KR20170084709A - 다중 위상편이변조(ｍ-ｐｓｋ) 및 다중 주파수편이변조(ｍ-ｆｓｋ)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템 - Google Patents

다중 위상편이변조(ｍ-ｐｓｋ) 및 다중 주파수편이변조(ｍ-ｆｓｋ)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템이다.
본 발명에 따른 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템은, 기설정된 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK) 코딩테이블을 이용하여 전송하고자 하는 데이터 패킷에 대응하는 위상 및 주파수를 할당하는 데이터코딩부; 상기 할당된 위상 및 주파수에 따라 상기 데이터 패킷에 대응하여 온/오프되어 데이터 패킷을 전송하는 다수의 LED; 상기 LED의 온/오프 이미지를 롤링셔터방식으로 캡쳐하는 롤링셔터카메라; 상기 롤링셔터카메라에 의해 캡쳐된 LED의 온/오프 이미지로부터 상기 기설정된 M-PSK 및 M-FSK 코딩테이블을 이용하여 해당 할당 주파수에 대응하는 데이터 패킷을 추출하는 데이터처리부; 를 포함하고, 상기 다수의 LED 중 적어도 하나는 기준 패킷을 전송하고, 나머지는 데이터 패킷을 전송하며, 상기 LED의 그룹세트 당 1 비트가 M-PSK 기법에 의해 전송되고, 상기 1비트는 상기 LED 그룹의 위상이 같으면 비트 1로, 다르면 비트 0으로 설정되며, M-FSK 기법을 이용하여 각 주기에서 log2 M bits가 전송된다.

Description

다중 위상편이변조(Ｍ-ＰＳＫ) 및 다중 주파수편이변조(Ｍ-ＦＳＫ)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템{Image sensor communication system based on dimmable M-PSK}
본 발명은 이미지 센서 통신(ISC: Image Sensor Communication) 시스템에 관한 것으로서, LED와 롤링셔터카메라 간에 다중 위상편이변조(M-PSK:Multiple Phase Shift Keying) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)를 이용한 복합 통신이 가능하도록 하는 이미지센서통신(ISC) 시스템에 관한 것이다.
기공지된 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication)의 개정으로 잘 알려진 광학 무선 통신(OWC: Optical Wireless Communication)과 관련된 최근의 표준화 작업은 IEEE 802.15.7r1 태스크 그룹에서 진행되었다. 이러한 개정에 의하면 광학 무선 통신(OWC)은 이미지 센서 통신(ISC: Image Sensor Communications), 고속 포토다이오드 통신(High Rate PD Communications) 및 저속 포토다이오드 통신(Low Rate PD Communications)으로 분류될 수 있다. 그 중에서 이미지 센서 통신(ISC)은 수신기로서 이미지 센서를 이용하여 광학 무선 통신을 수행하는 것이다.
최근에 고성능 이미지 센서를 장착한 스마트폰이 급증함에 따라 이미지 센서 통신(ISC)에 대한 관심이 고조되고 있다. 특히, 이러한 이미지 센서 통신(ISC) 시스템에 글로벌 셔터(global shutter) 방식 또는 롤링셔터(rolling shutter) 방식의 이미지 센서를 장착한 카메라를 적용하려는 시도가 계속 되고 있다.
대부분의 카메라는 반도체 이미지 센서를 채용하는 전자식 셔터 카메라로서, 롤링셔텨 방식은 다수의 열(row)로 조합된 이미지 센서의 각 열(row)마다 이루어지는 이미지를 캡쳐하여 이를 조합함으로써 프레임별로 이미지를 획득하게 된다.
하지만, 종래기술에서는 카메라의 프레임속도(frame rate)가 고정된 경우에 대해서만 이미지 센서 통신(ISC)을 개시하고 있다. 실제로 카메라의 프레임속도가 불안정하여 변하는 경우에는 이미지 센서 통신이 원활하게 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
이미지 센서 통신(ISC) 시스템에서 LED로부터 빠르게 변조되는 OOK 신호는 30fps에서 동작하는 카메라 수신기(글로벌 셔터 타입)에 적용되기 위해 다음 사항을 고려해야 한다. 즉, 미지의 주파수 신호, 미지의 주파수 신호는 샘플링 시간에 LED의 상태만으로 복구되지 못하고, 카메라의 프레임속도(frame rate)는 30fps로 고정되지 않는다. 그리고, 카메라가 일정하지 않고 가변적인 프레임속도를 갖는다고 가정하면 이러한 문제는 송신기로부터의 미지의 주파수가 수신될 때의 문제와 함께 데이터 복구를 불가능하게 만드는 것처럼 보일 수 있다.
한국등록특허 제1472583호 한국공개특허 제2009-0016176호 한국공개특허 제2010-0135683호
본 발명은 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이방식(M-FSK) 방식을 혼합하여 사용하도록 하는 이미지센서통신 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템은, 기설정된 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK) 코딩테이블을 이용하여 전송하고자 하는 데이터 패킷에 대응하는 위상 및 주파수를 할당하는 데이터코딩부; 상기 할당된 위상 및 주파수에 따라 상기 데이터 패킷에 대응하여 온/오프되어 데이터 패킷을 전송하는 다수의 LED; 상기 LED의 온/오프 이미지를 캡쳐하는 카메라; 상기 카메라에 의해 캡쳐된 LED의 온/오프 이미지로부터 상기 기설정된 M-PSK 및 M-FSK 코딩테이블을 이용하여 해당 할당 주파수에 대응하는 데이터 패킷을 추출하는 데이터처리부; 를 포함하고, 상기 다수의 LED 중 적어도 하나는 기준 패킷을 전송하고, 나머지는 데이터 패킷을 전송하며, 상기 LED의 그룹세트 당 1 비트가 M-PSK 기법에 의해 전송되고, 상기 1비트는 상기 LED 그룹의 위상이 같으면 비트 1로, 다르면 비트 0으로 설정되며, M-FSK 기법을 이용하여 각 주기에서 log2 M bits가 전송된다.
본 발명에 따른 이미지 센서 통신 시스템에서는 송신기로부터 수신되는 어떠한 OOK주파수에 대해서 호환성을 가지며, 어떠한 시야 차단주파수와 어떠한 카메라 차단주파수라도 모두 OOK 조명 변조에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 고정 프레임속도 또는 가변 프레임속도를 갖는 어떠한 카메라에 대해 호환성을 갖고, 고정 프레임속도를 갖는 글로벌 셔터 카메라뿐만 아니라 가변 프레임속도를 갖는 어떠한 글로벌 셔터 카메라도 수신기로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 공간적인 MIMO 설계는 조명서비스를 위해 상당히 높은 링크 레이트 제공하며 장시간 노출에 따른 영향인 비트에러률(BER:Bit Error Rate)을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 디머블 다중 위상편이변조(M-PSK) 기반 이미지센서통신 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 LED 튜브를 이용한 2-PSK와 M-FSK의 LED 조명 시스템의 설계 예시도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2-PSK와 M-FSK의 복합 변조기법을 이용한 LED 그룹 수신기의 구조도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3-LED 튜브 세트를 이용한 2-PSK와 M-FSK를 위한 LED 조명 시스템의 설계 예시도,
도 5는 도 4에서 3-LED를 이용한 2-PSK에서 LED 중 하나는 롤링 영향을 완화하기 위한 기준용임을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2-PSK와 M-FSK의 복합 변조 기법을 이용한 LED 그룹 수신기의 구조도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 4-LED 튜브 세트를 이용한 4-PSK와 M-FSK를 위한 LED 조명 시스템의 설계 예시도,
도 8은 도 7에서 4-LED를 이용한 2-PSK에서 LED 중 하나는 롤링 영향을 완화하기 위한 기준용임을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템(100)(이하, ISC 시스템)은 데이터코딩부(110), LED(120), 카메라(130) 및 데이터처리부(140)를 포함하여 구성된다.
데이터코딩부(110)는 기설정된 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK) 코딩테이블을 이용하여 전송하고자 하는 데이터 패킷에 대응하는 주파수를 할당한다. 이와 같이 전송데이터 패킷에 대응하는 주파수를 할당함으로써 전송데이터 패킷을 주파수 영역의 신호로 출력하도록 한다.
LED(120)는 적어도 하나 이상 구비된다. 이러한 LED(120)는 본 발명에 따른 광학카메라통신시스템(100)에서 데이터를 전송하는 송신기(transmitter)의 역할을 수행한다. LED(120)는 온/오프되는 펄스속도가 초당 110회 이상이면 사람의 눈으로 그 온/오프를 구분하지 못하고 계속 온 상태인 것으로 인식한다. 이러한 펄스속도는 물론 조정이 가능하다. 본 발명에서는 광을 조사하여 데이터를 전송하는 송신기로서 대표적으로 LED(120)를 기재하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 온/오프를 통해 데이터를 전송할 수 있는 광원이면 본 발명의 범위에 포함되며, 본 발명에서는 이러한 모든 광원을 대표하여 LED로 표현함을 밝혀둔다.
카메라(130)는 LED(120)의 온/오프 이미지를 롤링셔터방식으로 캡쳐한다. 이러한 카메라(130)는 글로벌 셔터 방식 또는 롤링 셔터 방식 중 어느 하나를 지원하는 이미지 센서(미도시)를 포함한다. 롤링셔터카메라(130)의 이미지센서는 하나의 캡쳐타임(capture time) 동안 다수의 열(row)마다 LED(120)의 온/오프 이미지를 촬영하여 캡쳐한다. 이때, 열(row)별 이미지 촬영은 기설정된 일정한 시간간격을 두고 비선형 스캔방식으로 이루어진다. 이는 롤링셔터카메라(130) 내부의 롤링셔터방식의 이미지센서의 각 열(row)을 순차적으로 기설정된 노출시간(integration time) 동안 노출시키되, 각 열(row)마다 일정한 시간간격으로 노출시키는 것이다. 이때, 첫 번째 열(row)의 마지막 노출시간과 마지막 열(row)의 마지막 노출시간을 프레임 시간(frame time)이라 하며 노출시간과 프레임시간이 캡쳐타임(capturing time)이 된다. 롤링셔터카메라(130)는 LED(120)가 온/오프(on/off)되는 동안 LED(120)를 촬영한다. 캡쳐타임 동안 캡쳐된 이미지는 LED(120)가 온(on)인 경우 화이트밴드(White Band)로 나타나고 오프(off)된 경우에는 블랙밴드(Black Band)로 나타난다. 물론, LED(120)가 온(on) 또는 오프(off) 되는 과정에서 화이트밴드(W)와 블랙밴드(B)의 밝기값은 다르다. 이러한 롤링셔터카메라(130)는 OCC 시스템(100)에서 데이터를 수신하는 수신기(receiver)의 역할을 수행한다. 이러한 이미지센서(131)로는 예컨대 CMOS 반도체 센서를 사용할 수 있다.
데이터처리부(140)는 카메라(130)에서 캡쳐한 LED(120)의 온/오프 이미지로부터 상기 기설정된 M-PSK 및 M-FSK 코딩테이블을 이용하여 해당 할당 위상 및 주파수에 대응하는 데이터 패킷을 추출한다. 이러한 데이터 패킷의 추출은 LED(120)에 할당된 위상 및 주파수를 확인하고, 기설정된 M-PSK 및 M-FSK 코딩테이블에서 이들 해당 위상 및 주파수에 대응하는 전송데이터 패킷을 추출하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 LED 튜브를 이용한 2-PSK와 M-FSK의 LED 조명 시스템의 설계 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 M-FSK는 다수의 송신기(LED)를 지원할 수 있고, 주파수 할당은 모든 LED의 대역을 공유하기 위해 M-FSK를 기반으로 하므로 M-FSK 기술은 간섭을 효과적으로 피할 수 있도록 있는 장점이 있다. 또한, M-FSK는 롤링 셔터 수신기에 효과적으로 지원되며, 주파수 검출은 롤링 영향과 함께 훨씬 쉽다는 장점도 있다.
또한, M-PSK가 M-FSK와 복합적으로 사용되는 경우 M-FSK만 있을 때보다 몇 배 더 좋은 데이터속도(data rate)를 얻을 수 있으며, 클로벌 셔터 수신기를 추가적으로 지원할 수 있다는 장점이 있다.
롤링 영향의 완화는 복잡하다. 이는 수신기가 다음과 같은 많은 단계를 가지기 때문이다. 첫째, LED 위치를 검출하여 LED의 정확한 상태를 식별하고, 둘째, 기준 파형을 비교하여 수신_위상을 검출하며, 세째, 수신_위상으로부터 송신_위상을 추정하도록 한다. 본 발명에서는 롤링 셔터 ISC 시스템에서 좀 더 간단하도록 하기 위해 M-PSK와 M-FSK의 조합이 고려된 송신기의 새로운 M-PSK 설계안이 제시된다.
도 2를 참조하면, 2-LED 그룹 세트별 하나의 비트가 2-PSK 기법에 의해 전송될 수 있다. 두 LED 그룹이 같은 위상이면 비트1, 만약 위상이 반대라면 비트 0로 설정할 수 있다. M-FSK 기법은 각 주기에서 log2 M (bits)가 전송 되도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2-PSK와 M-FSK의 복합 변조기법을 이용한 LED 그룹 수신기의 구조도이다.
도 3을 참조하면, LED 1과 LED 2는 2-PSK 기술을 이용하여 데이터 패킷의 시간 정보를 위상을 통해 함께 전송하고, 또한 M-FSK 기술을 이용하여 주파수 엔코더를 통해 데이터를 전송하도록 한다.
2-PSK와 M-FSK의 복호화 알고리즘은 다음과 같다.
먼저, 듀얼 LED 튜브가 검출되면, 튜브의 두 개의 LED의 위상을 비교한다. 만약, 위상이 같으면 비동기 비트를 1로 하고, 다르면 비동기 비트를 0으로 한다. 이때, 비동기 비트는 데이터 패킷의 시간 정보이다. 이후에, 듀얼 LED의 공통 주파수를 검출한다. 데이터는 M-FSK를 이용하여 복호화된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3-LED 튜브 세트를 이용한 2-PSK와 M-FSK를 위한 LED 조명 시스템의 설계 예시도이다.
도 4를 참조하면, 3-LED 그룹의 세트 당 두 개의 비트가 2-PSK 기법을 이용하여 전송된다. 하나의 LED는 기준용이고 다른 두 개는 데이터용이다(도 5 참조). 만약 LED 가 기준 LED와 동일한 위상이라면 비트 1을 전송하고, 다르면 비트 0을 전송한다. M-FSK 기법은 각 주기에 log2 M 비트를 전송할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2-PSK와 M-FSK의 복합 변조 기법을 이용한 LED 그룹 수신기의 구조도이다. LED 1, LED 2 또는 LED 3는 데이터 패킷의 시간 정보를 전송한다. 기준 LED인 LED 1은 수신기가 2-PSK 기술에서 롤링 영향을 완화할 수 있도록 기준 위상(항상 위상=0)를 전송한다. 또한 다른 두 LED 와 같이 주파수를 통해 데이터를 전송한다. LED 2와 LED 3은 데이터 LED로서 신호의 위상과 주파수로 정보를 전달한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 4-LED 튜브 세트를 이용한 4-PSK와 M-FSK를 위한 LED 조명 시스템의 설계 예시도이다.
도면에서와 같이, 본 발명에서 4-LED 튜브 그룹과 함께 2-PSK와 M-FSK 를 이용함으로써 4-LED 그룹의 세트당 세 개의 비트가 2-PSK 기법을 이용하여 전송된다. 이때, 도 8과 같이 하나의 LED는 기준용이고 다른 세 개는 데이터용이다. 만약 LED 가 기준 LED와 동일한 위상이라면 비트 1을 전송하고, 다르면 비트 0을 전송한다. M-FSK 기법은 각 주기에 log2 M 비트를 전송할 수 있도록 한다. 이와 같이 4-PSK는 2bits/LED를 전송하며, 기준 LED는 수신기의 롤링 영향 완화를 돕는다. 다른 세 개의 LED는 모두 2 X 3 = 6 비트를 전송한다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : LED코딩부 120 : LED
130 : 롤링셔터카메라 140 : 데이터처리부

Claims (1)

  1. 기설정된 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK) 코딩테이블을 이용하여 전송하고자 하는 데이터 패킷에 대응하는 위상 및 주파수를 할당하는 데이터코딩부;
    상기 할당된 위상 및 주파수에 따라 상기 데이터 패킷에 대응하여 온/오프되어 데이터 패킷을 전송하는 다수의 LED;
    상기 LED의 온/오프 이미지를 캡쳐하는 카메라;
    상기 카메라에 의해 캡쳐된 LED의 온/오프 이미지로부터 상기 기설정된 M-PSK 및 M-FSK 코딩테이블을 이용하여 해당 할당 주파수에 대응하는 데이터 패킷을 추출하는 데이터처리부; 를 포함하고,
    상기 다수의 LED 중 적어도 하나는 기준 패킷을 전송하고, 나머지는 데이터 패킷을 전송하며, 상기 LED의 그룹세트 당 1 비트가 M-PSK 기법에 의해 전송되고, 상기 1비트는 상기 LED 그룹의 위상이 같으면 비트 1로, 다르면 비트 0으로 설정되며, M-FSK 기법을 이용하여 각 주기에서 log2 M 비트가 전송되는 다중 위상편이변조(M-PSK) 및 다중 주파수편이변조(M-FSK)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템.
KR1020170046971A 2017-04-11 2017-04-11 다중 위상편이변조(ｍ-ｐｓｋ) 및 다중 주파수편이변조(ｍ-ｆｓｋ)의 복합통신 기반의 이미지 센서 통신 시스템 KR101937560B1 (ko)

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