이에 수신측은 전송받은 데이터의 오류 상태를 파악하여, 상향 링크 데이터와 채널 상태 정보를 piggybacking 하여 전송한다. 이후 수신 오류율 정보를 받은 송신측은 수신 임계치 값과 비교하영 각 단말의 채널 상태를 사용자에게 보여줄 수 있는 색상 코드를 수신측에게 전송한다. 따라서 수신측은 채널 상태에 따라 상향 링크 전송 시 해당 색상의 파장을 통해 전송한다.

한편, 본 발명에서는 수신기의 각도 변화를 통해 얻을 수 있는 최대 경로 손실 이득을 분석하기 위해 도 7과 같은 채널 분석 환경을 기반으로 경로 손실 이득을 분석하였다. 아래의 표 1은 본 시뮬레이션에서 사용된 채널 분석 환경의 파라미터이다.

파라미터	값
X축 (cm)	0?50
Y축 (cm)	100
송신기 좌표(x, y)	(0,0)
수신기 FOV ( )	60
송신기 FOV ( )	120
필터 이득 ( )	1
굴절률 (n)	1.7
검파 면적 A (mm²)	9.8
송신 출력 (mW)	51

도 8은 기존 수평적 이동 모델의 수신 광 전력과 제안된 수신기 각도 변화를 통해 계산된 수신 광 전력을 비교한 것이다. 도 8에서 볼 수 있듯이 송신기와 수신기 간의 수평적 거리가 멀어질수록 수신된 광 전력을 큰 폭으로 감쇄된다. 그러나 수신기의 각도를 최소 경로 손실이 가능한 α 각 만큼 변화시킬 경우 수신 광 전력을 감쇄되나 기존 모델에 비해 높은 이득을 얻을 수 있다. 더욱이 수평적 거리 이동이 클수록 경로 손실 이득이 점차 증가함을 확인할 수 있다(30cm : 0.64dB, 50cm : 2.89dB)

한편, 도 9는 채널 피드백 시스템과 이를 위한 제어 방법을 도시하고 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 구성요소는 경로 손실 파악 서버와 가시광 송수신기를 부착한 휴대용 단말로 구성된다. 경로 손실 파악 서버는 상향링크로 전송되는 각 단말별 채널 품질 정보를 기반으로 채널 상태를 파악하고, 하향 링크로 채널 임계치에 따른 색상 정보를 통보하고, 이를 수신한 단말기는 해당 색상을 통해 상향 링크로 전송 시 채널 상태를 사용자에게 보여준다. 가시광 송수신기를 부착한 휴대용 단말은 데이터 전송 오류율을 파악하여, 채널 상태를 데이터에 피기백하여 통보하고, 서버로부터 전송받은 LED 제어 정보를 통해 해당 LED 색상으로 변조시켜 데이터를 전송한다.

또한, 도 9에서 볼 수 있듯이 사용자는 실내 LED 조명의 형태로 구성된 가시광 송신기에서 전송되는 데이터의 수신 상태 여부에 상향 링크 데이터 전송 시 각기 다른 파장으로 데이터를 전송하고, 사용자가 이를 파악하여, 수신기의 각도를 조절함으로써, 전송 효율을 높일 수 있도록 수신기를 제어하는 방법을 나타내고 있다. 이러한 채널 품질의 향상은 수신기의 입사각을 최소화시켜, 수신 세기의 오류 없이 광 신호를 전송받을 수 있어 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 가시광 무선 통신 시스템에서 경로 손실 최소화를 위해 수신기의 각도를 변화시켜 전송 효율 증대를 가능하게 하고, 전송오류에 따른 상향 링크 색상 변화를 통한 사용자 통보할 수 있다.

Claims

발명의 상세한 설명 및 도면에 의한 가시광 무선 통신 시스템의 경로 손실 성능 향상 방법 및 이를 이용한 제어 시스템.