The Ubiquitous Service of Visible Light Communications LED Illumination 강태규 * 이권형 ** 김대호 *** 임상규 **** Ⅰ. 서론 Ⅱ. LED 조명의등장 III. LED 조명과통신의융합기술 목 차 Ⅳ. LED 조명유비쿼터스서비스 V. 결론 형광등또는백열등과같이전기에의한조명을제공하였기때문에인류는지난백년동안많은생활의변화가있었다. 형광등과백열등의조명이반도체 LED(Light Emitting Diode) 조명으로교체되는시점에있다. LED는백열등에비하여전기절감효과가높고, 형광등에비하여수은을사용하지않아친환경적이다. LED는녹색성장의대표주자이다. 또한, LED는반도체이기때문에메모리또는프로세서반도체처럼응용영역이넓다. 특히, LED 조명과통신을동시에할수있는가시광무선통신융합기술이가능하게되었다. 본고에서는조명과통신의전혀다른산업이융합된기술로탄생하게된기술적배경, 가시광무선통신의국내및국제표준동향, 조명은우리가있는곳이면어디나있기때문에유비쿼터스관점에서조명통신융합에의해자동차안전, 조명식별번호, 위치인식, M-to-M, 초고속센서, 저속광태그, 국부방송등의서비스를설명한다. 조명통신융합에의해광ID, 광센서, 초정밀실내측위, M2M(Machine to Machine) 등의신규서비스가등장할것이다. * * ETRI LED 통신연구팀장 ** ETRI LED 통신연구팀, KAIST *** ETRI LED 통신연구팀 **** ETRI LED 통신연구팀 1. 서론 수십만년전인류가불을발견하고이를이용하게됨으로써인류는발전하여왔다. 약 100년전에형광등또는백열등과같이전기에의한조명을제공하였기때문에인류는지난백년동안많은생활의변화가있었다. 형광등과백열등의조명이반도체 LED(Light Emitting Diode) 조명으로교체되는시점에있다. LED 는백열등에비하여전기절감효과가높고, 형광등에비하여수은을사용하지않아친환경적이다. 또한, LED는반도체이기때문에메모리또는프로세서반도체처럼응용영역이넓다. 특히, LED 조명과통신을동시에할수있는가시광무선통신융합기술이가능하게되었다. 조명은사람이있는곳에는어디나있다. 과거의조명은우리에게빛을주는기능만있었지만, 가시광무선통신기술에의해우리가있는그곳의정보를언제나받아볼수있는유비쿼터스서비스를제공한다. 대표적조명유비쿼터스서비스로서는자동차조명안전서비스, 조명식별서비스, 조명위치인식서비스, M-to-M 서비스, 초고속센서서비스, 저속광태그서비스, 국부방송서비스등이있다. 본고에서는제 2 장에서 LED 조명의등장배경, 제 3장에서는 LED 조명과통신의융합기술의개념과원 한국인터넷정보학회 ( 제 10 권제 1 호 ) 85
리를설명하고, 제 4장에서는가시광무선통신기술의국내표준동향, 국제표준동향, 제 5장에서는 LED 조명유비쿼터스서비스에대하여설명한다. 2. LED 조명통신융합 2.1 LED 조명의등장배경 인류역사적으로살펴볼때에, 불의발견으로많은발전을하였다. 약 100년전전기를빛으로바꾸는조명의발명이산업을급속하게발전시켰고, 하루생활시간을넓히는효과가있었다. 조명은지금까지백열전구 (Incandescent) 와, 형광등 (Fluorescent) 이널리사용되어왔다. 하지만, 최근에는조명으로사용하여온백열전구와형광등대신에 LED 조명으로바뀌어가고있다 [1]. Lumen Efficiency (lm/w) Light Emitting Diode 200 150 100 Fluorescent 50 We are HERE Incandescents 2015년조명의 30% 를 LED로대체하는계획을갖고있다. 이와더불어 LED 발광효율향상기술및 LED 응용융합기술등에산업핵심원천기술을개발하여세계 TOP 3 LED 강국으로박차를가하고있다. 미국, 일본, 유럽등에서도 LED 조명을권장또는대체하는법안을마련중에있다. 3. LED 조명통신융합기술 LED(Light Emitting Diode) 조명통신융합은 LED 조명과동시에통신을할수있는융합기술이다. 조명은눈으로볼수있는가시광이므로가시광무선통신이라고도한다. 3.1 가시광대역활용가시광은그림 2에서와같이 780nm380nm에서 378080nm의파장 (wavelength) 에해당된다. 가시광무선통신에서사용하는파장을주파수로바꾼다면, 385THz 에서 789THz( 주파수대역 = 빛의속도 (300,000,000m)/ 파장 (380*1000)) 에해당된다. Increasing Frequency(ν) 10 24 10 22 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 ν(hz) 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Year ( 그림 1) LED 조명기술의발전 LED 전기를빛으로바꾸는효율 ( 루멘 / 와트 ) 이백열전구보다앞서고형광등과유사하게됨과동시에 RGB(Red, Green, Blue) LED 개발로인하여다양한색상을나타낼수있게되었다. 이러한기술은그림 1와같이 2009년현재급속히발전하게되었고, LED 조명및다양한활용과함께널리보급하기시작하였다 [3]. LED(Light Emitting Diode) 는수은을함유하고있는형광등과달리수은을함유하고있지않아서친환경적이며, 5만시간이상의긴수명, 전기효율이나쁜백열등에비해 90% 전기효율향상등의장점을갖고있다. 우리나라지식경제부는 1530 프로젝트를수립하여 γrays X rays UV 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 Increasing Wavelength(λ) λ(m) 380nm Visible Spectrum Micro IR FM AM wave Radiowave 780nm Longwave ( 그림 2) 가시광무선통신파장대역 가청 ( 오디오 ) 주파수대역은 20Hz 에서 20,000Hz에해당되고, 적외선파장을사용하는 IrDA, 2.4Hz의 IEEE 802.11n, 802.15.1 Bluetooth, IEEE802.15.3c 60GHz, 802.15.4 Zigbee UWB 등이있다. 가시광무선통신은 870850nm-900950nmnm 를사용하는 IrD적외선통신과A 와가장유사한파장을사용하지만, 조명과동시에통신을할수있다는것이특징이 86 2009. 3.
며장점이다. 성장기기술 LED 조명산업 융합 무선통신산업 탄생기기술 3.2 LED 조명통신융합원리 반도체발광기술 밝기, 효율, 수명 PHY 기술 빛센서기술 프로토콜기술 측위기술 통신표준기술 ITS 기술 LED는전기를빛으로바꾸는성질을이용하여조명으로활용한다. LED 조명통신융합원리는그림 3 에서와같이 LED와 PD의깜박임송수신을기본원리로하여조명기능을유지하면서통신도동시에할수있는것이다. 전기에서빛으로바꾸는속도가약 30 나노미터에서 250 나노미터에달하는데, 이렇게빠른스위칭 (On-Off) 을통신모듈레이션이용하여통신할수있다. 사람은초당 100회이상깜박이면, 깜박임을인식하지못하고계속적으로켜진것으로인식한다. 통신에의한깜박임이있지만, 인간은계속적으로켜진것으로인식되하기때문에조명의기능도유지된다. M2M 가시광무선통신 (VLC: Visible Light Communication) 조명과통신의융합서비스탄생 주파수무간섭 ITS 안전 / 초정밀측위 빛센서통신 / 무선 LAN 조명인프라이용한눈으로보는통신, 3 무 ( 무해, 무허가, 무간섭 ) ( 그림 4) LED 조명통신융합개념 가시광무선통신의효과로서장점은빛을사용하기때문에인체에무해하며, 주파수허가를받을필요가없고, ISM기존 RF(radio frequency) 기반통신과의간섭도없으며, 물리적으로보안기능을제공하고, 초정밀측위에사용할수있다. 초당 100번이상깜박이면, 눈으로인식하지못함통신 LED 조명데이터 LED 조명인프라를이용하여통신환경을조성한다면, 조명인프라를공유하는경제적이득효과가발생하며, 실생활조명과함께하는통신융합멀티미디어통신서비스를제공할수있다. 4. 가시광무선통신표준동향 데이터 PD LED: Light Emitting Diode, PD: Photo Diode 4.1 국내표준동향 ( 그림 3) 가시광무선통신의기술개념 PD(Photo Diode) 는 LED와유사하게반대로빛에너지를전기에너지로변환하는기능을갖고있다. PD와 LED는물리적특성이비슷하기때문에, 최근에는 LED 와 PD를동시에제공하는제품도있다. 가시광무선통신기술은그림 4에서와같이디지털조명과통신을융합한통신기술이기때문에통신여부를눈으로확인할수있다. 디지털조명은반도체에의해빛을발광하는 LED(Light Emitting Diode) 조명을말하며, 디지털로제어할수있기때문에기존의아날로그조명에비하여기술발전속도가높고, 다양한멀티미디어조명및통신서비스를제공할수있다. TTA( 한국통신기술협회 ) 는멀티미디어응용PG 산하에가시광통신서비스실무반 (WG: 워킹그룹 ) 을 2007년 5월 30일에신설하였다. 가시광통신의실효성및목표설정을명확하게하기위하여응용서비스모델을표준으로제정하고, 서비스모델표준에따른무선가시광송신기술과수신기술, 가시광 MAC 프로토콜및응용프로토콜표준등을제정할예정이다. TTA 가시광통신응용서비스모델은다음과같이목표로정하고표준규격으로개발하고있다. TTA에서는다음과같은가시광무선통신응용서비스모델을정하고이를만족하기위한표준규격을개발하고있다. 가시광통신 3무 ( 무허가, 무간섭, 무해 ) 주파수서비스모델 한국인터넷정보학회 ( 제 10 권제 1 호 ) 87
가시광통신자동차안전서비스모델 가시광통신측위서비스모델 가시광통신 M-to-M 서비스모델 가시광통신초고속센서서비스모델 가시광통신 WLAN 서비스모델 가시광통신서비스실무반은표준기술을목표인 ToR(Terms of Reference) 를다음과같이설정하였다. 가시광통신응용서비스모델 무선가시광송수신기술 가시광통신서비스프로토콜기술 가시광통신서비스정합기술 TTA 가시광통신서비스실무반은가시광무선통신멀티미디어표준기술워크샵을 2007년 8월 30일, 2007년 12월 18일, 2008년 6월 25일에 TTA 에서 3차례실시하였다. 워크샵에서는국내 / 국제표준동향, MAC 프로토콜, WPAN 과의기능비교, 네트워크이동성, RFID, 자동차안전통신, 차세대이동통신단말등의관점에서가시광무선통신기술을발표하였다. 가시광무선통신기술이 TTA 2008 년도 35대정보통신중점기술표준화로드맵차세대이동통신분야표준아이템으로 2007년에처음으로선정되었고, 2008년에도선정되어 2009년표준로드맵작업을완료하였다. 2009년가시광무선통신표준로드맨맵기획전담반은표 1과같이 2008년표준로드맵에 9개항목에서 12개항목으로수정변경하였다. ( 표 1) 가시광무선통신표준화항목비교 2008년 2009년 송신 PHY 송신 PHY 수신 PHY 수신 PHY LED 조명인터페이스 LED 조명인터페이스 Infrastructure mode M AC Infrastructure mode M AC Peer-to-peer mode MAC Peer-to-peer mode MAC 가시광통신자동차안전프로토콜 가시광통신자동차안전프로토콜 가시광통신측위프로토콜 - 가시광통신조명식별번호 가시광통신위치기반추적서비스 가시광통신 M-to-M 프로토콜 가시광통신 M-to-M 프로토콜 가시광통신초고속센서프로토콜 가시광통신초고속센서프로토콜 - 가시광통신저속광 Tag 서비스 - 가시광통신국부적제한방송서비스 가시광무선통신 PHY 기술은물리계층의송수신 PHY와 LED 조명과통신과의인터페이스를표준화한다. 가시광무선통신 MAC 기술은데이터계층의데이터무결성보장을하는것으로써단대단통신에사용할 Peer-to-Peer MAC 과 LAN 통신에사용할 Infrastructure MAC 으로구분하여표준화한다. 가시광무선통신응용프로토콜기술은자동차안전, 가시광무선통신위치기반추적서비스, 가시광무선통신조명식별번호, 광태크서비스, M-to-M, 초고속센서등을표준화한다. 4.2. 국제표준동향 IEEE 802.15.7 VLC는 2008년 11월에 IG(Interesting Group) 으로시작하여, 2008년 3월에 SG(study group) 이되었으며, 2009년 1월에는 TG(Task Group) 이되었다. IEEE 802.15.7 VLC의표준범위는 WPAN 영역에서 LED 통신을위한 PHY와 MAC 표준규격을제정한다 [4]. IEEE 802.15.7 VLC 표준규격의활성화를위하여 application, regulatory, functional requirement subcommittee 3개를구성하였다. Application subcommittee는 VLC에서제공가능한제공가능한서비스를나열하고, 그서비스들의분류및정의를할예정이다. Regulatory subcommittee에서는녹색성장 (Green Growth) 에따른규제, LED 상품규제, 주파수규제, 세계주요국가의규제등을기술하고, 가시광무선통신표준제정에문제가없는지와요구조건을개발할예정이다. Functional requirement subcommittee에서는가시광무선통신기술표준을위한기능적요구사항을기술할예정이다. 일본에서는 VLCC(Visible Light Communication Consortium) 을일본 20개기업과대학을중심으로 2003 년 11월에결성되하였다. 었다. 유비쿼터스와자동차통신 (ITS Intelligent Transport System) 에응용하는것을목표로설정하고있다. WWRF(World Research Forum) 는 2001년에설립되었으며, 현재 140 멤버가로구성되어있다. 무선과이동통신의연구, 학문, 기술, 산업등에대한미래방향및전략을수립하는것을목적으로한다. 6개의워킹그룹 (WG: Working Group) 과 4개의특별그룹 (Special 88 2009. 3.
Interest Group) 으로구성되어있다. WG5 는 Ultra Wideband, MIMO-OFDM, Short Range Optical Wireless Communication 이슈를다루고있다. 특히, WG5 는가시광무선통신을미래기술로인식하고가시광무선통신에대한백서 (White Paper) 를작성완료하였다. 5. LED 조명유비쿼터스서비스 5.1 자동차안전서비스 자동차는언제어디서나사용하는이동도구로사용된다. 자동차의브레이크등과좌우측사이드등은 LED 등으로교체되고있는시점에있다. 운전자는자동차등은저속프로토콜을갖고있다. 자동차의등 ( 방향지시등일명깜빡이와, 브레이크등 ) 을이용하여운전자간의사전달을한다. 즉, 빨강간색불이켜지면, 속도를줄이거나정지를, 왼쪽의노랑란색불이켜지면왼쪽으로회전, 하얀색불이켜지면, 후진한다는등의운전자간의약속인프로토콜이정의되어있다. 가시광무선통신은이에더하여, 빨강간색불의정지신호외에현재속도에서얼마나빨리정지할것인지등의추가정보를뒤의차에전달할수있다. 이러한정보는자동차안전운행에도움을준다. 이러한자동차간통신외에자동차와신호등간의통신도가능하여신호등의도로상태정보, 신호등점멸예상정보등을주고받을수있다. 이는자동차가움직이는곳언제어디서나정보를주고받을수있는미래형유비쿼터스서비스중의하나이다. 5.2 조명식별번호서비스조명은가정의마루, 방, 부엌과, 사무실의책상위, 휴게실, 회의실, 그리고야외의가로등, 신호등, 자동차등등어디나있다. 이들각조명은각기상이한위치에서고유의역할을수행하고있다. 이들조명은각각의식별번호를부여할수있다. 가시광통신조명식별번호란가시광통신에서필 수요소인조명에사용부여할고유번호를말하며, 각조명의위치를곧바로측위서비스와연계시킬수있다는점에서조명의식별은매우중요하며조명식별번호에대한표준화가필수적인요소이다. 가시광통신조명식별번호는위치기반서비스의필수적인요소로서써조명식별번호를이용한다양한서비스를제공해줄수있다는측면에서파급효과가크다고볼수있다. 종래의경쟁기술인 GPS 시스템, RFID, Bluetooth, ZigBee 등과는달리조명의각각의위치정보를이용하게되는가시광통신시스템에서조명식별번호의공유화는중요한문제이며전세계적인표준화는시급한문제라할수있다. 건물내부의인프라들은건물이완성되기전에설치되어야한다. 특히 LED 조명의확산이점점가속화된다고볼때, 조명인프라가보편화가되기전에공통의조명식별번호를갖는것은중요한일이다. 그러므로조명식별번호의표준화는시급한과제중의하나이다. 5.3 위치인식서비스위치인식서비스는실내외 LED 조명과표시등, 보행자용교통신호등에 ID를부여하고가시광무선통신을이용하여전송하면단말기에저장된지도상에수신된 ID의조명위치를표기함으로써위치및지리, 길찾기정보를알려주는방식의서비스이다. LED 조명을구성하는 LED Array 의개별 LED를서로다른변조기술또는데이터로구동하도록하고 Photonics Diode Array를수광소자로활용하면 mm 범위까지정밀하게측위할수있다. 조명에의한위치인식서비스가실현되면, 우리는언제어디서나정확한위치를알고우리가원하거나행하고자하는것을보다쉽게실현할수있다. 5.4 M-to-MMachine to machine 서비스 M-to-M 서비스는가시광을이용한휴대단말기및멀티미디어기기간의 Point-to-point 근거리서비스이다. 한국인터넷정보학회 ( 제 10 권제 1 호 ) 89
LED를사용하는기기들이점점많이등장하는추세이다. 예를들면, TV와노트북모니터의 BLU(Back Light Unit) 를 LED로사용한다. 손전등, 내시경등, 핸드폰, 라디오표시등, 상품전시등, 빔프로젝터등에 LED 를사용하고있다. 각기기는각기다른정보를갖고있기때문에기기간통신을할필요가있으며, 사람의개입이없이자동으로통신하면, 사람에게좀더편리한유비쿼터스서비스를제공할수있을것이다. 인터넷은지역에관계없이정보검색을쉽게할수있는것이장점인반면, 주위환경에있는지역정보또는객체정보에대한검색을하기어려운단점이있다. 국부방송서비스는주위환경에적합한정보를국부적으로방송할수있는장점을갖고있다. 즉, 국부방송서비스는우리가있는주위환경에서의원하는정보는언제어디서나얻을수있는유비쿼터스서비스이다. 5.5 초고속센서서비스 5. 결론 LED 빛은 LOS(Line of Sight) 의특징을갖는다. 통신에서의 LOS는단점이였다. 하지만, 센서의측면에서는 RF에비하여정확도를보다높게하는장점으로바꿀수있다. LED 조명하에위치한제품들의 ID를가시광무선통신을이용하여단말기에전송하면단말기에서는수신된 ID와일치하는제품들의정보를보여주는방식의센서서비스를제공할수있다. 이는백화점및대형마트, 등에서활용할수있다. 센서는미래의유비쿼터스사회에구현될다양하고편리한서비스들을사용자들에게제공하기위하여근간이되는기술이므로산업과실생활측면에서도파급효과가매우크다. 5.6 저속광태그서비스저속광태그서비스는객체에태그정보를실장하고무선으로그정보를수신하여활용하는서비스이다. 조명용 LED로구현된전시관용조명과교통신호등을이용하여가시광 Tag-ID 를 4.8 Kbps로전송하여상품정보, 음식점메뉴정보, 보행자위치인식및네비게이션정보를전달할수있다. 또한, 창고내 LED 조명및저속광태그기술을이용하여물류의위치를인식할수있다. 5.7 국부방송서비스국부방송서비스는 LED 조명및 LED 전광판을이용한저속 ( 수십 kbps) 의단방향정보방송중심의서비스이다. LED 효율개선및녹색성장의시대적상황에따라형광등과백열등의조명이 LED 조명으로전환되는시점에있다. LED 조명은국가적기간인프라로부상할수있다. LED를이용한가시광무선통신은조명과통신을융합하는중요한기술로정립될것이다. 가시광무선통신은 LED 조명인프라를사용하는것이특징이며, LED 조명이다양한곳에사용되므로, 언제어디서나서비스를제공할수있다. 특히, LED조명은자동차후미등, 전조등, 등대등, 선박조명, 신호등, 가로등, 실내등등에널리사용되고있다. LED 조명만있으면, 조명뿐만아니라통신도가능하므로, 자동차간통신, 자동차와신호등간의교통안전정보수신, 등대와선박간통신, 초고속센서서비스를제공할수있다. 융합된 LED 가시광무선통신기술은눈으로확인하는통신, 빛색에따른선별통신, LOS(Line of Sight) 통신보안을보장해주는것이특징이다. 조명통신융합에의해자동차안전, 조명식별번호, 위치인식, M-to-M, 초고속센서, 저속광태그, 국부방송등의유비쿼터스서비스를실현할수있다. LED 조명의급부상과함께새롭게태동한가시광무선통신기술은해결하여야할과제는많지만, 실현가능성이높고, 실현되었을경우에발생되는융합신산업효과가매우클것이다. 융합에의해녹색성장의저탄소효과도있다. 조명통신융합기술인가시광무선통신은이제막탄생한기술이다. 이제막탄생한만큼 LED 조명통신융합기술은앞으로해결하여야할과제도많이있다. 90 2009. 3.
LED표준이거의없다. LED 제품에대한표준도이제시작단계이다. LED 을이용한가시광무선통신프로토콜표준도이제막시작했다. 표준부재외에도기술적으로해결해야할문제가많이있고, 이들문제점들을산학연의 LED 분야전문가및전자통신전문가들이상호협력하여하나하나해결해가야한다. Acknowledgement 본연구는지식경제부, 방송통신위원회, 정보통신연구진흥원, 한국전자통신연구원의 IT핵심기술개발사업의일환으로수행하고있다. 참고문헌 [1] 김용원, LED 광원응용기술, LED 광원기술과응용워크숍 pp.190, 2007.5.17 [2] LED 기술및부품 / 소재기술시장편람 ( 대신증권리 서치센터 ), 산업자료센터 pp. 89, 2008.8 [3] 황명근, LED 조명산업기술동향, LED 조명산업과통신산업융합가시광무선통신표준기술워크숍, 2008. 12.18, pp. 21~36 [4] Visible Light Communications: Tutorials, IEEE 802.15 VLC SG, 2008.3.17 [5] Tae-Gyu Kang, A vehicle applications on Visible Light Communications, IEEE 802.15 VLC SG, 2008.2 [6] 강태규, 가시광무선통신융합기술, LED 융합가시광무선통신 (VLC) 표준기술워크삽, 2008.6.25 [7] 강태규, 가시광무선통신표준기술동향, TTA Journal No. 113, pp. 85~90 [8] 정대광, 가시광무선통신미래서비스개발, 2008. 12.18, pp. 83~90 [9] 강태규, LED조명과가시광무선통신의융합기술동향분석, 전자통신동향분석제2 권제5 호, 2008. 10, pp. 32~39 한국인터넷정보학회 ( 제 10 권제 1 호 ) 91
저자소개 강태규 1989 ~ 현재한국전자통신연구원 LED통신연구팀팀장 1996 정보처리기술사, 2001 이학박사 2006 ~ 현재한국통신학회종신회원 2007 ~ 현재 TTA 가시광통신서비스실무반의장 2009. 3 ~ IEEE 802.15.7 VLC Regulation Subcommitte 의장관심분야 : LED 가시광무선통신, Green IT 융합기술, LED 감성조명통신 E-mail : tgkang@etri.re.kr 이권형 2000년명지대학교학사 2003년한국정보통신대학교석사 2005년삼성전자반도체총괄 ( 메모리사업 ) 현재 KAIST 박사과정현재한국전자통신연구원위촉연구원관심분야 : 가시광무선통신, Chaotic UWB E-mail : trabant@etri.re.kr 김대호 2000년경북대학교공학사 2002년한국정보통신대학교공학석사 2002년 ~ 현재한국전자통신연구원선임연구원관심분야 : LED 가시광무선통신, Green IT 융합기술, LED 감성조명통신 E-mail : dhkim7256@etri.re.kr 임상규 1995년서강대학교이학사 1997년서강대학교공학석사 2001년서강대학교공학박사 2001년 ~ 현재한국전자통신연구원선임연구원관심분야 : LED 가시광무선통신, 초고속광통신, LED 감성조명 E-mail : sklim@etri.re.kr 92 2009. 3.