가시광통신표준및기술동향 김종원 * 강태규 ** 정명애 *** 가시광통신은 380~780nm 의파장을갖는가시광을이용하여통신하는차세대통신기술로서, 신호를송신하기위하여보통가시광선 LED 를사용하고, 신호를수신하기위하여 PD 를사용한다. 21 세기新광원으로각광받고있는 LED 는기존의백열등이나형광등에비하여광변환효율이높기때문에에너지소비량이매우적고, 소형화, 박형화, 경량화가가능하며, 수명이반영구적이고, 응답속도가빠르며, 충격에강하고안전하며, 무수은이어서환경친화적이고, 다색및다단계밝기제어가가능한장점이있으나, 열에취약하고고가인단점이있다. 본고는저탄소ㆍ녹색성장의핵심기술인가시광통신의표준화동향에대하여소개하고, 가시광통신기술의특징및국내외연구동향에대하여살펴보고자한다. 목 I. 서론 차 I. 서론 가시광선 (Visible ray) 은사람의눈에보이는범 위의파장을가지고있는전자기파이다. 가시광선의 II. 가시광통신표준화동향 III. 가시광통신기술동향 IV. 결론 파장의범위는 ( 그림 1) 과같이 380~780nm 이다. 가시광선내에서는파장에따른성질의변화가각각의색깔로나타나고, 보라색으로부터빨간색으로갈수록파장이길어진다. 단색광인경우 400~450nm 는보라, 450~500nm 는파랑, 500~570nm 는초록, 570~590nm 는노랑, 590~610nm 는주황, 610~ 700nm 는빨강으로보인다. LED(Light Emitting Diode: 발광다이오드 ) 는다수의캐리어 (Carrier) 가전자인 n 형반도체결정과, 다수의캐리어가정공인 p 형반도체결정이서로 * ETRI 융합기술기획팀 / 책임연구원 ** ETRI LED 통신연구팀 / 팀장 ** * ETRI 융합기술미래기술연구부 / 부장 접합된구조를갖는전기 - 광변환형의반도체소자 로서, 화합물반도체의특성을이용하여전기신호 1
주간기술동향통권 1400 호 2009. 6. 10. 를원하는영역의파장대역 ( 적외선- 가시광선- 자외선 ) 을갖는빛으로변환시켜서신호를보내고받는데사용되는소자이다. LED 는방출하는빛의종류에따라서적외선 LED(Infrared LED), 가시광선 LED(Visible LED), 자외선 LED(Ultraviolet LED) 로구분한다. 가시광선 LED 는전체 LED 시장의 90~95% 를차지하고있으며적색, 녹색, 청색, 백색 LED 등이있다. 적외선 LED 는리모콘, 적외선통신 (Infrared Data Association: IrDA) 등에사용되고있으며, 전체 LED 시장의약 5% 를차지하고있다. 자외선 LED 는살균, 피부치료등생물및의료분야에사용되고있으며, 전체 LED 시장의약 2% 를차지하고있다 [1]. 가시광통신 (Visible Light Communication: VLC) 은 380~780nm 의파장을갖는가시광 (Visible Light) 을이용하여통신하는차세대통신기술로서, 신호를송신하기위하여보통가시광선 LED 를사용하고, 신호를수신하기위하여 PD(Photo Diode: 광다이오드 ) 를사용한다. 가시광통신에서사용하는파장을주파수로바꾸면, 385~789THz 에해당된다 {fλ =c 이므로, 주파수 = 빛의속도 (3 108m/sec)/ 파장 (380~780nm)}[2]. ( 그림 1) 가시광선의파장의범위 가시광통신기술은언제어디서나사용이가능하고, 인체에무해하며, 주파수허가를받을필요가없고, RF(Radio Frequency) 간섭이없으며, 넓은가시광대역을사용할수있고, 통신여부를눈으로확인할수있어서물리적보안기능을제공하며, 고속멀티미디어데이터전송이가능한장점이있고, 현재가전기기, 이동통신기기, 조명분야, 광고분야, 의료분야, 환경분야, 농수산분야등에급속하게적용되고있는가시광선 LED 기반시설들에게가시광통신기술을적용할수있으며, 새로운응용분야로서보안 Point-to-point 통신, 보안 Point-to-multipoint 2
통신, 실내 LBS(Location Base Service), ITS(Intelligent Transportation System), Information Broadcast 등에적용할수있다. 본고는 II 장에서가시광통신관련국내표준화기구인 TTA(Telecommunications Technology Association: 한국정보통신기술협회 ) 및국제표준화기구인 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), WWRF(Wireless World Research Forum), ITU-T, VLCC (Visible Light Communication Consortium) 의동향을살펴보고, III 장에서가시광통신관련국내및국외기술동향에대하여기술하며, 마지막으로 IV 장에서결론을맺는다. II. 가시광통신표준화동향 1. 가시광통신국내표준화동향 TTA 는 IT 응용기술위원회 (TC4) 산하의멀티미디어응용프로젝트그룹 (PG402) 에서 2007 년 5 월에가시광통신서비스실무반 (WG4021) 을구성하고, 6 월부터활동을시작하였다 [3]. < 표 1> 2009 년 TTA 가시광통신표준화항목 구분정의표준화항목표준화내용 가시광무선통신 PHY 기술 가시광무선통신 MAC 기술 가시광무선통신응용프로토콜기술 조명가시광을통신을위한송신모듈레이션하고수신디모듈레이션하는기술 가시광무선통신데이터무결성을위한계층 2 프로토콜기술 가시광무선통신에서제공할수있는자동차안전, 조명식별번호, 위치기반추적, M-to-M 초고속센서, 저속광태그, 국부적제한방송등의응용서비스를적용하기위한프로토콜기술 PHY LED 조명인터페이스 MAC 가시광무선통신자동차안전프로토콜가시광무선통신조명식별번호 가시광무선통신위치기반추적서비스가시광무선통신 M-to-M 프로토콜 가시광무선통신초고속센서프로토콜가시광무선통신저속광태그서비스 가시광무선통신국부적제한방송서비스 가시광무선통신송수신물리적접속및신호규격 가시광무선통신과 LED 조명간의인터페이스 가시광무선통신 Layer 2 MAC 프로토콜 가시광무선통신자동차안전서비스응용계층프로토콜규격 가시광무선통신측위서비스응용계층프로토콜규격 가시광무선통신위치기반추적서비스규격 가시광무선통신 M-to-M 서비스응용계층프로토콜규격 가시광무선통신초고속센서서비스응용계층프로토콜규격 가시광무선통신저속광태그서비스규격 가시광무선통신국부적제한방송서비스규격 3
주간기술동향통권 1400 호 2009. 6. 10. 가시광통신의표준화항목은 OSI 7 Layer 개념으로구분하여가시광무선통신 PHY(Physical Layer) 기술, 가시광무선통신 MAC(Medium Access Control) 기술, 가시광무선통신응용프로토콜기술등으로구분할수있으며, 2009 년가시광통신서비스실무반의표준화항목은 < 표 1> 과같다. 2. 가시광통신국제표준화동향 가. IEEE 802.15.7 VLC TG IEEE 802.15.7 VLC TG(Task Group) 은 2009 년 1 월에결성되었고, 가시광통신의 PHY 와 MAC 계층규격을표준화할계획이다 [4]. IEEE 802.15.7 VLC TG 은 VLC Application Subcommittee, VLC Regulatory Subcommittee 및 Technical Requirement Document Subcommittee 의 3 개의 Subcommittee 로구성되고, 표준화추진일정은 ( 그림 2) 와같다. ( 그림 2) IEEE 802.15.7 VLC TG 의표준화일정 나. WWRF WG5 WWRF 는유럽의에릭슨, 알카텔, 노키아, 지멘스, 모토로라등에의해 2001 년에설립되었고, 단체의목표는미래연구방향에대한전략적비전제시, 이동무선통신시스템연구및개발에있어서의국제적인협력, 미래네트워크에대한기술적진보를추구하는것이며, 현재약 4
150 개단체가가입되어있다 [5]. WWRF 산하조직중 WG5 는단거리무선통신을연구하고있고, 기술분야로는 WLAN(Wireless Local Area Network), WPAN(Wireless Personal Area Network), WBAN(Wireless Body Area Network), Home Network, Short-range Communication 등이다. WWRF WG5 는단거리무선통신에대한백서 (white paper) 를통해서향후 4G 이동통신에서는주가되는전파를이용한무선통신외에도가시광통신이상보적인통신시스템의역할을해야함을강조하고있고, 2007 년 6 월회의에서는 Visible Light Communications briefing: update and key questions for white paper 라는 briefing 문서를발표하여연구개발현황, 요구사항및향후해결해야할기술적인문제를제시하였다. 현재가시광통신백서작성에참여하고있는회원사에는삼성전자, 옥스퍼드대학, France Telecom, Siemens, Heinrich- Hertz-Institute 등이있다. 다. ITU-T SG16 ITU-T SG16 은 H.323, H.324, H.248 등멀티미디어프로토콜을개발한연구그룹으로차세대멀티미디어프로토콜인 H.325 표준을개발하고있다 [6]. 차세대멀티미디어프로토콜은기존의음성전화와화상전화는기본으로제공하고, 차세대멀티미디어서비스를제공하는것을목적으로한다. 2007 년 7 월정기회의에서차세대멀티미디어프로토콜에서가시광통신측위기능을제공하기로결정하였다. 라. VLCC 일본의 VLCC 는총무성의지원하에 2003 년 11 월 25 일부터게이오대학주도로관련된산학연단체들에의해설립되었고, 현재게이오대학의 Nakagawa 연구소, NEC, KDDI, Panasonic Electric Works, Toshiba, Toyoda Gosei, Sony, NTT DoCoMo, Casio Computer, Toyota, 삼성전자등약 25 개단체가가입되어있다 [7]. VLCC 의설립목적은가정또는사무실의조명, 교통신호, 전자광고간판, 정보가전의소형램프등에적용되는 LED 를사용하여고속이고, 인체에안전하며, 언제어디서나사용이가능한가시광통신시스템을연구하고, 개발하며, 계획하고, 표준화하는것이다. VLCC 의관심분야는조명통신분야, 유비쿼터스가시광통신분야및 ITS(Intelligent Transport System) 가시광통신분야이다. VLCC 의조직도는 ( 그림 3) 과같다. ( 그림 3) 에서 Research Advancement and Planning Committee 는 VLCC 를능률적이고원만하게관리하기위하여조직관리에대한계획수립, 예산편성업무및지적재산권업무등을 5
주간기술동향통권 1400 호 2009. 6. 10. General Meeting Secretariat Board of Director Research Advancement and Planning Committee Technical Committee Standardization Committee Popularization Committee Special System Project -Lighthouse Sub Project - Traffic Signal Sub Project Fundamental Technologies Investigation WG WG1, WG2 - Visible Light Portable Terminal Working Group - Visible Light LAN Working Group ( 그림 3) VLCC 의조직도 수행하고, 하나의프로젝트팀을운영하며, 워킹그룹을구성하고, 전체적인조직의조정을수행한다. Research Advancement and Planning Committee 는하나의 Social System Project 를수행하고있고, 하나의 Social System Project 는등대서브프로젝트와교통신호서브프로젝트를 2007 년 9 월부터수행하고있다. 등대서브프로젝트는기존의 LED 등대에적용하기위한장거리가시광통신의개발을수행중이고, 2008 년 10 월에일본치바의구주꾸리해변에서일본해상보안청, Casio 및 Toshiba 가협력하여, 이미지센서통신기술을이용하여가시광통신에의한세계최장거리통신실험에성공하였으며, 전송거리및전송속도는 1km 에서 1,200bps 와 2km 에서 1,022bps 로기록되었다. 교통신호서브프로젝트는교통신호를이용한가시광통신의실현가능성에대하여검증하고있고, 교차로주변의가시광통신의응용으로서보행자에게위치정보제공, 차량에위치정보제공, 차량간통신및교차로간통신을개발하고있다. Technical Committee 는가시광통신시스템의기술개발에대한계획을수립하고가입된워킹그룹의구성및관리를수행한다. Standardization Committee 는유비쿼터스가시광통신, 조명통신, ITS 가시광통신등의표준화를수행하고, 가시광통신시스템의국제표준화를추진한다. 또한가시광휴대단말워킹그룹과가시광 LAN 워킹그룹을운영한다. 일본전자정보기술산업협회 (Japan Electronics and Information Technology Industries Association: JEITA) 는 Standardization Committee 의도움으로 2007 년 6 월에가시광통신시스템 (Visible optical communication system, JEITA: CP- 1221) 과가시광 ID 시스템 (Visible light ID system, JEITA: CP-1222) 을표준화하였다. 그리고 2008 년 10 월에가시광통신에대한표준화를위하여 IrDA 및 ICSA(Infrared Communication 6
Systems Association) 와협력할것을공표하여 IrDA 와가시광휴대단말에대한표준화를추진하고 ICSA 와가시광 LAN 에대한표준화를추진하고있다. 또한 2009 년 3 월에 VLCC 가 IrDA 물리계층을가시광통신에채용및확장시키는첫번째 IrDA 핵심규격기반의가시광통신표준 을제정하였다. Popularization Committee 는광고와교육을통한가시광통신의보급및장려를수행하고, 가시광통신시스템과관련제품들의표준화를수행하며, 새로운산업의창출을추진하고, 수요조사와시장조사를수행한다. III. 가시광통신기술동향 1. 가시광통신기술의특징가시광통신은가시광을이용하는차세대통신기술로서 IEEE 802.15.7 VLC TG 에서는가시광을이용하는단거리무선광통신으로정의하고있다. 가시광통신기술은다음과같은특징을가진다. - 가시광은인체에매우안전하다. 따라서높은전압을갖는가정또는사무실의조명에대해서도가시광통신에의하여데이터를전송할수있다. - 조명은언제어디서나사용되므로조명에가시광통신장치를부착함으로써쉽게데이터무선전송시스템을구현할수있다. 기존의적외선통신에비하여가시광통신이갖는장점은다음과같다. - 적외선통신은눈에보이지않고, 눈에유해하므로초고속데이터전송이불가능하지만, 가시광통신은눈에보이고, 눈에무해하므로초고속데이터전송이가능하다. 기존의전자파무선통신에비하여가시광통신이갖는장점은다음과같다. - 전자파무선통신은주파수허가를받아야하지만, 가시광통신은주파수허가를받을필요가없다. - 전자파무선통신은전자파간섭에의하여비행장치나의료기기등을오동작시킬수있지만, 가시광통신은전자파간섭이없어서비행장치나의료기기등을오동작시키지않으므로비행기또는병원내에서사용이가능하다. 7
주간기술동향통권 1400 호 2009. 6. 10. 2. 국외기술동향 가. 미국펜실베니아주립대에서는홈네트워크상에서댁내멀티미디어기기들에게데이터, 음성및영상서비스를제공하기위한고속광대역접속기반으로서전력선통신과결합된가시광통신시스템을제안하고시뮬레이션을수행하여 1Gbps 의광대역데이터전송이가능함을보였다. 나. 유럽영국의옥스퍼드대학에서는백색 LED 조명을이용한가시광통신의전송대역폭향상을위한변조기법과변조회로, 백색 LED 어레이및디텍터어레이를이용한데이터전송다중화기법, 저가형상향가시광변조기, 가시광통신채널환경분석및시뮬레이션등의다양한기술들에대한연구개발을추진하였다. OMEGA(hOME Gigabit Access) 프로젝트는유럽위원회의 7 번째 Research Framework Programme(FP7) 으로부터자금을지원받는통합프로젝트로서, 2008 년 1 월부터 2010 년 12 까지 3 년간추진될예정이고, France Telecom 의 Orange 연구소주도로 Infineon, Siemens AG, 옥스퍼드대학등유럽의 20 개산학기관이참여하고있다 [8]. OMEGA 프로젝트의목표는전력선통신, 전자파무선통신, 적외선통신, 가시광통신을포함하는이종통신기술에의 ( 그림 4) OMEGA 프로젝트의연구범위 8
( 그림 5) OMEGA 프로젝트의기술개발내용하여새로운배선을하지않고, 1Gbps 전송속도를제공하는초광대역홈네트워크용국제표준을만드는것이다. 이러한목표를달성하기위하여 OMEGA 프로젝트는 IEEE 802.11n, UWB (Ultra Wide Band) 및 60GHz WPAN 의전자파무선통신, 전력선통신, 1Gbps LOS(Line Of Sight) 양방향통신을제공하는적외선통신, 100Mbps 정보방송을제공하는가시광통신의물리계층과 MAC 계층을개발하고, 여러이종통신간 MAC 계층에서의새로운융합방법을개발하고시연할계획이다. OMEGA 프로젝트의연구범위는 ( 그림 4) 와같고, OMEGA 프로젝트의기술개발내용은 ( 그림 5) 와같다. 다. 일본게이오대학에서는 1999 년부터조명용 LED 를이용하여광 Tag-ID 서비스를제공하는기술, 가시광통신을 ITS 에적용하는방법, 백색 LED 어레이와이미지센서를이용한데이터전송다중화기법, 네트워크접속을위하여가시광통신과결합하는방법등의다양한가시광통신기술들에대한연구개발을진행하고있다. Casio Computer 에서는이미지센서와특정파장의가시광을투과하는필터를이용하여특정파장의가시광만을취하는이미지처리과정을통한저속원거리가시광통신시스템에대한연구개발을추진하였다. 9
주간기술동향통권 1400 호 2009. 6. 10. Toyoda Gosei 에서는고속변조가가능한가시광 LED 소자와모듈및이를이용한고속가시광통신변조기술을개발하였다. NEC 와시마즈건설에서는 2006 년 3 월에조명용 LED 로구현된전시관용조명과교통신호등을이용하여가시광 Tag-ID 를 4.8kbps 로전송하여상품정보, 음식점메뉴정보, 보행자위치인식및네비게이션정보를전달하는응용방안을구현하고시연하였다. Toshiba 에서는 RGB LED 어레이로 2005 년 6 월에구현된간사이공항전광판과 2006 년 3 월에구현된전시관용조명을이용하여일어, 영어및중국어로다중화된음성서비스를제공하는기술을시연하였다. NEC 와무라타기기에서는 2006 년 9 월에창고내 LED 조명을이용하여가시광통신으로물류의위치를인식하는시스템을개발하고, 2007 년에상용화를추진하였다. Tamura 에서는 2008 년 3 월 IEEE 802.15 VLC IG(Interest Group) 에서 LED 조명을이용한 LAN 서비스를시연하였다. 이시스템은 LED 조명의가시광통신을이용하여하향데이터를송신하고, 적외선통신을이용하여상향데이터를송신하는방식이었으며, 적외선통신프로토콜기반으로개발되었다. Comtech2000 은 LED 조명으로부터가시광통신기술에의하여방송되는정보를수신할수있는수신용 USB Dongle 을개발하여시연하였다. 3. 국내기술동향한국전자통신연구원 (ETRI) 은 2008 년 3 월부터국책연구과제로 IT 조명통신융합 380~780 나노미터가시광 RGB 선별무선통신연구 를수행하고있다. 한국광기술원 (KOPTI) 은 2009 년 3 월부터국책연구과제로한국전자통신연구원등과공동으로 Full Color 감성조명, 제어및네트워크기술개발 을수행하고있다. 삼성전자는 2006 년부터휴대단말기와멀티미디어기기간의점대점근거리통신분야, 옥내외 LED 전광판및상업용 LED 조명을이용한정보방송분야, 실내외 LED 조명을이용한 WLAN 분야의가시광통신기술을연구개발하고있고, 2007 년부터점대점가시광통신을위한휴대단말기와멀티미디어기기의인터페이스에적합한동글 (Dongle) 을개발하였다. 또한 2008 년부터휴대단말기와멀티미디어기기에가시광통신기술을적용하여 Machine-to- Machine 통신서비스기술을개발하고있다. 10
IV. 결론 가시광통신은가시광을이용하는차세대통신기술로서언제어디서나사용이가능하고, 인체에무해하며, 주파수허가를받을필요가없고, RF 간섭이없으며, 넓은가시광대역을사용할수있고, 통신여부를눈으로확인할수있어서물리적보안기능을제공하며, 고속멀티미디어데이터전송이가능한장점이있다. 또한가시광통신의응용분야는가시광선 LED 를사용하는가전기기, 이동통신기기, 조명분야, 광고분야, 의료분야, 환경분야, 농수산분야, 실내 LBS 분야, ITS 분야, Information Broadcast 분야등실로무궁무진한분야에적용할수있다. 반면에가시광통신에대한국제표준규격은 IEEE 802.15.7 VLC TG 에서 2009 년 1 월부터표준화를추진중이고. 2010 년말에완료할계획이어서, 아직국제표준규격이없다. 그리고가시광통신에대한연구개발은일본의게이오대학에서세계최초로 1999 년부터시작하였고, 영국의옥스포드대학등이뒤를이었으며, 국내에서는삼성전자가 2006 년부터연구개발을시작하였고, 현재국내외에서가시광통신의연구개발이활발하게진행되고있으나, 기술개발가능성및활용가능성을검증하는초기단계이다. 따라서국내에서는향후폭발적인증가가예상되는국내외의가시광통신시장을창출하고선점하기위하여정부, 연구소, 대학및산업체가협력하여적극적으로가시광통신핵심원천기술을확보하고, 관련제품들을개발하며, 지적재산권 (IPR) 을확보하고, 국제표준화를선도해야할것이다. < 참고문헌 > [1] 2008 년 LED 및부품 / 소재기술ㆍ시장편람, 산업자료센타, 2008. 8. [2] 강태규, 김태완, 정명애, 손승원, LED 조명과가시광무선통신의융합기술동향분석, 전자통신동향분석, 제 23 권제 5 호. 2008. 10, pp.32-39. [3] ICT Standardization Roadmap 2009 VLC( 가시광무선통신 ), 한국정보통신기술협회, 2008. 12. [4] IEEE 802.15, http://grouper.ieee.org/groups/802/15/ [5] WWRF, http://www.ww-rf.org/ [6] ITU-T, http://www.itu.int/ [7] VLCC, http://www.vlcc.net/ [8] OMEGA, http://www.ict-omega.eu/ * 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 11