가시광 통신 시스템에서 수광소자의 신호 처리 방법 및장치 document_id A220623034527

최근 들어, LED(Light Emitting Diode)의 발광 효율이 개선되고 가격이 하락함에 따라 휴대기기, 디스플레이, 자동차, 신호등, 광고판 등의 특수 조명 시장뿐만 아니라 형광등 백열등과 같은 일반 조명 시장에서도 LED가 보편화 되어가고 있다. 또한 최근에는 RF(Radio Frequency) 대역 주파수 고갈, 여러 무선 통신 기술 간의 혼선 가능성, 통신의 보안성 요구 증대, 4G 무선 기술의 초고속 유비쿼터스(Ubiquitous) 통신 환경 도래 등으로 인하여 RF 기술과 상호 보완적인 광 무선 기술에 대한 관심이 증가하고 있어 가시광 LED를 이용한 가시광 무선 통신에 대한 연구가 여러 기업 및 연구소 등에서 진행되고 있다. 현재 형광등이나 백열등을 사용하고 있는 가정이나 사무실 및 공공장소의 조명등은 향후 성능이 좋고 수명이 긴 LED로 대체될 것이다. 조명등으로 사용되는 LED에 인가하는 전류를 변조하면 조명 LED를 통신용 광원으로 활용할 수 있다. 즉, 추가적인 광원 없이 조명 LED만으로 방송 및 데이터 전송이 가능해 진다. 이처럼 눈에 보이는 빛을 이용해서 정보를 전달하는 가시광 통신은 그 사용 대역이 넓고 전파 통신과는 달리 규제를 받지 않고 자유롭게 사용할 수 있다는 장점 외에도 통신 링크를 눈으로 확인할 수 있는 시감성(示感性)이 있으며, 보안 측면에서도 신뢰할 수 있다는 장점이 있다. 또한 가시광 통신은 조명 기능과 통신 기능을 동시에 수행할 수 있다. 즉 일반적인 조명기를 사용하여 조명의 역할을 수행함과 동시에 가시광 통신 송수신기로서 정보를 송수신하는 것이 가능하다. 도 1은 일반적인 가시광 통신 수신기의 가시광 수광부를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1의 (a)는 일반적인 가시광 통신 수신기에서 수광소자로서 하나의 포토다이오드(PD: PhotoDiode)를 사용하는 가시광 수광부를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 가시광 통신 수신기의 가시광 수광부는 수광된 빛을 전기 신호로 광전변환하는 포토다이오드(100)와, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드(100)로 집광하기 위한 렌즈(120)를 포함하여 구성된다. 송신기로부터 송신된 가시광 신호는 수신기로 수광되어 상기 렌즈(120)를 통하여 포토다이오드(100)에 집중되고 상기 포토다이오드(100)를 통해 전기 신호로 변환되어 이후 수신 동작을 수행하게 된다. 도 1의 (b)는 일반적인 가시광 통신 수신기에서 수광소자로서 복수의 포토다이오드를 사용하는 가시광 수광부를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1의 (b)는 가시광 통신 수신기에서 복수의 포토다이오드를 배열한 포토다이오드 어레이를 사용하는 가시광 수광부를 도시한 도면이다. 도 1의 (b)에서 도시하는 가시광 통신 수신기의 가시광 수광부는 수광된 빛을 전기 신호로 광전변환하는 복수의 포토다이오드(131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139)와, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이(이하 'PD 어레이'라 칭하기로 한다)로 집광하기 위한 렌즈(140)를 포함하여 구성된다. 복수의 포토다이오드(131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139)로 구성된 PD 어레이를 사용할 때는 가시광의 수광 각도에 따라 렌즈를 통과한 빛이 한 개의 포토다이오드 혹은 복수의 포토다이오드에 수광된다. 가시광 통신 수신기는 상기 빛을 수광한 포토다이오드에서 출력된 전기 신호를 통해 수신 신호의 복원 작업을 수행한다. 가시광 통신 수신기에서 복수의 포토다이오드를 사용하는 이유는 포토다이오드의 면적과 반응 속도 사이의 관계 때문이다. 일반적으로 포토다이오드의 면적이 넓어지면 수광량은 많아지지만 포토다이오드의 동작 속도는 느려지게 된다. 또한 포토다이오드의 면적이 넓어지면 저항 성분이 증가하는데 회로에서 저항 성분의 증가는 시상수(time constant)를 증가시키는 결과를 가져온다. 따라서 포토다이오드의 넓이는 포토다이오드의 동작 속도와 반비례 관계를 가지기 때문에, 면적이 적은 복수의 포토다이오드를 배열의 형태로 배치하면 수광 면적을 늘리면서 동작 속도의 향상을 기대할 수 있다. 도 2는 수광소자로 복수의 포토다이오드를 사용하는 일반적인 가시광 통신 수신기의 개략적인 블록 구성도이다. 복수의 포토다이오드를 사용하는 일반적인 가시광 통신 수신기는 복수의 포토다이오드(200-1, 200-2, …, 200-n)로 구성되어 수광된 빛을 전기 신호로 광전변환하는 PD 어레이(250)와, 전기 신호로 변환된 수신 신호를 합산하는 합산기(210)와, 수신 신호를 복조하는 복조기(220)와, 오류 정정 부호를 통해 오류 수정을 하는 복호화기(230)를 포함한다. 이와 같은 복수의 포토다이오드를 이용하는 가시광 수신기에서 수광된 가시광 신호는 상기 포토다이오드(200-1, 200-2, …, 200-n)를 통해 광전변환되고, 합산기(210)에서 각 포토다이오드(200-1, 200-2, …, 200-n)의 출력값을 단순 합산한다. 도 3은 수광소자로 복수의 포토다이오드를 사용하는 일반적인 가시광 통신 수신기의 수신 동작 흐름도이다. 도 3을 참조하여 일반적인 가시광 통신 수신기의 수신 동작을 살펴보기로 한다. 310단계에서 가시광 통신 수신기는 가시광 통신 송신기로부터 가시광 신호를 수신한다. 이후 320단계에서 가시광 통신 수신기의 PD 어레이(250)에서 가시광 신호를 수광하고, 합산기(210)에서 PD 어레이(250)의 각 포토다이오드의 출력치를 합산한다. 이후 330단계에서 가시광 통신 수신기는 합산된 신호를 복조하고, 이후 340단계에서 복호화 동작을 수행한다. 이후 350단계에서 수신 동작이 종료되는지 판단하여 동작이 종료되지 않으면 310단계로 진행하여 상기의 수신 동작을 반복 수행하고 그렇지 않으면 동작을 종료한다. 한편 자유 공간 전파 방식을 이용하는 가시광 통신은 광섬유를 이용하는 광통신 방식과는 다른 환경에서 작동하게 된다. 광통신 방식에서는 광섬유를 이용하여 신호를 전달하기 때문에 송신된 신호가 거의 손실 없이 수신기에 수신되지만 자유 공간 전파 방식을 사용하는 가시광 통신은 송신시 정보를 담은 가시광 신호가 넓은 자유 공간을 비추게 되기 때문에 가시광 통신 수신기는 가시광 통신 송신기에서 송신한 빛의 일부분만을 수신할 수 있다. 이를 보완하기 위해서 가시광 통신 수신기는 수광량을 늘리기 위한 렌즈와 같은 부품을 사용한다. 또한, 상기 도 1, 도 2에서 설명한 것처럼 가시광 통신에서 수신기의 성능을 높이기 위한 방법으로 복수개의 수광 소자를 배열하는 방식을 생각할 수 있다. 이 경우에는 전체 수광 면적을 늘리면서 동작 속도의 향상을 기대할 수 있다. 이러한 방법을 사용하는 경우 수광소자 배열을 구성하는 개개의 수광소자의 면적과 작동 속도는 반비례 관계가 있다. 그렇기 때문에 수광소자의 면적이 넓으면 받을 수 있는 광량이 늘어나 출력되는 전기 신호의 값은 증가하지만 반응속도는 느려지게 된다. 따라서 전송 속도를 높여서 송신되는 빛의 변화속도가 수광소자의 작동 한계 이상인 경우에는 정상적인 수신 동작이 이루어지지 않는 문제점이 발생할 수 있다.또한 상기 문제점을 극복하기 위하여 면적이 작은 수광소자로 이루어진 수광소자 배열을 이용하는 방안이 있는데 이 경우에는 복잡도의 증가로 인하여 상대적으로 비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서 상기의 문제점들을 해결할 수 있는 신뢰성 있는 가시광 신호 복원 방법이 요구된다.