Win Tech - 가시광 무선통신 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 강태규 실장/책임연구원
한국전자통신연구원(ETRI) LED통신연구실
빛으로 통신한다. 빛은 인류를 탄생시켰고 오늘도 빛 없이는 살 수 없다.
인류는 빛을 조명용(횃불, 등잔불, 호롱불), 난방 및 요리용(모닥불, 연탄불), 군사 통신용(봉화) 등 다양한 용도로 사용하며 발전해 왔다.
에디슨이 136년 전에 발명한 백열전구는 인류의 생활에 많은 변화를 주었다.
최근 급속하게 많이 사용하고 있는 LED(Light Emitting Diode) 조명은 백열전구에 비하여 5배 이상 조명 효율이 높을 뿐만 아니라, 빛으로 통신도 가능하다.
이렇게 우리 눈으로 보이는 빛에 의해 통신하는 기술을 가시광 무선통신(VLC, Visible Light Communication)이라고 한다.
가시광 무선통신 기술은 우리 눈에 보이는 380나노미터에서 780나노미터까지의 가시광 파장 빛빛에 의해 무선통신하는 기술이다.
가시광 파장은 현재 우리가 사용하고 있는 RF(Radio Frequency) 이동통신용 LTE(Long Term Evolution), 와이파이용 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역과 다른 새로운 파장 대역이다.
가시광 무선통신 원리는 빛을 켜면 디지털 1, 끄면 디지털 0으로 정의하여 빛을 내는 발광과 빛을 수신하는 수광 사이에 디지털 정보를 전달하여 빛으로 통신한다.
빛의 켜지고 꺼짐의 속도가 초당 200번 이상이면, 인간의 눈은 켜지고 꺼짐을 인식하지 못하고 조명으로 인식한다.
즉, 가시광 무선통신은 어둠을 밝히는 빛과 통신 데이터 정보를 동시에 제공한다.
빛 광원에 오디오, 비디오, 텍스트 등 각종 데이터 전기 신호를 빛으로 변환하여 전송하고, 수신 수광부에서 받은 빛을 전기적 신호로 변환하여 데이터로 추출한다.
이러한 빛-데이터 변환 기술은 가시광 무선통신 파이(PHY, Physical Layer) 기술이라고 한다.
가시광 무선통신 기술의 종류는 중저속 VLC PD(Photo Diode), 저속 VLC Camera, 고속 VLC Li-Fi(Light Fidelity)로 구분한다.
한국전자통신연구원(ETRI)에서는 중저속 VLC PD 기술을 개발하였고, 고속 VLC Li-Fi 기술 개발 계획을 수립 중에 있다.
가시광 무선통신 기술의 장점은 RF 무선 통신 전파 자원의 부족과 충돌의 문제를 해결할 수 있고, 600억개의 조명 빛에 의한 IoT(Internet of Thing) 기술로 각광을 받고 있다는 점이다.
하지만 가시광 무선통신은 빛 특성을 갖는 조명과 무선 통신 특성의 관점에서 해결해야 할 과제들이 많이 있다.
조명 통신의 관점에서는 빛들 간의 간섭에 의한 통신 불가능 또는 성능 저하, 통신 기능에 의한 깜빡임 프리커링에 의한 조명품질 저하, 조명 밝기 조절이 가능한 디밍 기능 상실, 상용 조명 사용 불가 및 빛 광원에 의한 인체 유해성 발생 등의 문제를 해결하여야 한다.
ETRI에서는 가시광 무선통신 기술 개발을 2008년부터 시작하여 간섭과 디밍 과제를 해결하였다.
조명 빛과 통신 빛 간섭 제거 기술 측면에서 상이한 빛(RGB, Red, Green, Blue) 간 간섭이 없는 기술, 형광등, 백열등, LED 조명 및 주변 빛에 의한 노이즈를 최소로 하는 기술 등을 개발하였다.
주변 빛 간섭에 강인한 기술은 점차적으로 진화하여 2016년 현재는 태양 측광이 있는 실내에서도 동작이 가능하게 되었다.
가시광 무선통신 디밍 기능과 프리커 최소 기능 개발 측면에서, ETRI에서는 디밍과 프리커 최소 기능을 제공하는 VLC PHY 모듈레이션 기법으로 그림 2와 같은 VPPM(Variable Pulse Position Modulation)을 개발하고 IEEE 802.15.7 표준에 반영하여 표준 특허를 확보하였다.
VPPM은 꺼지는 주기를 0, 켜지는 주기를 1로 정의하고, 주기 내 켜져 있는 길이를 조절하여 디밍 기능을 제공함과 동시에 플리커 최소 기능을 실현하였다.
정보의 특이사항에 의한 1의 반복 1111 1111, 0의 반복 0000 0000 등의 특수 상황에도 플리커 유발 요인을 원천적으로 제거하였다.
그림 3은 가시광 무선통신을 제공하지 않고 디밍만을 제공하고 프리커링이 있는 상용 제품(좌측)과 VPPM을 사용하여 가시광 무선통신을 제공하면서 디밍도 제공하고 프리커링이 없는 제품(우측)을 비교하였다.
IEEE 802.15.7 VPPM 기술이 2011년 9월에 제정된 이후, 다양한 국가에서 VPPM을 기반으로 한 파생 논문들을 발표하고 있다.
우리나라 주도로 개발된 약 300페이지에 가까운 영문 국제 규격 IEEE 802.15.7이 발표된 이후, 각 나라에서는 경쟁적으로 기술 개발을 시작하였다.
각국에서 개발된 기술을 바탕으로 IEEE 802.15.7m을 비롯하여 PLASA, ITU-R SG1, ITU-T SG 15, IEC TC 34, IEC TC 100 국제표준 규격 제정을 위해 각축전을 벌이고 있다.
ETRI에서 개발한 가시광 무선통신 기술을 이용하여 다양한 실제 생활에 적용할 연구개발 시제품을 개발하였다.
특히, ETRI와 국내 기업이 협업하여 대형 마트에서 수신 PD 디바이스와 스마트폰을 연동하여 상품 정보, 할인 쿠폰 제공, 상품 안내 내비게이션 서비스 현장 시험을 2013년 3월에 실시한 바 있다.
가시광 무선통신 기술은 무한한 가능성을 갖는 기술이며, 가시광 무선통신을 이용한 실내 내비게이션, 시각장애인 안내, 자율 주행 자동차 정보, 위치 공간 정보, 차세대 인터넷, 차세대 이동통신 등은 우리 실생활에 다양한 모습으로 적용될 것이다.
실외는 인공위성 GPS에 의해 내비게이션이 널리 사용되고 있다.
하지만 실내에는 GPS 신호가 들어오지 못하는 문제점을 있다.
이러한 문제를 GPS 신호 대신 조명 절대 위치 신호를 사용하여 실내 내비게이션이 가능하게 할 수 있다.
실내 내비게이션을 활용하면, 시각 장애인도 특별한 도움이 없이 보행이 가능할 것이다.
또한 자동차 사고 감소를 위해 자동차 간 속도 정보를 교환하는 등 안전 정보를 제공할 수 있으며, 우리가 살고 있는 생활 공간별 특별 정보를 제공할 수도 있다.
생활 특별 정보는 기존의 와이파이나 이동통신을 활용해 인터넷 검색을 통하여 정보를 획득하던 방법에서 검색 없이 즉시 필요한 정보를 획득할 수 있다는 것이 강점이다.
국외에서는 필립스, 퀄컴, GE, 푸어라이파이 등이 2016년 조명 국제 전시회에 출품하여 연구개발 시제품을 선보였다.
세계 각국은 다양한 가시광 무선통신 응용 서비스 상용화를 준비하고 있다.
2015년 클라우스 슈밥의 저서 < 4차 산업혁명 > 및 세계경제포럼에서는 600억 개의 조명 통신 광원과 수십억 개의 연결 디바이스가 상호 연결되는 4차 산업이 대두될 것이라고 밝힌 바 있다.
시장 규모 예측기관에서는 가시광 무선통신 라이파이 세계 시장을 2024년 1,013억 달러 규모로 예측하고 있다.
국내에서는 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 2015년에 격차 해소 미래 10대 기술로 선정, 2016년에는 미래 10대 유망 신직업으로 선정했으며, 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 2016년 국가기술경쟁력을 좌우할 미래 10대 기술로 선정한 바 있다.
개발된 기술 성과 확산을 위하여 장단기 두 가지 접근 방법이 있다.
단기적인 성과 확산 측면에서는 개발된 중저속 VLC PD 기술의 산업화를 조속히 추진하는 것이고, 장기적인 측면에서는 초고속 Gbps 급으로 미래 기초 원천기술 VLC Li-Fi 기술 개발을 시급하게 추진해야 한다.
중저속 VLC PD 기술 개발 결과를 이용하여 민간 기업에 의한 산업화 개척과 활성화를 위해 노력할 시기이다.
민간 기업 투자가 촉진되어야 하고, 관련 사업 모델이 개발되고, 보편적 서비스로 등장하여야 한다.
또한, 체계화된 조명 위치 번호 체계 인프라 구축이 진행되어야 한다.
600억 개의 조명 사물 무선통신, 수신 디바이스, 생활 공간 별로 산재되어 처리되어야 할 많은 정보 처리, 공간과 공간, 공간과 사물, 인간 정보의 거대한 데이터를 처리하는 ICBM(Internet of Thing, Cloud computing, Bigdata, Mobile)이 연계 발전하여야 한다.
거대한 생활공간 정보가 지능화되고, 인류 생활을 안전하고 편리하게 하며, 새로운 지식 정보 사회를 만들 것이다.
중저속의 한계를 넘어 기가급 고속 VLC Li-Fi 기술을 시급하게 개발하여야 한다.
중저속 가시광 무선통신 PD 기술에서는 퍼스트 무버였지만, 기가급 고속 VLC Li-Fi 기술은 개발 지원이 되지 않아 기술 경쟁력에서 날로 뒤처지고 있다.
ETRI은 중저속 VLC PD 기술 개발 경험을 바탕으로 고속 VLC Li-Fi 기술 개발을 위한 기획 작업을 하고 있다.