차량 및 인프라간 파장기반 가시광 통신 기법 연구 = Study on Spectral Visible Light Communication in V2I Environment
저자
발행사항
경산 : 영남대학교 일반대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 영남대학교 일반대학원 : 전자공학과 유비쿼터스 통신 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
경상북도
형태사항
41 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 권재균
지도교수: 정성윤
UCI식별코드
I804:47017-000002240306
소장기관
Abstract
Light-Emitting Diode (LED) light is being highlighted as the next generation illumination lighting. LED light has more advantages than fluorescent light and incandescent lamps, such as long life, low power consumption, high efficiency, and rapid switching. Because LEDs are a kind of controllable digital device, studies of the convergence of LED and IT are being performed actively. Among them, Visible Light Communication (VLC), which is the convergence of illumination and communication, is considered widely. By reusing the LED infrastructure for VLC, the VLC system can provide illumination and communication functions at the same time.
These days, research related to Intelligent Transportation System (ITS) technology is being highlighted. ITS has been considered widely for the next generation transportation systems to reduce accidents, congestion, and offer a smooth flow of traffic. To implement the intelligence, ITS has taken advantage of Information and Communication Technologies (ICT) to provide several different technological systems that help their users. An ITS system based on Radio Frequency (RF), however, has serious problems related to EMC and EMI. On the other hand, ITS based on VLC can communicate with other RF systems without interference and EMC and EMI problems. In addition, transportation lighting infrastructures, such as street lamps, traffic lights, vehicular lamps, etc., are changing to LED lighting. The reuse of LED illumination infrastructure for ITS can provide better economical profit than RF-based ITS solutions. Therefore, many studies of the convergence of VLC technology with ITS systems have been performed.
Generally, VLC uses intensity modulation with a direct detection (IM/DD) scheme, which utilizes the amplitude(or intensity) of light to transmit data. In addition, many modulation schemes, such as On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM), and Color Shift Keying (CSK), have been proposed in the IEEE standards association. Because OOK and VPPM are the modulation format for low bit-rate applications, the multi-coded variable pulse position modulation (MC-VPPM) scheme for transmitting the high data rate has been proposed recently.
This study analyzed the performance of the Color Shift Keying (CSK) scheme and Wavelength hopping MC-VPPM scheme under a Vehicle-to-Infrastructure (V2I) scenario. The CSK scheme is a type of VLC scheme proposed by the IEEE 802.15.7 VLC standard, which transmits data using multi-spectral LEDs, such as Red, Green, and Blue LEDs. Therefore, it transmits data by changing emitted power of each LED. To verify the possibility of a CSK scheme as the communication tool for ITS, this study considered the V2I scenario that street lamps broadcast to vehicles at daytime via the CSK scheme.
And also, although there has been many VLC studies relating to its application in ITS, a technique to support multiple users have not been considered (vehicles or infrastructures for ITS based on VLC). In addition, the effects of ambient noise due to background light, which can be a major concern in outdoor VLC, has not been investigated for ITS applications. To overcome these problems, the wavelength hopping MC-VPPM scheme was proposed for practical applications of VLC. To verify the potential of the proposed scheme as the communication method for ITS, this study considered the V2I in the metropolitan ITS scenario for the multi-user communication capability, and the sub-band selection scheme for wavelength hopping was defined.
By modeling daylight noise based on the modified blackbody radiation and surface reflection rules, the capability of V2I VLC during daytime was analyze. Because VLC uses light for communication, its performance is strongly dependent on the ambient-light noise, particularly sunlight. The relationship between BER, the communication distance, and the amount of ambient-light noises under the pre-described V2I scenario was determined by simulations.
초 록
LED(Light Emitting Diode)는 형광등, 백열등에 비해 긴 수명, 저전력, 고효율, 빠른 스위칭 등의 특성으로 차세대 광원으로 각광받고 있다. 또한, 디지털 제어가 가능한 LED는 IT기술과의 융합으로 다양한 분야가 창출되고 있다. 그 중에 조명과 통신기술의 융합인 가시광 통신(Visible Light Communication)은 차세대 무선 통신 시스템의 강력한 후보로 간주되고 있다.
최근, 교통사고 예방, 교통혼잡 해소, 원활한 교통흐름을 위해 ITS(Intelligent Transportation System) 기술에 많은 관심이 모이고 있다. ITS기술은 사용자들에게 교통 정보를 제공할 수 있어야 하며, 이를 구현하기 위해서 정보 통신 기술(Information and Communication Technologies)의 도움은 필수적이다. 종래의 RF(Radio Frequency)기반 ITS 시스템은 EMC(Electromagnetic Compatibility) / EMI(Electromagnetic Interference)와 관련된 심각한 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 EMC / EMI 문제없이 다른 RF 시스템과 공존 할 수 있는 가시광 통신의 활용에 많은 연구가 진행 중이다. 게다가, 최근 에너지 절감 정책으로 가로등, 교통 지시등, 차량용 램프 등이 LED조명으로 교체가 되고 있어 RF 기반 ITS 솔루션에 비해 가시광 통신 기반 ITS 솔루션이 경제적 비용절감 효과도 기대할 수 있게 되었다. 이러한 이유로 ITS 시스템에서 가시광 통신 기술의 잠재성을 고려한 많은 연구가 발표되었다.
일반적으로, 가시광통신은 데이터 전송을 위해 IM / DD (Intensity Modulation with a Direct Detection) 기법을 사용한다. 게다가, IEEE 표준 협회에 OOK(On-Off Keying), VPPM(Variable Pulse Position Modulation), CSK(Color Shift Keying)과 같은 변조 기법이 제안되었다. CSK기법은 R, G, B 과 같은 다파장 LED를 사용하여 각 LED의 파워를 변화하여 데이터를 전송하는 기법이다. 또한 상대적으로 OOK와 VPPM는 낮은 bit-rate 어플리케이션에 대한 변조 기법이기 때문에 고속 데이터 전송을 위한 MC-VPPM(Multi-Coded Variable Pulse Position Modulation)기법이 최근에 제안되었다[15]. MC-VPPM 변조 기법은 데이터를 PWM(Pulse Width Modulation)과 PPM(Pulse Position Modulation) 그룹으로 나누게 된다. 신호의 두 가지 그룹은 직교 코드에 의해 다중 부호화 되어 정해진 펄스 구간에 위치시켜 데이터를 전송하는 방식으로, 큰 특징은 펄스폭을 이용하여 Dimming 조절뿐만 아니라 데이터 전송을 동시에 할 수 있다.
이 논문에서는 차량 및 인프라간(Vehicle-to-Infrastructure) 파장기반 가시광통신 기법 중 CSK와 Wavelength hopping MC-VPPM의 성능을 분석하였다. 가시광 통신은 빛을 이용하기 때문에 특히 태양광 잡음이 성능에 큰 영향을 미친다. 가시광 통신 기반 ITS 시스템에서 CSK와 Wavelength hopping MC-VPPM기법의 가능성을 확인하기 위해 잡음이 최대인 정오에 가로등이 데이터를 전송하는 시나리오를 고려하였다. 세션 2에서는 차량 및 인프라간 CSK 기법 성능을 분석하였고, 세션 3에서는 차량과 인프라간 Wavelength hopping MC-VPPM 기법 성능을 분석하였다.
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