Multi-objective Optimization of Channel Quality and Power Consumption in Visible Light Communication Systems

논문 2012-49-10-2

다목적함수 최적화기법을 이용한 가시광 무선통신시스템의 통신채널품질 및 전력소비 최적화 연구

( Multi-objective Optimization of Channel Quality and Power Consumption in Visible Light Communication Systems )

트렁홉도

^*

^*

^{** *} ( Dotronghop, Junho Hwang, and Myungsik Yoo )

요 약

가시광 무선 통신 (Visible Light Communication; VLC) 시스템은 조명 장치와 무선 통신의 역할을 동시에 수행하는 특징을 가진다. 하지만 조명 장치로서의 전력 소비와 통신 시스템으로서의 통신 채널 품질이 서로 상충관계에 있어서 가시광 무선 통 신 시스템 설계에 문제가 발생한다. 이에 본 논문에서는 다목적 최적화 기법을 이용하여 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 위한 최적화 연구를 수행하였다. 이를 위해 전력 소비와 수신 세기 그리고 SNR에 대한 목적함수 설정과 전력 소비 및 통신 채널 품질에 영향을 줄 수 있는 변수들을 범위 구간을 설정한 제약 조건을 제시하였다. 그 결과 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 동시에 만족시킬 수 있는 최적화 해를 산출할 수 있었다.

Abstract

The VLC system undertakes both missions of illumination and wireless communication. It is difficult to design a VLC system with optimal performance due to the trade-offs between power consumption and channel quality. In this paper, the VLC system design problem is solved by using multi-objective optimization method. For optimization, the multi-objective function is formulated with respect to power consumption, received power, and SNR under the constraints on the system variables. Through the multi-objective optimization, it is possible to obtain the solutions that satisfies both minimum power consumption and maximum channel quality.

Keywords

Visible Light Communication, Optimization, Power consumption, Signal-to-noise ratio, Received power

Ⅰ. 서 론

가시광 무선 통신(Visible Light Communication)^[1]은 반도체 소자인 LED(Light Emitting Diode)의 발광 특

*

정회원,

평생회원-교신저자, 숭실대학교 정보통신 전자공학부

(School of Electronic Engineering, Soongsil University)

※ 본 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사업임(No. 2010-0011275)

접수일자: 2012년9월18일, 수정완료일: 2012년10월2일

성과 이를 디지털로 제어가 가능하다는 특성을 무선 통 신에 접목한 차세대 무선 통신 기술이다. 일반적으로 가시광 무선 통신 시스템에서의 LED는 조명 장치의 역 할뿐 아니라 통신 장치로서의 역할을 병행한다^[2]. 이를 위해, 먼저 무선 통신 관점에서는 LED 조명을 통해 전 달되는 빛의 신호가 수신부에 효과적으로 전달될 수 있 도록 통신 채널의 품질을 가능한 높게 유지하는 것이 필요하며, 조명 장치로서의 역할을 수행할 경우 실내 조도 규격을 고려하여 최적의 상태로 내부 조도를 제공 하는 것이 중요하다.

하지만 빛의 통신 매개체로 하는 가시광 무선 통신

시스템의 통신 특성 상 빛의 세기에 강할수록 장거리 통신이 가능하고, 수신부에서도 정확한 신호 전달이 가 능하여 빛의 세기와 통신 채널 품질(Channel Quality) 의 비례성이 나타난다^[3]. 그러나 통신 채널 품질을 최대 화하기 위해 LED 조명의 빛을 최대화 한다면 규격화된 실내 조도는 물론 전력 소비(Power Consumption)의 문 제가 발생한다. 따라서 가시광 무선 통신 시스템 설계 에 있어서 통신 채널 품질과 LED 패널의 전력 소비는 서로 상충관계(Trade-off)에 있다고 할 수 있다.

일반적으로 통신 채널 품질은 수신 세기와 SNR (Signal to Noise Ratio)에 비례하는데, [4]에서는 가시 광 무선 통신 환경에서 조도(Illuminance), 수신 세기 (Received Power), SNR이 LED 패널의 다양한 파라미 터에 영향을 받는 것을 분석하였는데, 특히 LED 송신 전력, LED 패널의 위치 그리고 송신 장치인 LED 및 수신 장치인 PD의 소자 특성이 미치는 영향에 대해 분 석하였다. 이와 더불어 [5]에서는 LED 소자의 발광 각 도와 패널의 위치에 따른 조도, SNR 그리고 수신 신호 세기에 대한 성능 변화 등을 분석하였다. 그 결과 전력 소비, 수신 세기, 조도 그리고 SNR 성능이 서로 상충관 계에 있음이 증명되었고, 이러한 상충관계로 인해 가시 광 무선 통신 시스템에서는 전력 소비와 통신 환경 간 의 최적화된 상태를 설정하는 것이 매우 어렵다.

이와 같은 기존의 연구는 LED 및 PD 그리고 가시광 무선 통신 인프라의 변화가 가시광 무선 통신 시스템의 성능에 미치는 영향만을 분석하였으나, 실제 상용 통신 시스템 구축을 위해서는 통신 인프라 설계 시 통신 환 경 및 조도에 영향을 주는 다양한 파라미터를 최적화하 는 것이 매우 중요하다.

이에 본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계에 있어서 전력 소비는 최소화하고, 통신 채널 품질 최대 화를 위한 최적화(Optimization) 연구를 수행하였다. 이 를 위해 가시광 무선 통신 시스템의 전력 소비 및 통신 채널 품질에 영향을 미치는 다양한 환경 요소들을 제약 조건으로 설정하고, 다목적 함수 최적화 기법^[6]을 이용 하여 주어진 통신 파라미터를 모두 만족시키면서 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 만족시킬 수 있는 시스템 파라미터를 결정하였다.

본 논문의 구성은 Ⅱ장에서는 다목적 함수 최적화 기 법 설계를 위한 시스템 모델 및 목적 함수 그리고 제약 조건에 대해 서술하고, Ⅲ장에서는 앞서 설정한 목적

함수 및 제약 조건에 따른 최적화 기법 실험 환경 및 성능 결과를 분석하고, 마지막으로 Ⅳ장에서 결론을 맺 는다.

Ⅱ. 다목적 함수 최적화 기법을 이용한 전력 소비 및 통신 채널 품질 최적화 기법

다목적 함수를 이용한 최적화 기법은 단일 목표치를 만족시키는 변수들을 최적화하는 것이 아니라 여러 개 의 서로 상충 관계를 갖는 목적 함수들에 적합한 변수 들로 최적화하는 기술이다. 이에 본 논문에서는 LED 패널의 전력 소비와 통신 채널 품질의 상충 관계에 따 른 LED 및 PD 그리고 가시광 무선 통신 시스템 인프 라의 다양한 변수들을 최적화하기 위해 다음과 같은 시 스템 모델 및 통신 환경에서 목적 함수(Objective Function)와 제약 조건(Constraint)을 설정하였다.

1. 시스템 모델 및 통신 채널

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템에서 전력 소 비 및 통신 채널 품질 최적화를 위해 다음 그림 1과 같 이 4개의 LED 패널을 사용하는 실내 통신 환경과 시스 템 파라미터를 가정하였다^[4].

먼저 그림 1에서 보는 바와 같이 실험 방의 구조는 가로, 세로는 5m로 구성되며 바닥면에서 LED 패널이 설치된 높이는 3m로 구성된다. 또한 하나의 방에는 4개 의 LED 패널이 설치되어 있으며, 각 LED 패널은 60 × 60으로 총 3,600개의 LED 소자가 설치되어 있다. 이때

그림 1. 실험 방 구조 (5m * 5m * 3m) Fig. 1. Structure of model room.

그림 2. LED 소자의 발광 각도 Fig. 2. The light direction of LED.

각 LED 소자의 발광 각도는 그림 2와 같이 천장각 (Zenith Angle)과 방위각(Azimuth Angle)으로 구분된 다^[5].

이와 같은 방 구조에서 본 논문에서는 채널 품질 및 조도를 측정하기 위해 수식 (1)∼(4)를 사용^[4]하며, 각각 수신 신호 세기(Pr), 채널 경로 손실인 DC 이득 (H(0)), SNR 그리고 조도(Ehor)를 의미한다.



_

_

(1)













 

 

  





 

 ≤  ≤ 

   

(2)

  

_ ^

_{  } ^

^

_ ^



^

_{} ^

(3)



_

^



^

(4)

이때 수식 2에서 d는 송신기의 중심과 수신기의 중 심을 연결하는 직선거리, m은 Lambertian 반사 계수, A는 수신 PD 검파 면적을 의미한다. 또한

^

^





^





    

_

  

(5)

  











^

^



^

  ≤  ≤ 

_

   

_

(6)

수식 3과 4에서 사용되는 이때 은 PD 민감도를 나 타내고, 

_{}

_

_



_{ }

^



[4]. 마지막으로 는 LED 중심부의 광도(LED center luminous intensity)를 의미한다.



_{}





     ^

≤  



_



⁽⁷⁾



_

_ 



∞



_

_{} (8)



_ ^

_{}

_

_

_

(9)



 





_{ }











(10)

변수 정의 값

Detector Responsivity (

) [A/W] 0.54 Electronic charge (q) 1.602-19c Boltzmann’s constant (k) 1.38066-23 Absolute temperature (

_ ) [K] 295

Open-loop voltage gain (G) 10 FET transconductance (

_ ) [mS] 30 FET channel noise factor (Γ) 1.5 Fixed capacitance (η) [pF/cm2] 112 Background light current (

_ ) [μA] 5,110

Data rate (B) [Mbps] 100 Noise bandwidth factors (

_ ) 0.562 Noise bandwidth factors (

_ ) 0.0868

Table 1. Definition and value of parameters.

이와 같이 가시광 무선 통신 환경에서 통신 채널 및 조도에 영향을 끼치는 다양한 변수들 중 수식 (1)∼(4) 에서 볼 수 있듯이 LED 송신 전력(^), LED 중심부의 광도 I(0) 그리고 PD의 FOV(

^

2. 가시광 무선 통신 시스템의 최적화 연구를 위한 다목적 함수 및 제약 조건

앞서 살펴본 바와 같이 가시광 무선 통신 시스템에서 통신 및 조도에 직, 간접적으로 영향을 끼치는 변수들 은 매우 다양하다. 따라서 전력 소비 최소화와 통신 채 널 품질 최대화의 조건을 동시에 만족시키 위해서 다양 한 파라미터의 설정 제약 조건을 범위를 설정하고, 해 당 변수 조절 가능한 범위에서 최적화된 값을 찾는 것 이 중요하다. 이를 위해 본 논문에서는 조도에 영향을 끼치는 LED 패널의 전력 소비 최소화와 통신 채널 품 질에 영향을 끼치는 수신 신호 세기와 SNR 최대화를 목적함수로 하는 최적화 기법을 연구하였다. 이들 다목 적 함수의 정의와 제약 조건을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

가. 다목적 함수 최적화 기법을 위한 목적함수 결정 본 논문에서는 전력 소비 및 통신 채널에 대한 최적 화 연구를 수행하기 위해 다음과 같이 세 가지의 최적 화 목적 함수를 설정하였다.

ƒ O1) minimize total power consumption

ƒ O2) maximize SNR

ƒ O3) maximize received power

ƒ

앞서 가시광 무선 통신 시스템 모델에서도 언급하였 듯이 목적 함수 1과 목적 함수 3은 서로 상충 (Trad-off)되며, 목적 함수 2와 목적 함수 3도 서로 상 충관계에 있다. 이러한 목적 함수를 토대로 다목적 함 수 기법을 이용한 최적화 연구를 수행하기 위해 세 가 지 목적 함수를 동시에 만족시키기 위한 수식 (11)과 같이 최적화 대상을 공식화(Formulation)하였다.

 

_

_

_





_

(11)

이때 ^,

^

^



ƒ LED 패널과 벽면 사이의 거리 (LED panel to wall distance)

ƒ LED 소자간 거리 (Interval between LEDs)

ƒ LED 천장각 (LED zenith angle)

ƒ LED 발광 각도 (LED half power angle)

ƒ PD FoV (PD field of view)

ƒ LED 송신 전력 (LED transmitted power)

ƒ LED 패널의 열의 소자 개수 (Number rows in a LED panel)

나. 제약 조건 결정

앞서 목적 함수 결정 과정에서 살펴보았듯이 가시광 무선 통신 시스템에서의 변수는 매우 다양하다. 특히  변수들에 대한 제약 조건은 가시광 무선 통신 시스템의 전력 소비와 통신 채널 품질의 최적화를 위해 반드시 반영된 최적화가 이루어져야 한다. 이에 본 논문에서는 수식 (12)와 같이 변수들에 대한 범위 구간을 제약 조 건으로 설정하였다. 이때 제약 조건을 서로 완벽히 독 립적(Absolutely Independent)이며, 최적화를 위해 주어 진 범위 내에서 조절가능하다.

0.5 1.5

0.8 1.6

0 50

60 80

50 70

10 40

40 60

o o

o o

o o

m LED panel to wall distance m cm Interval between LEDs cm

LED zenith angle X LED half power angle

PD FoV

mW LED transmitted power mW Number of LED rows in a panel

≤ ≤

⎧⎪ ≤ ≤

⎪⎪ ≤ ≤

=⎪⎨ ≤ ≤

⎪ ≤ ≤

⎪ ≤ ≤

⎪⎪ ≤ ≤

⎩

(12)

이와 더불어 LED 중심부의 광도 는 LED 송신

전력과 비례관계에 있기 때문에 수식 (13)과 같이 송신 전력과 LED 중심부의 광도 관계를 가정하였다^[6].

   ×





_

(13)

Ⅲ. 최적화 결과 및 분석

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템에서 다목 적 함수 기법을 이용한 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질 최대화를 위해 다목적 함수 기법을 이용한 최적 화 연구를 수행하였고, 설정한 다목적 함수에 대한 성 능을 분석하기 위해 NSGA-2 (Non-Sorting Genetic Algorithm-2) 알고리즘^[7～8]을 사용하였다. 이때 군집 의 크기는 2,000이며, 100번 반복을 통해 결과를 산출 하였다.

그림 3은 본 논문에서 설정한 파레토 최적해 (Pareto-Optimal Solutions)를 찾기 위해 전력 소비별 수신 신호 세기와 SNR의 성능을 산출한 것이다. 이때 전력 소비는 47dBm부터 50dBm 구간 중 총 8개 값을 정하였다.

일반적으로 가시광 무선 통신 시스템은 조명뿐만 아 니라 통신 매체로서의 역할도 동시에 수행하여야 하기 때문에 통신 시스템 설계 시 반드시 조명의 전량을 최 소화시켜야 하며, 통신 채널 품질을 최대화는 것이 가 장 중요하다. 먼저, 통신 채널 품질 관점에서 살펴보면 통신 채널 품질은 수신 신호 세기와 SNR에 영향을 받

그림 3. 가시광 무선 통신 시스템 최적화 성능 I (수신 신호 세기와 SNR 임계치)

Fig. 3. Optimal performance I of the VLC system.

(Received power and SNR threshold)

는데, 일반적으로 수신 신호 세기가 높을수록 높은 SNR을 제공할 수 있다. 이에 따라 최적화된 가시광 무 선 통신 시스템을 설계하기 위해 최적화 기법을 통해 산출된 최적해 후보 중 통신 채널 품질을 우선순위로 고려하는 경우 수신 신호 세기와 SNR에 대한 임계치를 설정하여야 한다.

이에 본 논문에서는 앞서 산출한 파레토 최적해 구간 을 토대로 수신 신호 세기와 SNR의 임계치를 각각 1.5dBm와 30dB로 설정하였다. 설정된 임계치를 그림 3 에 도입하게 되면, 최적해의 값은 수신 신호 세기의 임 계치를 기준으로 오른쪽 구간에 해당되며, SNR 구간에 서 위쪽에 해당되어, 그림 3에서 표시된 바와 같이 설 정된 최적화 해 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 48.0618dBm 값을 갖는 전력 소비 구간을 최적화 해로 결정하였다. 이때 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 것을 최적화 해로 선택하는 것은 SNR이 통신 채널 품질을 직접적으로 표현할 수 있는 값이기 때문이다.

반면, 가시광 무선 통신 환경에서 전력 소비 최소화 를 우선순위로 고려하여 최적화를 수행할 시스템이 운 영할 수 있는 최대 전력 소비를 결정하는 것이 중요하 다. 이를 위해 먼저 수신 신호 세기의 임계치를 결정하 는 것이 필요하며, 최대 전력 소비와 수신 신호 세기를 만족하는 지역에서 SNR이 가장 높은 것을 선택하는 것 이 바람직하다. 이에 본 논문에서는 전력 소비 최대 임 계치를 48.5dBm으로 설정하고 수신 신호 세기를 1.5dBm로 설정한 후 최적화 해를 결정하였다. 그 결과

그림 4. 가시광 무선 통신 시스템 최적화 성능 II (전력 소비와 수신 신호 세기 임계치) Fig. 4. Optimal performance II of the VLC system.

(Power consumption and received power threshold)

SNR[dB] Pr[dBm] NR[EA] Pt[mW] HPA[deg] FoV[deg] D[m] I[cm] Z[deg]

26.14 2.17 40 40 60 50 0.95 1.2 3

26.55 2.16 40 40 60 50 0.94 1.1 3

27.01 2.16 40 40 60 50 0.92 1 2

27.50 2.15 40 40 60 50 0.93 1 2

28.02 2.14 40 40 60 50 0.92 0.9 3

28.51 2.14 40 40 60 50 0.92 0.9 2

29.07 2.13 40 40 60 50 0.92 0.8 2

29.60 2.11 40 40 60 50 0.87 0.8 1

30.02 1.74 40 40 60 50 0.66 0.8 0

30.51 1.57 40 40 60 50 0.61 0.8 0

31.00 1.34 40 40 60 50 0.56 0.8 0

31.30 0.43 40 40 60 50 0.54 0.8 20

표 2. 전력 소비 48.0618dBm에서 최적화 해

Table 2. Optimal solutions corresponding to power consumption of 48.0618dBm.

그림 4에 표시된 바와 같이 최대 전력 소비 임계치와 수신 신호 세기 임계치를 모두 만족하는 최적화 후보 지역 중 SNR이 가장 높은 48.0618dBm 값을 갖는 전력 소비 구간을 최적화 해로 결정하였다.

이와 같이 통신 채널 품질 및 전력 소비의 목적함수 를 모두 만족하는 최적화 해는 48.0618dBm으로 산출되 었으며, 해당 전력 소비량의 상세한 SNR 및 수신 세기 그리고 제약 조건들의 최적화 값을 정리하면 표 2와 같 다. 이때 SNR, Pr, NR, Pt, HPA, FoV, D, I, Z는 각각 SNR, 수신 세기, LED 패널의 열의 소자 개수, LED 발 광 각도, PD FoV, LED 패널과 벽면 사이의 거리, LED 소자간 거리, LED 천장각을 의미한다.

표 2에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 설정한 수신 세 기, SNR 그리고 전력 소비 임계치를 고려하였을 때 산 출되는 최적화 해인 48.0618dBm 구간에서의 SNR은 26

∼ 31 dB사이의 SNR을 제공할 수 있으며, LED 패널의 열은 40개의 LED 소자를 배치하고, LED 송신전력은 40mW를 설정하는 것이 최적해로 산출되었다. 이와 더 불어 LED 발광 각도는 60도이며, PD의 FoV는 50도, 그리고 LED 패널과 벽면사이의 거리는 SNR 성능에 따라 약간씩 변화되나 0.9m ∼ 0.5m 사이에 존재한다.

마지막으로 하나의 LED 패널 내부 LED 소자의 설치 간격은 1.2cm ∼ 0.8cm이내이며, LED 천장각은 0도 ∼ 20도 사이에 설정된다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 가시광 무선 통신 시스템 설계 단계에 있어서 LED 조명 장치와 통신 시스템의 요구 조건을 만족시키기 위해 전력 소비 최소화와 통신 채널 품질의 최대화를 위한 최적화 연구를 진행하였다. 이를 위해 가시광 무선 통신 시스템을 구성하는 구성 요소 및 통 신 환경에 대한 다양한 변수들을 제약 조건으로 설정하 였으며, 다목적 함수 최적화 기법을 이용하여 전력 소 비 및 통신 채널 품질을 모두 만족시킬 수 있는 최적화 해를 도출하였다.

이러한 가시광 무선 통신 시스템에 최적화 연구는 향 후 가시광 무선 통신 시스템 상용화를 위해 반드시 설 계 단계에 있어서 주어진 설치 환경을 고려하여 수행되 어야하는 매우 중요한 기술적 의의를 갖는다. 이에 본 연구는 향후 가시광 무선 통신 시스템 상용 연구의 한 분야로서 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

참 고 문 헌

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저 자 소 개 트렁홉도(정회원)

2009년 University of science at HoChiMinh city Dept. of Math and Com. Science 학사 졸업.

2011년 3월～현재 숭실대학교 정보통신공학과 석사과정.

<주관심분야 : Visible Light Communication, Wireless Fieldbus System>

유 명 식(평생회원)

1989년 고려대학교 전자전산 공학과 학사 졸업.

1991년 고려대학교 전자공학과 석사 졸업.

2000년 SUNY at Buffalo Dept. of EE 박사 졸업.

2000년 9월～현재 숭실대학교 정보통신전자 공학부 부교수

<주관심분야 : Optical Network, OBS, EPON, QoS, Wireless MAC Protocol, MANET, RFID, USN, CR, Visible Light Communication, Wired/

Wireless Fieldbus System>

황 준 호(정회원)

2004년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업.

2006년 숭실대학교 정보통신 공학과 석사 졸업.

2006년 9월～현재 숭실대학교 정보통신공학과 박사과정.

<주관심분야 : Optical Access Network, Wireless MAC Protocol, Visible Light Communication, Wired/Wireless Fieldbus System>

시스템에서 LED 패널 위치 및 발광 각도가 통신 채널 품질에 미치는 영향 분석,” 한국통신학회 논 문지, Vol. 36, No. 9, pp. 1108-1116, September 2011.

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