KR101937607B1

KR101937607B1 - 하이브리드 통신 시스템을 위한 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101937607B1
Application number: KR1020180024951A
Authority: KR
Inventors: 장영민; 응웬반장
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2038-02-28

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 방법은, 변조부가 전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받는 단계, 상기 변조부가 상기 전송 데이터에 기초하여, 소정의 변조방식에 의해, 밝기가 50%인 데이터 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 데이터 심벌 및 상기 밝기 보상 심벌을 포함하는 출력 신호를 생성하는 단계, 광원 제어부가 상기 출력 신호에 따라 하나 이상의 광원을 점멸시키는 단계를 포함한다.

Description

하이브리드 통신 시스템을 위한 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치 {Method and apparatus for dimmable optical wireless communication for hybrid communication system}

본 발명은 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 백열전구와 형광등과 같은 조명이 반도체 LED(Light Emitting Diode) 조명으로 교체되는 인프라를 이용하여 가시광 파장에 통신기능을 부가하여 무선 통신을 가능하게 하는 기술인 가시광 통신(Visible Light Communication; VLC) 기술이 활발히 연구되고 있으며, IEEE 802.15.7 국제표준규격도 완료되어 상용화를 위한 비즈니스 모델 발굴을 추진하고 있다. 그러나 IEEE 802.15.7은 주로 광 검출기(Photo Diode; PD)를 이용한 데이터 전송에 국한되어 있어 VLC 동글 등의 전용 통신장치를 사용해야 하는 문제점이 있다. 이에 따라 광검출기보다는 주로 스마트폰의 카메라와 같은 이미지 센서를 이용하고, 가시광선뿐만 아니라 적외선 및 자외선 파장까지 포함하는 광학 무선 통신(Optical Wirelesss Communications; OWC)의 국제표준화가 IEEE 802.15.7m OWC TG(Task Group)에서 진행되고 있다.

본 발명자는 IEEE 802.15.7m OWC TG 국제표준화 기구의 의장으로서 OWC 기술에 관한 많은 기고문을 제출하여 OWC 국제표준화를 선도하고 있으며, 본 발명은 OWC 국제표준기술의 가장 핵심적인 기술 중 하나인 하이브리드 통신 시스템에 사용될 수 있는 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 출원인의 국제특허출원 PCT/KR2016/013778호에 DSM-PSK를 이용한 하이브리드 통신 시스템인 HS-PSK 광학 무선 통신 시스템이 개시되어 있고, 본 출원인의 한국특허출원 제10-2017-0003585호에 DSM-PSK 광학 무선 통신 시스템이 개시되어 있으며, 이들은 IEEE 802.15.7m 표준에 기고되어 있다. 한편, 본 출원인의 국제특허출원 PCT/KR2017/015788호에 하이브리드 통신 시스템을 이용한 RoI 기반 광학 무선 통신 방법 및 장치가 개시되어 있다. 이들은 본 출원에 참조에 의해 편입된다.

본 발명은 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 방법은, 변조부가 전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받는 단계, 상기 변조부가 상기 전송 데이터에 기초하여, 소정의 변조방식에 의해, 밝기가 50%인 데이터 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 데이터 심벌 및 상기 밝기 보상 심벌을 포함하는 출력 신호를 생성하는 단계, 광원 제어부가 상기 출력 신호에 따라 하나 이상의 광원을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 밝기 보상 심벌은 상기 디밍 레벨에 기초하여 듀티비가 설정되는 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 밝기 보상 심벌은 수신 이미지 센서가 검출할 수 없는 주파수의 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 데이터 심벌은 상기 하나 이상의 광원에 각각 대응되는 하나 이상의 펄스파 신호를 포함하고, 상기 하나 이상의 펄스파 신호의 듀티비는 50%인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 소정의 변조방식은 SM-PSK 방식이고, 상기 데이터 심벌은 SM-PSK 심벌인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 출력 신호를 생성하는 단계는, 상기 SM-PSK 심벌 하나마다 상기 밝기 보상 심벌 하나를 포함시켜 상기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 SM-PSK 심벌은 한 주기의 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 펄스파 신호 각각은, 대응되는 전송 데이터 비트에 대하여 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌을 포함하며, 상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값에 따라 위상이 서로 동일하거나 반대인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값이 0인 경우 위상이 같고, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값이 1인 경우 위상이 반대인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌 각각은 (0, 1) 또는 (1, 0)인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 출력 신호는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 출력 신호는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 방법은, 변조부가 전송 데이터 비트 및 디밍 레벨을 입력받는 단계, 상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트의 값에 따라 서로 동일하거나 상이한 값을 갖는 제1 비트 및 제2 비트를 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 제1 비트 및 제2 비트를 각각 멘체스터 코딩하여 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하는 단계, 상기 변조부가 상기 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌에 상기 밝기 보상 심벌을 삽입하여 출력 신호를 생성하는 단계, 및 광원 제어부가 상기 출력 신호에 따라 광원을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 전송 데이터 비트의 값이 0일 때 상기 제1 비트 및 제2 비트의 값은 동일하고, 상기 전송 데이터 비트의 값이 1일 때 상기 제1 비트 및 제2 비트의 값은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 출력 신호는 상기 제1 멘체스터 심벌, 상기 제2 멘체스터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 출력 신호는 상기 제1 멘체스터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 멘체스터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 변조부가 전송 데이터 비트 열을 수신하는 단계, 상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트 열 중 N 비트의 각 비트를 전송 데이터 비트로 하여 제10항의 방법에 따라 N개의 광원 각각을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 변조부가 전송 데이터 비트 열을 수신하는 단계, 상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트 열을 스페이스-타임 부호화 방식에 따라 부호화 하는 단계, 및 상기 부호화된 전송 데이터 비트 열 중 N 비트를 전송 데이터 비트로 하여 제10항의 방법에 따라 N개의 광원 각각을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이미지 수신부가 이미지 센서로부터 하나 이상의 광원의 점멸 상태를 연속적으로 촬영한 이미지들을 수신하는 단계, 및 복조부가 상기 이미지들로부터 전송 데이터를 복원하는 단계를 포함하며, 상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 데이터 심벌 및 밝기 보상 심벌을 포함하고, 상기 이미지들은 데이터 심벌을 촬영한 이미지들 및 밝기 보상 심벌을 촬영한 이미지들을 포함하며, 상기 복조부는 상기 데이터 심벌을 촬영한 이미지들로부터 소정의 변조방식에 의해 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 SM-PSK 심벌 및 밝기 보상 심벌이 하나씩 반복되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트보다 큰 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트의 두 배인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 데이터 심벌은 듀티비가 50%인 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌을 포함하고, 상기 복조부는 상기 제1 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지 및 상기 제2 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지에 기초하여 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 복조부는 제1 데이터 심벌의 점멸 위상과 제2 데이터 심벌의 점멸 위상이 동일하면 0을, 반대이면 1을 복원하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 광원 각각의 점멸 상태는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 광원 각각의 점멸 상태는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트의 세 배인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 이미지들은 롤링 셔터 방식으로 촬영되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 장치는, 전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받고, 상기 전송 데이터에 기초하여, 소정의 변조방식에 의해, 밝기가 50%인 데이터 심벌을 생성하고, 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하고, 상기 변조부가 상기 데이터 심벌 및 상기 밝기 보상 심벌을 포함하는 출력 신호를 생성하는 변조부, 및 상기 출력 신호에 따라 하나 이상의 광원을 점멸시키는 광원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 장치는, 전송 데이터 비트 및 디밍 레벨을 입력받고, 상기 전송 데이터 비트의 값에 따라 서로 동일하거나 상이한 값을 갖는 제1 비트 및 제2 비트를 생성하고, 상기 제1 비트 및 제2 비트를 각각 멘체스터 코딩하여 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌을 생성하고, 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하고, 상기 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌에 상기 밝기 보상 심벌을 삽입하여 출력 신호를 생성하는 변조부, 및 상기 출력 신호에 따라 광원을 점멸시키는 광원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 수신 장치는, 이미지 센서로부터 하나 이상의 광원의 점멸 상태를 연속적으로 촬영한 이미지들을 수신하는 이미지 수신부, 및 상기 이미지들로부터 전송 데이터를 복원하는 복조부를 포함하며, 상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 데이터 심벌 및 밝기 보상 심벌을 포함하고, 상기 이미지들은 데이터 심벌을 촬영한 이미지들 및 밝기 보상 심벌을 촬영한 이미지들을 포함하며, 상기 복조부는 상기 데이터 심벌을 촬영한 이미지들로부터 소정의 변조방식에 의해 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 본 발명의 일 실시예에 의한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램을 포함한다.

본 발명은, 본 발명의 일 실시예에 의한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 포함한다.

본 발명에 의하면 하이브리드 통신 시스템에 사용될 수 있는 디밍이 가능한 광학 무선 송신 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 변조부가 S8-PSK 변조방식을 이용하는 경우 데이터 광원 그룹에 해당하는 변조부의 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 S8-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트와 동일한 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 S8-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트의 두 배인 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 변조부가 2-PSK 변조방식을 이용하는 경우 변조부의 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의해 변조부가 2-PSK 변조방식을 이용하는 경우 변조부의 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에서 변조기가 2-PSK 방식을 이용해 출력신호를 생성하는 과정 및 비트-심벌 맵핑 표를 도시한 도면이다.
도 8은 변조기가 전송 데이터 비트열을 수신하여 2-PSK 방식을 이용해 복수의 광원을 제어하는 출력신호를 생성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의해 2-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측에서 롤링 셔터 방식으로 광원을 촬영하는 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의해 2-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트이 세 배인 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다.

이하에서 본 발명의 기술적 사상을 명확화하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 도면들 중 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소들에 대하여는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들을 부여하였다. 설명의 편의를 위하여 필요한 경우에는 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 송신 장치(100)는 변조부(110)와 광원 제어부(120)를 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 무선 수신 장치(200)는 이미지 수신부(210)와 복조부(220)를 포함한다.

변조부(110)는 전송하고자 하는 데이터를 입력받고, 이에 기초하여 변조된 신호를 출력한다. 또한 변조부는 디밍 레벨을 입력받고, 이에 기초하여 출력 신호의 밝기를 조절한다. 광원 제어부(120)는 변조부의 출력 신호에 따라 광원(130)을 제어한다. 광원(130)은 하나의 광원일 수도 있고 복수의 광원들을 포함할 수도 있다. 이미지 수신부(210)는 이미지 센서(230)로부터 광원(130)의 점멸 상태를 연속적으로 촬영한 이미지들을 수신하고, 복조부(220)는 수신한 이미지로부터 전송 데이터를 복원한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 변조부는 전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받고, 입력받은 전송 데이터에 기초하여 소정의 변조방식에 의해 데이터 심벌을 생성한다. 변조방식은 예를 들면 SM-PSK 또는 differential 2-PSK일 수 있다.

데이터 심벌은 광원의 밝기가 50%가 되도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 데이터 심벌은 듀티비가 50%인 펄스파 신호일 수 있다. 광원(130)이 복수의 광원들을 포함할 수 있으므로, 데이터 심벌은 각 개별 광원에 대응되는 하나 이상의 펄스파 신호를 포함할 수 있다. 광원(130)에 포함되는 광원들 중 복수의 광원들이 동일하게 동작하는 경우 이들을 묶어 하나의 개별 광원으로 볼 수도 있음은 물론이다.

광원(130)이 복수의 광원들을 포함하는 경우, 각 광원에 대응되는 신호를 데이터 심볼로 볼 수도 있고, 광원 전체에 대응되는 신호들의 집합을 데이터 심볼로 볼 수도 있는데, 본 명세서는 설명의 편의를 위해 필요에 따라 두 가지 노테이션을 병용하기로 한다.

변조부는 수신한 디밍 레벨에 따라 광원의 밝기를 조절하기 위해 밝기 보상 심벌을 생성한다. 밝기 보상 심벌은 간단히 보상 심벌(compensation symbol)이라고도 한다. 밝기 보상 심벌은 펄스파 신호일 수 있으며, 변조부는 디밍 레벨에 따라 펄스파 신호의 듀티비를 조절할 수 있다. 밝기 보상 심벌의 주파수를 수신 이미지 센서가 검출할 수 없는 주파수로 설정하면 수신 이미지에는 밝기 보상 심벌이 평균 밝기의 일정한 빛을 내는 것으로 보이게 된다. 밝기 보상 심벌의 주파수는 수신 이미지 센서의 셔터 스피드의 10배로 설정될 수 있다. 변조부는 생성한 데이터 심벌과 밝기 보상 심벌을 포함시켜 출력 신호를 생성하고, 광원 제어부는 이에 따라 광원을 점멸시킬 수 있다.

예를 들어, 광원(130)이 8개의 개별 광원들을 포함하는 경우, 이 중 4개의 광원들을 기준 광원 그룹으로 하고 나머지 4개의 광원들을 데이터 광원 그룹으로 하여 S8-PSK 신호를 전송할 수 있는데, 변조부는 S8-PSK 심벌에 밝기 보상 심벌을 덧붙여 광원(130)의 밝기를 조절할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 변조부가 S8-PSK 변조방식을 이용하는 경우 데이터 광원 그룹에 해당하는 변조부 출력 신호를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 것과 같이 변조부는 각 데이터 심볼마다 하나의 밝기 보상 심벌을 덧붙일 수 있다. 도 2에서는 하나의 S8-PSK 심벌에 한 주기의 펄스파가 포함돼 있는데, 하나의 S8-PSK 심벌에 여러 주기의 펄스파가 포함될 수도 있다. 프레임 레이트가 중요한 경우 하나의 S8-PSK 심벌에 한 주기의 펄스파가 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

SM-PSK 심벌은 듀티비가 50%이므로, 밝기 보상 심벌의 밝기가 x라면 광원의 평균 밝기(Average brightness)는 다음 식에 의해 정해진다.

AB = (x+50%) / 2

따라서 평균 밝기, 즉 광원(130)의 디밍 레벨은 25%부터 75%까지 조절될 수 있다. 밝기 보상 심벌의 밝기 조절 단위는 자유롭게 조절할 수 있으며, 밝기 보상 심벌의 밝기 조절 단위가 1%라면, 광원(130)의 디밍 레벨은 0.5% 단위로 조절될 수 있다.

도 2에는 데이터 심벌과 밝기 조절 심벌의 심벌 시간이 동일한데, 이를 달리 설정할 수도 있다. 이 경우 평균 밝기는 다음 식에 의해 정해진다. 식에서 DS time은 데이터 심벌의 심벌 타임이고, CS time은 보상 심벌의 심벌 타임이다.

AB = (50%* DS time +x%* CS time) / (DS time + CS time)

이미지부가 수신한 이미지들에는 데이터 심벌을 촬영한 이미지들 및 밝기 보상 심벌을 촬영한 이미지들을 포함되며, 복조부는 데이터 심벌을 촬영한 이미지들로부터 송신측과 동일한 변조방식에 의해 복조를 수행하여 전송 데이터를 복원할 수 있다. 예를 들어, 송신측에서 SM-PSK 방식으로 데이터 심벌을 생성한 경우 복조부는 SM-PSK 방식에 의해 전송 데이터를 복원할 수 있다.

수신측에서는 프리앰블 등을 이용해 데이터 심벌과 밝기 보상 심벌을 구분할 수 있다. 예를 들어, 프리앰블의 길이를 통해 심벌의 길이를 알아내고 이를 이용하여 밝기 보상 심벌의 위치를 알 수 있다. 프리앰블과 프리앰블 사이의 간격을 알고 있는 심벌 수로 나누어 심벌의 길이를 알아낼 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 S8-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트와 동일한 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다. 도 3에서 볼 수 있는 것과 같이 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트와 동일한 경우 데이터 심벌의 중간 부분에서 샘플링(촬영)이 이루어지면 올바르게 복조가 되지만, 데이터 심벌과 밝기 보상 심벌의 경계에서 샘플링이 이루어지면 올바르게 복조가 되지 않는다.

따라서 수신측의 프레임 레이트는 송신측의 데이터 심벌 레이트보다 커야 하며, 수신측의 프레임 레이트는 송신측의 데이터 심벌 레이트의 두 배일 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 S8-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트의 두 배인 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다. 도 4에서 볼 수 있는 것과 같이 샘플링 타임이 데이터 심벌과 밝기 보상 심벌의 경계에 걸리더라도 데이터 심벌의 중간 부분에서 촬영된 이미지가 있으므로 올바르게 복조를 할 수 있다.

본 발명에 의한 광학 무선 통신 방식은 광원(130)의 디밍을 조절할 수 있으므로 광원(130)을 두 개 사용하여 디밍을 이용한 저속 S2-PSK 방식과 함께 하이브리드 통신 방식으로 사용될 수 있으며, 이를 통해 RoI 시그널링을 할 수 있다. 이러한 하이브리드 통신 방식은 전술한 국제특허출원 PCT/KR2016/013778호, 국제특허출원 PCT/KR2017/015788호, IEEE 802.15.7m 표준 등에 기재되어 있으므로 설명을 생략한다.

하이브리드 통신에 이용할 수 있는 기존의 DS8-PSK 방식과 S8-PSK를 이용하는 본 발명을 비교하면 다음과 같다.

DS8-PSK는 데이터 광원 그룹에 8개의 광원이 포함되고 한 심벌에 x 상태가 두 번 있을 수 있으며, S8-PSK를 이용하는 본 발명에서는 데이터 광원 그룹에 4개의 광원이 포함되고 한 심벌에 x 상태가 한 번 있을 수 있다.

S8-PSK를 이용하는 본 발명에 의하면 디밍 해상도가 높아지고, 디밍 레벨에 무관하게 복조 방식(복호화 테이블)이 동일하므로 수신 장치의 복잡도가 낮아지고, 한 심벌에 x 상태가 하나밖에 발생하지 않으므로 복조가 쉬워지고, 광원의 수가 적어지는 장점이 있다.

변조부는 2-PSK 방식을 이용해 데이터 심벌을 생성할 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 변조부가 2-PSK 변조방식을 이용하는 경우 변조부의 출력 신호를 도시한 도면이다. 2-PSK 심벌은 듀티비가 50%이므로, 밝기 보상 심벌의 밝기가 x라면 광원의 평균 밝기(Average brightness)는 다음 식에 의해 정해진다.

AB = (x+50%) / 2

따라서 평균 밝기, 즉 광원(130)의 디밍 레벨은 25%부터 75%까지 조절될 수 있다. 4개의 광원을 이용할 때 데이터 속도는 예를 들어 다음 식에 의해 정해질 수 있다.

Data rate = (4 bit/Hz) * (30 kHz) *(7/15 FEC code rate)*(1/2 CS rate)*(1/2 Differential code rate) = 14kbps

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의해 변조부가 2-PSK 변조방식을 이용하는 경우 변조부의 출력 신호를 도시한 도면이다. 밝기 보상 심벌의 밝기가 x라면 광원의 평균 밝기(Average brightness)는 다음 식에 의해 정해진다.

AB = (x+2*50%) / 3

따라서 광원(130)의 디밍 레벨은 33%부터 67%까지 조절될 수 있다. 4개의 광원을 이용할 때 데이터 속도는 예를 들어 다음 식에 의해 정해질 수 있다.

Data rate = (4 bit/Hz) * (30 kHz) *(7/15 FEC code rate)*(2/3 CS rate)*(1/2 Differential code rate) = 18.7kbps

이하 도 5의 실시예를 기준으로 설명한다.

도 5에서 볼 수 있는 것처럼, 각 광원에 대응되는 펄스파 신호 각각은 전송 데이터 비트에 대하여 서로 다른 시간에 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌을 포함하며, 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은 전송하고자 하는 데이터 비트의 값에 따라 위상이 서로 동일하거나 반대일 수 있다. 예를 들어, 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은 전송 데이터 비트의 값이 0인 경우 위상이 같고, 전송 데이터 비트의 값이 1인 경우 위상이 반대일 수 있다.

제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌 각각은 펄스파 한 주기 또는 여러 주기를 포함할 수 있다. 데이터 심벌이 펄스파 한 주기를 포함하는 경우 데이터 심벌은 (0, 1) 또는 (1, 0)일 수 있다.

도 7은 본 발명에서 변조기가 2-PSK 방식을 이용해 출력신호를 생성하는 과정 및 비트-심벌 맵핑 표를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 변조부는 전송 데이터 비트의 값에 따라 서로 동일하거나 상이한 값을 갖는 제1 비트 및 제2 비트를 생성함으로써 디퍼렌셜 코딩을 수행한다. 예를 들어 변조부는 전송 데이터 비트의 값이 0일 때 제1 비트 및 제2 비트의 값이 동일하고, 전송 데이터 비트의 값이 1일 때 제1 비트 및 제2 비트의 값이 서로 상이하도록 생성할 수 있다.

변조부는 생성된 제1 비트 및 제2 비트를 각각 멘체스터 코딩하여 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌을 생성한다. 변조부는 수신한 디밍 레벨에 맞추어 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하고, 이를 멘체스터 심벌에 삽입하여 출력 신호를 생성한다. 변조부는 생성된 멘체스터 심벌에 대해 심벌 반복(symbol repetition)을 수행하여 하나의 데이터 심벌에 복수 주기의 펄스파가 포함되도록 할 수도 있다.

도 8은 변조기가 전송 데이터 비트열을 수신하여 2-PSK 방식을 이용해 복수의 광원을 제어하는 출력신호를 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 변조부는 수신한 전송 데이터 비트열에 대해 직렬/병렬 변환을 수행하고, 출력된 병렬 비트열 각각에 대해 상술한 2-PSK를 이용해 출력 신호를 생성할 수 있다. 즉, 변조부는 수신한 전송 데이터 비트열 중 N 비트의 각 비트를 전송 데이터 비트로 하여 도 7에서 설명한 방법에 따라 N개의 광원 각각을 점멸시킬 수 있다.

변조기는 디퍼렌셜 코딩 전에 스페이스-타임 부호화를 수행할 수 있다. 즉, 변조기는 직렬/병렬 변환을 통해 M개의 비트열을 생성하고, M개의 비트열에 대해 스페이스-타임 부호화를 수행하여 N개의 비트열을 생성할 수 있다.

이미지 수신부가 수신한 이미지들에는 제1 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지 및 상기 제2 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지가 포함돼 있으며, 복조부는 이들에 기초하여 전송 데이터를 복원할 수 있다. 예를 들어, 복조부는 제1 데이터 심벌의 점멸 위상과 제2 데이터 심벌의 점멸 위상이 동일하면 0을, 반대이면 1을 복원할 수 있다. 송신측의 변조 방식에 따라 복조부는 제1 데이터 심벌의 점멸 위상과 제2 데이터 심벌의 점멸 위상이 동일하면 1을, 반대이면 0을 복원할 수도 있음은 물론이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의해 2-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측에서 롤링 셔터 방식으로 광원을 촬영하는 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다. 도 9에서 볼 수 있는 것과 같이 롤링 셔터 효과에 의해 광원 1과 광원 k의 샘플링 시간에 dt 만큼의 차이가 있더라도 수신측에서 올바르게 전송 데이터 비트를 복원할 수 있다. 수신측에서 글로벌 셔터 방식을 이용할 수도 있음은 물론이다.

도 9에서는 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트와 동일한 경우가 도시되어 있는데, 이 경우 데이터 심벌과 밝기 보상 심벌의 경계, 또는 데이터 심벌 내에서 트랜지션이 일어나는 순간에 샘플링이 이루어지면 올바르게 전송 데이터를 복원할 수 없다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의해 2-PSK 변조방식을 이용할 때 수신측의 프레임 레이트가 송신측의 데이터 심벌 레이트이 세 배인 경우 복조 과정의 예를 도시한 도면이다. 이 경우 수신측에서는 언제나 올바르게 전송 데이터를 복원할 수 있게 된다.

전송 데이터 복원에 사용할 적절한 이미지를 선택하는 데에는 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 다음 논문에 소개된 방법을 사용할 수 있다.

http://journals.sagepub.com/doi/10.1155/2015/908139

본 발명에서 2-PSK를 이용하는 경우 및 S8-PSK를 이용하는 경우와 종래의 DS8-PSK를 비교하면 다음과 같다.

지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다. 비록 본 명세서에 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 발명의 각 단계는 반드시 기재된 순서대로 수행되어야 할 필요는 없고, 병렬적, 선택적 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 본질적인 기술사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 형태 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 구성요소를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

변조부가 전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받는 단계;
상기 변조부가 상기 전송 데이터에 기초하여, 소정의 변조방식에 의해, 밝기가 50%인 데이터 심벌을 생성하는 단계;
상기 변조부가 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하는 단계;
상기 변조부가 상기 데이터 심벌 및 상기 밝기 보상 심벌을 포함하는 출력 신호를 생성하는 단계;
광원 제어부가 상기 출력 신호에 따라 하나 이상의 광원을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제1항에 있어서,
상기 밝기 보상 심벌은 상기 디밍 레벨에 기초하여 듀티비가 설정되는 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제1항에 있어서,
상기 밝기 보상 심벌은 수신 이미지 센서가 검출할 수 없는 주파수의 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제1항에 있어서,
상기 데이터 심벌은 상기 하나 이상의 광원에 각각 대응되는 하나 이상의 펄스파 신호를 포함하고,
상기 하나 이상의 펄스파 신호의 듀티비는 50%인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제4항에 있어서,
상기 소정의 변조방식은 SM-PSK 방식이고,
상기 데이터 심벌은 SM-PSK 심벌인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제5항에 있어서,
상기 출력 신호를 생성하는 단계는,
상기 SM-PSK 심벌 하나마다 상기 밝기 보상 심벌 하나를 포함시켜 상기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제5항에 있어서,
상기 SM-PSK 심벌은 한 주기의 펄스파 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제4항에 있어서,
상기 하나 이상의 펄스파 신호 각각은, 대응되는 전송 데이터 비트에 대하여 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌을 포함하며,
상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값에 따라 위상이 서로 동일하거나 반대인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌은, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값이 0인 경우 위상이 같고, 상기 대응되는 전송 데이터 비트의 값이 1인 경우 위상이 반대인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌 각각은 (0, 1) 또는 (1, 0)인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제8항에 있어서,
상기 출력 신호는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제8항에 있어서,
상기 출력 신호는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
변조부가 전송 데이터 비트 및 디밍 레벨을 입력받는 단계;
상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트의 값에 따라 서로 동일하거나 상이한 값을 갖는 제1 비트 및 제2 비트를 생성하는 단계;
상기 변조부가 상기 제1 비트 및 제2 비트를 각각 멘체스터 코딩하여 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌을 생성하는 단계;
상기 변조부가 상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하는 단계;
상기 변조부가 상기 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌에 상기 밝기 보상 심벌을 삽입하여 출력 신호를 생성하는 단계; 및
광원 제어부가 상기 출력 신호에 따라 광원을 점멸시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제13항에 있어서,
상기 전송 데이터 비트의 값이 0일 때 상기 제1 비트 및 제2 비트의 값은 동일하고,
상기 전송 데이터 비트의 값이 1일 때 상기 제1 비트 및 제2 비트의 값은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제13항에 있어서,
상기 출력 신호는 상기 제1 멘체스터 심벌, 상기 제2 멘체스터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제13항에 있어서,
상기 출력 신호는 상기 제1 멘체스터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 멘체스터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제13항에 있어서,
상기 변조부가 전송 데이터 비트 열을 수신하는 단계;
상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트 열 중 N 비트의 각 비트를 전송 데이터 비트로 하여 N개의 광원 각각을 점멸시키는 단계를 포함하고,
상기 출력 신호의 상기 제1 멘체스터 심벌 및 상기 제2 멘체스터 심벌 각각은 (0, 1) 또는 (1, 0)인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
제13항에 있어서,
상기 변조부가 전송 데이터 비트 열을 수신하는 단계;
상기 변조부가 상기 전송 데이터 비트 열을 스페이스-타임 부호화 방식에 따라 부호화 하는 단계; 및
상기 부호화된 전송 데이터 비트 열 중 N 비트를 전송 데이터 비트로 하여 N개의 광원 각각을 점멸시키는 단계를 포함하고,
상기 출력 신호의 상기 제1 멘체스터 심벌 및 상기 제2 멘체스터 심벌 각각은 (0, 1) 또는 (1, 0)인 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 방법.
이미지 수신부가 이미지 센서로부터 하나 이상의 광원의 점멸 상태를 연속적으로 촬영한 이미지들을 수신하는 단계; 및
복조부가 상기 이미지들로부터 전송 데이터를 복원하는 단계를 포함하며,
상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 데이터 심벌 및 밝기 보상 심벌을 포함하고,
상기 이미지들은 데이터 심벌을 촬영한 이미지들 및 밝기 보상 심벌을 촬영한 이미지들을 포함하며,
상기 복조부는 상기 데이터 심벌을 촬영한 이미지들로부터 소정의 변조방식에 의해 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제19항에 있어서,
상기 소정의 변조방식은 SM-PSK 방식이고,
상기 데이터 심벌은 SM-PSK 심벌인 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제20항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 SM-PSK 심벌 및 밝기 보상 심벌이 하나씩 반복되는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제21항에 있어서,
상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제21항에 있어서,
상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트의 두 배인 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제19항에 있어서,
상기 데이터 심벌은 듀티비가 50%인 제1 데이터 심벌 및 제2 데이터 심벌을 포함하고,
상기 복조부는 상기 제1 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지 및 상기 제2 데이터 심벌의 점멸 상태를 촬영한 이미지에 기초하여 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제24항에 있어서,
상기 복조부는 제1 데이터 심벌의 점멸 위상과 제2 데이터 심벌의 점멸 위상이 동일하면 0을, 반대이면 1을 복원하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제24항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원 각각의 점멸 상태는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제24항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원 각각의 점멸 상태는 상기 제1 데이터 심벌, 상기 밝기 보상 심벌, 상기 제2 데이터 심벌, 및 상기 밝기 보상 심벌을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제24항에 있어서,
상기 이미지를 촬영하는 프레임 레이트는 상기 데이터 심벌의 심벌 레이트의 세 배인 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
제24항에 있어서,
상기 이미지들은 롤링 셔터 방식으로 촬영되는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 방법.
전송 데이터 및 디밍 레벨을 입력받고,
상기 전송 데이터에 기초하여, 소정의 변조방식에 의해, 밝기가 50%인 데이터 심벌을 생성하고,
상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하고,
상기 데이터 심벌 및 상기 밝기 보상 심벌을 포함하는 출력 신호를 생성하는 변조부; 및
상기 출력 신호에 따라 하나 이상의 광원을 점멸시키는 광원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 장치.
전송 데이터 비트 및 디밍 레벨을 입력받고,
상기 전송 데이터 비트의 값에 따라 서로 동일하거나 상이한 값을 갖는 제1 비트 및 제2 비트를 생성하고,
상기 제1 비트 및 제2 비트를 각각 멘체스터 코딩하여 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌을 생성하고,
상기 디밍 레벨에 기초하여 밝기가 설정된 밝기 보상 심벌을 생성하고,
상기 제1 멘체스터 심벌 및 제2 멘체스터 심벌에 상기 밝기 보상 심벌을 삽입하여 출력 신호를 생성하는 변조부; 및
상기 출력 신호에 따라 광원을 점멸시키는 광원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 송신 장치.
이미지 센서로부터 하나 이상의 광원의 점멸 상태를 연속적으로 촬영한 이미지들을 수신하는 이미지 수신부; 및
상기 이미지들로부터 전송 데이터를 복원하는 복조부를 포함하며,
상기 하나 이상의 광원의 점멸 상태는 데이터 심벌 및 밝기 보상 심벌을 포함하고,
상기 이미지들은 데이터 심벌을 촬영한 이미지들 및 밝기 보상 심벌을 촬영한 이미지들을 포함하며,
상기 복조부는 상기 데이터 심벌을 촬영한 이미지들로부터 소정의 변조방식에 의해 상기 전송 데이터를 복원하는 것을 특징으로 하는 광학 무선 수신 장치.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.