KR20120118154A

KR20120118154A - 다중 입출력 가시광 통신 시스템

Info

Publication number: KR20120118154A
Application number: KR1020110035563A
Authority: KR
Inventors: 김명섭; 성진숙
Original assignee: 주식회사 투니텔
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-26
Also published as: KR101258879B1

Abstract

본 발명의 목적은 가시광을 이용하여 신호를 전달하면서도 다중 입출력이 가능하도록 하는, 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은, 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO)이 가능한 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 시스템(100)에 있어서, 각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하며, 송신 신호를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하는 송신부(110); 각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하며, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호로 합치는 수신부(120); 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 광학계(130); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 입출력 가시광 통신 시스템 {Multi-Input Multi-Output Visible Light Communication System}

본 발명은 다중 입출력 가시광 통신 시스템에 관한 것이다.

가시광 무선 통신 기술은, 반도체가 메모리 및 프로세서에 이어 조명으로도 활용되기 시작하면서 반도체에 의해 빛을 발광하는 LED(Light Emitting Diode)와 같은 조명의 빛을 통신 광원으로 사용할 수 있는 기술로 등장하게 되었다. 즉 이러한 LED 조명 통신 융합은 LED를 통해 조명을 함과 동시에 통신을 할 수 있는 융합 기술로서, 조명은 눈으로 볼 수 있는 가시광이므로 가시광 무선 통신 또는 가시광 통신이라고도 하는 것이다. 가시광 통신 기술은 디지털 조명과 통신을 융합한 통신 기술로, 통신 여부가 눈으로 확인될 수 있다는 편리함이 있다. 가시광 통신 기술에서는 상술한 바와 같이 반도체에 의해 빛을 발광하는 LED 조명을 사용하게 되는데, 이러한 LED 조명은 디지털로 제어할 수 있기 때문에, 기존의 아날로그 조명에 비하여 기술 발전 속도가 높고, 다양한 멀티미디어 조명 및 통신 서비스를 제공할 수 있다.

가시광 통신에서 사용되는 빛은 780nm에서 380nm의 파장(wavelength)을 갖는다. 이 파장을 주파수로 바꾸면, 385 THz에서 789 THz(주파수 대역 = 빛의 속도(300,000,000m)/파장(380ㅧ1000))에 해당하는데, 가청(오디오) 주파수 대역은 20 Hz에서 20,000 Hz에 해당되고, 적외선 파장을 사용하는 IrDA, 2.4 Hz의 IEEE 802.11n, UWB, 802.15.4 Zigbee, Bluetooth, 60 GHz의 IEEE802.15-3c 등이 있는 바, 가시광 통신은 종래의 통신 방법들 중 800-900nm를 사용하는 IrDA와 가장 유사한 파장을 사용하지만, 조명과 동시에 통신을 할 수 있다는 것이 특징이며 장점이 된다.

가시광 통신을 이용할 경우 조명으로 사용되는 빛을 사용하기 때문에, 종래의 각종 전자파를 이용하는 통신 방법과는 달리 인체에 무해하며, 주파수 허가를 받을 필요가 없고, ISM과의 간섭도 없으며, 물리적으로 보안 기능을 제공하고, 초정밀 측위에 사용할 수 있는 등의 여러 가지 장점이 있다. 특히, 종래에 사용되는 대표적인 아날로그 조명인 형광등은 생산 시나 폐기 시에 환경 파괴 물질의 배출이 발생된다는 문제점이 있는 반면, LED 조명은 보다 친환경적이며, 90% 이상 전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 보다 긴 수명을 가지는 장점으로 인하여 미국, 유럽, 일본 등에서는 기존 조명 기구를 LED 조명으로 변경하도록 권장하는 법률 제정을 추진 중에 있다. 이러한 세계적인 추세에 따라 LED 조명 인프라는 더욱 확대될 전망이며, 따라서 상술한 바와 같은 가시광 통신의 활용 영역도 훨씬 확대될 것으로 예상된다.

한편, 다중 입출력(MIMO, Multi-Input Multi-Output) 시스템이란 현재 통신 분야에서 널리 사용되는 것으로, 다중의 입출력이 가능한 안테나 시스템을 말한다. 즉 기지국과 휴대 단말기의 안테나를 2개 이상으로 늘려 데이터를 여러 경로로 전송하고 수신단에서 각각의 경로로 수신된 신호를 검출하는 기술이다.

MIMO(다중 입출력) 시스템의 원리를 현재 적용되고 있는 분야에서의 예시를 들어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 기존 무선랜은 안테나가 2개 달려 있음에도 불구하고 유선망과 무선망을 연결시켜주는 AP(Access Point)의 방향에 따라 하나의 안테나만 이용했지만, MIMO는 두 개의 안테나가 동시에 동작하도록 해 고속의 데이터 교환을 가능하게 한다. N개의 송신 안테나에 동일 시간에 동일 주파수를 사용하여 독립적인 신호를 전송한다. 이렇게 송신된 신호들은 무선 채널 상에서 공간적으로 다른 페이딩(수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상)을 겪게 되어 각 안테나로 수신되는 신호 간에는 비상관성을 갖게 된다. 이와 같이 송신 안테나마다 다른 신호를 송신함으로써, 기존보다 송신 안테나 수(N개)만큼 더 많은 데이터를 송신할 수 있는 것이다.

이러한 MIMO 기술을 사용함으로써 얻을 수 있는 장점들은 다음과 같다. 먼저 기존 무선랜은 ieee802.11g라는 표준으로 54Mbps의 속도를 가졌던 데 반해 MIMO 기술을 탑재한 무선랜 제품들은 250?500Mbps의 전송 속도를 보여준다. 즉 MIMO 기술을 사용함으로써 전송 속도를 비약적으로 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 MIMO 기술을 사용하면 기존 무선랜에 비해 전송 속도 뿐만 아니라 도달 거리 또한 4배 정도 향상된다. 이와 같이 MIMO 기술은 안테나 구조에 관련된 개선만으로 쉽게 전송 속도와 도달 거리를 획기적으로 향상시킬 수 있는, 매우 효율적인 기술 중 하나이다.

그런데, 이러한 MIMO 기술을 상술한 바와 같은 VLC(가시광 통신) 시스템에 그대로 적용하기에는 어려운 점이 있다. 전파의 경우 상술한 바와 같이 여러 개의 다른 신호를 동시에 송신하였을 때 각 신호 간에 간섭이 발생하거나 서로 섞이더라도 각각의 원래 신호로 분리하기가 상대적으로 용이하며, 따라서 다중 입출력 기술을 전파 통신 분야에서 적용하는 데에는 큰 무리가 없다. 그러나 VLC의 경우 신호를 전달하는 매체가 가시광인데, 가시광은 서로 간섭을 일으키거나 섞여 버리면 이를 분리하기가 매우 어렵다. 따라서 MIMO 기술을 그대로 VLC에 적용하는 것은 거의 불가능하다는 것이 잘 알려져 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가시광을 이용하여 신호의 송수신을 수행하되 다중 입출력이 가능하도록 하여 가시광 통신 시스템에서의 송수신 가능 데이터 용량 및 속도를 증대시킬 수 있는, 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템은, 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO)이 가능한 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 시스템(100)에 있어서, 각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하며, 송신 신호를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하는 송신부(110); 각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하며, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호로 합치는 수신부(120); 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 광학계(130); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 광학계(130)는 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와, 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제2렌즈(132)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 광학계(130)는 상기 제2렌즈(132)가 상기 제1렌즈(131)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은 다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출력부(111)는 LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입력부(121)는 광전소자(photodiode)로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 가시광 통신 시스템에 있어서 다중 입출력 기술을 도입함으로써, 가시광 통신에서도 대량의 데이터를 용이하고 정확하며 종래보다 더욱 높은 전송 속도로서 송수신할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 상세하게는, 본 발명에 의하면 가시광 통신 시 다중 출력된 신호를 적절한 광학계를 이용하여 전송함으로써 원래의 신호로 잘 분리되어 다중 입력이 이루어질 수 있도록 함으로써, 가시광 통신에서의 신호의 다중 입출력을 실현할 수 있게 해 주는 효과가 있는 것이다.

물론 본 발명에 의하면 종래에 비하여 가시광 통신 시스템에서 전송할 수 있는 데이터 양 및 전송 속도의 한계를 크게 확대하는 효과가 있으며, 또한 이에 따라 가시광 통신 시스템의 적용 범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는 효과 또한 얻을 수 있다.

도 1은 다중 입출력 기술을 단순 적용한 가시광 통신 시스템.
도 2는 프라운호퍼 회절의 원리.
도 3은 에어리 디스크 및 레일리 기준의 원리.
도 4는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
도 5는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 실시예들.
도 6은 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템 출력부의 실시예들.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 프로토타입 일실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 다중 입출력 기술을 단순 적용한 가시광 통신 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 송신부(110)에서는 송신 신호(TX Data)를 다수 개로 분리하여 각각을 다수 개의 출력부(111)를 통해 출력하게 되며, 수신부(120)에서는 다수 개의 입력부(121)를 통해 각각의 상기 출력부(111)로부터 출력된 신호를 수신받아 이를 수신 신호(RX Data)로 합치게 된다. 이 때, 가시광 통신 시스템의 경우 상기 출력부(111)는 가시광을 출력할 수 있는 장치로서 예를 들어 LED와 같은 장치가 될 수 있으며, 상기 입력부(121)는 역시 가시광을 감지할 수 있는 장치로서 예를 들어 광전소자(photodiode)와 같은 장치가 될 수 있다.

그런데, 도 1에 굵게 표시되어 있는 선으로 보아 알 수 있듯이, 어떤 하나의 입력부(121)로는 다수 개의 출력부(111)로부터 송신된 신호들이 한꺼번에 들어오게 된다. 이 때, 가시광이 아닌 전파의 경우 이렇게 한꺼번에 여러 다른 신호들이 들어오더라도 이를 분리하는 다양한 기법들(예를 들어 송신 신호를 다중 출력하는 시점에서 이미 추후에 각각을 구분하여 입력하는 것이 가능하도록 하는 기법 등)이 있는데, 가시광의 경우에는 일반 전파와는 그 특성이 매우 상이하기 때문에 일반 전파를 사용하는 통신 기술에서의 종래의 기법들을 그대로 적용하는 데에는 무리가 있다. 즉 도 1에 표시되어 있는 것과 같이, 어떤 하나의 입력부(121)로 다수 개의 출력부(111)로부터 발산된 가시광이 합쳐서 들어오게 되면, 각각의 빛이 모두 서로 간섭을 일으켜 이를 분리하는 것이 불가능해지고, 이에 따라 신호들로부터 유의미한 데이터를 뽑아내는 것이 불가능해지게 된다.

이러한 문제를 해소하기 위하여 본 발명에서는, 출력부(111)와 입력부(121) 사이에 적절한 광학계를 배치함으로써 각각의 출력부(111)에서 발산된 가시광 신호가 용이하게 분리되어 상기 입력부(121)로 입력될 수 있도록 하고 있다. 여기에서, 상기 입력부(121)에서 받아들이는 다중 가시광 신호 각각이 충분히 안정적으로 분리되어 수신될 수 있는 간격의 임계치와 관련된 광학적 이론에 대하여 간략히 설명한다.

도 2는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절의 원리를 간략하게 도시한 것이다. 도 2(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 파동이 진행하는 방향에 벽면이 가로막혀 있고 그 벽면에 작은 틈이 있을 때, 파동은 그 틈을 지나는 직선 경로 뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 휘어져 도달하게 되는데, 이러한 현상을 회절이라고 한다. 프라운호퍼 회절은 평면파에서 일어나는 회절을 말하는 것으로, 도 2는 원형 틈에 의한 프라운호퍼 회절의 원리를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이, 원형 틈의 중심으로부터 반경 방향으로의 임의의 한 점까지의 거리를 y라 하고, 상기 임의의 한 점으로부터 회절광이 입사면 상에 도달하는 점을 P점이라 하고, 상기 임의의 한 점으로부터 P점까지의 위치벡터를 r이라 하고, 상기 r벡터의 각도를 θ라 할 때, 하기의 수학식 1과 같은 평면파가 입사되면, P점에서의 회절광의 세기는 수학식 2와 같이 계산된다. (이러한 프라운호퍼 회절의 원리 및 계산 방식은 일반 광학 이론에서 널리 알려져 있는 것이다.)

이와 같은 방식으로 계산될 때, 원형 틈에 의한 회절광의 세기는 도 2(B)와 같은 형태로 나타나며, 이를 3차원적으로 표시하면 도 2(C)와 같이 나타난다.

도 3은 에어리 디스크 및 레일리 기준의 원리를 도시한 것이다. 실제로 원형 틈에 의한 회절광의 측정 결과는 도 3(A)와 같이 나타나는데, 즉 중앙의 밝은 점을 중심으로 밝고 어두운 고리들이 동심원 모양으로 나타나게 된다. (도 2(B) 또는 도 2(C)의 회절광 세기로 나타나는 것이 바로 이 고리들의 밝기이다.) 이 때 이 중앙의 밝은 점(즉 도 2(B)에서 볼 때 중심축에서부터 진행된 회절광 세기 그래프가 처음으로 0이 되는 점까지로 나타나는 영역)을 에어리 디스크(airy disc)라고 한다. 빛의 파장을 λ라 하고 원형 틈의 지름을 D라 할 때, 이러한 에어리 디스크의 사이즈는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 나타나게 된다.

이와 같은 에어리 디스크로부터 레일리 기준(Rayleigh's criterion)이 나타나게 된다. 레일리 기준이란 두 점광원 사이의 분해 기준으로, 한 회절 무늬의 중심이 다른 회절 무늬의 첫 번째 극소점과 일치할 때 두 점광원은 간신히 분해될 수 있음을 나타낸다.

도 2, 도 3 및 이와 관련된 설명은 빛의 회절에 관한 기본적인 원리를 설명하기 위한 것일 뿐으로, 구형파가 이용되는 경우 프레넬 회절 원리를 이용하여 계산을 수행해야 하거나, 보다 복잡한 형태의 다중 슬릿 등이 적용될 경우 또 다른 요소들을 고려해야 하는 등, 도 2, 도 3 및 이와 관련된 설명에 국한되지 않고 다양한 광학적 원리들이 적용되어야 함은 당연하다. 이러한 광학적 원리들은 일반적인 광학 지식에 해당하는 것인 바, 여기에서는 기본적인 광학 원리를 설명하는 것으로 그치고 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같은 광학적 원리들을 응용하여 볼 때, 가시광 통신 시스템에 다중 입출력 기술을 적용함에 있어 각 입출력 신호들의 분해 가능한 최소 간격을 예측할 수 있으며, 이러한 최소 간격 이상이 되도록 입력 신호가 들어오도록 하면 가시광 통신 시스템에서도 입력 신호들이 도 1에서와 같이 서로 섞여 버리지 않고 분해 가능하게 되어 다중 입출력 기술을 실현할 수 있을 것을 예상할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, 이하 MIMO) 가시광 통신(Visible Light Communication, 이하 VLC) 시스템(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이 송신부(110), 수신부(120) 및 광학계(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 송신부(110)는 도시된 바와 같이 각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하여, 송신하고자 하는 원래의 송신 신호(TX Data)를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하여 준다. 이와 같이 분배된 송신 신호가 각각의 상기 출력부(111)를 통해 다수 개로 분리되어 출력되도록 함으로써, 상기 송신부(110)에 의한 광신호의 다중 출력이 이루어지게 된다. 이 때 상기 출력부(111)는, 가시광 신호에 원하는 데이터를 합친 광신호를 만드는 것이 용이하도록, 일반적으로 가시광 통신 시스템에서 출력부로서 널리 사용되는 LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것이 바람직하다.

상기 수신부(120)는 역시 도시된 바와 같이 각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하여, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호(RX Data)로 합치는 역할을 한다. 즉 상기 수신부(120)에 구비된 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 광신호들을 수신할 수 있도록 이루어짐으로써 광신호의 다중 입력이 이루어지는 것이다. 이 때 상기 입력부(121)는 광전소자(photodiode)로 구현될 수 있다. 이 때 도면 상에서는 마치 하나의 출력부(111) 당 하나의 입력부(121)가 대응되는 것처럼 도시되어 있으나 물론 상기 입력부(121)가 그렇게 이루어지는 것만은 물론 아니고, 예를 들어 다수 개의 광전소자가 평면 상에 2차원적으로 배치되어 있는 형태로 이루어지도록 하는 등과 같이 구현되도록 할 수 있다.

여기에서, 상기 송신부(110)와 상기 수신부(120)만이 존재할 경우 도 1로 설명했던 바와 같이 상기 송신부(110)의 각 출력부(111)에서 송신되는 광신호들이 입력부(121)로 서로 섞여서 들어오게 되어 각 광신호들을 분리하는 것이 불가능해지며, 이에 따라 수신 신호를 재구성하는 것이 어려운 문제가 있었다. 본 발명에서는 도 4에서와 같이 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치시킨 상기 광학계(130)를 이용하여 이러한 문제를 해소하고 가시광 통신 시스템에서의 다중 입출력을 가능하게 한다.

상기 광학계(130)는 상술한 바와 같이 상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 점광원들은 레일리 기준 이상의 간격으로 배치되면 서로 분리하여 감지하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 바로 이러한 원리를 이용하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 송신되는 다중 출력 신호들의 광경로들을 상기 광학계(130)를 통해 레일리 기준 이상의 간격으로 배치되도록 조절하여 상기 입력부(121)로 입사시킴으로써, 각 광신호의 분리 입력이 가능하도록 하고 있는 것이다.

상기 광학계(130)의 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 광학계(130)는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와, 상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제2렌즈(132)를 포함하여 이루어지도록 할 수 있다. 다중 출력된 광신호는 먼저 상기 제1렌즈(131)를 통과하는 과정에서, 광경로가 도 4에 도시된 바와 같이 굴절되어 초점 방향으로 수렴하게 된다. 이와 같이 수렴된 광신호를 그대로 입력받게 될 경우 각 광신호들 간의 간격이 레일리 기준 이하가 될 가능성이 있다. 따라서 이를 다시 확산시켜 적절한 간격으로 벌어져 배치될 수 있도록 광신호가 상기 제2렌즈(132)를 통과하도록 한다. 이후 상기 제2렌즈(132)로부터 적절한 거리만큼 떨어진 위치에 상기 입력부(121)가 배치되도록 하여 광신호를 입력받게 함으로써, 잘 분리된 광신호가 각각의 입력부(121)로 입력될 수 있게 된다.

이 때, 광신호 간 간섭을 최소화하고 보다 효과적으로 광신호를 분리할 수 있도록, 상기 광학계(130)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 제2렌즈(132)가 상기 제1렌즈(131)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 제1렌즈(131) 및 상기 제2렌즈(132) 간 간격을 상술한 바와 같이 함으로써 상기 광학계(130)의 부피 또한 줄일 수 있는 장점이 있다.

구체적인 예를 들어 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템을 더욱 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 여러 실시예로서, 먼저 도 5(A)에 도시된 바와 같이 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은, 다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어질 수 있다. 도 5(A)에서는 다수 개의 상기 출력부(111)들이 세로 방향으로 나열되어 단일 열을 이루는 형태로 되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 물론 이는 하나의 예시일 뿐으로 다수 개의 상기 출력부(111)들이 가로 방향으로 나열되어 단일 행을 이루는 형태가 되도록 할 수도 있고, 또는 대각선 방향이나 소정 각도를 이루도록 배치될 수도 있다.

또한, 도 5(B)에 도시된 바와 같이 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은, 다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지도록 할 수도 있다. 도 5(B)는 간략하게 도시하기 위하여 2x2 행렬을 묘사하였으나 물론 행과 열의 개수는 얼마든지 늘어날 수 있음은 당연하다.

도 5(A) 및 도 5(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 송신되는 다중 출력 신호는 원래 S1과 같은 배치 형태를 이루게 되는데, 상기 제1렌즈(131)를 통과하면서 굴절되어 S2와 같이 배치 형태 자체는 유지되되 사이즈만 축소된 형태로 진행되게 된다. 이 때 상기 제2렌즈(132)를 통과하면서 각 광신호들이 확산되는 방향으로 굴절됨으로써, S3와 같이 각 광신호들 간 간격이 충분히 벌어져 레일리 기준 이상이 될 수 있게 되며, 이에 따라 상기 입력부(121)에서 각 광신호를 용이하게 분리 수신할 수 있게 된다.

본 발명의 시스템에 의하여 다중 입출력이 실현되기 위해서는, 다중 출력된 광신호가 상기 입력부(121)로 입력될 때, 각각의 광신호들 간에 레일리 기준 이상의 간격이 되도록 해야 한다는 조건만 이루어지면 된다. 이는 상기 제2렌즈(132)와 상기 입력부(121) 간의 간격이나, 또는 상기 제1렌즈(131)와 상기 제2렌즈(132) 간의 간격을 적절히 조절함으로써 얼마든지 쉽게 이룰 수 있다. 즉 다수 개의 상기 출력부(111)가 2차원 평면 상에서 어떤 형태로 배치되든 본 발명의 구조에 따른 상기 광학계(130)를 거치면 얼마든지 분리 가능하기 때문에, 상기 출력부(111)의 배치 형태는 도 5로 한정되는 것은 전혀 아니며 설계자의 의도나 목적 등에 따라 얼마든지 자유롭게 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 출력부(111)들이 도 6(A)에 도시되어 있는 바와 같이 방사상으로 배치되도록 할 수도 있고, 또는 도 6(B)에 도시되어 있는 바와 같이 특별한 규칙성이 없이 배치되도록 할 수도 있는 등, 2차원 평면 상에 배치되기만 한다면 어떤 형태여도 무방하다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템의 프로토타입 일실시예를 도시하고 있다. 도 7의 사진에 보이는 바와 같이 본 발명의 다중 입출력 가시광 통신 시스템은 다수 개의 LED가 평면 상에 배열되어 이루어지는 송신부로부터 다수 개의 광신호가 다중 출력되고, 제1렌즈 및 제2렌즈로 이루어지는 광학계를 거쳐, 광전소자가 다수 개 배치되어 평면을 형성하여 이루어지는 수신부로 각 광신호들이 분리 가능하게 입사되어 다중 입력이 이루어질 수 있게 된다.

도 8은 본 발명에서 제시한 광학계에 의하여 실제로 광신호의 분리가 잘 이루어지고 있음을 보여주는 예시이다. 도 8(A)의 상측 사진에서와 같이 광학계를 제거할 경우(즉 도 1과 같은 시스템일 경우), 다수 개의 광신호를 출력하였을 때 도 8(A)의 하측 사진에 보이는 바와 같이 이 광신호들이 서로 분리가 불가능하게 혼합되어 퍼져 버리는 것을 잘 알 수 있다. 이 때, 도 8(B)의 상측 사진에서와 같이 본 발명에서 제시하는 광학계를 도입할 경우(즉 도 4와 같은 시스템일 경우), 도 8(B)의 하측 사진에 보이는 바와 같이 다수 개의 광신호가 아주 잘 분리되어 수신됨을 극명하게 보여 준다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 다중 입출력 가시광 통신 시스템
110: 송신부 111: 출력부
120: 수신부 121: 입력부
130: 광학계
131: 제1렌즈 132: 제2렌즈

Claims

다중 입출력(Multi-Input Multi-Output Visible Light, MIMO)이 가능한 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC) 시스템(100)에 있어서,
각각 가시광 신호를 출력하는 다수 개의 출력부(111)를 구비하며, 송신 신호를 다수 개의 상기 출력부(111)로 분배하는 송신부(110);
각각 가시광 신호를 입력받는 다수 개의 입력부(121)를 구비하며, 다수 개의 상기 입력부(121)로 각각 수신된 광신호들을 수신 신호로 합치는 수신부(120);
상기 출력부(111) 및 상기 입력부(121) 사이의 광경로 상에 위치하여, 다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호가 다수 개의 상기 입력부(121)로 입력될 때 서로 분해 가능한 간격으로 입력되도록 광경로를 조절하는 광학계(130);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 광학계(130)는
다수 개의 상기 출력부(111)에서 출력된 광신호들을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 제1렌즈(131)와,
상기 제1렌즈(131)를 통과한 광신호들을 확산되는 방향으로 굴절시키는 제2렌즈(132)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 광학계(130)는
상기 제2렌즈(132)가 상기 제1렌즈(131)의 초점 거리 안쪽에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
다수 개의 상기 출력부(111)가 단일 행 또는 열로 이루어지는 1차원 선형 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 다중 입출력 가시광 통신 시스템(100)은
다수 개의 상기 출력부(111)가 다수 개의 행 및 열로 이루어지는 2차원 행렬 형태로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 출력부(111)는
LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 입력부(121)는
광전소자(photodiode)로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 가시광 통신 시스템.