스마트 빌딩을 위한 가시광 통신 시스템의 성능 향상 기법

Performance Enhancement Technique in Visible Light Communication System for Smart Building

Abstract

본 논문은 스마트 빌딩을 위한 가시광 통신 시스템 (VLC, Visible Light Communication)에서 통신의 안정성 및 데이터의 신뢰성을 향상시키는 다중 채널 간섭 제거 알고리즘에 대해 연구하였다. 가시광 통신 시스템은 LED (Light Emitting Diode)를 통해 방사되는 가시광을 이용한 차세대 통신 시스템으로 스마트 빌딩을 위한 유비쿼터스 네트워크 서비스 환경에서 에너지 절감 효과를 가져 올 수 있다. 또한 기존 인프라를 활용하여 고출력 전송이 가능하며 유지 보수비용을 절감할 수 있다. 실내에서 다수의 사용자가 통신을 할 경우, 채널 간섭으로 인해 성능의 열화가 발생하게 된다. 간섭 제거를 위해 먼저 MMSE (Minimum Mean Square Error) 기법을 통해 간섭을 제거한 후, 순차 연속 간섭 제거(SIC, Successive Interference Cancellation) 알고리즘을 이용하여 추가적으로 주변의 영향력이 큰 간섭원을 제거하여 성능을 향상시켰다. 채널 모델로서 실내 가시광 통신 모델을 적용 하였고, 비트 오류율 (BER, Bit Error Rate)을 평가하여 성능을 검증하였다. 모의실험을 통해 제안된 시스템의 성능을 검증하였고 기존의 시스템보다 향상된 결과가 나타냈다. 제안한 시스템 모델은 가시광 통신뿐만 아니라 일반적인 통신 시스템에서도 신호의 품질을 향상시킬 수 있도록 다양하게 적용이 가능하다.

In this paper, we propose the multi-channel interference cancellation algorithm for visible light communication (VLC) in smart building. The VLC system is communication technology using visible rays that come out in Light Emitting Diode (LED) device. It has energy curtailment effect and possible to use in ubiquitous network service applications. When a large number of users communicate indoors, the performance can be reduced due to channel interference. To remove interference, at the first, the minimum mean square error (MMSE) scheme as interference cancellation methods used, and then the successive interference cancellation (SIC) is applied to obtain additional diversity gain and improve interference cancellation performance. Indoor VLC channel model is employed. The performance is evaluated in terms of bit error rate (BER). From the simulation results, it is confirmed that the proposed scheme has better BER performance compared to the previous systems. As a result, the proposed interference cancellation improves the signal quality of VLC systems by effectively removing the channel noise. The results of the paper can be applied to VLC for smart building and general communication systems.

Ⅰ. 서론

가시광 통신 (VLC, Visible Light Communication) 이란 우리 주위에 흔하게 존재하는 눈에 보이는 빛을 사용하여 통신을 하는 최신 통신기술로, 실내 통신 시스템 필요성의 증가와 LED (Light Emitting Diode)의 개선을 통해 가시광 통신 시스템에 관심이 높아지고 있다^[1,2]. 가시광 무선 통신 효과로 빛을 사용하기 때문에 인체에 무해하고 주파수 허가를 받을 필요도 없으며 물리적으로 보안 기능을 제공하는 장점을 지닌다. 최근 LED 기술은 형광등 조명을 대치하고, 친환경적이며 에너지 절감효과가 있는 조명 기술의 혁신을 가져올 조명용 LED에 관한 관심이 매우 커지고 있으며, 유비퀴터스 네트워크에 의한정보통신 서비스의 다양화로 최근 조명용 LED를 이용한 실내 근거리 통신 기술 응용이 확대되어가고 있다^[3]. 가시광 통신의 보급은 발광 소자의 성능에 크게 의존하며, 휘도가 높을수록 용도가 넓어질 수 있다. 실내에서의 무선 연결을 위해 백색 LED을 이용한 무선 광학 통신망에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다^[4-6]. 실내 측위 기술은 GPS 신호 수신이 어려운 지역을 LED 조명을 통해 커버함으로써, 건물 내부나 빌딩숲과 같은 전파 음영 지역에서도 원활하게 위치를 인식할 수 있으며, Li-Fi 서비스를 통해 데이터 통신이 가능하다. 본 논문에서는 실내 건물에서 다수의 사용자가 원활하게 가시광통신 서비스를 제공받을 수 있도록 순차 간섭제거 기법이 적용된 다중 접속 방식을 제안한다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 제 Ⅱ장에서는 제안된 가시광통신 시스템 개요를 소개하고, 제 Ⅲ장에서는 순차 간섭 제거 적용된 시스템에 대해 설명한다. 제 Ⅳ장에서는 실험을 통해 성능을 분석하고, 마지막으로 Ⅴ장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.

Ⅱ. 가시광 통신 시스템

LED는 전기를 빛으로 바꾸는 성질을 이용하여 조명으로 활용된다. 따라서 LED 조명을 이용한 가시광 통신의 원리는 그림 1에서 보듯이 LED의 PD (Photo Diode)의 깜박임을 송수신하는 원리를 기본으로 하여 조명 기능을 유지하면서 통신도 동시에 수행할 수 있다^[7]. 전기에서 빛으로 바뀌는 속도가 약 30 nm에서 250 nm로 스위칭을 통해 통신을 수행한다. 사람은 초당 100번 이상의 깜박임은 인식하지 못하기 때문에 통신을 수행하는 중에도 조명의 기능을 유지할 수 있게 된다.

그림 1. 가시광 통신 동작 원리

Fig. 1. Principle of VLC operation

그림 2는 일반적인 Lambertian 방사 패턴을 나타낸다. 넓게 퍼지는 광원은 위치벡터 r_s, 단위 길이의 방향벡터 \(\widehat{n_{s}}\), 전력 \(P_{s}\), 그리고 복사강도 패턴 \(R(\varnothing \theta)\)로 표현 된다. 여기서 복사강도 패턴 \(R(\varnothing \theta)\)은 \(\widehat{n}_{s}\)를 기준으로 ∅\(\theta\) 방향으로 단위 입체각 당 소스로부터 방출되는 광전 력으로 정의된다. 소스는 \(\theta\)에 무관하고 ∅ 방향으로 대 칭인 일반적인 Lambertian 복사패턴으로 모델링 될 수 있으며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다[8].

\(R(\varnothing)=\frac{n+1}{2 \pi} P_{s} \cos ^{n}(\varnothing) \text { for } \varnothing \in\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]\),       (1)

그림 2. 일반적인 Lambertian 방사 패턴

Fig. 2. General Lambertian radiation pattern

여기서 n은 소스의 방향성을 결정하는 복사 로브의 모드 수이다. 모드 번호가 증가할수록 방향성이 커지는 것을 의미하며, 모드 번호가 1인 경우가 전통적인 Lambertian 소스이다. 기준 시간에 단위 임펄스로 표시되는 빛의 강도를 방출하는 소스원 S 및 수신기 R은 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

\(\begin{array}{l} S=\left\{r_{s}, \widehat{n}_{s}, n\right\} \\ R=\left\{r_{R}, \widehat{n}_{R}, A_{R}, F O V\right\} \end{array}\)       (2)

여기서 A_R은 수신 면적, 스칼라 양인 FOV는 수신기가 신호를 검출할 수 있는 각도를 나타낸다. 반사하는 물체의 미분면소의 면적을 dA라 하고 반사 계수를 p라 하면, 벽에서 반사 현상을 다음과 같이 두 단계로 구분하여 나타낼 수 있다. 첫째로 면적이 dA인 미소면소를 수신기로 생각하여 이 수신기가 수신하는 전력 dP를 계산한다. 두번째로 미소면소가 전력 P = pdP를 이상적인 Lambertian 복사강도 패턴으로 모델링한다 그림 3에서 보듯이, 송신기와 수신기 사이의 거리 R이 검출기의 크기보다 훨씬 커서 R²≫ A_R 이 성립되면, 수신된 신호는 검출기의 표면에서 일정하다고 간주할 수 있으며 도착시간도 거의 같다고 볼 수 있다. 따라서 임펄스 응답은 도착시간과 크기의 변화를 고려하여 다음과 같은 Dirac 델타 함수로 표시할 수 있다^[9].

\(h(t ; S, R)=\frac{n+1}{2 \pi} \cos ^{n}(\varnothing) d \Omega \operatorname{rect}(\theta / F O V) \delta(t-R / c)\)       (3)

그림 3. 송수신단 구조

Fig. 3. Structure of source and receiver

LOS (Line of Sight) 조건의 임펄스 응답 구하고자 하면 방출된 빛은 여러 번 반사한 후에 도달할 수 있으므로 임펄스 응답은 다음과 같이 표현할 수 있다.

\(h(t ; S, R)=\sum_{i=0}^{\infty} h^{(i)}(t ; S, R)\)       (4)

여기서 h⁽ⁱ⁾(t)는 정확히 i번 반사한 후 도달하는 신호의 임펄스 응답이다.

Ⅲ. 다중 채널 간섭 제거 기법

그림 4는 실내의 가시광통신 시스템에서 다수의 송신기가 존재할 때의 간섭 시나리오를 나타낸다. 본 논문에서는 2개의 송신기에 3개의 수신기가 통신을 하는 상황을 고려했다. 수신기 Rx1이 송신기 Tx1과 Tx2의 네트워크에 인접해 있을 경우에, 원하는 정보인 Tx1의 신호뿐만 아니라 Tx2의 신호까지 함께 수신하게 된다. 이는 LED의 특성상 Rx 수신기는 FOV를 가지고 있기 때문에두 개의 Tx 신호를 모두 수신하게 된다. 게다가 Tx1의 네트워크의 끝에 Rx1이 존재할 경우 송신 파워가 미약하고 주변에 Rx2, Rx3 수신기가 간섭원으로 동작해 원활한 통신에 제약을 받게 된다. 따라서 주변의 간섭 신호에 대응하기 위한 다중 채널 간섭 제거 기술이 필요하다.

그림 4. 가시광 통신 간섭 시나리오

Fig. 4. Interference scenario of VLC system

본 논문에서는 MMSE (Minimum Mean Square Error) 기반 순차 간섭 제거 기법 (SIC, Successive Interference Cancellation)을 적용하여, 다중 채널로 부터전달되는 간섭을 제어하였다. MMSE의 복호 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\(W_{M M S E}=\operatorname{argmin} W_{M M S E} E\left[\left\|W_{M M S E} Y-X\right\|_{F}^{2}\right]\)       (5)

여기서 X, Y는 각각 송수신 신호를 나타내며, ∥∙∥_F 는 Frobenius norm을 나타낸다. 또한 직교 이론을 활용하면 아래의 결과를 도출할 수 있다.

\(E\left[\left(W_{M M S E} Y-X\right) Y^{H}\right]=0_{N, N}\)       (6)

여기서 H는 채널 행렬, 0_N,N는 NXN 제로 행렬을 나타낸다. 이를 이용하여 식을 재정리 하면 최종적으로 다음의 식을 얻을 수 있다.

\(W_{M M S E}=\left(H^{H} H+\frac{1}{\alpha} I\right)^{-1} H^{H}\)       (7)

여기서 α는 신호 대 잡음비 (SNR, Signal to Noise Ratio)를 나타낸다. MMSE 알고리즘은 SNR에 따른 복호 행렬을 사용하여 간섭을 제거하기 때문에 잡음 성분이 증폭되는 것을 방지할 수 있으며 연속적으로 간섭을 제거할 수 있다.

Ⅳ. 실험 및 결과

이번 장에서는 가시광통신 시스템에서 다중 채널 간섭 제거 기법의 성능을 모의실험을 통해 분석한다. 변복조 방식으로는 위상 편이 변조 (PSK, Phase Shift Keying)를 적용하였고 채널은 다중 반사 환경을 고려하였다. 모의실험 조건은 표 1에 정리하였다.

표 1. 실험 파라미터

Table 1. Simulation Parameters

그림 5는 실내 건물 환경에서의 임펄스 응답 h(t)를 나타낸다. 결과에서 보듯이 4개의 임펄스 응답이 존재하게 되는데, 이는 시간 지연에 의한 영향과 송수신단 사아의 서로 다른 거리 때문에 임펄스 응답의 전력이 감쇠되게 된다. 그림 6은 제안된 다중 채널 간섭 제거 기법이 적용된 가시광통신 시스템의 거리에 따른 BER (Bit Error Rate) 성능을 나타낸다. 모의실험에서 Tx와 Rx 사이의 걸리는 실제 실내 건물에서 쓰이는 조명의 높이를 고려하여 2m와 3m로 가정하였다. 또한 정보를 송신 하는 Tx의 LED 수 2개, 주변에 간섭으로 작용하는 Rx를 2개로 가정하였다.

그림 5. 임펄스 응답

Fig. 5. Impulse response

그림 6. 제안된 VLC 시스템의 성능

Fig. 6. Performance of proposed VLC system

모의실험 결과를 살펴보면 다중 채널 간섭 제거 기법이 적용된 경우, 기존의 기법보다 3 dB 정도 우수한 성능을 나타내었다. 또한, Tx와의 거리가 가까울수록 성능 향상 효과가 두드러졌는데, 이는 거리가 가까울수록 주변 간섭원을 판단하기 수월하여 간섭 제거 기법이 효과적으로 동작했음을 의미한다.

Ⅴ. 결론

본 논문은 가시광 통신에서 다중 채널 간섭 제거 기법을 통해 통신 채널에서 발생하는 간섭의 영향을 감소시켜 통신 성능을 향상시키는 시스템 모델을 제안하였다. 영향이 큰 간섭원을 우선적으로 제거하는 순차 간섭 제거 기법을 통하여 실내 건물의 다중 접속 환경에서 최적화된 성능을 나타내었다. 모의실험을 통해 제안된 시스템의 성능을 검증하였고 기존의 시스템보다 향상된 결과가 나타냈다. 제안한 시스템 모델은 가시광 통신뿐만 아니라 일반적인 통신 시스템에서도 신호의 품질을 향상시킬 수 있도록 다양하게 적용이 가능하다.