KR20140101650A - 가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치 - Google Patents

가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치 Download PDF

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Abstract

가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치가 개시된다. 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지며, 펄스가 온/오프되는 m(m은 2 이상의 정수)개의 기본 펄스 구간을 가지는 심볼을 정의한 후, 온 상태인 k(k는 1 이상 m 미만의 정수) 개의 펄스에 대한 위치를 기초로, n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 인코딩하며, 디코딩은 그 반대의 과정을 통해 수행한다.

Description

가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치{Encoding and decoding method for visible light communication and apparatus therefor}
본 발명은 가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가시광의 밝기 조절이 가능한 인코딩 및 디코딩 방법과 송수신 장치에 관한 것이다.
가시광 통신은 가시광선을 이용하여 정보를 전달하는 통신 기술로서, 형광등에서 발산되는 빛이나 표시 기기 등에서 사용되는 발광 다이오드(LED)의 가시광선을 눈에 보이지 않는 속도로 점멸시켜 보내는 기술을 의미한다.
가시광 통신을 통해 데이터를 전송하기 위한 변조 방법의 하나인 펄스위치변조(PPM, Pulse Postion Modulation) 방법은 반송 펄스의 시간축 상에서의 위치를 입력신호에 따라 변화시키는 변조 방식이다.
종래 PPM을 이용한 가시광 통신에서 밝기 조절을 위해서는 클럭속도(clock rate)를 높여야 하나, 이 경우 데이터 전송속도(data rate)는 함께 증가하지 못해 코드율(code rate)을 열화시키는 문제점이 있다.
도 1은 주기 T의 1 클럭을 도시한 도면이고, 도 2는 종래 VPPM(Variable - PPM)을 이용하여 밝기 조절을 구현하는 경우를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, "0"의 경우 1 클럭 주기의 앞 부분에 펄스를 위치시키고, "1"의 경우 1 클럭 주기의 뒷부분에 펄스를 위치시키는 VPPM 변조를 수행할 경우, 펄스는 1 클럭 주기의 T/2 동안만 온(on) 되므로 밝기는 전체 주기에 비해 50%가 된다.
밝기를 25%나 75% 등으로 보다 세밀하게 조절하려면, 밝기 50%인 경우와 동일한 시간 구간 내에 2 클럭을 포함하여야 한다. 2 클럭의 주기 2T에서 T/2 동안 펄스 온(on) 시키면 밝기는 25%가 되고, (3T/2) 동안 펄스를 온(on)시키면 밝기는 75%가 된다. 마찬가지로, 밝기를 12.5% 또는 87.5%로 보다 세밀하게 제어하려면, 동일 시간 구간 내에 4 개의 클럭이 필요하다.
이와 같이, 밝기를 조절하기 위해서는 클럭 속도(clock rate)를 증가시켜야 하나, 데이터 전송율(data rate)은 클럭 속도와 함께 증가하지 않는다. 즉 12.5% 또는 87,5% 등과 같이 세밀하게 조절하고자 하는 경우, 4 클럭 당 1 비트의 정보가 전송되므로 데이터 전송율이 떨어져 고속 데이터 전송에 적합하지 않는 문제점이 있다. 또한 세밀한 밝기 조절을 위해 동일 시간 구간 내에 많은 수의 클럭을 포함할 경우 펄스 사이의 간격이 넓어져 깜박거림이 발생하는 문제점이 있다.
국내공개특허 제2011-0012525호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가시광 통신의 전송효율을 최대화하면서 밝기 조절이 가능하며 또한 깜박거림의 발생을 방지할 수 있는 인코딩 및 디코딩 방법과 송수신 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 가시광 통신을 위한 인코딩 방법의 일 예는, 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지며, 펄스가 온/오프되는 m(m은 2 이상의 정수)개의 기본 펄스 구간을 가지는 심볼을 정의하는 단계; 및 온 상태인 k(k는 1 이상 m 미만의 정수) 개의 펄스에 대한 위치를 기초로, n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 생성하는 단계;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 가시광 통신을 위한 디코딩 방법의 일 예는, 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기에 일정 개수의 펄스의 위치를 달리하여 n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 수신하는 단계; 및 상기 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악하는 단계;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 가시광 통신의 송신 장치의 일 예는, 데이터를 입력받는 데이터 입력부; 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지는 심볼에 일정 개수의 펄스의 위치를 서로 달리하여 상기 입력받은 데이터를 n 비트 단위로 인코딩하는 인코딩부; 및 상기 인코딩된 데이터를 가시광을 통해 출력하는 송신부;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 가시광 통신의 수신 장치의 일 예는, 가시광 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신한 가시광 신호로부터, 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지는 심볼을 추출하고, 상기 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악하는 디코딩부; 및 상기 디코딩된 데이터를 출력하는 데이터 출력부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전송 효율을 최대화하면서 가시광 통신의 밝기를 다양하게 제어가능하다. 또한 종래 밝기 조절의 경우 발생할 수 있는 깜박거림을 방지할 수 있다.
도 1은 주기 T의 1 클럭을 도시한 도면,
도 2는 종래 VPPM을 이용하여 밝기 조절을 구현하는 경우를 도시한 도면,
도 3은 2 비트의 정보를 포함하는 심볼의 일 예를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 심볼을 이용하여 인코딩한 일 예를 도시한 도면,
도 5는 3 비트의 정보를 포함하는 심볼의 일 예를 도시한 도면,
도 6은 도 5의 심볼을 이용하여 인코딩한 일 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 인코딩 및 디코딩 방법을 사용하는 가시광 통신 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 인코딩 방법이 적용된 가시광 통신의 송신 방법의 일 예를 도시한 도면, 그리고,
도 9는 본 발명에 따른 디코딩 방법이 적용된 가시광 통신의 수신 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 송수신 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 2 비트의 정보를 포함하는 심볼의 일 예를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 심볼을 이용하여 인코딩한 일 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 1 심볼은 2 비트의 정보를 포함하고 2 클럭 주기를 가진다. 여기서 심볼은 인코딩 또는 디코딩을 위한 최소 정보 단위를 의미한다. 기본 펄스의 폭은 1 클럭 주기(T)의 반(T/2)이므로, 심볼은 4 개의 펄스구간으로 형성된다.
1 심볼은 2 비트의 정보, 예를 들어, "00", "01", "10", "11"의 네 가지를 나타낸다. 따라서 심볼에 포함된 4 개의 펄스 구간 중 펄스의 위치를 서로 달리하여 위 네 가지의 경우를 표시할 수 있도록 인코딩한다.
도 4를 참조하면, 펄스 1개, 2개 또는 3개를 이용하여 4 가지의 데이터("00", "01", "10", "11")를 인코딩하는 예가 순차적으로 도시되어 있다. 1 심볼 당 펄스 1개를 이용하는 인코딩하는 경우, 심볼 주기의 1/4 동안만 펄스가 온(on) 상태가 되므로 밝기는 전체 주기의 25%의 되고, 1 심볼 당 펄스 2개를 이용하는 인코딩하는 경우, 심볼 주기의 1/2 동안 펄스가 온(on) 상태가 되므로 밝기는 50%가 되며, 1 심볼 당 3 개의 펄스를 이용하는 경우는 75%의 밝기가 된다. 따라서, 2 클럭의 주기 동안 2 비트의 데이터 전송율을 가지므로 데이터 전송율의 열화 없이 3 가지의 서로 다른 밝기 조절이 가능하다.
도 5는 3 비트의 정보를 포함하는 심볼의 일 예를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 심볼을 이용하여 인코딩한 일 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 인코딩 또는 디코딩을 위한 기본 단위인 심볼은 3 클럭의 주기를 가지며, 6개의 펄스구간을 포함한다. 1 심볼은 3 비트의 정보를 포함하므로, 펄스의 위치를 서로 달리하는 PPM 변조 방식을 통해 "000", "001", "010", "011", "100", "101", "110", "111" 등 8개의 서로 다른 데이터를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 1 심볼 당 2 개의 펄스를 이용하여 3 비트의 정보를 나타내도록 인코딩하는 경우의 일 부분이 도시되어 있다. 2 개의 펄스를 이용하는 경우, 펄스가 온(on) 상태가 되는 주기는 전체 주기의 1/3 이므로 밝기는 33%에 해당한다. 도 5에 도시된 심볼의 경우, 1 심볼 내에서 펄스 1개의 위치를 서로 달리하여 표현할 수 있는 경우의 수가 6개이나 표현하여야 할 데이터의 수는 8개이므로 모든 데이터를 표현할 수 없고, 5개의 펄스로도 서로 다른 8가지의 경우를 만들 수 없으므로 1 심볼 내 인코딩이 가능한 펄스의 개수는 2,3,4개이다.
이와 같이, 1 심볼 당 포함되는 펄스의 개수는 펄스의 서로 다른 위치로 표현가능한 경우의 수가 1 심볼이 표현하여야 하는 데이터의 가지 수(2^n, n은 심볼에 표현하는 비트 길이)보다 같거나 많아야 한다.
도 7은 본 발명에 따른 인코딩 및 디코딩 방법을 사용하는 가시광 통신 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 가시광 통신의 송신 장치는 데이터 입력부(700), 인코딩부(710) 및 송신부(720)를 포함하고, 수신장치는 수신부(750), 디코딩부(760) 및 데이터 출력부(770)를 포함한다.
송신장치와 수신장치는 사전에 인코딩 및 디코딩 방법을 공유한다. 예를 들어, 송신장치는 도 3의 심볼을 이용하여 1 심볼 당 1 개의 펄스로 인코딩하는 방법을 사용하는 경우, 수신장치는 송신장치의 이러한 인코딩 방법에 대해 사전에 공유한다. 공유 방법으로 데이터 송수신 전에 송신장치와 수신장치에 동일한 인코딩 및 디코딩 방법을 미리 설정하거나, 송신장치가 인코딩 방법을 종래 다양한 방법을 통해 수신장치로 전송하여 서로 간에 공유할 수 있다.
먼저, 송신 장치에 대해 살펴본다.
데이터 입력부(700)는 전송할 데이터를 입력받는다.
인코딩부(710)는 기 설정된 인코딩 방법에 따라 입력받은 데이터를 인코딩한다. 구체적으로, 인코딩부(710)에는 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지며, 펄스가 온/오프되는 m(m은 2 이상의 정수)개의 기본 펄스 구간을 가지는 심볼이 정의되어 있으며, 이 심볼 단위로 온(on) 상태인 k(k는 1 이상 m 미만의 정수) 개의 펄스에 대한 위치를 서로 달리하여 n 비트의 데이터를 인코딩한다. 여기서, n이 2인 경우는 도 3의 심볼이 되고, n이 3인 경우는 도 4의 심볼이 인코딩 및 디코딩을 위한 기본 심볼 단위가 된다. 송신부(720)는 인코딩된 신호를 형광등이나 LED(730) 등을 통해 출력한다. 출력되는 광의 밝기는 인코딩에 사용되는 1 심볼 당 펄스 개수로 제어가능하다.
기본 심볼의 주기가 늘어날수록 더 세분화된 밝기 조절이 가능하나, 심볼 간 off 구간도 늘어나므로 깜박거림 현상이 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 1 개의 펄스를 사용하여 인코딩하는 경우 심볼간 최대 off 구간은 4개의 펄스구간이나, 도 6을 참조하면, 심볼간 최대 off 구간은 5개의 펄스구간으로 더 길어진다. 사람이 눈으로 깜박거림을 감지할 수 없는 최대 깜박거림 주기는 대략 5ms 이므로, 깜박거림을 방지하기 위한 클럭 속도는 (심볼의 주기 * 200Hz) 이상인 것이 바림직하다.
다음으로, 수신 장치에 대해 살펴본다.
수신부(750)는 광 감지 센서(740) 등을 통해 가시광을 수신한다.
디코딩부(760)는 수신한 가시광으로부터 심볼을 추출하여 디코딩한다. 구체적으로 디코딩부(760)는, 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기에 일정 개수의 펄스의 위치를 달리하여 n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 수신한 후, 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악한다. 데이터 출력부(770)는 파악된 n 비트의 데이터를 출력한다.
도 8은 본 발명에 따른 인코딩 방법이 적용된 가시광 통신의 송신 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 인코딩 장치는 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지며, 펄스가 온/오프되는 m(m은 2 이상의 정수)개의 기본 펄스 구간을 가지는 심볼을 정의한다(S810). 그리고 인코딩 장치는 온 상태인 k(k는 1 이상 m 미만의 정수) 개의 펄스에 대한 위치를 기초로, n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 생성한다(S820). 그리고 생성한 심볼을 가시광을 통해 출력한다(S830).
도 9는 본 발명에 따른 디코딩 방법이 적용된 가시광 통신의 수신 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 수신 장치는 가시광 신호를 수신하면(S900), 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기에 일정 개수의 펄스의 위치를 달리하여 n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 추출한다(S810). 그리고 수신 장치는 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악하여 출력한다(S920,S930).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지며, 펄스가 온/오프되는 m(m은 2 이상의 정수)개의 기본 펄스 구간을 가지는 심볼을 정의하는 단계; 및
온 상태인 k(k는 1 이상 m 미만의 정수) 개의 펄스에 대한 위치를 기초로, n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 인코딩 방법.
제1항에 있어서,
상기 기본 클럭 주기는 1 클럭이고, 상기 m은 n*2이고, 상기 k는 1에서 3 사이의 정보이고, 상기 k의 값에 따라 상기 심볼의 밝기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 인코딩 방법.
제 1항에 있어서,
상기 k 개의 펄스는 위치를 서로 달리하여 표현할 수 있는 경우의 수가 (2^n) 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 인코딩 방법.
제 1항에 있어서,
상기 심볼에 포함되는 온 상태의 펄스의 개수는 신호의 밝기에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 인코딩 방법.
제 1항에 있어서,
상기 기본 클럭 주기는 1/(n*200) 이상인 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 인코딩 방법.
1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기에 일정 개수의 펄스의 위치를 달리하여 n 비트의 데이터를 나타내는 심볼을 수신하는 단계; 및
상기 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신을 위한 디코딩 방법.
데이터를 입력받는 데이터 입력부;
1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지는 심볼에 일정 개수의 펄스의 위치를 서로 달리하여 상기 입력받은 데이터를 n 비트 단위로 인코딩하는 인코딩부; 및
상기 인코딩된 데이터를 가시광을 통해 출력하는 송신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신의 송신장치.
제 7항에 있어서, 상기 인코딩부는,
상기 심볼에 포함되는 펄스의 개수를 기초로 상기 출력되는 가시광의 밝기를 조절하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신의 송신장치.
가시광 신호를 수신하는 수신부;
상기 수신한 가시광 신호로부터, 1비트의 데이터 전송을 위해 사용되는 기본 클럭 주기의 n(n은 2 이상의 정수)배의 주기를 가지는 심볼을 추출하고, 상기 심볼 내 펄스의 개수 및 위치를 기초로 n비트의 데이터를 파악하는 디코딩부; 및
상기 디코딩된 데이터를 출력하는 데이터 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신의 송신장치.
KR1020130035470A 2013-02-08 2013-04-01 가시광 통신을 위한 인코딩 및 디코딩 방법과 그 장치 KR20140101650A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109541544A (zh) * 2018-10-24 2019-03-29 中山大学 一种异步可见光定位方法
KR102298229B1 (ko) 2020-07-23 2021-09-03 숭실대학교산학협력단 가시광 통신에서의 디코딩 방법 및 그 장치

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CN109541544B (zh) * 2018-10-24 2022-11-08 中山大学 一种异步可见光定位方法
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