나노미터파무선통신기술 정보통신미래원천기술특집 이석진 (S.J. Lee) 임종수 (J.S. Lim) 권오형 (O.H. Kwon) 방송통신융합혁신기술연구팀책임연구원 방송통신융합혁신기술연구팀팀장 방송통신융합미래기술연구부부장 Ⅰ. 머리말 Ⅱ. 광무선통신개요 Ⅲ. 실내 LED

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지애 조
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1 나노미터파무선통신기술 정보통신미래원천기술특집 이석진 (S.J. Lee) 임종수 (J.S. Lim) 권오형 (O.H. Kwon) 방송통신융합혁신기술연구팀책임연구원 방송통신융합혁신기술연구팀팀장 방송통신융합미래기술연구부부장 Ⅰ. 머리말 Ⅱ. 광무선통신개요 Ⅲ. 실내 LED 조명을이용한무선통신 Ⅳ. 가시광무선통신시스템 Ⅴ. 맺음말 국내외에너지정책에힘입어 LED 조명보급이늘어나면서관련된광무선기술이주목받고있다. 적외선무선통신포트를장착한상용제품들이수년전부터공급되었다. 이들이시장을주도하지는못했지만 LED 조명을이용한가시광무선통신은조명의커버리지안에서안정된출력과채널환경이매력적이다. 하지만조명기능을우선적으로유지시켜야하는상황에서광신호를다루는해결책이충분하지않아고속통신에제약이따른다. LED 조명융합기술을무선통신기술관점으로접근하는새로운연구가다양하게이루어지고있다. 무선통신은 RF 기반의시스템이대부분이지만, 무선패킷수요증가를고려하여새로운주파수자원에의한근거리무선보조수단으로광무선통신이제안되고있다. 이에관하여 LED 조명과연계한광무선통신기술의현황과전망을기술하였다 한국전자통신연구원

2 Ⅰ. 머리말백열전구는에너지효율이매우낮고, 수명도짧기때문에, 국제사회에서 LED(Light Emitting Diode) 조명의보급확대와함께백열전구퇴출정책이추진중이다. 한국도 2012년부터단계적으로생산을중단할계획이다. 형광등에는환경규제물질인수은이포함되어있어, 대체로세계각국이 2020년까지형광등의퇴출완료를목표로 LED 조명의저가격화를서두르고있다 [1]. 조명으로사용되기위해서는백색광이되어야하기때문에 white-led라표현되기도한다. 백색발광단일 LED는없으므로삼원색의빛 3개를합하거나, 청색과그보색관계에있는 2개의빛을합하는방법이있다. 꼭필요한요소는청색-LED이다. 초기에빨간색이나노란색, 주황색등낮은주파수대역의빛만을제작하였으나 1993년에높은주파수를지닌고휘도청색-LED 가개발되면서 LED 조명시대를열었다. 지난 2006년에 LED 조명보급활성화방안으로 2015년까지조명의 30% 를 LED 조명으로바꾼다는 LED 조명 1530 정책을지식경제부가발표했다 년 6월에는 2020년까지국가전체 LED 조명보급률을 60% 까지끌어올리려는 LED 조명 2060 정책을새롭게내놓았다. 이처럼 LED가조명인프라를바꾸는신성장기술로주목받고있다. 유명한 LED 산업체들의참여상황은 < 표 1> 과같다. 아직도상용제품의발열량, 입력전력대비밝기를나타내는발광효율 (lm/w) 등을개선하기위해많은기술혁신이필요하다. 최근몇년간 LED 발광효율이급격히향상되어, 형광등에견줄만한 100lm/W에이르렀다. 이로인해 LED 시장이급성장하고있으며, 새로운응용분야의개척이활기차게이루어지고있다. LED 시장은 2006년까지휴대폰을중심으로성장하였으나, 2007년부터디스플레이용 LED BLU(Back Light Unit) 로애플리케이션이다변화되었고, 2009년부터사무실조명으 < 표 1> 세계 LED 시장상위 5 개업체시장참여현황 [1] 업체 Nichia ( 일본 ) Osram ( 독일 ) Stanley Electronic ( 일본 ) Lumileds Lighting ( 미국 ) Everlight Electronics ( 대만 ) 점유율 (2008) 25.3% 13.4% 7.7% 7.3% 4.9% 로까지확산되고있다 [2]. LED 조명은낮은소비전력으로조명이가능하며반도체기술의발달로단가가매우저렴해지면서대체조명으로급부상하고있다. 또한형광등보다더친환경적이며수명이길어 5만시간에이른다. 아울러다양한색구현이가능할뿐만아니라점멸반응속도가빨라서디지털통신이가능하고디지털제어가가능하다는장점을갖고있다. LED 빛을이용한통신은다양한응용분야가있고적용사례가많으며통신속도를높이기위한연구가전개되고있다. Ⅱ. 광무선통신개요 1. 광무선통신기술의개요 주요상황 년매출 : 14 억 3,900 만달러 (13.5% 증가 ) - 분야 : LED 완제품생산및 LED 칩파운드리서비스 - 주력시장 : 자동차및산업용 / 의료용 LED 시장 년매출 : 7 억 6,200 만달러 (2.8% 증가 ) - High-brightness white LED 제품에강점보유 - 주력시장 : 자동차및가전용 LED 년매출 : 4 억 3,700 만달러 (17% 감소 ) - 일반조명용 LED array 모듈개발중점추진 - Philips 자회사이며, Lumileds 의본사는미국 년매출 : 4 억 1,500 만달러 (7.8% 감소 ) - 주력시장 : 자동차와가전용 LED 년매출 : 2 억 7,800 만달러 (9.9% 증가 ) 년무선통신시장에서만전년대비 11.2% 증가한 1 억 2,900 만달러의매출을기록하는등휴대폰용 LED 시장에서호조 < 자료 >: Gartner, LED Lamp/Display Market Set for a Strong Rebound in 2010, Aug LED 는전기에서빛으로바뀌는속도가약 30nm 에서 이석진외 / 나노미터파무선통신기술 19

250nm에달하는데, 이렇게빠른스위칭 (on-off) 을제어하여통신할수있는방법이있다. 초당 100회이상깜박이면사람은깜박임을인식하지못하고계속적으로켜진것으로인식한다. 통신에의한깜박임이있지만, 계속적으로켜진것으로인식되기때문에조명의기능도유지된다 [1]. 광무선 (Optical Wireless: OW) 통신은공간에서정보전달을위해서빛의발산을이용한다.

현재의실내단거리광무선변조기술대부분이빛의세기 (intensity modulation) 변화에통신신호를반영하는기술을사용한다. ( 그림 2) 에나타난구성으로디지털 신호를변조한값이 LED 조명의밝기에합쳐져서빛의형태로공중에발산된다. 수신기는빛을전기신호로바꾼다. 공중의빛은수신기내부의렌즈나광필터를통과해서 PD(Photo diode) 에도달하여전류로인식된다.

빛을이용한광케이블은유선통신이며, 상용제품으로시장에공급되고있는적외선통신 (IrDA) 포트는광무선통신의일종이다. 적외선을이용한무선통신의경우 1Gbit/sec급표준화가진행중이며많은연구도이루어지고있다. 광무선통신은초기에적외선을중심으로발달했으며, 조명 LED를이용한가시광무선통신 (Visible Light Communication: VLC) 으로연구영역이확장되고있다.

3 250nm에달하는데, 이렇게빠른스위칭 (on-off) 을제어하여통신할수있는방법이있다. 초당 100회이상깜박이면사람은깜박임을인식하지못하고계속적으로켜진것으로인식한다. 통신에의한깜박임이있지만, 계속적으로켜진것으로인식되기때문에조명의기능도유지된다 [1]. 광무선 (Optical Wireless: OW) 통신은공간에서정보전달을위해서빛의발산을이용한다. 이때사용되는빛은적외선 (infrared) 과자외선 (ultraviolet) 사이의여러파장의빛이다 (( 그림 1) 참조 ). 광무선통신에서빛을발생하는광소스는 LED와레이저다이오드 (Laser Diode: LD) 이다. 송신기는전기신호를빛으로변화시킨다. 현재의실내단거리광무선변조기술대부분이빛의세기 (intensity modulation) 변화에통신신호를반영하는기술을사용한다. ( 그림 2) 에나타난구성으로디지털 신호를변조한값이 LED 조명의밝기에합쳐져서빛의형태로공중에발산된다. 수신기는빛을전기신호로바꾼다. 공중의빛은수신기내부의렌즈나광필터를통과해서 PD(Photo diode) 에도달하여전류로인식된다. 이렇게빛의세기변화로부터정보신호를인식 (direct detection) 하기때문에주파수나위상정보는갖지못한다. IM-DD(Intensity Modulation-Direct Detection) 는변복조구성이간단하지만 coherent detection 방식보다잡음에약하다 [5]. 얻어진정보신호에서디지털데이터를복구할때는 RF 수신기구조와유사하다. 빛을이용한광케이블은유선통신이며, 상용제품으로시장에공급되고있는적외선통신 (IrDA) 포트는광무선통신의일종이다. 적외선을이용한무선통신의경우 1Gbit/sec급표준화가진행중이며많은연구도이루어지고있다. 광무선통신은초기에적외선을중심으로발달했으며, 조명 LED를이용한가시광무선통신 (Visible Light Communication: VLC) 으로연구영역이확장되고있다. LED 조명을이용한무선통신은가시광무선통신이다. 2. 실내에서광무선링크 ( 그림 1) 가시광무선통신파장대역 [2],[3] 적외선 LED에비해서 white-led는조명기능과통신기능을병행하기때문에유리한조건을갖추고있다. 실내천장에조명이분포된경우에각각연결된전력선통신 (power line communication) 과연계, 천장으로부터의 LOS(Line of Sight) 확보, 각전등에최대 80MHz 까지확보된대역폭이유리한점이다. 보통의실내조명을통신에이용할때신호대비잡음 (SNR) 값이 60dB를넘어통신채널환경도좋다 [6]. 실내의광무선통신에서도공간에서의전달손실, 주변빛에의한잡음, 다중경로간신호간섭등의영향을 ( 그림 2) LED 조명을이용한가시광무선통신의일반적구성도 [4] 받아신호가감쇠되어성능에영향을끼친다. 단말기의위치이동에대한지원이나통신링크단절우려가높 20 전자통신동향분석제 27 권제 5 호 2012 년 10 월

규정이있으며, 약한출력이통신영역 (coverage) 을약하게한다. 적외선을수 Gbit/s 무선전송기술로향상시키려는노력이계속되고있다. 가. Cellular Scheme ( 그림 3) Types of OW links 은점은큰약점이다. 공간에서송신수신간빔정렬 (alignment) 과 LOS 조건에따라 ( 그림 3) 에나타낸 3가지로분류된다 [7].

4 규정이있으며, 약한출력이통신영역 (coverage) 을약하게한다. 적외선을수 Gbit/s 무선전송기술로향상시키려는노력이계속되고있다. 가. Cellular Scheme ( 그림 3) Types of OW links 은점은큰약점이다. 공간에서송신수신간빔정렬 (alignment) 과 LOS 조건에따라 ( 그림 3) 에나타낸 3가지로분류된다 [7]. 빛의폭이좁고시선이확보된빔의경우에는송신기와수신기간에정렬 (alignment) 되어야하며 directed LOS 로분류된다. 적외선통신의경우가여기에해당된다. 직접조명형태는 non-directed LOS 로분류되며천장조명이여기에해당된다. 반사된빛을이용하는간접조명형태는 diffuse 로분류된다. 현재 VLC 연구는천장직접조명연구결과가많이발표되고있다. ( 그림 3a) 와같이 LOS에서좁은빔을사용한경우통신환경에좋다. 그러나송신수신기간에정렬 (alignment) 이필요하고이동성지원과장애물에도약하다. 좁은커버리지한계를극복하기위해빔발생장치를다수결합한복잡한구조의 ( 그림 4) 형태를유럽의연구 [8] 프로젝트에서제안했다. 송신측은 7개의셀을지원하는 multi-beam forming transmitter 이고, 수신측은 3개의셀을지원하는 angle diversity(or selforienting) receiver 이다. 빔의폭으로인한커버리지한계를개선하고, 적외선 LED의출력제한도극복할수있다. 또한단말기가이동할때에셀간핸드오버가이루어질수있어서셀룰러개념의지원이가능하다. 나. Multi Spot Diffuse Quasi-diffuse 에기반한다점확산 (multi-spot di- 3. 적외선무선통신 적외선무선통신은시장에상용제품이많다. 고속데이터전송을위해큰대역폭이필요한경우에는레이저다이오드를사용한다. 좁은빔을강하게출력해서수 km 거리에 Gbit/s급전송이가능하다. 실내근거리저속통신의경우적외선 LED가사용되며통신규격표준 (fast IrDA) 은 1m 이내에서 16Mbps 까지규정된상태이다 [3]. 적외선은눈의위험을방지하기위한출력제한 ( 그림 4) LOS Cellular IR Communication System[8] 이석진외 / 나노미터파무선통신기술 21

1. 광무선통신규격과동향 초기에 VLC 기술은일본의 VLCC(Visible Light Communication Consortium) 가기술발전과표준화를선도하였다.

VLCC 규격을 2009년에발표했다. ICSA 는적외선과가시광이협력한양방향 (full-duplex) 시스템기반의광무선랜표준규격을발표하였다 [5].

확산방식의효율이낮은문제를극복하기위해좁은빔여러개를천장또는벽에비추는방식이다. 이시스템은송수신기구조가복잡하다.

7 TG(Task Group) 에서 VLC 표준화작업을 2009년에시작하였으며, LED 조명에통신변복조를융합하여무선통신이가능한국제표준을 2011년 7 월에제정하였다.

( 그림 6) 과같이 RGB-LED를이용한 CSK(Color-Shift Keying) 로 96Mbps 이하지원규격을 PHY Ⅲ 로분류하고있다. Ⅲ. 실내 LED 조명을이용한무선통신 최근에가시광무선통신에대한학계와산업계의관심이커지고있다.

5 1. 광무선통신규격과동향 초기에 VLC 기술은일본의 VLCC(Visible Light Communication Consortium) 가기술발전과표준화를선도하였다. 2008년부터적외선무선통신표준화단체인 IrDA(Infrared Data Association) 및 ICSA(Infrared Communication Systems Association) 와협력하여적외선물리계층을포괄하는 VLCC 규격을 2009년에발표했다. ICSA 는적외선과가시광이협력한양방향 (full-duplex) 시스템기반의광무선랜표준규격을발표하였다 [5]. ( 그림 5) Multi-spot Diffusing Links(Quasi-diffuse, Non-directed Non-LOS) ffusing link) 연결을 ( 그림 5) 에서보여주고있다. 확산방식의효율이낮은문제를극복하기위해좁은빔여러개를천장또는벽에비추는방식이다. 이시스템은송수신기구조가복잡하다. 송신기가여러방향으로빔을병렬송출하고, 수신기에서는좁은빔수신장치여러개로인식 (angle diversity receiver) 한다 [9]. 이연구를통해수 Gbit/s의무선전송이가능하다 [10]. IEEE TG(Task Group) 에서 VLC 표준화작업을 2009년에시작하였으며, LED 조명에통신변복조를융합하여무선통신이가능한국제표준을 2011년 7 월에제정하였다. 이규격에서통신도달거리및클락속도에따라서실외에서 300kbps 이하의저속을 PHY Ⅰ 으로분류하고, 실내에서의 96Mbps 이하를 PHY Ⅱ 로분류하고있다. ( 그림 6) 과같이 RGB-LED를이용한 CSK(Color-Shift Keying) 로 96Mbps 이하지원규격을 PHY Ⅲ 로분류하고있다. Ⅲ. 실내 LED 조명을이용한무선통신 최근에가시광무선통신에대한학계와산업계의관심이커지고있다. 반도체기술발전으로 white-led를조명과동시에무선전송목적으로도적용가능함에힘입은것이다. 초기에는 LED의 on-off에기반을둔통신이다수였다. 최근에 LED를이용한가시광무선통신 (VLC) 은백색조명을구성하는청색-LED 요소에다중반송파변조 (multiple subcarrier modulation) 기술을적용하여최대전송속도 500Mbit/s 수준에와있다 [11]. 또한광 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술의적용가능성도연구되고있다. ( 그림 6) CSK Constellation Made by Color Band Combinations[12] 22 전자통신동향분석제 27 권제 5 호 2012 년 10 월

6 < 표 2> Definition of Data Mapping for VPPM Mode[13] Logic value 0 1 Physical value d is the VPPM duty cycle (0.1 d 0.9) High Low Low High 위의규격에서백색광의변조방식은 OOK(On-Off Keying) 와 PPM(Pulse Position Modulation) 이주로사용된다. 또한조명의밝기제어 (dimming) 를혼합한변조방식인 VPPM(Variable Pulse Positioning Modulation) 방식을포함한다. < 표 2> 에서정의된바와같이 on의폭 (pulse width) 을조절하여밝기제어를하면서, 타임슬롯의초기에 on- 펄스가오면 0, 후기 on-펄스는 1 로디지털신호를정의한다. VPPM 방식은 5Mbps 이하에서의변조방식이며, OOK 방식은 96Mbps 까지정의하고있다 [4],[13]. 국제표준규격이완성됨에따라 VLC 산업이본격적으로개척될전망이다. 최근의통신기술의연구성과를반영한추가적인통신규격표준화활동이예상된다. 2. 조명 LED 부품특성과통신 0 t dt dt t T 0 t (1 d)t (1 d)t t < T 조명에필요한백색광을만들기위해서형광물질에의한보색빛을합하는 phosphor LED는제작비용이저렴하지만, 형광물질특성으로점멸 (on-off) 반응속도가타 LED에비해서상대적으로느리다. 형광물질은에너지가높은빛을받아짧은시간저장시켜두었다가에너지가빛을여기시키는구조이기때문이다. VLC 성능은 LED의가용대역폭에의해좌우된다. 상용화된다수의조명 LED는반응속도가 5MHz 에못미치는것으로알려져있다. 백색조명을만들기위해서청색-LED에첨가한보색형광물질의반응지연에기인한다. 수신단에광필터 (optical filter) 를사용하여청색 빛만사용하면 20MHz 에이르기도한다 [6]. LED 조명등은여러개의 LED 부품배열 (array) 로구성되는데, 각 LED 부품의주파수특성을구동회로에반영한공진형등화기 (equalizer) 로주파수응답을개선할수있다. 참고문헌 [14] 의연구에서 2.5MHz 가용대역폭을가진 LED가광필터및등화기사용으로 20MHz 에이르렀다. 위의방법과비슷하게수신기에광필터를사용하고, PD 인터페이스부분에등화기를부가해서 2.5MHz 시스템대역폭이 50MHz 로개선되었다. PD 는상용품의대역폭이 100MHz 를넘기때문에 LED보다넉넉하다. LED의비선형 (non-linearity) 특성과반응속도 (bandwidth) 를보완하여높은통신성능을얻기위한기술이연구되고있다. 3. 다중반송파를이용한전송기술고도화조명 LED는 LD에비해운용이쉽고저렴하다. VLC 수신기에사용될 PIN PD 또한저렴하고안정적인모델이공급되고있어서유리한환경이다. VLC 무선전송을위해사용하는간단한형태의대다수변복조방식은 IM-DD 이다. 전송할신호는발산 (radiation) 하는빛의세기에반영되고, 수신감지기는수신한빛에비례하는전류를만들어서통신데이터를복구한다. 그래서 VLC 수신신호는위상정보가없다 [5],[15]. 데이터전송속도를올리기위해다중반송파 (multiple subcarrier modulation) 기술을이용한다. 대표적변조기술이 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 이다. 많이사용되는 OFDM IM-DD 방식의무선광변조에는위상정보가없는데비해서 RF 신호에서의 OFDM 변조방식에서는복소수값이출력된다. 그래서광변조방식은수정이필요하다. 광변조기의 IFFT(Inverse-Fast Fourier Transform) 연산입력값이 Hermitian symmetry 를갖도록처리하여실수- OFDM 신호가발생되게한다. 이때부반송파 (subcarrier) 일부가 0 처리되거나대칭값으로처리되 이석진외 / 나노미터파무선통신기술 23

( 그림 7) DC Biased Optical OFDM 과 Asymmetrically Clipped Optical OFDM 변복조기구성블록도및 LED 입출력 [5] 는연산방식때문에주파수이용률이반감되는약점이있다.

실내의광무선통신에서데이터속도를올리기위한주요수단으로광-OFDM 기술이많은주목을받고있으며이에따른 PAPR(Peakto-Average Power Ratio) 문제도고려해야한다. 4.

송신기배열과수신배열간에정밀한직선정렬 (alignment) 이이루어진다면각각의병렬경로운용으로성능이높아진다.

7 ( 그림 7) DC Biased Optical OFDM 과 Asymmetrically Clipped Optical OFDM 변복조기구성블록도및 LED 입출력 [5] 는연산방식때문에주파수이용률이반감되는약점이있다. 대표적인변조방법으로 ( 그림 7) 의 DC biased optical OFDM 과 asymmetrically clipped optical OFDM 을들수있다 [5]. 실내의광무선통신에서데이터속도를올리기위한주요수단으로광-OFDM 기술이많은주목을받고있으며이에따른 PAPR(Peakto-Average Power Ratio) 문제도고려해야한다. 4. MIMO 기술을통한전송기술고도화실내조명을이용한통신에서데이터전송속도를높이기위해서광 MIMO 기술이연구되고있다. LED 조명등은여러개의 LED 소자배열로구성되므로이를병렬송신기로활용하는기술에적합해보인다. 송신기배열과수신배열간에정밀한직선정렬 (alignment) 이이루어진다면각각의병렬경로운용으로성능이높아진다. 직선정렬없는공간다중화광 MIMO 기술은실내의수신기위치에따른성능약화를발생시키는문제가 ( 그림 8) Non-imaging Optical MIMO System[16] 있다. ( 그림 8) 은 LED 배열에의한광 MIMO 시스템구성이며, 실험실방안의위치에따른성능차이를 ( 그림 9) 에서나타내고있다. 송수신기간의상관관계 (correlation) 가주요원인이다. 이를개선시키기위한기술이연구되고있다. 수신단에렌즈를활용하여영상이맺히도록보조하는방법이소개되어있다 [16]. 직선정렬없는광-MIMO 시스템을위한다른방법 24 전자통신동향분석제 27 권제 5 호 2012 년 10 월

에서송출하는상향링크 (up link) 신호파워는그렇지못하다는제약이따른다. 상향링크 (up link) 문제해결을위한여러방안이제안되었다. 가시광과다른매질인적외선빔을사용하는방안이많은관심을받고있다. 이상향링크는송수신간의직렬정렬 (alignment) 과추적 (tracking) 문제가있다. 다른방안으로송신조명을수신기에서반사하는방법도제안되었다.

여러개의송신 LED 가운데하나만이정해진시간에짧은펄스를송출하고, 수신기에서는펄스인덱스를바탕으로정보를해석한다 [1]. Ⅳ. 가시광무선통신시스템 1. Up Link Channel IEEE 802.15.

조명을이용한하향링크 (down link) 는통신신호의파워가넉넉하지만, 단말기 2. MAC 계층및다중화기술 VLC 무선접속시스템을위해서광-AP(Access Pointer) 중심의셀개념을고려한다. 하나의방내부의모든사용자가동일광-AP를이용하는경우가있고, 방내부에몇개의광-AP를설치하여여러셀로나누어운영하며무선랜 (wireless LAN) 과비슷한구성을갖는경우가있다.

8 에서송출하는상향링크 (up link) 신호파워는그렇지못하다는제약이따른다. 상향링크 (up link) 문제해결을위한여러방안이제안되었다. 가시광과다른매질인적외선빔을사용하는방안이많은관심을받고있다. 이상향링크는송수신간의직렬정렬 (alignment) 과추적 (tracking) 문제가있다. 다른방안으로송신조명을수신기에서반사하는방법도제안되었다. 이미상용화솔루션이많은 RF 기술을상향링크에사용하는방안도있다. ( 그림 9) BER Room Distribution for Communications in a Room Using Non-imaging Optical MIMO Model[16] 은공간변조방법이다. 여러개의송신 LED 가운데하나만이정해진시간에짧은펄스를송출하고, 수신기에서는펄스인덱스를바탕으로정보를해석한다 [1]. Ⅳ. 가시광무선통신시스템 1. Up Link Channel IEEE 을참조하면 VLC 장치의등급은 3가지 (infrastructure/mobile/vehicle) 로볼수있으며, 서비스시스템구성은 star/broadcast/peer-to-peer가있다. ( 그림 10) 에서방송서비스는단방향통신 (half duplex) 으로가능한경우이지만, 대부분의통신시스템은양방향통신이요구된다. 조명을이용한하향링크 (down link) 는통신신호의파워가넉넉하지만, 단말기 2. MAC 계층및다중화기술 VLC 무선접속시스템을위해서광-AP(Access Pointer) 중심의셀개념을고려한다. 하나의방내부의모든사용자가동일광-AP를이용하는경우가있고, 방내부에몇개의광-AP를설치하여여러셀로나누어운영하며무선랜 (wireless LAN) 과비슷한구성을갖는경우가있다. 그런데, 독서전등 (reading lamp) 처럼광- AP의범위가좁아사용자가 1명인경우도있다. 하나의네트워크에여러단말주소가채널에접근하는규칙을 MAC(Media Access Control) 프로토콜에서제공한다. RF 시스템의 MAC 프로토콜을참조해왔지만빛의특성상통신경로의차단이빈번하게발생할수있다는특성을 OW MAC 에서고려해야한다. 여러사용자가동시에네트워크에접속하기위한다중접속 (multiple access) 기술은물리계층의지원이필요하다. 이를위해서 TDMA(Time-Division Multiple Access), CDMA(Code-Division Multiple Access) 를포함하는전기적다중화가있고, 다른파장의빛을사용하는 WDMA(Wave-Division Multiple Access) 와좁은빔을송신하는 SDMA(Spatial-Division Multiple Access) 등과같은광기술을이용한다중화기술이있다. 3. 시스템개발 ( 그림 10) Supported MAC Topologies at IEEE [13] 대표적으로일본의나카가와랩에서 CSMA/CD(Ca- 이석진외 / 나노미터파무선통신기술 25

9 rrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 에기반을둔양방향 VLC 시스템을개발했다. 랜과호환성을고려하여 CSMA/CD 방식을선택했으며, 상향링크는 850nm 적외선을사용했다. 유럽에서의 Home giga access project 에서도적외선통신과 VLC를사용한시스템을개발했으며, 실내조명에통신공급 (backbone) 은 PLC를사용했다 [13]. V. 맺음말 LED 조명을사용하는곳은가시광무선통신 (VLC) 이적용가능하다. 전자파금지구역에서좋은대체수단이된다. ISM(Industrial Science Medical) 대역 RF의경우여러종류의상용서비스등장으로전파환경이나빠져있지만, VLC가그무선패킷의일부를분담하여 RF 부하를덜어줄수있다. 실내에서의 VLC는 LED 조명전등의배치간격 (1.6m) 을기반으로이내로셀플랜이가능하여주파수재사용에유리한환경이다. 그래서핫스팟지역에서도여러사용자에게대용량데이터무선전송을지원할수 용어해설 LED 갈륨비소등의화합물에전류를흘려빛을발산하는반도체소자. LED는컴퓨터본체에서깜빡이는작은불빛, 도심의빌딩위에설치된대형전광판, TV 리모컨버튼을누를때마다 TV 본체에신호를보내는눈에보이지않는적외선등을만들때필요한것임. 1968년미국에서적색 LED가개발된이후황색, 녹색, 청색, 백색 LED가우리생활곳곳에서쓰이고있음. 실내조명기구에는백색 LED를사용. OFDM 고속의송신신호를다수의직교 (orthogonal) 하는협대역반송파로다중화시키는변조방식. 장점은대역확산기술을들수있음. 그것은정확한주파수에서일정간격떨어져있는많은수의반송파에데이터를분산시킴. 바로이간격이, 복조기가자기자신의것이아닌다른주파수를참조하는것을방지하는기술내에서 직교성 (orthogonal) 을제공함. VLC 가시광을발산하는 LED는 On-Off 제어를통한빠른깜박임이가능한특성이있으며, 이를이용한변조기술을이용하여통신하는기술을말함. LED 조명을 VLC 기능과동시에사용할수있음. 이에관련된더향상된통신기술이연구중이며각종통신표준화활동도있음. 있는잠재성을갖고있다. 차세대이동통신시스템에서목표하고있는 1Gbit/s 급고속전송을위해서여러무선접속보조수단이포함될것이다. 특히실내에서광무선 (OW) 이근거리무선통신을보조하는주요수단이될거라는견해가많다. 조명업계에서는통신에관심을, 통신업계에서는조명에관심을가진다면 LED 조명을이용한 VLC 기술발전에유리할것이다. 이기술은초기단계가진행되고있어서향후많은발전이예상된다. 약어정리 AP Access Pointer BLU Back Light Unit CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CDMA Code-Division Multiple Access CSK Color-Shift Keying DMT Digital Multi Tone ISM Industrial Science Medical Ir Infrared ICSA Infrared communication Systems Association IrDA Infrared Data Association IM-DD Intensity Modulation-Direct Detection IFFT Inverse-Fast Fourier Transform LD Laser Diode LED Light Emitting Diode LOS Line of Sight MAC Media Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output OOK On-Off Keying OW Optical Wireless OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak-to-Average Power Ratio PD Photodiode PPM Pulse Position Modulation RF Radio Frequency SDMA Spatial-Division Multiple Access 26 전자통신동향분석제 27 권제 5 호 2012 년 10 월

10 TG TDMA UV VPPM VLC VLCC WDMA 참고문헌 Task Group Time-Division Multiple Access Ultra Violet Variable Pulse-Positioning Modulation Visible Light Communication Visible Light Communication Consortium Wave-Division Multiple Access [1] 한국산업기술진흥원, 2011 산업기술로드맵정보통신 LED/ 광, [2] TTA, ICT Standardization Roadmap 2010, 이동통신분야 VLC, 2010, pp [3] IrDA Physical Layer Specification,. hm.com/products/opto_device/irda_module/standard. html [4] 임상규외, LED 조명과결합된가시광무선통신기술동향, 전자통신동향분석, vol. 25, no. 4, , pp [5] H. Egala, R. Mesleh, and H. Hass, Indoor Optical Wireless Communication: Potential and State-ofthe-Art, IEEE Comm. Mag., Sept. 2011, pp [6] J. Grubor et al., Bandwidth Efficient Indoor Optical Wireless Communications with White Light Emitting Diodes, 6th Int. Symp. Commun. Syst. Netw. Digit. Signal Procss., Graz, Austria, vol. 1, June 23th 25th, 2008, pp [7] J.M. Kahn and J.R. Barry, Wireless Infrared Communications, Proc. IEEE, vol. 85, no. 2, Feb. 1997, pp [8] D.C. O Brien, et al., Gigabit Optical Wireless for a Home Access Network, IEEE 20th Int. Symp. Pers., Indoor Mobile Radio Commun., Sept [9] G. Yun and M. Kavehrad, Spot-diffusing and Flyeye Receivers for Indoor Infrared Wireless Communications, IEEE Int. Conf. Sel. Topics Wireless Commun., [10] F.E. Alsaadi and J.M.H. Elmirghani, High-Speed Spot Diffusing Mobile Optical Wireless System Employing Beam Angle and Power Adaptation and Imaging Receivers, J. Lightw. technol., vol. 28, no. 16, Aug. 2010, pp [11] J. Vučić et al., 513 Mbit/s Visible Light Communications Link Based on DMT-Modulation of a White LED, J. Lightw. Technol., vol. 28, no. 24, Dec. 2010, pp [12] Samsung, Intel, ETRI, CSUS Version of Draft, IEEE [13] IEEE Std , [14] H.L. Minh et al., 100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 21, no. 15, Aug. 2009, pp [15] J. Grubor et al., High-speed Wireless Indoor Communication via Visible Light, ITG Fachbericht, 2007, pp [16] L. Zeng et al., High Data Rate Multiple Input Multiple Output (MIMO) Optical Wireless Communications Using white Led Lighting, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 27, no. 9, Dec 이석진외 / 나노미터파무선통신기술 27

29 Ⅰ. 서론 물리학자들이 전파의 이론을 정립한 이후, 이를 기술적으로 실현함은 물론 적정 수준의 19세기 물리학자인 페러데이, 맥스웰, 헤르츠 등의 연구 결과로 인류는 전기장과 자기장의 변화 에 따른 전파를 만들어 낼 수 있게 되었고, 인류에 게 있어 없어서는 안되

29 Ⅰ. 서론 물리학자들이 전파의 이론을 정립한 이후, 이를 기술적으로 실현함은 물론 적정 수준의 19세기 물리학자인 페러데이, 맥스웰, 헤르츠 등의 연구 결과로 인류는 전기장과 자기장의 변화 에 따른 전파를 만들어 낼 수 있게 되었고, 인류에 게 있어 없어서는 안되 Journal of Communications & Radio Spectrum SPECIAL ISSUE 28 TREND REPORT 통신 및 비통신용 전파응용 기술 이슈 및 시사점 글 황태욱 경희대학교 연구교수 (031) 201-3254, twhwang@khu.ac.kr 주제어: 밀리미터파, 테라헤르츠파, 전파응용 기술, ISM 기기 전파자원의 부족문제에 대한