R&D연구결과보고서

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보안과제( ), 일반과제( ○ ) 11-911-01-111

방송통신기술개발사업

실내 LBS Localization을 위한 근거리 가시광 통신 물리계층 핵심기술 연구

(Visible Light Communication Physical Layer for indoor LBS localization)

2014. 03. 31.

연세대학교 산학협력단

미 래 창 조 과 학 부

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제 출 문

미래창조과학부 장관 귀하

이 보고서를 "실내 LBS Localization을 위한 근거리 가시광 통신 물리계층 핵심 기술

연구에 관한 연구" 과제의 보고서로 제출합니다.

2014. 3. 31

주관연구기관 : 연세대학교

총괄 책임자 : 한 상 국

참여연구기관 : 국민대학교

참여 책임자 : 박 영 일

참여연구기관 : 한국광기술원

참여 책임자 : 한 수 욱

참여연구기관 : 서울과학기술대학교

참여 책임자 : 차 재 상

참여연구기관 : 국민대학교

참여 책임자 : 장 영 민

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기술개발사업 최종보고서 초록

1. 일반현황

사업명 방송통신기술개발사업 기술분류 전파·위성 - 전파기반 과제명(과제번호) 실내 LBS Localization을 위한 근거리 가시광 통신

물리계층 핵심 기술 연구(11-911-01-111)

주관기관

기관

(기업)명 연세대학교 산학협력단 설립일 2004. 3.

주소 (120-749)서울특별시 서대문구 연세로 50 연세대학교 공학원 1층

대표자

(기관장) 김은경 연락처 02-2123-6500

홈페이지 http://www3.yonsei.ac.kr:

8888/research/index.asp Fax 02-2123-8618

기술개발 현황

총괄책임자 한상국 연락처 02-2123-4016

실무담당자 손용환 연락처

(e-mail) [email protected] 참여기관 국민대학교 산학협력단, 서울과학기술대학교 산학협력단,

한국광기술원

총사업비 (천원)

정부출연금 민간부담금

합계

현금 현물

1,400,000 0 178,480 1,578,480 총개발

기간 2011. 3. ~ 2014. 2.

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2. 개발결과 요약

키워드 LED, 실내 위치측위, 가시광통신, 송수신모듈

핵심기술 실내 LED 조명 기반 다중기능 가시광통신 송, 수신 모듈을 이용 한 정밀 위치 추정 핵심 기술 구현 및 오차 보상 알고리즘 기술

최종목표

n LED 조명을 이용하여 실내 LBS를 위한 고정밀 위치 추정 기초 기술 개발

• 실내 LED 조명을 이용한 위치인식 단말기를 사용하여 VLC 기반 정밀 위치추적 가능한 알고리즘 개발

• Multi-user 기반 다기능 VLC 송,수신 기술 연구

• LED 실내 조도 유지 및 정보 인식/추적 가능한 단말(Tx, Rx) 개발

• 다중기능(조명, 데이터, 실내 위치인식)/다중채널 데이터 수 신 및 localization 신호처리 송, 수신 기술 연구

개발내용 및 결과

n LED 조명 기반 다중기능 위치추정용 송, 수신 모듈 구현 n 가시광 기반 실시간 위치 추정 및 고속 데이터 전송 시스템

구현

n 고정밀 위치추정 및 오차보상 알고리즘 구현

n BCDMA 코딩기법을 이용한 가시광 전송신호 다중화 기술 및 대용량 다중 신호 전송 시스템 구현

n VPPM 변조를 이용한 디밍제어 겸용 가시광 전송 구현 n PLC 기반의 가시광전송 인프라망 구현

n Handover 프로세스가 가능한 Optical-Handover 기술 개발

기술개발배경

n RF 무선 실내 위치정보 서비스 기반 Localization Infra 설치 의 비용문제 해결

n LED 조명 기반의 가시광통신을 사용하여 주파수 잡음 문제 해결

n 기존 RF 기술의 비보안성 및 비친환경, 해외기술 종속성 대 체

n 가시광 무선통신 및 측위 기술은 LED 시장과 ID 시장, ITS, WPAN 등의 응용 영역 시장으로 개척

n 가시광 무선통신의 실내 측위 시장, M-to-M 시장, ISM 대역 이 아닌 새로운 대역의 주파수시장 등을 감안하면, 신규 시장 창출의 경제적 효과가 발생할 것으로 전망

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핵심개발기술의 의의

n LED 조명과 IT 기술의 융합을 위한 실내 위치추정/인식 응 용 기술 분야의 원천 기술 확보

n 가시광 통신을 이용한 실내 LBS Localization 기술의 상용화 기반 마련 및 기술 우위점유

n 친환경 가시광통신을 활용한 Eco-Friendly 무선네트워크 구 성

n LED 조명에 IT 융합 기술을 적용하여 LED 조명, 통신 및 실 내 측위 분야의 표준화 주도

n 최초로 VPPM 송수신 및 가시광 다중채널을 구현하였으며, 이를 이용한 5 미터 이상의 신호 전송에 성공함

n Diversity architecture를 사용하여 방송 service 위한 새로 운 핸드 오버 프로토콜

적용분야

n 실내외 다양한 LBS 및 Guidance기술로 활용가능(예 로봇산 업)

n 센서 정보, 물체 식별 정보, 측위에 의한 LBS(Location Based Service) 위치 정보, Machine-to-Machine 정보 시스 템 적용

n LED 조명과 IT 기술의 융합을 통하여 위치추정/인식 등 유 비쿼터스 구축

n 자동차/선박 등의 수송용 LED 조명, 정보가전조명 및 의료, 농업, 해양, 수산, 환경산업용 등 특수목적 LED 조명 분야에 서 다양한 가시광 통신 기술 및 실내 측위기술의 응용

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3. 기술 및 경제적 성과

기술적 성과

n 조명 IT 융합 형 응용기술을 토대로 새로운 융합 솔루션 제공 및 사업화의 기반 마련

n LED 기반 저전력 녹색 인프라 환경 구축, 보안성이 강화된 무선 통신 서비스 구현 및 미래 무선 서비스 대한 원천기술 확보 n 개발 기술에 대한 IEEE802.15.7a 국제표준화 및 기술 규격화 n 기존의 RF기반 무선통신 기술과 상호 보완하여 정보 및 실내 측

위 등의 네트워크 환경 구현

n 산학협력기반 개발 기술 연계 형 응용 서비스 발굴 및 상용화에 기여할 토대마련

n 기존 조명환경하의 데이터 교환, 위치정보서비스 동시 제공 가능 한 기술 개발 및 실시간 고정밀 추정 시스템 테스트 베드 구축 n 다양한 광 기반 통신 주파수 자원에 대한 기술 확립

n 실내 환경 변화에 대해 유연하게 대처 가능한 다양한 측위 알고 리즘 개발

경제적 성과

n 세계 위치인식 기반 응용서비스 시장의 선점 및 관련 기술 수출 기반 마련

n 매우 큰 폭의 성장세가 예상되는 홈 네트워크 분야와 LED 조명 분야 상호 간의 교류를 통하여 시너지 효과가 예상되며 신성장 산업 창출에 기여

n 관련 분야 기술 선점 및 경제적 부가가치 창출 기여 n VLC 응용 원천기술 확보를 통한 국가적 경쟁력 확보 4. 파급효과 및 기대효과

파급효과

n 친환경 실내 무선 서비스 사용에 대한 대응

n 미래 응용 가능한 원천기술관련 인력의 장기적인 육성 가능 n 미래 복지 및 위치서비스 기술의 육성 (Guidance기술 가능성) n RF 간섭에 무관한 미래 신규 전파자원을 이용한 새로운 위치정

보시스템 확보

n 기존 조명환경에서 데이터 및 위치정보서비스 기술 제공

n 다양한 광무선 근거리 통신 주파수 자원에 대한 정부의 기술 로 드맵 확립

n 미래 무선 서비스 자원에 대한 원천기술의 확보 n 무한에 가까운 주파수 자원의 확보

기대효과

n 급성장 중인 LED 조명산업과의 융합으로 인하 시너지 효과 n 새로운 응용시장 창출을 위한 신개념 무선서비스

n LED 기반 저전력 녹색 인프라 환경 구축

n RF 간섭에 영향을 최소화한 새로운 위치정보시스템 확보

5. 해당기술, 제품의 시장 현황

국내시장 n LED 조명과 IT 통신 기술을 융합한 VLC 응용시장은 커다란 경 쟁력으로 작용할 수 있음

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n LED 조명 보급 사업 및 정책을 통하여 약 30% 이상의 인프라를 가정할 경우 LED 조명을 이용한 VLC 응용 서비스는 시장 진입 이 용이할 것으로 판단됨

n 국내 LED 시장 규모를 살펴보면 2015년에는 15조 7,000억원의 시장규모를 형성하면서 2015년 세계 시장 점유율이 15.3%로 커 질 것으로 전망됨

n 국내 LBS 시장은 분야별로 시스템, 단말기, 서비스 등으로 구분 할 수 있으며, 이중서비스 분야 시장은 2011년 5,480억원에서 2015년 28,004억원이며 매년 42.5% 성장률을 보일 것으로 전망 됨

해외시장

n 최근 LBS 관련 시장은 수신기의 경량화, 고정밀화 및 저가화 정 책 등으로 그 활용 범위가 다양해지고 지속적으로 확대되고 있으 며, 특히 항공우주, 텔레매틱스, 해양, 여가, 측지․측량 등 민간 활 용 부분의 시장이 더욱 활성화되고 있음

n 해외 LBS 서비스 시장 규모는 2011년 29억 달러이며, 2015년에 는 약 116억 달러 규모의 시장으로 성장할 전망되어 관련 기술에 대한 국내 및 세계 시장동향으로 볼 때 사업화 소요기간은 약 3 년, 경제적 수명은 약 15년으로 예상됨

n 향후 2~3년 내에 일차적인 시장이 조성되기 시작하여 2016년 이 후 시장의 본격적인 활성화가 예상되어 크게 증가할 것으로 전망 됨

6. 제품 사진

(테스트 베드 구현을 통한 가시광 기반 실시간 측위 및 다중 신호 전송 시스템 검증)

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(위치인식 부가정보데이터 송출 기술 개발 및 DER, BER 성능 분석)

(Optical handover 기술 연구 및 구현)

(다중화 신호 전송 실험 구현 및 검증)

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기술개발사업 주요 연구성과

사업명 방송통신기술개발사업

과제명 실내 LBS Localization을 위한 근거리 가시광 통신 물리계층 핵심 기술 연구

주관기관명 연세대학교 산학협력단 설립일 2004.03

주소 (120-749)서울특별시 서대문구 연세로 50 연세대학교 공학원 1층

대표자(기관장) 김은경 연락처 02-2123-4016

총괄책임자 한상국 FAX 02-2123-8618

총개발기간 2011 . 3 . 1 ~ 2014 . 2 . 28 ( 36 개월) 총사업비(백만원) 1,578.48 정부출연금 1,400 민간부담금 178.48 참여기관(책임자) 연세대학교(한상국), 국민대학교(장영민, 박영일),

서울과학기술대학교(차재상), 한국광기술원(한수욱)

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 - 억원 향후 3년간 매출 - 억원 관련제품 개발후 현재까지 - 억원 향후 3년간 매출 - 억원

점유율시장

개발제품

개발후 현재까지 국내 : - % 국외 : - % 향후 3년간 매출 국내 : - % 국외 : - %

목 차

제 1 장 서론 ···48

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ···48 제 2 절 국내 외 관련 기술 및 시장의 현황 ···53 1. 국내․외 기술 현황 ···53 2. 국내․외 경쟁기관 현황 ···56 3. 국내․외 지식재산권 현황 ···57 4. 국내․외 시장 현황 ···61 제 3 절 개발 대상 기술의 기술적 경제적 파급효과 ··· 65

제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ···67

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ···67 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발범위 ···70 1. 1차년도 개발 내용 및 개발 범위 ···70 2. 2차년도 개발 내용 및 개발 범위 ···73 3. 3차년도 개발 내용 및 개발 범위 ···75

제 3 장 결과 및 향후계획 ···78

제 1 절 연구개발 결과 ···78 1. 연차 연구개발 추진 일정 ···78 2. 연차 연구개발 추진 실적 ···82 3. 기술개발 결과 ···86 제 2 절 연구개발 추진 체계 ···236 제 3 절 시장현황 및 사업화 전망 ···240 제 4 절 사업비 사용현황 ···241 제 5 절 연구개발결과의 활용계획 ···246

별첨 1. 자체평가서 ···247 별첨 2. 자체보안관리진단표 ···250

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표 목 차

(표 1.1) 가시광통신과 RF기반 통신 방식 비교 ···51 (표 1.2) RF기반 위치인식 기술과 가시광통신 기반 위치인식 기술 ···51 (표 1.3) 위치추적 시스템의 특성 및 성능 ···55 (표 1.4) 국내∙외 LED 업체 현황 ···57 (표 1.5) 연도별 특허 출원 건수 ···58 (표 1.6) 국외 특허 출원 현황 ···58 (표 1.7) 국가별 주요 출원인 ···59 (표 1.8) 국제특허분류 분포 ···60 (표 2.1) 국내 LBS 장비 및 서비스 시장 규모 전망 ···61 (표 2.2) 국내 LBS 시장 분야별 규모 전망 ···62 (표 2.3) 경쟁기술 시장규모로 판단한 VLC 시장 전망 ··· 62 (표 2.4) 근거리 통신 관련 시장 통계 ···64 (표 3.1-1) 실제 위치와 시뮬레이션과 실험값의 오차 ···100 (표 3.1-2) 사용자의 위치가 (50, 50, 0) 일 때 높이에 따라 추정되는

좌표 및 실측값과의 차이 분포···104 (표 3.3-1) 측정 결과 ···127 (표 3.3-2) 각 LED 조명에 할당된 ID 주소 ···133 (표 3.3-3) 시스템 모델의 파라미터 ···135 (표 3.3-4) 각 LED 조명에 할당된 ID 주소 ···137 (표 3.4-1) 실내 LED 통신 채널 시뮬레이터의 입출력 변수 ···181 (표 3.4-2) VLC 채널 모의실험 파라미터 ···182 (표 3.4-3) VLC 채널 특성 근사식 계수 ···184 (표 3.4-4) VLC 채널 특성 ···185 (표 3.4-5) 위치인식 실험에 쓰인 이미지센서의 보정 결과 ···187 (표 3.4-6) LED와 이미지센서 기반 위치인식 실험 파라미터 ···191 (표 3.4-7) 이동거리별 측정된 평균오차 및 표준편차 ···193 (표 3.4-8) 시뮬레이션 파라미터 ···198 (표 3.5-1) 시간 ^.에서의 MN의 위치 Table ···205 (표 3.5-2) 채널 할당 부분 포맷 ···206 (표 3.5-3) 비콘 프레임 ···213 (표 3.5-4) MAC header ···213 (표 3.5-5) 슈퍼 프레임의 구체적인 부분 포맷 ···213 (표 3.5-6) 채널 할당 부분 포맷 ···213 (표 3.5-7) Configuration parameters ···220

(38)

(표 3.5-8) Configuration parameters ···221 (표 3.5-9) 매개변수 가정 ···234