가시광 무선통신 장치 및 방법 document_id A220623105692

현재, 유선전화 가입자, 이동통신 가입자, 인터넷 사용자수가 거의 포화상태에 도달하여 증가를 멈춘 상황에서 산업간 융합을 통한 신기술을 찾고 있다. 이러한 상황에서 2007년 LED 기술의 급격한 발전으로 새로운 조명 산업이 열리고, 근거리 무선통신(WPAN : Wireless Personal Area Network) 기술이 다양하게 개발되고 있다. 근거리 무선통신은 IrDA, IEEE 802.11x, IEEE 802.15(블루투스, UWB, 60GHz) 등에 대해 국제표준과 개발이 진행되고 있다. 근거리 무선통신(WPAN)의 한 기술로서 2007년 11월 15일 미국 아틀란타 IEEE 802.15에서 가시광 무선통신(VCL : Visible Light Communication) IG(Interesting Group)가 신설되었다. 국내에서는 이에 앞서 2007년 5월 30일에 한국정보통신기술협회(TTA)에서 가시광 무선통신 실무반을 구성하여 운영중에 있다. 가시광(가시광선)은 사람의 눈에 보이는 전자기파의 영역이다. 가시광의 파장은 대략 380 ~ 780㎚ 정도이다. 가시광내에서는 파장에 따른 성질의 변화가 각각 색깔로 나타난다. 가시광의 파장은 빨강색으로부터 보라색으로 갈수록 짧아진다. 빨강색보다 파장이 긴 빛을 적외선이라 하고, 보라색보다 파장이 짧은 빛을 자외선이라고 한다. 단색광인 경우 대략 700 ~ 610㎚의 파장에서는 빨강, 대략 610 ~ 590㎚의 파장에서는 주황, 대략 590 ~ 570㎚의 파장에서는 노랑, 대략 570 ~ 500㎚의 파장에서는 초록, 대략 500 ~ 450㎚의 파장에서는 파랑, 대략 450 ~ 400 ㎚의 파장에서는 보라로 보인다. 가시광 무선통신 기술은 디지털 LED 조명 빛과 통신을 융합한 통신기술로서 통신여부를 눈으로 확인할 수 있고, 인체 무해, 물리적 보안기능 등을 제공할 수 있다. LED는 기존 조명인 형광등과 백열등에 비해 수은에 의한 환경 파괴 문제를 해결할 수 있으며, 10배 이상의 긴 수명, 90% 전기효율 향상 등의 효과가 있다. 이러한 조명 인프라를 이용하여 통신 환경을 조성한다면 경제적 이득 효과, 멀티미디어 통신 서비스의 확대, 실생활 조명과 함께하는 통신 세계가 열린다고 볼 수 있다. LED를 이용한 조명기기에서는 최고의 효율과 가장 정밀한 전류 제어가 가능한 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; 이하부터는 PWM이라 함) 방식을 사용하여 조명의 휘도를 조절한다. PWM 방식은 신호의 온/오프의 비율을 조절하는 방식으로서, LED 조명의 켜진 상태의 시간을 조절하여 빛의 휘도를 조절한다. 즉, LED 조명은 점등되어 있는 시간이 길면 밝은 빛을 내고, 짧아지면 어두워지는 원리이다. 그러나, PWM 방식을 이용하여 휘도를 조절하는 조명기기에서는 가시광 무선통신 사용이 어렵고, 또한 가시광 무선통신 기능으로 인하여 조명의 휘도가 원하는 휘도를 낼 수 없게 된다. PWM 방식을 사용하는 조명기기는 PWM신호의 온/오프에 따라 LED 조명을 온/오프시키게 되는데, 이러한 기능으로 인하여 빛의 온/오프로 통신을 행하는 가시광 무선통신과는 동작 방법에서 충돌을 일으킨다. 즉, 통신("1"과 "0"이 항상 불규칙적으로 변화)을 하더라도 휘도(PWM의 듀티비)는 항상 일정("1"과 "0"의 비율은 항상 일정)하게 유지하여야 하는데, LED를 온/오프하는 제어신호에 휘도 조절용 PWM신호와 통신용 변조신호를 결합하기가 어렵다. PWM신호는 휘도가 정해지면 고정된 파형을 가지지만, 통신신호는 데이터 패턴에 따라 계속 변하는 신호이기 때문이다. 다시 말해서, PWM신호 구간에 데이터 전송을 위한 동기의 어려움이 있다. 예를 들어, 도 1에서와 같이 50%의 듀티 사이클인 PWM신호((c) 참조)와 전송하고자 하는 데이터(예컨대, "1010011100")((b) 참조)를 클럭신호((a) 참조)에 동기시켜 결합하게 되면 (d)에서와 같이 마치 20%의 듀티 사이클을 갖는 PWM신호처럼 된다. 결국, PWM신호의 온(ON)구간의 길이가 변하고 전송가능 비트의 수도 변하여 전송 속도가 변화하게 되는 문제가 발생한다. 이는 데이터 패턴에 따라 LED 조명의 휘도가 변하게 될 뿐만 아니라 전송하고자 하는 데이터를 제대로 보낼 수 없음을 의미한다. 그에 따라, 쉽게 생각할 수 있는 방법은 주기가 상대적으로 긴 PWM신호의 온(ON)구간에서만 통신용 변조신호를 보내는 것이다. 그러나, 이 경우에는 실질적인 조명의 온시간이 짧아져서 원하는 휘도를 낼 수 없게 된다. 현재까지는 주로 상시 점등 상태인 LED 조명을 이용한 실험실 수준의 가시광 무선통신 시제품이 선보이고 있는 상태이거나, LED조명과 통신을 위한 부품이 별도로 사용되고 있는 실정이다. 즉, LED 조명이 점멸됨에 따라 발생하는 빛에 전송하고자 하는 데이터를 정상적으로 실어 보내는 수준에는 도달하지 못한 상태이다.