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Indoor visible light communications with LED Lightings = LED 조명을 이용한 실내 가시광 무선통신에 관한 연구
서명 / 저자 Indoor visible light communications with LED Lightings = LED 조명을 이용한 실내 가시광 무선통신에 관한 연구 / Kwon-Hyung Lee.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

The fossil fuel crisis and global warming lead to the human beings pay attention to find solutions for environmental protection and to develop alternative energy sources. Light emitting diode (LED) is chosen as a new source to replace a traditional lighting. Since the end of 20th century, LEDs have been considering as the innovative indoor lighting sources. There are some strengths in LED lighting. Firstly, LEDs have more energy-efficiency than incandescent bulbs; hence, LEDs are useful in battery powered devices. Secondly, LEDs can emit light of an intended color. Thirdly, LEDs are do not contain mercury, unlike compact fluorescent lamps (CFLs). Most of all, LEDs can turn on and off very quickly, and so will achieve full brightness in microsecond ($\mu$sec) or less. Visible light communication (VLC) is a short range optical wireless communication utilizing indoor LED bulbs, so that the LED lights can provide both illumination and communication. We present indoor multipath dispersion characteristics for the VLC. Since the VLC uses a wide spectrum between 380 nm and 780 nm, the conventional narrowband model for infrared may not apply. We generalize the conventional model by including wavelength-dependent white LED characteristics and spectral reflectance of indoor reflectors. We perform a computer simulation to compare the power delay profile of the VLC with that of infrared communications. From our studies, we show that the VLC provides a larger transmission bandwidth than infrared communications. It is necessary that modulation schemes for the VLC provide dimming control. In this thesis, we propose a multiple pulse position modulation (MPPM) to offer both functions of modulating data-stream and controlling the brightness at the same time. According to the dimming level, we control the number of pulses of MPPM in one symbol duration. We analyze communication performance in terms of the power requirement and spectral efficiency. From our studies, we show that MPPM is superior performance to variable pulse position modulation (VPPM) proposed in the IEEE 802.15 VLC task group. There are more than one LED light fixtures in homes and offices; therefore, it is reasonable for us to use multiple LEDs as multiple antennas. We explore the possibility of multiple-input multiple-output (MIMO) schemes for the VLC system. Particularly, we focus on a space-time code for overcoming fading channel. The Alamouti code is the first space-time code to provide full transmit diversity for the systems with two transmit antennas. However, the negative or complex conjugate notation in the Alamouti code can not be fitted directly for the intensity modulation such as MPPM. We deal with combining MPPM with the Alamouti scheme.

최근, 우리나라는 환경과 에너지에 대한 관심이 높이지고 있으며, 새로운 성장 동력을 모색하기 위해 녹색 성장 산업 육성에 집중하고 있다. 이에 따라 조명 산업에 있어서는 친환경, 에너지 절감형 광원인 LED 조명에 주목하고 있다. 1872년 필라멘트 백열등이 발명된 이래로 100년 이상 백열등은 조명 시장을 대표해 왔다. 그러나 오늘날 백열등은 에너지 비효율의 상징으로 역사의 뒤안길로 사라질 운명에 처해 있다. 미국은 2012년부터 100W 급 백열전구의 판매를 금지시킬 예정이고, 2014년부터는 모든 백열전구가 판매 금지될 예정이다. 유럽연합은 2010년부터 100W 급 백열전구의 판매를 금지시키고, 2012년부터 백열전구의 판매가 금지된다. 우리나라도 2013년까지 백열전구를 전면 퇴출시킬 계획이다. 따라서 소형 형광등 (CFL: Compact fluorescent lamp)과 LED 조명과 같은 고효율 조명이 백열등을 대체할 전망이다. 1993년 일본에서 최초로 청색 LED를 개발한 이후, 1996년 청색 LED에 노란색 형광체를 사용한 백색 LED를 개발함으로써 조명시장에 새로운 광원의 탄생을 알렸다. LED 조명은 백열등에 비해 1/10 수준에 불과한 낮은 소비 전력을 쓰면서, 형광등보다 100배 정도 긴 수명을 지니고 있어, 설치 후 교체나 유지 보수가 거의 필요 없고, 진동이나 충격에도 강한 내구성을 보이고 있다. 또한 형광등에 사용되는 수은과 같은 중금속 물질을 사용하지 않아 친환경적이다. 또한 LED는 기존 조명 광원에 비해 빠르게 켜고 끌 수 있어, 무선 통신의 송신기로 사용할 수 있다. 가시광 무선통신 기술은 백열등과 형광등 같은 기존 조명이 LED 조명으로 교체되는 인프라를 이용하여 통신을 가능하게 하는 기술로서, 조명 장치에 통신 기능을 더한 새로운 융합 기술이다. 차세대 조명으로 주목 받고 있는 백색 LED는 조명기기뿐만 아니라 광 무선통신의 송신기로 사용하여 시너지 효과를 극대화할 수 있다. 가시광 무선통신의 장점으로는 광대역 정보 전달이 가능하고, 빛의 물질 투과성이 전파에 비하여 낮은데 기인한 정보 은닉성이 뛰어나며, 자연적으로 널리 존재하는 빛을 이용함으로써 인체 무해하고, 기존 라디오 주파수 대역을 이용하는 통신과 혼선 가능성이 없으며, 통신을 위한 주파수 허가 및 사용료가 없다. 본 논문은 가시광 전 대역에 걸쳐 방사하는 광 대역의 백색 LED 광원과 실내 반사체의 가시광 대역에서의 반사율을 고려하여 기존 적외선 통신에서 사용된 광선 추적 기법을 일반화 하였다. 실내 반사면을 거치면서 시간 지연된 광 신호를 광 검출기를 이용하여 수신하는 가시광 무선통신의 수학적 전력 지연 분포 (PDP: Power delay profile) 모델을 제시하고 이에 대한 모의 실험을 수행한다. 또한 LED 조명의 밝기에 따라 펄스의 개수를 조절하여 조명의 밝기를 조절함과 동시에 데이터를 전송하는 다중 펄스 위치 변조 (MPPM: Multiple pulse position modulation) 기법의 통신 성능을 기존 가시광 무선통신의 변조 기법과 비교하여 그 성능의 탁월함을 보인다. 마지막으로 복수의 실내 LED 조명을 이용하는 가시광 무선통신 시스템은 다중 안테나 시스템과 일치한다. 본 논문에서는 기존의 시공간 코드에 쓰이는 복소공액 (complex conjugate)과 음의 부호 (minus sign)를 다중 펄스 위치 변조 (MPPM)에 적용하기 위한 방법을 모색한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DICE 11015
형태사항 vii, 80 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이권형
지도교수의 영문표기 : Hyun-Cheol Park
지도교수의 한글표기 : 박현철
수록잡지명 : "Indoor channel characteristics for visible light communications". IEEE Communications Letters, vol. 15, no. 2, pp. 217-219(2011)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 정보통신공학과,
서지주기 References : p.69-73
주제 visible light
optical wireless communications
LED lightings
Indoor channel model
modem
가시광
광무선통신
LED조명
실내 채널 모델
변복조
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