Ⅰ서 론
LED(Light Emitting Diode)를 이용한 가시광통신 VLC(Visible Light Communication) 시스템은 LED의 빠른 응답속도를 통해 조명의 역할을 하면서 동시 에 데이터 전송을 가능하게 하는 융합 기술로 기존 의 RF(Radio Frequency) 통신의 자원 부족 문제를 해결할 수 있는 차세대 정보통신 기술로 주목받고 있다[1]. 가시광통신은 LED조명을 사용하는 곳이면 어디든지 네트워크를 구축할 수 있으며, 전자파의 유해성이 없고 주파수 규제에서 자유로운 장점이 있다. 가시광통신의 연구는 한국과 일본, 미국 등 전 세계적으로 활발하게 진행 중이며[2], 2011년 IEEE 802.15.7 기술표준으로 표준화되었다[1]. 최근 에는 데이터 전송률 향상과 오류율 감소를 위해 다 수의 LED를 사용하는 다중입출력 가시광통신 기법 이 활발히 연구되고 있다[3]. 그러나 다수의 LED를 이용한 다중 입출력 가시광통신은 송신 LED간의 광 간섭으로 인한 성능 저하와 다수의 LED들이 ON OFF를 반복하며 발생하는 밝기 변화에 따른 플 리커 발생 문제점을 가지고 있다. 다중 LED 사용으 로 인하여 발생하는 문제를 해결하기 위한 연구로 수신 전력 차이를 이용한 LIC(Layed Interference Cancellation) 기법이나[4], 채널 상관을 줄이기 위해 angle diversity를 이용하여 공간 다중화 이득을 얻는 기법[5], 수신부에서 렌즈를 통해 다수의 송신 광을 분리하여 간섭을 최소화하는 기법들에 더해[6, 7], 다중 LED의 수신 경로 차이로 발생하는 심볼간 간 섭을 완화시키기 위한 시간 동기화 기법 등이 연구 되고 있다[8].
하지만 다중입출력 가시광통신에서 조명의 역할 을 수행하기 위한 필수 조건인 플리커 문제는 많은 연구가 되고 있지 않다. 플리커란 인간의 눈이 감지 할 수 있는 밝기 변화를 뜻하는 것으로, 기존에는 단일입출력 가시광통신을 기준으로 OOK-Manchester code, 라인 코딩, PPM(Pulse Position Modulation) 등의 변조기술을 통한 플리커 완화 기술이 활발히 연구 되었지만[1], 이러한 기술들은 단일입출력 가시광통 신에서 LED가 연속적으로 꺼지는 경우를 방지하는 플리커 완화 기법이기 때문에 다수의 송신 LED가 디지털 신호를 보내기 위해 같은 주기 내에서 서로 다른 ON OFF를 반복하는 다중입출력 가시광통신에 서는 적합한 플리커 완화 기법이 될 수 없다. <Fig. 1>에서 2개의 LED가 OOK(On Off Keying) 변조방식 을 이용하여 서로 다른 신호를 전송하며 나타나는 밝기 변화에 따른 플리커 현상을 나타내었다.
위 그림을 보면, 첫 번째 데이터 전송 주기에는 밝기가 0, 두 번째 데이터 전송 주기에는 밝기가 1, 마지막 데이터 전송 주기에는 밝기가 2인 것을 알 수 있는데, 데이터 전송 주기에 따라 밝기가 일정하 지 않은 것을 알 수 있다. 전송에 사용되는 LED의 수를 N이라고 하면, 0~N까지의 밝기 변화가 발생 한다. 즉, 고속 전송을 위해 송신 LED의 개수가 늘 어날수록 밝기 변화의 변동 폭과 단계가 증가한다. 이러한 조명의 밝기 변화는 일반 환경에서 인간의 눈에 피로를 주고 시력을 저하시키며, 집중력 감소 와 광과민성 발작, 두통 등 각종 질환의 원인이 되 는 문제점을 가지기 때문에 가시광통신에서 플리커 를 완화하는 기법은 꼭 고려되어야 한다. 가시광통 신에서는 전송속도가 매우 빨라지면 플리커 현상은 인간의 눈으로 인식하기 어렵지만, 참고문헌 [9]에 따르면 인식되지 않는 플리커 현상도 두통이나 눈 의 피로를 야기한다는 결과가 있어 고속 전송의 다 중입출력 가시광통신에서도 플리커 완화 방법이 고 려되어야 한다. 밝기의 변화 폭이 0~펄스의 진폭까 지인 단일 입출력 가시광통신에 비해 다중 입출력 가시광통신에서의 밝기 변화 폭은 0~펄스의 진폭에 송신 LED의 개수를 곱한 값이 됨으로 다중입출력 가시광통신에서의 밝기 변화의 폭은 단일 입출력 가시광통신에 비해 송신 LED이 개수에 비례해 커 지며 플리커 완화의 중요성은 더욱 커진다. 따라서 본 논문에서는 다중 입출력 가시광통신 환경에서 PFM(Parallel Flicker Mitigation) 코딩을 통하여 데이 터 전송 주기에 따라 일정한 밝기를 유지하여 플리 커 현상을 완화할 수 있는 방법을 제안한다. 제안하 는 병렬 패턴 코딩은 일정한 밝기를 유지할 수 있 음과 동시에 오류 검출 능력을 가진다.
Ⅱ가시광 통신 시스템
가시광 통신 시스템은 LED 발광 장치로 이루어 진 송신부와 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 소 자인 광전 다이오드 PD(Photo Diode)로 이루어진 수 신부로 구성되어 있으며 <Fig. 2>와 같이 표현된다.
송신부인 LED에서는 광원의 세기변조 IM(Intensity Modulation)을 통하여 광의 세기를 변화 시켜 디지털 신호를 전송하며, 수신부에서는 광전 다이오드 PD가 직접 검출 DD(Direct Detection) 방 식으로 광의 세기를 직접 전기신호로 검출하여 데 이터를 수신한다. 디지털 신호는 1과 0으로 이루어 진 정보로 디지털 신호의 1과 0이 LED의 ON과 OFF에 대응되어 전송된다. 사람의 눈은 초당 100번 이상으로 빛이 점멸할 경우 조명이 연속적으로 켜 져 있는 것으로 인식하기 때문에 LED의 빠른 응답 속도를 이용하여 1과 0의 디지털 신호를 ON과 OFF 를 반복하여 전송한다.
최근에는 고속 전송률을 요구하는 컨텐츠가 많 이 생성됨에 따라, RF 통신에서와 같이 가시광 통 신에서도 전송률 향상을 위한 다중 입출력(Multi Input Multi Output) 기법이 활발히 연구, 적용되고 있다.[3]
다중 입출력 가시광통신은 다수의 송신 LED와 다수의 수신 PD로 이루어진 이미지센서를 사용하 는 것으로 각각의 송신 LED에서 다른 데이터를 전 송하여 데이터 전송률을 높이는 기술로 다음 <Fig. 3>과 같이 표현된다.
다수의 LED로 구성된 송신부에서 광의 세기를 직접 변조하여 각각 다른 디지털 신호를 전송하게 되고, 다수의 PD로 구성된 수신부에서 전송된 광의 세기에 따라 디지털 신호의 1과 0을 전기신호로 광 전 변환하여 데이터를 수신한다. 이러한 다중입출 력 가시광통신은 전송률을 높일 수 있지만, 송신 광 간의 간섭 문제와 플리커 현상이 발생하는 문제를 가진다.
Ⅲ다중입출력 가시광 통신의 플리커 현상
다음 <Fig. 4, 5>는 단일 입출력 가시광통신에서 의 플리커 완화 기술인 Manchester code와 밝기 조 절(Dimming Control) 기술인 VPPM(Variable Pulse Position Modulation)이 적용된 다중 입출력 가시광 통신에서 밝기의 변화가 발생하는 것을 나타낸다.
단일 입출력 가시광통신의 플리커 방지 기술 또는 디밍 제어 기술을 적용하더라도 다중 입출력 가시광 통신에서는 시간 에 따라 밝기가 일정하지 않다는 것 을 알 수 있다. Manchester code 뿐만이 아닌 4B6B, 8B10B, OPPM, VPPM과 같은 플리커 완화, 밝기 제어 기술을 적용하더라도 여전히 다중 입출력 전송에서 는 데이터 전송 주기에 따른 밝기의 변화가 발생하게 된다[10, 11]. 특히 이러한 문제점은 긴 전송거리와 낮은 전송률을 가지는 환경에서는 더욱 큰 문제를 가 져온다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논 문에서는 다중 입출력 가시광통신에서 병렬 패턴 코 딩 방식을 이용한 플리커 완화 기법을 제안한다.
ⅣPFM(Parallel Flicker Mitigation) 코딩 기법
본 논문에서 제안하는 PFM 코딩 기법은 조합 이 론을 이용하여 패턴을 구성하는 것으로, 송신 LED 의 개수에 관계없이 항상 일정한 밝기를 유지할 수 있어 다중 입출력 가시광통신에서 플리커 현상을 완화할 수 있다.
<Fig. 6>은 제안하는 PFM 코딩 다중입출력 가시 광통신 송신기의 구조를 나타낸다. 송신하려는 데 이터의 비트열은 송신기의 개수에 따라 조합을 이 용하여 PFM코딩되고, 직병렬 변환된 후 각 LED를 통하여 항상 일정한 밝기로 전송된다. 먼저 조합을 이용하여 송신기의 개수에 따라 코드를 정하는 방 법을 알아보면 다음과 같다[12].
식 (1)은 송신기의 개수와 ON LED의 개수 및 데 이터 전송률과의 관계를 표현한 식으로, d는 한 비 트주기에 전송되는 비트의 개수이며 N 은 전체 송 신 LED의 개수를 뜻하고 L 은 한 비트주기 내에서 ON 상태의 LED 개수, 즉 전체 밝기를 뜻한다. 6개 의 송신 LED로 한 비트주기에 최대한의 비트를 전 송하는 예를 살펴보면, 조합에서는 N 이 짝수일 경 우 , N 이 홀수일 경우 의 경우가 항상 조합의 최댓값을 가지므로, N = 6이면 L = 3 일 때 조합은 최댓값을 가지게 되고 d = 4가 되며 한 비트주기에 4비트의 데이터 전송이 가능하다. 위의 예에서 6개의 송신 LED를 이용하여 한 비트 주기에 전송할 수 있는 최대 비트수는 4비트이며, 4 비트로 이루어진 비트열의 개수는 0000~1111까지 16개이고, 이 16개의 비트열을 6C3 = 20개의 전송 에 사용 가능한 패턴 코드 중 16개로 변환하여 전 송하게 된다. 총 20개의 사용 가능한 PFM 코드를 <Table 1>에 나타내었다.
전송에 사용가능한 패턴은 항상 L 개의 ‘1’과 N -L 개의 ‘0’을 가진다. 송신 LED의 개수가 6인 위의 예에서는 항상 3개의 1과 3개의 0을 가진 코 드로 변환되어 전송되기 때문에 항상 일정한 밝기 를 유지할 수 있게 된다. 패턴을 선택하는 과정에서 다중입출력 가시광통신의 간섭에 따른 성능을 고려 한다. 위의 20가지의 패턴 코드에서 1, 4, 10, 20번 패턴 코드를 제외한 16가지의 패턴 코드를 이용하 여 데이터를 전송하게 되는데 1, 4, 10, 20번 패턴 코드는 연이어 있는 LED의 거리가 가깝기 때문에 서로 간섭을 많이 줄 수 있고, 이는 전체 가시광통 신 시스템의 오류율 증가를 가져오기 때문에 전송 코드에서 제외한다[6, 7]. 따라서 간섭이 큰 패턴 코 드를 제외하면 전송에 사용할 패턴 코드는 다음 <Table 2>와 같이 구성된다.
위 <Table 2>에 따라 본 데이터를 코드 변환한 후 송신 LED를 통해 병렬 전송한다. 항상 정해진 코드를 이용하여 전송하기 때문에 사용될 코드 이 외의 데이터가 나올시 오류로 추정이 가능하여 오 류 검출도 가능하다. 위의 예를 들어 보면 전송에 사용되지 않는 111000이 전송 시 오류 검출이 가능 해진다. 한 비트주기에서 홀수 개의 비트가 오류가 날 시 100% 오류검출 능력을 가지지만, 짝수개의 비트 오류가 나면 전송에 쓰이는 다른 코드로의 오 류가 생길 수도 있기 때문에 완벽한 오류 검출은 가능하지 않다. 하지만 가시광통신의 특성상 2비트 이상의 오류가 날 확률이 매우 작기 때문에 1비트 의 오류 검출 능력도 유용하게 쓰일 수 있다.
다음 <Fig. 7>은 0100/1010/1111 비트열을 패턴 코딩을 적용하여 전송하는 예로, <Table 2>와 같이 데이터들이 PFM 코딩되어 매 비트주기마다 밝기가 일정하게 유지되어 전송되는 것을 보인다.
<Table 2>의 코드에 따라 0100은 010110으로, 1010은 101001로, 1111은 110100으로 PFM 코딩되어 매 비트주기 마다 L개의 LED만 ON상태가 되기 때 문에, 전체적으로 일정한 밝기를 지속적으로 유지할 수 있게 된다. PFM 코딩 전송의 경우 송신측에서의 코드 변환과 수신측에서의 코드 분석이 필요하기 때문에, 실시간 전송에 바로 적용하기에는 추가적인 연구가 더 필요하며, OOK-Manchester coding, VPPM 다중입출력 가시광통신과 비교하면 N - d개의 송신 LED의 추가가 필요하다는 단점을 가지지만, 다중입 출력 가시광 통신에서 플리커 현상이 발생하지 않 아 조명으로서의 필수 기능인 일정한 밝기 유지가 가능해 플리커 현상을 완화할 수 있다.
Ⅴ시뮬레이션 파라미터 및 결과
본 논문에서 다음 <Fig. 8>과 <Table 3>은 시간에 따른 밝기 변화 측정에 필요한 매개 변수를 도식과 표로 나타낸 것이다.
송신 LED의 개수가 6이며 광 효율은 100lm/W로 설정하였다. 송신 LED 간의 거리는 5cm이며 변조 방식으로 OOK-Manchester, VPPM, PFM coding을 사 용하여 2m 거리에서 모의 조도측정 실험을 진행하 였다. 다음 <Fig. 9>는 OOK-Manchester를 사용하여 다중입출력 전송을 할 때와 PFM 코딩을 한 후 전 송을 할 때의 시간에 따른 밝기 변화 그래프를 나 타낸 것이다.
OOK-Manchester 전송에서 1과 0의 확률은 1/2이 며, 6개의 전송LED를 사용한 PFM 코딩도 항상 3개 의 ON LED를 갖기 때문에, 두 전송 모두 밝기의 평균값은 비슷하게 측정되지만, PFM 코딩 전송이 OOK-Manchester 전송에 비해 밝기의 표준편차가 약 19배 정도 작게 측정된다.
<Fig. 10>은 제안하는 시스템과 VPPM 전송의 밝 기 변화 비교를 나타낸 것이다. 75%의 Duty cycle을 가지는 VPPM 변조방식을 사용한 전송에서는 항상 비트 주기의 25% ~ 75%의 펄스에서는 모든 LED가 ON 상태를 유지하기 때문에 위의 두 방식과는 다 른 밝기 변화를 가진다. 일정한 전력을 기준으로, VPPM 변조방식을 통한 전송은 다른 변조방식의 전 송들과 비슷한 평균의 밝기를 가지지만 OOK-Manchester 전송에 비해 낮은 표준편차를 가질 뿐 여전히 PFM 코딩 전송에 비해 전송 비트에 따 라 높은 표준편차의 밝기 변화값을 지니며 플리커 현상을 가진다. 이 경우에도, PFM 코딩 전송이 VPPM 전송에 비해 밝기의 표준편차가 약 17배 감 소하였다. 이 시뮬레이션 결과들은 밝기의 변동이 줄어들어 PFM코딩 전송을 하였을 시 플리커 현상 이 많이 완화된다는 것을 뜻한다.
Ⅵ결 론
다중입출력 가시광통신은 여러 개의 송신 LED를 사용하기 때문에 밝기의 변동 폭이 크고, 밝기 값이 LED의 수에 비례하여 커져 플리커에 매우 취약한 특성을 가진다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문은 다중입출력 가시광통신 시스템에서 PFM 코드를 이 용한 플리커 완화 기법을 제안하였다. 제안된 시스 템은 조합 이론을 사용하여 매 비트주기마다 같은 수의 LED만 켜 지기 때문에 일정한 밝기를 유지할 수 있다. 또한 사용되는 코드 이외의 것은 에러로 추정이 가능하기 때문에 오류 검출 능력도 가져 기 존 시스템 보다 안정적인 QoS를 제공한다.
