논문 2016-53-1-10
LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템
( LED-to-LED Two Way Visible Light Communication System )
조 승 완 * , 오 훈 * , 이 연 재 * , 리 데 덩 ** , 안 병 구 ***
( Seung Wan Jo, Hoon Oh, Yeon Jae Lee, Le The Dung, and Beongku An
ⓒ)
요 약
최근 그린 무선통신 서비스가 주목 받으면서 가시광통신에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 현재 가시광통신은 주로 송신에 LED를 이용하고, 수신에 PD(Photo Diode)를 사용하여 통신을 한다. 그러나 이러한 시스템 방식은 응용에 한계가 있다.
본 논문에서 제안 개발된 시스템의 주요한 특징과 기여도는 다음과 같다. 첫째, LED만을 이용하여 송수신을 하는 LED-to-LED 가시광통신 시스템이며, 아날로그 스위치로 송수신회로를 교체하는 방식을 사용한다. 둘째, 단방향 통신과 양방 향 통신을 함께 지원한다. 단 방향 통신은 멀티 홉을 지원한다. 성능평가 환경은 보통의 형광등이 비추는 곳에서 실험을 하였 다. 단 방향 통신은 거리와 보드레이트를 변화 시키며 전송 성공여부를 측정 하였고, 양방향 통신은 거리에 따라 양방향 통신 성공여부를 확인 하였다. 본 논문에서 제안 설계한 LED-to-LED 가시광통신 시스템을 이용하여 더 많은 분야에 응용 할 수 있을 것으로 기대 된다.
Abstract
Recently, visible light communication(VLC) is being actively researched as green wireless communication services are drawing attention. Currently, VLC mostly uses LED for transmission and PD(Photo Diode) for receiving. However, this kind of system has limited applications. Therefore, we design and propose in this paper, a LED-to-LED two way VLC system that doesn’t use PD(Photo Diode). This system has the following features and contributions. First, this system uses just LED at both transmitter and receiver with analog switch, Second, this system support both one-way communication and two way communication together. One way communication can support multi-hop communication. The performance evaluation of the proposed system is conducted at a place with standard light. We test the success or failure of one way communication by changing distance and baud rate while test the success and failure of two way communication by changing distance. We expect that the proposed LED-to-LED system in this paper can be applied for various application fields.
Keywords : VLC, LED-to-LED communication, Multi-hop networks, Two way communication
*
학생회원,
***평생회원, 홍익대학교 컴퓨터정보통신 공학과(Dept. of Computer & information
Communication Engineering Hongik University)
**
학생회원, 홍익대학교 대학원 전자전산공학과 (Dept. of Electronics & Computer Engineering in Graduate School, Hongik University)
ⓒ
Corresponding Author(E-mail: [email protected])
※이 논문은 2015년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 과학창의재단 (대학단계프로그램(URP)지원사업) 및 2012년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 연구임
(NRF-2012R1A2A2A01046780).
Received ; November 9, 2015 Revised ; December 7, 2015 Accepted ; January, 2016
Ⅰ. 서 론
가시광통신은 기존에 RF(radio frequency) 기술에 의
해서 사용되었던 단거리, 실내 무선통신 서비스 등에
효과적으로 적용이 가능하다 [1～3] . LED (Light Emitting
Diode)는 긴 수명, 작은 크기와 저 전력 소모 등과 같은
특징을 가지고 있다. LED는 교통 조명 등에 많이 사용
되고 있을 뿐만 아니라, 점진적으로 전통적인 조명 시
스템들이 LED 조명으로 대체되고 있다 [4] . 또한 LED는
밝기를 주기적으로 조절이 가능해 데이터를 전송할 수
있으며, 발광뿐만 아니라 포토다이오드(Photo Diode)처
그림 1. LED-to-LED 단 방향 가시광통신 시스템 Fig. 1. LED-to-LED one way VLC system.
럼 들어오는 빛을 수신해 수신기로 사용이 가능하다 [1] . LED-to-LED 양방향통신 시스템은 별도의 수신기가 필요가 없어 네트워크 구성을 단순하게 하고, 센서네트 워크, 홈 네트워크, 스마트 조명 등에 응용이 가능하다.
LED-to-LED 양방향 통신은 기존의 적외선통신과 RF 통신에서 사용하는 통신방식을 가시광통신에 응용할 수 있는 확장성을 가진다 [2,5～6] .
본 논문에서는 LED-to-LED 단방향 가시광통신 시 스템 및 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템을 제 안 개발하고 시스템의 성능을 평가한다 [7～9] . 본 논문은 다음과 같이 구성 되어 있다. Ⅱ장에서 논문에서 제안 하는 시스템의 구조와 동작원리에 대해서 설명하고, Ⅲ 장에서 제안하는 시스템의 성능평가를 실시한다. 그리 고 Ⅳ장에서는 결론을 내고 논문을 마무리한다.
Ⅱ. 제안된 시스템 1. 제안된 시스템의 기본 개념
가. LED-to-LED 단 방향 가시광통신 시스템 그림 1은 LED-to-LED 단 방향 가시광통신 시스템 의 개념도를 나타낸 것이다. 단 방향 LED-to-LED 시 스템은 송신 모듈과 수신 모듈로 각각 구성되어 있다.
송신 모듈은 MCU에 LED를 연결하여 데이터를 전송하 는 역할을 한다. 수신 모듈은 LED에서 받은 데이터를 OP-AMP를 거쳐 MCU로 수신하여 데이터를 출력하는 역할을 한다.
나. LED-to-LED 단방향 멀티 홉 가시광통신 시스템 그림 2는 LED-to-LED 단 방향 멀티 홉 가시광통신 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 기존의 단방향 가시 광통신 시스템에 릴레이 모듈을 추가하여 만든 것이다.
릴레이 모듈은 LED로 송신 데이터를 수신하여 OP-AMP를 거쳐 반대편 LED로 송신한다. 단순히 신 호를 증폭하여 전달만 한다.
그림 2. LED-to-LED 단 방향 멀티 홉 가시광통신 시스 템
Fig. 2. LED-to-LED one way multi-hop VLC system.
그림 3. LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템 Fig. 3. LED-to-LED two way VLC system.
다. LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템 그림 3은 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템의 구성도를 보여주고 있다. LED-to-LED 양방향 가시광 통신 시스템은 텍스트 데이터를 RS-232방식을 이용하 여 전송하는 방법을 취한다. LED는 송신과 수신을 동 시에 하지 못 한다. 본 연구에서는 송신과 수신을 동시 에 하지 못하는 LED의 단점을 해결하고자 송신 상태와 수신 상태 2가지 상태의 회로를 구성하고, 이를 아날로 그 스위치로 제어하여 데이터를 주고받는다. 평상시는 수신 상태로 되어 있다가 데이터를 송신하고자 할 때, 송신상태로 변경되어 데이터를 송신한다. 데이터 송신 이 끝나면 다시 수신 상태로 변경된다.
송신상태는 MCU가 아날로그 스위치 제어 신호와 PC로부터 받은 텍스트 신호를 보낸다. 제어 신호를 받 은 아날로그 스위치는 송신모드로 회로를 변경하고 텍 스트 신호를 LED로 보낸다.
수신 상태는 MCU의 기본 상태이다. LED로부터 나 온 신호는 OP-AMP를 거쳐 증폭되어 MCU로 보내져 텍스트 데이터를 읽어 PC 화면에 출력해준다.
2. 시스템 세부 동작원리 가. 단방향 시스템 세부 동작원리
그림 4는 단방향 시스템의 전송부를 보여주고 있다.
단 방향 전송 시스템에서 전송부는 MCU에서 생성된 데이터를 단순 포워딩기능만 한다.
그림 5는 단방향 시스템의 수신부를 보여주고 있다.
수신부는 LED로부터 수신 받은 데이터를 OP-AMP를
이용하여 증폭시켜 MCU에게 전달한다.
그림 4. 전송부 시스템블록 Fig. 4. System block of transmitter.
그림 5. 수신부 시스템블록 Fig. 5. System block of receiver.
그림 6. 릴레이 시스템블록 Fig. 6. System block of relay.
그림 6은 단방향 시스템의 릴레이부를 보여주고 있 다. 릴레이부는 LED로부터 수신 받은 데이터를 OP - AMP를 이용하여 증폭시켜 LED에게 전달한다.
나. 양방향 시스템 세부 동작원리
그림 7는 송신상태의 시스템블록 및 모듈을 보여주 고 있다. PC에서 텍스트 데이터를 입력을 하면 MCU에 서는 아날로그 스위치를 제어하는 논리적 0과 텍스트 데이터를 시리얼 통신 형태로 LED로 보낸다. 송신 회 로는 시리얼 통신의 TX 포트와 LED가 직접적으로 연 결 된다. 평상시 모드는 수신모드 이다. 따라서 송신이
그림 7. 송신 상태의 시스템블록
Fig. 7. System block of transmitter mode.
그림 8. 수신 상태의 시스템블록 Fig. 8. System block of receiver mode.
시작할 때 송신모드를 실행을 하고, 송신이 완료 되어 송신이 끝이 나면 다시 수신 모드로 변경을 해줘야 한 다. 이를 MCU에서 제어를 한다.
그림 8은 수신 상태의 시스템블록 및 모듈을 보여주 고 있다. 먼저, 주변의 빛과 수신하고자하는 빛을 구별 해야 한다. LED에서 일정세기 이상의 빛만 수신한다.
수신된 데이터는 OP-AMP를 거쳐 MCU로 간다. 평상 시모드는 수신모드 이므로 MCU에서 아날로그 스위치 를 제어하는 신호를 보내지 않아도 된다.
Ⅲ. 성능평가
본 논문에서 제안한 시스템은 보통의 형광등이 비추 는 실험실에서 성능평가를 수행 하였다.
그림 9는 LED-to-LED 단방향 가시광통신 시스템
성능평가환경을 보여주고 있다. 단방향 가시광통신 시
스템의 성능평가는 각 모듈(송신 모듈과 릴레이, 수신
모듈과 릴레이)사이 거리를 변화시키면서, ‘U’라는 문자
전송 성공률을 알아보았다.
그림 9. LED-to-LED 단 방향 가시광 통신시스템 성능 평가환경
Fig. 9. Environments for performance evaluation of LED -to-LED one way VLC system.
(a) 송신 신호
(a) 수신 신호
그림 10. 오실로스코프로 측정한 LED-to-LED 단방향 가 시광통신시스템 송신부, 수신부 신호
Fig. 10. Signals at transmitter & receiver of LED-to-LED one way VLC system observed on oscilloscope.
그림 10은 LED-to-LED 단방향 가시광통신 시스템 송신부, 수신부 신호를 보여주고 있다. t1, t2 주기로 같 은 신호 포맷이 반복되는 것을 확인 할 수 있고, 일정한 형태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 이러한 이유는 전 송이 원활히 이루어지기 때문이다.
표 1. 거리변화에 따른 전송성공 여부
Table 1. Success or failure of transmission according to the change of about distance.
거리
(cm) 8 9 10 10.8 12 12.5
1-hop O O O O O O
2-hop O O O O O O
3-hop O O O X X X
13 13.4 13.6 13.8 14 14.2 14.4
O O O O △ △ X
O O O O △ X X
X X X X X X X
(a) 문자 전송
(b) 문자 수신
그림 11. LED-to-LED 단방향 가시광통신 시스템 시리얼 모니터 실험 화면
Fig. 11. Picture of serial monitor experiment of LED -to-LED one way VLC system.
그림 11은 실제 시리얼 모니터에 출력된 값을 캡쳐한 것이다. ‘U’를 100000개를 전송하여 수신이 성공할 때 Count를 증가 시키는 방식으로 그림11(b)를 보면 숫자 가 Count를 의미한다. 수신부는 ‘U’라는 문자가 수신될 경우만, Count를 증가시키므로 실제 실험을 진행 할 때, 수신부 프로그램을 먼저 실행한 뒤 송신부를 실행을 하 여 실험오차를 줄이고자 하였다.
표 1는 거리변화에 따라 전송 성공률을 보여주는 그
래프이다. 모듈간의 거리가 멀어질수록 전송성공률이
감소하는 것을 확인 할 수 있고, 홉이 많아질수록 전송
(bps) 1200 2400 4800 9600
1-hop O O O O
2-hop O O O O
3-hop O O O O
19200 38400 115200 230400
O O O X
O O O X
O O X X
표 2. 보드레이트 변화에 따른 전송 성공여부
Table 2. Transmission success or failure according to the change of baud rate.
그림 12. LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템 성능평 가환경
Fig. 12. Environments for performance evaluation of LED- to-LED two way VLC system.
성공률이 떨어지는 것을 확인 할 수 있다.
표2은 각 모듈간의 거리를 8cm로 고정하고, 보드레 이트를 변화 시켜, 전송 성공여부를 보았다. 표2에서 보 는 바와 같이 115200bps부터 3홉에서 전송이 안 되는 것을 확인 할 수 있고, 230400bps에서는 모두 전송이 안 되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 개발된 시스템은 현재 115200bps 이상의 전송속도에서는 멀티 홉 환경 에서 효과적인 성능 지원이 되지 않고 있음을 알 수 있 다. 이에 대한 연구가 현재 지속적으로 진행되고 있다.
그림 12는 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템 성능평가 환경을 나타낸 것이다. 양방향 통신의 성능평 가는 각 모듈의 거리를 변화 시키며 송수신 성공률을 알아보았다.
그림 13은 양방향전송 성능평가 개념도를 나타낸 것 이다. 1번 모듈에서 ‘A’문자를 2번 모듈에게 전송을 하 고 수신모드로 변경되어 대기 한다. ‘J’문자를 수신한 2 번 모듈은 t1시간을 대기한 뒤 ‘B’문자를 1번 모듈에 전 송을 하고 수신모드로 대기 한다. 1번 모듈도 2번 모듈 과 마찬가지로, t1시간을 대기한 뒤 ‘J’문자를 전송을 한 다. 만일 각 모듈에서 ‘J’나 ‘B’의 신호의 왜곡이 생겨 제대로 된 문자를 수신을 못 했을 경우 각 모듈을 t2시 간을 대기한 뒤 위와 같은 과정을 반복 시행한다. 1번
그림 13. 양방향전송 성능평가 개념도
Fig. 13. The concepts for performance evaluation of two way transmission
에서 문자를 전송하고 2번에서 문자를 전송한 것을 한 사이클로 이를 10만 번을 시행하였다. 이 때 각 모듈에 서 수신 성공을 Count를 하여 성공률을 계산한다. 신호 의 왜곡이 생겨 t2시간을 대기하고 재전송이 될 경우 수신 성공 Count를 각각 1개씩 감소시켰다.
(a)대기시간
(b)왜곡발생 시 대기시간
