직사광선 아래에서도 안정적인 데이터 전송이 가능한 LED 기술

빛나는 아이디어: 태양광 아래서 소통하는 LED

직사광선이 90,000 럭스(lux)를 초과하는 맑은 오후, 빛은 보통 광통신의 적이 됩니다. 하지만 Tokyo Polytechnic University의 한 소규모 팀은 바로 그러한 조건에서도 통신을 유지하는 가동 가능한 가시광 링크를 구축했습니다. 연구진은 Raspberry Pi, 맞춤형 직렬 변환기/병렬 변환기(serializer/deserializer) 로직을 실행하는 FPGA 등 기성 하드웨어와 8B13B라 불리는 목적 설계된 라인 코드를 결합하여, 약 3미터 거리에서 최대 3.48 Mbit/s의 안정적인 실외 데이터 전송을 시연했습니다. 이때 893비트 패킷의 패킷 손실률은 10⁻⁴–10⁻⁵ 수준이었습니다.

태양광에서 살아남기 위한 신호 설계

때때로 Li-Fi로 마케팅되는 가시광 통신(VLC)은 조명을 이용한 무선 링크로서 오래전부터 기대를 모아왔습니다. 하지만 실외에서의 진정한 과제는 두 가지입니다. 주변광이 광검출기를 압도할 수 있다는 점과, LED의 고유한 전기적 및 광학적 거동이 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 파형을 왜곡시킨다는 점입니다. 이번 연구는 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 이러한 문제를 해결합니다. 연구팀이 설계한 8B13B 라인 코드는 return-to-zero(RZ) 형식을 사용하며, 가시적인 깜빡임을 억제하고 동기화를 안정적으로 유지하기 위해 논리적 1과 0의 개수를 균형 있게 강제합니다. 결정적으로, 수신기 로직은 LED의 물리적 특성으로 인해 데이터에 따라 수축되기 쉬운 펄스 폭에 의존하는 대신 광학 펄스의 상승 에지(rising edges)에 집중합니다. 이러한 전환 덕분에 많은 실외 VLC 프로토타입을 실패로 몰아넣었던 펄스 왜곡에 대해 링크가 견고해졌습니다.

광학 측면에서 연구진은 수신기에 여러 개의 포토다이오드와 협대역 광학 필터를 결합하여 태양광에서 발생하는 광대역 노이즈를 줄였습니다. 세심한 코딩, 상승 에지 타이밍, 그리고 광학 필터링의 조합 덕분에 이전에는 고도의 전문 하드웨어가 필요했던 조건에서도 단순한 LED 램프가 중간 속도의 데이터 송신기로 작동할 수 있게 되었습니다. LED 드라이버, 광검출기, FPGA 보드를 포함한 모든 주요 전기 부품은 시중에서 구입할 수 있어 실험을 쉽게 재현할 수 있습니다.

이 구현은 저렴한 컴퓨팅과 프로그래밍 가능한 로직을 혼합한 것입니다. Raspberry Pi가 데이터 스트림을 생성하여 표준 직렬 주변기기 인터페이스(SPI)를 통해 FPGA로 전송하면, FPGA는 Verilog로 구현된 SerDes와 8B13B 인코더/디코더를 실행합니다. 이러한 아키텍처는 송신기를 단순하게 유지하면서 타이밍에 민감한 작업은 FPGA로 오프로드합니다. 연구진은 SerDes 소스 코드도 공개하여 다른 연구소와 학생 팀이 결과를 재현하고 발전시킬 수 있도록 장벽을 낮췄습니다.

회로도와 FPGA 코드를 모두 공개하는 것은 VLC를 폐쇄적인 독점 기술이 아닌 접근 가능한 실험적 플랫폼으로 만드는 데 중요한 부분입니다. 이를 통해 학술 단체, 취미 활동가, 교통 연구소에서 실제 시나리오를 신속하게 테스트하고 공통된 기준에서 접근 방식을 비교할 수 있습니다. 엄격하게 통제된 실내 환경에서 주로 시연되는 기술인 만큼, 이러한 개방성은 이 분야가 실전 시험으로 나아가는 데 꼭 필요한 요소입니다.

무선 기술 지형에서의 위치

고속 VLC 시연은 이미 한동안 존재해 왔습니다. 고급 변조 방식과 특수 방출기를 사용하는 실험실 시스템은 짧은 거리에서 초당 기가비트의 속도를 낼 수 있습니다. 그러나 이러한 실험은 대개 어둠 속이나 실내에서 이루어지며, 일반 조명이 아닌 통신 전용으로 설계된 광학 장치와 LED에 의존합니다. Tokyo Polytechnic 프로토타입은 다른 전략을 취합니다. 최고 속도를 희생하는 대신 견고성, 재현성, 비용을 선택한 것입니다. 몇 미터 거리에서 3.48 Mbit/s의 속도는 많은 실내 Li-Fi 시연보다 느리지만, 직사광선 아래에서의 안정성 측면에서 주목할 만합니다.

가시광선은 무선 주파수(RF)와 보완적인 강점을 가집니다. RF 민감 장비에 간섭을 일으키지 않으며, 가시광선 파장 주변의 매우 넓은 미사용 스펙트럼을 제공하고, 조명 빔에 의해 공간적으로 제한될 수 있습니다. 이러한 점 덕분에 VLC는 차량-인프라 간 메시지 전송(V2I), 단거리 센서 데이터 오프로드, 또는 가로등 및 교통 신호등에 내장된 정보 비콘을 위한 추가 채널로서 매력적입니다. 하이브리드 시스템을 모델링하는 연구자들은 각 매체가 서로의 약점을 보완할 수 있도록 VLC를 테라헤르츠 링크를 포함한 다른 대역과 결합하는 방안을 제안해 왔습니다. 이러한 하이브리드 접근 방식은 실제 배포 시 단일 기술을 선택하기보다는 여러 기술을 혼합하게 될 것임을 시사합니다.

잠재적 사용 사례와 실질적인 장애물

Tokyo Polytechnic 팀은 지능형 교통 시스템(ITS)을 염두에 두고 연구를 진행했습니다. 교통 신호등, 가로등 또는 도로변 장치가 교차로 상태, 카메라 피드 또는 사각지대 경고를 차량의 카메라나 포토다이오드 어레이로 직접 방송할 수 있습니다. 빛 기반 방송 채널은 혼잡한 RF 대역을 침범하지 않고도 근처 수신기에 고충실도, 저지연 원격 측정 데이터를 전달할 수 있습니다. 프로토타입이 저렴하고 널리 사용 가능한 부품을 사용하기 때문에 지자체와 자동차 제조업체는 수백만 유로 규모의 인프라 프로그램 없이도 이 아이디어를 시험해 볼 수 있습니다.

하지만 상당한 장애물이 남아 있습니다. 가시광선은 가시선(line-of-sight) 또는 그에 준하는 조건이 필요하므로 장착 위치, 차량에 의한 가림, 빔 스티어링 등이 공학적 숙제가 됩니다. 날씨와 대기 산란(비, 안개, 먼지)은 광학 링크를 감쇄시킵니다. 협대역 필터링이 태양광에는 대응하지만 안개나 입자 산란을 제거하지는 못합니다. 상향 링크(Uplink) 역시 과제로 남아 있습니다. 차량과 장치가 데이터를 다시 보내기 위해서는 송신기를 갖추거나 다른 채널(RF, 적외선 또는 카메라 기반 반사)을 활용해야 합니다. 또한 도시 전체 규모로 확장하려면 견고한 다중화, 주소 지정 및 매체 접근 제어가 필요하며, 이는 여전히 활발한 연구 과제입니다.

향후 경로: 광학, 변조 및 표준

거리와 처리량을 개선할 수 있는 명확한 기술적 경로가 있습니다. 광학 장치(렌즈 및 집광기)는 방출기 구동 전류를 높이지 않고도 수신 신호 전력을 증가시킬 수 있습니다. OFDM, WDM 또는 공간 다중화(MIMO)와 같은 고급 변조 및 다중화 기술은 용량을 배가시킬 수 있지만 복잡성을 더합니다. 더 빠른 LED 및 OLED에 대한 재료 연구는 이미 실험실 링크를 기가비트 속도에 도달하게 했습니다. 더 나은 방출기를 8B13B 시스템에서 사용된 것과 같은 견고한 코딩과 결합하면 실험실 속도와 실외 신뢰성 사이의 간극을 좁힐 수 있을 것입니다. 이 프로토타입의 저비용 접근 방식을 광학 장치 및 차량 통합과 결합한 현장 테스트는 이 아이디어가 개념 증명을 넘어 확장될 수 있는지 보여줄 것입니다.

표준화와 상호 운용성 또한 그만큼 중요합니다. ITS 용도의 경우, 광학 링크의 손실이 위험한 오해를 불러일으키지 않도록 빛 기반 방송 채널에는 합의된 메시지 형식과 안전 지향적 장애 조치 동작이 필요합니다. 연구팀이 채택한 재현 가능하고 오픈 소스 지향적인 태도는 유망한 시작입니다. 이는 컨소시엄, 도시 연구소 및 산업 파트너가 기초적인 구성 요소를 새로 발명하는 대신 하드웨어와 프로토콜을 함께 반복 개선할 수 있게 해줍니다.

Tokyo Polytechnic의 결과가 도시 무선 혼잡이나 자율주행 차량 네트워킹에 대한 최종적인 해답은 아니지만, 실제 환경에서의 VLC를 향한 실질적인 단계입니다. 이는 태양광에서도 살아남으며 적은 예산으로 학생이나 엔지니어가 직접 제작할 수 있는, 명확하게 설명되고 재현 가능한 키트입니다. 커뮤니티가 이 공개 코드와 회로 설계를 활용한다면, 향후 2년 내에 거리와 견고성을 높이고 차량 및 교통 시스템에 통합하는 후속 테스트들이 이어질 것으로 기대됩니다.

출처

• Electronics and Signal Processing (학술지) — "A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — 공학대학원 (연구원: Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — 초기 Li-Fi 연구 및 시연