OWC-MIMO 시스템을 위한 공간적으로 다중화된 GSM 기법
김정현
1, 문성재
1, 김영우
1, 홍성훈
2,*
1
Spatially Multiplexed GSM Technique for Optical Wireless Communication MIMO Systems
Junghyun Kim
1, Seongjae Moon
1, Youngwoo Kim
1, and Sunghoon Hong
2,*
요 약
GSM은 활성화되는 송신 LED 수를 제어함으로써 시스템 성능과 전송효율 사이에 좋은 교환조건 을 가지는 OWC-MIMO시스템의 전송기법으로 잘 알려져 있다. 본 논문에서는 GSM 기법에서 사용 되지 않는 LED 활성화 패턴을 GSM 기반 다중화를 위해 효과적으로 사용하는 SMP-GSM 기법을 제안한다. 모의실험 결과 전송 간섭이 높은 환경에서 제안된 방식은 GSM방식과 비교 시 유사 BER 성능에서 전송효율이 5bpcu 증가하였으며, SMP방식 비교시 동일한 전송효율에서 BER 성능이득이 10dB 이상임을 확인하였다. 이를 통해 제안된 방식은 전송 간섭이 많은 일반적인 OWC-MIMO시스 템에서 기 제안된 GSM 및 SMP 방식보다 최적화된 기법임을 확인 할 수 있었다.
Abstract
The GSM transmission scheme for OWC-MIMO systems is well known as a technique that has good trade-off condition between system BER performance and transmission efficiency by controlling the number of transmit LEDs that are actived. In this paper, we propose an SMP-GSM scheme that effectively uses the LED activation patterns for multiplexing between GSM schemes. The simulation results show that the proposed scheme increases the transmission efficiency by 5bpcu in similar BER performance compared to the GSM scheme in the environment with high transmission interference.
In addition, it was confirmed that BER performance gain of the proposed method increased by more than 10dB at the same transmission efficiency when comparing SMP method. Through this, we can confirm that the proposed scheme is more optimized than GSM and SMP scheme in general interference OWC-MIMO system.
Keywords : OWC, MIMO, GSM, SMP, SMP-GSM
1한국광기술원 마이크로LED연구센터 (광주광역시 북구 대촌동 첨단벤처로 108번길 9) 연구원
2전남대학교 전자컴퓨터공학부 (광주광역시 북구 용봉로 77) 교수
*Corresponding Author : hsh@jnu.ac.kr 접수일자 : 2019. 05. 08.
1차 심사 : 2019. 05. 09.
2차 심사 : 2019. 09. 22.
게재확정 : 2019. 10. 10.
DOI : http://data.doi.or.kr/10.22733/JITAE.2019.09.02.001
1. 서 론
다양한 산업, 과학 및 의료분야에서 사용되 는 무선통신 시스템의 주파수 스펙트럼은 매우 혼잡하여 상호 간섭에 의한 시스템 성능저하가 발생한다. 최근에는 자유공간에서 광 복사 기 술을 통해 정보를 전달하는 OWC (Optical Wireless Communication) 기술이 주파수 간섭 자유 및 보안성 강화의 장점을 기반으로 RF 통신 기술을 대체할 수 있는 유력한 기술 로 부상하고 있으며, 실내에서는 적외선 대역 을 사용하는 OWC 시스템에서 가시광대역으로 관심사가 이동하고 있다 [1][2][3]. OWC에 적용되는 LED (Light Emitting Diode)는 긴 수명, 낮은 소비 전력, 빛의 고품질이라는 조명으로 제공 할 수 있는 장점과 함께 On/
Off 및 디밍 제어가 가능하기 때문에 데이터를 전송하는 OWC의 송신단으로 적용이 가능하다.
사무실, 가정, 보안·가로등 등의 공간에 충 분한 조명을 제공하기 위해 일반적으로 여러 개의 LED array가 배치되기 때문에 OWC에 서 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 시스템의 활용은 실현 될 준비가 되어 있다.
NLOS (None-Line-of-Sight) 환경에서 활용 되는 OWC-MIMO 시스템은 spatial diversity gain을 제공하기 때문에 상당한 시스템 성능 향상을 할 수 있다 [4]. 하지만, 실내 공간의 경 우 페이딩이 없는 LOS (Line-of-Sight) 환경 이 대다수를 차지하기 때문에 RC (Repetition Code)와 같은 MIMO 기법의 효과는 적다.
대신에 실내 공간에서는 일반적인 MIMO 기법 으로 잘 알려진 SMP (Spatial Multiplexing) 와 SM (Spatial Modulation) 기법을 통해 spatial multiplexing gain을 제공하기 때문 에 상당한 시스템 성능 개선을 얻을 수 있다 [5][6].
SMP의 송신기에는 개의 LED가 있고 주 어진 모든 채널을 사용하기 때문에 개의 LED가 동시에 활성화되며, 각 LED에서는 양 의 실수인 -ary PAM (Pulse Amplitude Modulation)으로 변조된 심볼이 송신된다.
즉, SMP의 전송효율은 ⌊log⌋ bcpu
(bit per channel use) 이다. SM의 송신기 는 개의 LED 중 오직 하나의 LED만 활성 화 되며, 활성화 되는 LED는 ⌊log⌋정보 비 트에 기반하여 선택되어 진다. 즉, 활성화되는 LED의 인덱스가 곧 전달하는 정보 비트이며 PAM으로 변조된 심볼이 전송되기 때문에 전 송효율이 ⌊log⌋⌊log⌋bpcu 이다.
SM기법은 LED 수에 의해 전송 가능한 정보 비트의 수가 증가한다는 단점을 가지고 있지 만, 각 LED 간 간섭이 없어 동일한 전송효율 에서 SMP보다 우월한 성능을 보인다. GSM (General Spatial Modulation)은 SM의 일 반화 기법으로 개의 송신 LED들 중 개 LED를 활성화시키며 각 활성 LED는 PAM 심볼을 전송하여
⌊
log
⌋
⌊log⌋bpcu 전송효율을 가지며 일 경우 SMP 가 되며, 일 경우 SM이 된다 [7].
일반적으로 GSM은 SMP의 전송효율과 SM의 간섭완화 사이의 좋은 교환조건을 가지 는 전송방식으로 알려져 있으나, 활성화되는 LED수가 증가할수록 상호간 간섭증가로 인해 시스템 BER성능이 급격하게 열화된다. 본 논 문에서는 개의 LED 중 활성화될 개의 LED 를 선택할 때 발생하는
개의 후보전송벡터 들 중 GSM기법에 의해 선택되어진 ⌊log⌋
개를 제외한 나머지 후보벡터들을 이용하여 전 송효율과 BER성능 사이의 우수한 교환조건을 보이는 OWC-MIMO 전송방식을 제안한다.
모의실험 결과 제안된 전송 방식은 기 제안된 방식 대비 BER 성능과 전송효율 사이 좋은 교환조건을 가짐을 확인하였다.
2. OWC-MIMO 시스템 모델
본 시스템 모델링을 위해 개의 송신 LED 들과 개의 수신 PD들로 구성된 OWC 채널 을 고려하였다. × OWC MIMO 채널 행 렬 는 수식 (1)과 같이 표현된다.
…
…
⋮ ⋮ ⋱ ⋮
…
(1)
는 번째 송신 LED와 번째 수신 PD 사 이의 채널 이득을 의미하며, 는 수식 (2)와 같이 계산한다.
cos
(2)
는 번째 LED에서의 방사각이다. 은 Lambert ian emission의 차수로 lncos
ln
로 구할 수 있으며, 는 LED의 반전력 반치각 이다. 는 번째 수신 PD의 입사각이며, 는 PD의 검출 면적이다. 는 번째 LED와 번 째 PD 사이의 거리를 의미하며 는 PD의 화각을 나타낸다. 는 ≦ 일 경우
로 변환하며, 일 경우 으로 변환하는 함수이다. 채널 이득이 포함된 송신 신호
⋯
와 수신 신호
⋯
의 관계는 수식 (3)과 같이 표현 된다. (3)
⋯는 번째 송신 LED에서 전송되 는 신호이며, ⋯은 번째 수신 PD에 서 수신되는 신호를 의미한다. 은 평균이 0 이고 분산이 인 실수 가우시안 잡음이며, 는 PD의 응답성이다.
3. OWC 시스템에서 GSM 전송기법
GSM의 전송비트는 PAM으로 변조된 심볼 이 개의 활성화된 LED를 통해 전송되는 정 보 뿐만 아니라 활성화 LED의 인덱스도 전송 되는 정보비트에 포함된다. 각 활성화된 LED 에서 방출되는 -ary PAM 심볼 은 PAM 심볼 집합 에 속하며 수식 (4)와 같이표현할 수 있다.
⋯ (4)
여기서 은 PAM 심볼 집합의 원소 총 수이며 는 LED에서 방출되는 평균전력이다.
GSM 변조방식으로 총 가능한 LED 활성화 패턴의 수는
개 이며 이 중에서 ⌊log⌋
개의 패턴이 선택되어진다. 이렇게 선택된 활 성화 패턴에 총 가능한 PAM 심볼을 적용한 벡터들의 집합을 로 표시하며 이는 GSM 전송 벡터집합이 되며, ⌊log⌋× 개의 벡터로 구성되어 있다.
예를 들어 이고 인 경우 전송 가능한 총 LED 활성화 패턴 수는 이며, 여기서 ⌊log⌋ 개가 선택된다. 로 고려할 경우
와
이며, 최종 선 택되어 전송되는 벡터 집합 은 16개의 벡 터로 구성되어 있으며 그림 1과 같이 표현된 다. 또한, 최종 선택되어 전송되는 벡터 집합
를 이용한 GSM 전송방식은 그림 2와 같
이 표현된다.
그림 1. GSM의 전송 벡터집합 .
Fig. 1. Transmission vector set for GSM.
그림 2. 벡터집합 을 이용한 GSM 송신기.
Fig. 2. GSM transmitter using .
그림 2를 통해 GSM 전송방식은 입력의 첫 번째 두 비트 『10』는 활성화 되는 LED들의 인덱스인 (2,4)를 가르키며, 두 번째 두 비트
『01』은 각 활성화된 LED에서 방사되는 PAM 심볼 (2/3, 4/3)을 표현한다.
4. 제안된 공간 다중화 GSM 전송기법
GSM 전송방식에서 LED 활성화가 가능한 패턴의 수는 개로 이 중 선택되는 활성화 패턴과 버려지는 활성화 패턴이 존재한다. 제 안된 공간 다중화 GSM (SMP-GSM) 전송방 식은 GSM 방식에서 버려지는 LED 활성화 패턴을 효율적으로 사용하여 GSM간 다중화를 한다면 간섭은 감소시키고 전송효율은 높일 수 있다는 점을 기반으로 한다. 제안된 SMP-GSM 전송방식을 위한 LED 활성화 패턴 및 SMP-GSM을 위한 전송벡터 집합 생성과정은 아래와 같이 표현될 수 있다.
∙GSM 과정에서 생성된
를 다중화를 위한 2개의 패턴 그룹으로 구분한다. 첫 번째 패턴 그룹은 ⌊log⌋개의 패턴들을 가지며, 두 번째 패턴그룹은 첫 번째 패턴 그룹에서 선택되지 않은 패턴 중 2개의 패 턴만 가진다. 첫 번째 그룹 내 패턴은
⋯
, ⋯⌊log⌋로 나타 내며, 첫 번째 패턴 그룹은 로 표시한다.두 번째 패턴 그룹은 로 표시하며 그룹 내 패턴은
⋯
로 나타 낸다. 또한, 첫 번째 그룹과 두 번째 그룹 의 패턴이 동일한 경우를 대비하기 위해 첫 번째 그룹의 패턴 원소는 수식 (4)의 PAM 변조를 적용하며, 두 번째 그룹의 패턴 원소는
이 적용된 PAM 변 조를 사용하며, 수식 (4)의 PAM 변조방 식에 비해 마이너스 바이어스된 형태이다.
∙첫 번째 그룹 내 패턴과 두 번째 그룹 내 패 턴을 각각 결합하여 새로운 패턴 그룹을 생성 하며,
⋯
⋯⌊log⌋× 로 활성화 패턴을 표현할 수 있다. 새롭게 생성된 는 제안된 SMP-GSM 방식을 위 한 활 성 화 패 턴 그 룹 이 된 다 .
∙제안된 SMP-GSM 방식을 위해 생성된 활성화 패턴 그룹 내 패턴 의 원소의 값은 GSM 방식의 두 패턴그룹 내 패턴
와 의 원소값을 그대로 가져오며, SMP-GSM의 패턴을 생성 시 와 의 원소 위치가 동일하다면 (동일 LED 활성 화 인덱스를 가지면) 패턴 내 동일 원 소의 값은 × 를 통해 계산되 며 ⋯ 이다.
∙활성화 패턴 그룹내 패턴의 모든 가능한 원소를 고려한 벡터 집합을 으로 표시하며, 제안된 SMP-GSM을 위한 전 송 벡터집합이 된다.
∙전송효율과 간섭의 최적화를 위해 제안된 방식은 로만 한정한다.
예를 들어 이고 인 환경에 서 제안된 SMP-GSM 방식의 활성화 패턴 생 성 과정은 그림 3과 같이 표현할 수 있다. 그 림 3을 통해 생성된 활성화 패턴의 원소는 PAM으로 변조된 심볼이 적용되며 원소의 모 든 가능한 경우가 고려된 벡터 집합이 제안된 SMP-GSM 방식의 전송 벡터집합 이다.
또한, 벡터집합 를 이용한 SMP-GSM의 송신기를 그림 4와 같이 표현할 수 있고
⌊
log
⌋
⌊log⌋ 의 전송효 율을 가진다.제안된 SMP-GSM 방식은 인 GSM 방식을 2번 결합하는 구조를 가져 활성화되는 송신 LED의 수가 의 두 배인 4가 되어야 하지만, GSM 방식에서 버려지는 활성화 패턴 을 효율적으로 사용하여 활성화되는 LED 수를 3으로 줄여 송신 LED간 상호 간섭을 완화시 키며 다중화를 통해 전송효율은 크게 높인다.
이러한 특징으로 인해 제안된 방식은 SM 기법 에 비해 전송효율이 높고, SMP 방식에 비해 LED간 간섭이 적어 BER 성능이 우수하다.
그림 3. 제안된 SMP-GSM 방식의 전송 벡터 집합 생성을 위한 활성화 패턴 생성 과정.
Fig. 3. Transmission vector set generation for SMP-GSM.
그림 4. 벡터집합 이용 SMP-GSM 송신기.
Fig. 4. SMP-GSM transmitter using .
5. 모의실험 결과
본 장에서는 OWC-MIMO 시스템을 위한 GSM, SMP 및 제안하는 SMP-GSM 방식의 BER 성능을 모의실험을 통해 분석한다. 모의 실험 환경은 4x4 및 6x6 MIMO 환경에서 송 신 LED 위치와 수신 LED 위치에 따른 간섭 이 많고 적은 환경을 조성하여 MIMO의 수와 송수신기 위치에 따른 간섭 영향성 평가를 진 행하였다. MIMO 채널 계수 값은 수신단에서 알고 있다고 가정하였으며, 다중화된 MIMO 스트림의 간섭제거를 위해서는 ML (Maximum Likelihood) 검출 기법을 적용하였다. 특히, ML 검출을 위한 후보 벡터집합은 각 전송 기 법의 전송벡터 집합과 동일하다. 이외에 추가 적인 모의실험 환경은 표 1에 요약되어 있다.
그림 5는 4x4 MIMO 시스템 기반 송신 LED와 수신 PD 간격이 넓어 수신 간섭이 적 은 Position #1 조건과 수신 PD 간격이 적어 상호간 간섭이 많은 Position #2 조건에서의 GSM4,2,4 ( , , ) 변조 방식과 SMP 및 제안하는 SMP-GSM의 BER 성능 평가이며, 그림 6은 6x6 MIMO 시스템을 기 반으로 한 GSM6,2,4, SMP 및 SMP-GSM 의 성능평가 결과이다. 그림 5를 통해 수신단 간섭이 적은 상황에서 제안된 SMP-GSM 방 식은 기존 GSM 방식에 비해 약 3dB 정도 성 능열화가 발생하지만, 전송효율은 GSM의 6bpcu보다 5bpcu 큰 11bpcu로 월등한 성능 향상을 보였다. 그림 6은 수신단의 간섭이 높 은 일반적인 OWC 시나리오 상황에서는 제안 된 방식과 GSM 방식의 BER 성능이 유사해 짐을 볼 수 있으며 이는 제안된 방식은 간섭이 많은 환경에서 대용량 데이터를 전송하는 효과 적인 방법임을 보여준다. 또한, 그림 5와 그림 6을 비교하였을 때, 송수신 안테나가 증가함에 따라 수신 간섭이 증가하는 환경에서 제안된 SMP-GSM 방식은 GSM 방식과 유사한 BER 성능과 GSM 방식 대비 우월한 전송효 율을 가지고 있음을 보여주며, SMP 방식 대 비 우월한 BER 성능과 유사한 전송효율을 가 지고 있어 제안된 방식이 GSM과 SMP 방식
의 장점을 모두 가지고 있는 방식임을 보여준 다. 특히, 간섭이 많은 환경에 유리해 Micro LED 적용을 통한 다수개의 송수신 LED와 PD를 적용하는 Massive MIMO 환경에 유리 한 전송기법임을 알 수 있다.
표 1. 모의실험 파라메터.
Table 1. Simulation parameters.
4x4 MIMO
LED/PD # Position #1 Position #2 [LED1/PD1] [1 1] / [1 1] [1 1] / [1.3 1.3]
[LED2/PD2] [1 2] / [1 2] [1 2] / [1.3 1.7]
[LED3/PD3] [2 1] / [2 1] [2 1] / [1.7 1.3]
[LED4/PD4] [2 2] / [2 2] [2 2] / [1.7 1.7]
6x6 MIMO
[LED1/PD1] [1 1] / [1 1] [1 1] / [1.25 1.25]
[LED2/PD2] [1 1.5] / [1 1.5] [1 1.5] / [1.25 1.5]
[LED3/PD3] [1 2] / [1 2] [1 2] / [1.25 1.75]
[LED4/PD4] [2 1] / [2 1] [2 1] / [1.75 1.25]
[LED5/PD5] [2 1.5] / [2 1.5] [2 1.5] / [1.75 1.5]
[LED6/PD6] [2 2] / [2 2] [2 2] / [1.75 1.75]
천장과 바닥 간 거리 1.8m
LED 반전력 반치각 60°
PD의 FOV 70°
PD의 응답성 1
그림 5. 4x4 MIMO와 에서 SMP, GSM4,2,4 및 제안하는 SMP-GSM 방식의 BER 성능 평가.
Fig. 5. BER performance comparison of SMP, GSM4,2,4, proposed SMP-GSM with 4x4 MIMO and .
그림 6. 6x6 MIMO와 에서 SMP, GSM6,2,4 및 제안하는 SMP-GSM 방식의 BER 성능 평가.
Fig. 6. BER performance comparison of SMP, GSM6,2,4, proposed SMP-GSM with 6x6 MIMO and .
6. 결 론
본 논문에서는 OWC-MIMO 시스템에서 높 은 빈도로 사용되고 있는 GSM 전송기법에서 사용되지 않는 활성화 패턴을 효율적으로 이용 해서 두 개의 GSM 기법을 공간 다중화하는 SMP-GSM 전송 기법을 제안하였다. 제안된 방식은 기존 GSM 방식 대비 높은 전송효율을 확보 할 수 있었으며, SMP 방식 대비해서는 높은 BER 성능 이득을 확보 할 수 있었다.
특히 간섭환경이 많은 환경에서는 SMP 방식 과 유사한 BER 성능과 우월한 전송효율을 보 였으며, SMP 방식과 유사한 전송효율과 우월 한 BER 성능을 보임을 모의실험을 통해 확인 하였다.
감사의 글
이 논문은 2018년 문화체육관광부의 재원으 로 한국콘텐츠진흥원(KOCCA) 지원에 의한 논문임 (No. R2018020026).
참고 문헌
[1] J. Barry, et al., “Simulation of multipath impulse response for indoor wireless optical channels”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 11, No. 3, pp. 367-379, 1993.
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“Indoor optical wireless communication:
potential and state-of-the-art”, IEEE Communications Magazine, Vol. 49, No.
9, pp. 56-62, 2011.
[3] D. O’Brien, “Visible light communications:
challenges and potential”, IEEE Photonic Society 24th Annual Meeting, pp.
365-366, 2011.
[4] S. M. Navidpour, M. Uysal, and M.
Kavehrad, “BER performance of free-space optical transmission with spatial diversity”, IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 6, No. 8, pp.
2813-2819, 2007.
[5] R. Mesleh, R. Mehmood, H. Elgala, and H. Haas, “Indoor MIMO optical wireless communication using spatial modulation”, IEEE International Conference on Communications, pp. 1-5, 2010.
[6] T. Fath and H. Hass, “Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communication in indoor environment”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 61, No. 2, pp.
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[7] S. P. Alaka, T. L. Narasimhan, and A.
Chockalingam, “Generalized spatial modulation in indoor wireless visible light communication”, IEEE Global Communications Conference, 2015.
