통신 기술의 새 지평을 여는 MIMO 광 통신

글: 존 가베이(Jon Gabay)
제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

 

(출처: 7maru - stock.adobe.com)

빛, 즉 광학을 이용하는 통신 기법(optical communication)은 멀리 떨어진 곳에 신호를 전달하기 위해 사용해온 가장 오래된 기술 중 하나이다. 반사가 잘 되는 물체의 표면에 햇빛을 반사하고 이를 특정 방향을 향하도록 해서 신호 또는 경보를 전달했다. 이 지향성 반사는 꽤 은밀해서 통상적으로 의도하는 대상만이 신호를 볼 수 있다.
빛을 이용하는 통신 기술은 오늘날에도 사용된다. 대표적인 예로 광섬유와 TV 리모콘을 들 수 있다. 하지만 오늘날에는 RF가 고속 단방향 및 전방향 통신을 위한 전자기 매질로 더 선호된다. 그렇더라도 아직은 빛을 완전히 배제하지는 말라. 기기 제조사들이 이동형 및 고정형 장치의 내/외부에 더 다양한 통신 방법들을 활용하고자 함에 따라 비교적 새로운 형태의 병렬 광 통신에 이목이 쏠리고 있다.

원래 RF 용으로 개발된 MIMO(multiple input multiple output)는 단일 대역을 사용할 때에 비해 대역폭을 늘리고 더 높은 데이터 레이트로 RF 통신이 가능하도록 하기 위해 도입된 것이다. MIMO는 서로 다른 주파수에서 여러 반송파 신호를 사용해 신호를 전송함으로써 단순히 직렬이 아니라 병렬 데이터 전송이 가능하다. 옵티컬 MIMO(optical MIMO) 역시 이와 같은 방식인데, 다만 빛을 사용한다는 점이 다르다.
옵티컬 MIMO는 가시광을 사용해서 조명 시스템이 세 가지 방법으로 다른 장비와 통신할 수 있도록 한다.

 

첫 번째 방법은 여러 컬러 LED로 이루어진 단일 이미터를 사용하는 것이다. 각각의 LED는 송신기로서, 수신 측에서 광학적 여과를 거쳐서, 각 색상별 LED는 다른 색상의 LED들과 병렬로 데이터를 전달한다. 이 방법을 ‘람다(Lambda) MIMO’라고 한다.

두 번째 방법은, 예를 들어 천장 같은 곳의 여러 군데에 여러 개의 이미터를 설치하는 것이다. 이 경우에 각각의 이미터는 동일한 유형 및 색상의 LED이고, 비디오 카메라 같은 병렬 수신기가 공간적으로 분산된 광선들을 결합해서 역시 병렬 데이터 전송을 형성한다. 이 방법은 ‘s-MIMO’라고 한다.

세 번째 방법은, 앞서 소개한 두 가지 방법을 조합한 것으로서, 서로 다른 위치에 설치된 서로 다른 색상의 여러 이미터를 사용하는 것이다. 이 방법은 ‘h-MIMO’라고 한다. 이 방법 역시 비디오 카메라 같은 병렬 센서를 사용해서 공간 및 색상적으로 분산된 광 파장들을 병렬로 디코딩한다.

디코딩과 관련해서는, RF 변조 기법과 달리, LED는 비용을 줄이기 위해 통상적으로 단일 색상을 사용하므로 파장 변조 기법을 사용할 수가 없다. 그 대신, 펄스 폭 변조(PWM) 및 펄스 주파수 변조(PFM) 기법을 사용할 수 있다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 같은 RF 기법은 여러 사용자가 사용할 수 있게 해주지만 데이터 레이트가 제한된다. 따라서 비직교 다중 액세스(NOMA) 기법이 주로 사용될 것으로 보인다.
핵심은 각 색상별 LED의 송신 진폭과 수신 이득을 제어하는 것이다. 이러한 이유로, 복잡성을 낮추고 효율을 높이기 위해 NGDPA(normalized gain difference power allocation)가 도입되고 있다.

흥미로운 것은, GRPA(gain ratio power allocation)와 NGDPA 둘 다 최대 55Mbps의 채널 데이터 레이트를 달성할 수 있다는 것이 실험 데이터를 통해 확인됐다는 것이다. 둘 다 효과적이기는 하지만, NGDPA가 약간 더 유리한 편이다. NOMA 기법을 활용하면 2개 소스를 사용해서 110Mbps의 총 데이터 레이트를 달성할 수 있다.

활용 사례
우리가 사용하는 각종 기기로 효과적인 통신이 가능케 하는 많은 RF 기법과 프로토콜들이 있다. 그런데 왜 굳이 우리는 거리가 가까워야 하고 LOS(line of sight)가 유지되어야 하는 광학 기법을 사용하려는 것일까? 이 질문에 답변하기 위한 많은 이유를 댈 수 있으며, 이 스마트한 광학 기법을 위한 애플리케이션도 다양하게 존재한다.

첫째, 빛을 이용한 통신은 번거로운 라이센싱 및 승인 절차가 필요 없다. FCC나, TUV, 또는 그 밖에 다른 국제 표준을 통과하기 위해서 시간과 돈을 들이지 않아도 된다. 둘째, 이 기법은 전자기 간섭((EMI)에 대해 강한 내성을 갖고 있다. 다른 RF 소스들로부터 간섭으로 인한 방해를 받지 않으며, 대형 모터를 켜는 것과 같은 매우 높은 수준의 EMP와 스파이크 수준에도 불구하고 데이터 무결성이 영향을 받지 않는다.

LED와 광학 수신기는 안테나보다 비용이 덜 든다. RF 프런트 엔드와 필터 같은 것들 역시 마찬가지다. 물론, LED 기반의 확산 빔 광 통신은 통신 거리가 상대적으로 짧다. 하지만 이러한 특성을 활용할 수 있는 애플리케이션들은 여전히 많다.


일례로, 병원 침대에 MIMO 기술을 적용하면 환자의 심박수와 혈압 같은 생체 통계를 전송할 수 있다. 그러면 RF 대역폭을 소모하지 않아도 되고, 송신기와 수신기의 위치가 고정적이며(높은 신뢰성), 낙뢰 스트라이크나 그 밖에 높은 수준의 임펄스 잡음 요인이 데이터에 영향을 미치지 않는다.

또 다른 예로서, 엔진과 모터 내부의 센서들을 유선 연결 없이 읽을 수 있고, 그럼으로써 잡음 내성을 높일 수 있다. 서로 다른 색상의 LED와 필터링을 거치는 광학 수신기를 사용해서 양방향 통신도 할 수 있다. 이를 테면 비행기의 모든 좌석마다 MIMO 기반 통신을 내장하면 승객들이 항공 RF를 방해하지 않고도 자신의 모바일 기기를 이용할 수 있다.

휴대폰 제조사들 역시 비-RF 통신이 가진 많은 장점들을 인식하고 있다. 삼성은 S10 시리즈에 4x4 MIMO 어레이를 탑재함으로써 2Gbps의 다운로드 속도와 120Mbps의 업로드 속도를 자랑한다. 애플(Apple)도 아이폰 12 모델에 4 x 4 MIMO 어레이를 탑재했다.

랩톱, 태블릿PC, 스마트 워치, 그 밖에 다른 기기들도 이 기술을 유용하게 활용할 수 있다. 자동차 분야에서는 이 기술을 사용해서 우리가 흡수하는 RF 에너지 양을 줄일 수 있다. 수퍼마켓에서는 MIMO를 사용해서 각각의 상품들이 가격 표시 디스플레이와 연동되도록 함으로써 지금처럼 가격이 수시로 인상되는 때에 가격 표시 수정 작업에 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

맺음말
원래 RF 용으로 도입된 MIMO는 단일 대역을 사용할 때에 비해 대역폭을 더욱 확대할 뿐 아니라 더 높은 데이터 레이트로 RF 통신이 가능하게 한다. MIMO는 서로 다른 주파수에서 여러 반송파 신호를 사용해 신호를 전송함으로써 단순히 직렬이 아니라 병렬 데이터 전송이 가능하다. 옵티컬 MIMO는 이를 반송파 대신 빛을 사용하는 것이다. 저렴한 가격대의 LED를 사용하는 다중 파장 광 기반 통신은 RF 잡음에 대해 강한 내성을 나타내며, 데이터를 병렬 전송함으로써 근거리의 LOS 환경에서 우수한 데이터 레이트를 달성한다.

출처 : 전자부품 전문 미디어 디일렉(http://www.thelec.kr)

 

https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=22830

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