가시광 통신 기술

가시광 통신에서 데이터를 전송하기 위해 LED의 빛을 빠르게 점멸시키는 방식을 총칭한다. 인간의 눈에는 인지되지 않을 정도의 고속으로 빛의 세기를 변화시켜 디지털 신호(0과 1)를 실어 나른다. 이 과정에서 빛 자체는 지속적으로 켜져 있어 조명 기능을 유지하면서 동시에 통신이 가능해진다.

가장 기본적인 변조 방식은 온-오프 키잉(OOK)이다. 이는 데이터 비트 '1'을 LED를 켜는 상태로, 비트 '0'을 끄는 상태로 매핑하는 간단한 방식이다. 그러나 효율성과 성능을 높이기 위해 다양한 고급 변조 기술이 개발되어 사용된다. 대표적으로 펄스 위치 변조(PPM)와 펄스 진폭 변조(PAM)가 있으며, 특히 색상의 차이를 이용하는 가시광 통신 전용 방식도 연구된다.

이러한 변조 방식의 선택은 통신 속도, 전력 효율, 광잡음 환경, 그리고 LED의 디밍 기능과의 호환성 등 다양한 요인에 따라 결정된다. 최근 연구는 더 높은 스펙트럼 효율과 데이터 전송률을 위해 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 기반의 변조 기술을 가시광 통신에 적용하는 방향으로 진행되고 있다.

가시광 통신 시스템에서 광검출은 수신된 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 과정을 말한다. 이 역할은 주로 포토다이오드나 광다이오드가 담당한다. 이들 소자는 빛의 세기에 비례하는 광전류를 생성하여, 변조된 광 신호를 아날로그 전기 신호로 복원한다.

복조 과정은 이 전기 신호에서 원래의 디지털 데이터를 추출하는 단계이다. 신호는 먼저 증폭되고, 필요한 경우 잡음을 줄이기 위한 필터링을 거친다. 이후 사용된 변조 방식에 맞는 복조 기술이 적용된다. 온-오프 키잉 방식이 널리 사용되는데, 이는 빛의 유무(켜짐/꺼짐)로 1과 0을 구분하는 간단한 방식이다. 보다 고속의 통신을 위해 직교 주파수 분할 다중화나 다양한 펄스 위치 변조 기법도 연구되고 적용된다.

수신기의 성능은 시야각, 감도, 응답 속도 등에 의해 크게 좌우된다. 특히 실내 환경에서는 천장의 LED 조명으로부터의 직접광뿐만 아니라 벽면 등에서의 반사광도 수신되어 신호 간 간섭을 유발할 수 있다. 따라서 고급 수신기에는 이러한 다중 경로 간섭을 보상하고 데이터 오류를 정정하기 위한 신호 처리 알고리즘과 오류 정정 부호 기술이 통합된다.

IEEE 802.15.7은 가시광 통신 기술을 위한 물리 계층(PHY)과 매체 접근 제어(MAC) 계층의 표준 규격이다. IEEE 802.15 워킹 그룹에서 개발되었으며, 2011년에 첫 번째 버전이 공표되었다. 이 표준은 LED 조명 장치를 이용해 데이터를 전송하는 방식의 기본 틀을 정의한다.

표준은 세 가지 물리 계층 타입(PHY I, PHY II, PHY III)을 규정한다. PHY I는 저속 데이터 전송(11.67 kbit/s ~ 267.6 kbit/s)에 적합하며, PHY II는 중간 속도(1.25 Mbit/s ~ 96 Mbit/s)를 지원한다. PHY III는 특정 색상의 LED를 사용하는 가시광 스펙트럼의 주파수 분할을 이용한다. 각 PHY는 다양한 변조 방식(예: OOK, VPPM)을 지원하여 조명 품질과 데이터 속도 간의 균형을 제공한다.

MAC 계층은 가시광 통신 네트워크의 토폴로지(가시광 개인 영역 네트워크, VPAN)와 장치 간 연결 설정, 다중 접근 방식을 관리한다. 네트워크는 스타 토폴로지 또는 피어 투 피어 토폴로지로 구성될 수 있으며, 조명의 깜빡임을 최소화하여 인간의 눈에 보이지 않도록 하는 것이 주요 고려 사항 중 하나이다.

이 표준은 다양한 응용 분야를 염두에 두고 설계되었다. 주요 목표는 기존 RF 통신이 제한되거나 간섭을 일으킬 수 있는 환경(예: 항공기, 병원, 산업 시설)에서 안전한 무선 통신을 제공하는 것이다. 또한, 조명 인프라를 활용한 위치 기반 서비스와 네비게이션의 기반을 마련한다. 2018년에는 고속 통신을 지원하는 IEEE 802.15.7r1(개정판 1)이 발표되었다[1].

Li-Fi는 가시광 통신 기술의 상표명으로, 무선 통신 시장에서의 실용화를 위해 표준화 작업이 지속적으로 진행되어 왔다. 초기에는 IEEE 802.15.7 표준이 가시광 통신의 물리층(PHY)과 매체 접근 제어층(MAC)을 규정하는 핵심 표준으로 자리 잡았다. 이 표준은 가시광을 이용한 저속 데이터 통신을 목표로 했다.

보다 고속화된 데이터 전송과 상용화를 위한 표준화 노력은 IEEE 802.11bb 태스크 그룹에서 주도적으로 이루어지고 있다. 이 작업은 Li-Fi를 Wi-Fi와 유사한 방식으로, 즉 기존 무선 랜(WLAN) 표준 체계에 통합하는 것을 목표로 한다. IEEE 802.11bb는 기존 Wi-Fi 인프라와의 공존 및 상호 운용성을 고려하여, 수 기가비트每秒(Gbps) 수준의 고속 데이터 전송을 지원하는 표준을 제정 중이다.

국제 표준화 기구인 국제전기통신연합(ITU-T) 또한 G.9991 권고를 통해 가정 내 광 무선 통신 장치의 물리층 표준을 제정하는 등 관련 표준화에 참여하고 있다. 또한, Li-Fi 상용화를 촉진하기 위해 산업체 주도의 컨소시엄(예: Li-Fi Consortium, pureLiFi 등)이 형성되어 상호 운용성 테스트와 시장 확산 활동을 진행하고 있다. 이러한 표준화 동향은 Li-Fi가 차세대 무선 통신 기술로서 체계를 갖추고 상용 제품 간 호환성을 보장받는 중요한 기반을 마련하고 있다.

가시광 통신은 실내 환경에서 기존 무선랜이나 블루투스와 같은 RF 통신을 보완하거나 대체할 수 있는 무선 통신 수단으로 주목받는다. 실내 공간은 이미 조명을 위한 LED가 광범위하게 설치되어 있어, 이 인프라를 통신망으로 전환하는 데 추가 비용이 상대적으로 적게 든다. 각 조명 장치가 소형의 무선 액세스 포인트 역할을 하여, 고밀도이고 균일한 네트워크 커버리지를 제공할 수 있다.

주요 응용 시나리오로는 대용량 데이터의 고속 전송이 있다. 가시광 통신은 전자기 간섭에 영향을 받지 않아, 병원의 의료 장비나 항공기 캐빈 내부처럼 RF 통신 사용이 제한되거나 간섭이 심한 환경에서 안정적인 데이터 링크를 구축하는 데 유리하다. 또한, 조명의 빛이 도달하는 범위 내에서만 통신이 가능하기 때문에, 벽을 통한 신호 누출이 거의 없어 보안성이 높다는 장점이 있다. 이는 기업의 사무실이나 금융 기관 등에서 물리적 공간을 기준으로 통신 범위를 정밀하게 제어해야 할 때 유용하게 활용될 수 있다.

실내 위치 기반 서비스와의 결합도 중요한 방향이다. 각 조명기구가 고유의 ID를 가진 광 신호를 발신함으로써, 스마트폰 카메라나 전용 수신기를 통해 수 센티미터 수준의 정밀한 실내 위치 측위가 가능해진다[2]. 이는 대형 쇼핑몰, 박물관, 공항, 지하 주차장 등에서 길 찾기 서비스나 상황에 맞는 정보 푸시에 활용될 수 있다.

시스템 구성 측면에서, 실내 무선 통신을 위한 가시광 통신 네트워크는 일반적으로 다음과 같은 방식으로 구축된다.

현재의 과제는 태양광이나 실내 다른 조명원으로부터의 배경광 잡음 제거, 수신기 각도에 따른 신호 수신 감쇠 극복, 그리고 빠른 핸드오버 기술 개발 등에 집중되어 있다.

가시광 통신을 활용한 위치 기반 서비스는 실내에서 정밀한 위치 추적이 가능하다는 점이 가장 큰 특징이다. GPS 신호가 약해지는 실내 공간에서, 천장에 설치된 LED 조명이 각각 고유한 식별 코드를 변조된 빛 신호로 방출하면, 사용자의 스마트폰이나 전용 수신기가 이 신호를 포착하여 자신의 정확한 위치를 계산해낸다. 일반적으로 삼각측량 또는 핑거프린팅 기법을 사용하며, 이론적으로 수십 센티미터 수준의 높은 정밀도를 달성할 수 있다[3].

이 기술의 응용 사례로는 대형 쇼핑몰, 박물관, 공항, 지하 주차장 등에서의 실내 내비게이션을 들 수 있다. 방문객은 스마트폰 앱을 통해 목적지까지의 최적 경로를 실시간으로 안내받을 수 있으며, 매장 근처에서 특정 상품에 대한 프로모션 정보를 푸시 받는 것과 같은 상황맞춤형 서비스도 제공 가능하다. 또한, 공장이나 창고에서는 자산 또는 작업자의 실시간 위치를 모니터링하여 물류 효율을 극대화하거나 안전 관리를 강화하는 데 활용된다.

기존 와이파이나 블루투스 기반 실내 위치 측위 기술과 비교했을 때, 가시광 통신 기반 방식은 전자기 간섭을 받지 않으며, 개인 정보 보호 측면에서 우수하다는 장점이 있다. 빛은 벽을 통과하지 않아 특정 공간으로의 신호 격리가 용이하고, 위치 정보 유출 위험이 상대적으로 낮기 때문이다. 그러나 수신을 위해 카메라 또는 포토다이오드가 조명을 향해 열려 있어야 한다는 제약 조건은 주요 과제로 남아 있다.

가시광 통신은 전자기 간섭을 발생시키지 않는다는 특성 덕분에, 기존 무선 주파수 통신이 제한되거나 사용이 위험한 환경에서 중요한 대안 기술로 주목받는다. 특히 항공기 내부와 병원 등의 의료 시설에서 그 실용적 가치가 두드러진다.

항공기 내에서는 비행 중 전자기파 간섭으로 인해 승객의 휴대전화나 무선 기기 사용이 엄격히 제한된다. 가시광 통신은 조명용 LED를 데이터 송신기에 활용하므로, 이러한 간섭 문제를 일으키지 않는다. 따라서 승객들에게 기내 조명 아래에서 고속 인터넷 서비스를 제공하는 동시에, 승무원들에게는 안전 관련 데이터(예: 좌석 벨트 점등 신호, 비상 안내)를 전송하는 데 활용될 수 있다. 또한 조명의 점멸을 통해 승객의 좌석까지 정밀한 실내 측위가 가능해져, 개인 맞춤형 엔터테인먼트 서비스나 승무원 호출 시스템 구축에도 기여할 수 있다[4].

병원 환경에서는 MRI나 심전도 모니터 등 고감도 의료 기기가 다수 운영된다. 이러한 기기들은 외부 RF 신호에 의해 오작동할 위험이 있어, 통상적으로 특정 구역에서의 무선 통신 사용이 금지된다. 가시광 통신은 의료 기기에 영향을 주지 않으면서, 병실이나 수술실의 조명을 통해 의료진 간의 안전한 데이터 통신(예: 환자 기록 전송, 장비 제어)을 가능하게 한다. 더 나아가, 수술용 무影 램프나 병실 조명에 통신 기능을 통합하면, 의료 장비의 실시간 상태 모니터링 데이터를 전송하거나, 약물 관리 시스템과 연동하여 안전성을 높이는 등 스마트 병원 인프라의 핵심 기술로 자리 잡을 잠재력을 지닌다.

가시광 통신은 기존의 RF 통신 대비 몇 가지 뚜렷한 장점을 지닌다. 가장 큰 장점은 전자파 간섭에 영향을 받지 않는다는 점이다. 병원, 항공기, 공장 등 전자기 간섭에 민감한 환경에서도 안전하게 사용할 수 있다. 또한 광대역 주파수 자원을 무면허로 자유롭게 사용할 수 있어, 포화 상태인 RF 스펙트럼 부족 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목받는다.

보안성 측면에서도 우수한 특성을 보인다. 빛은 벽을 통과하지 못하므로, 통신 범위가 물리적으로 제한된 공간 내로 한정된다. 이는 외부에서의 도청이나 불법 접속을 원천적으로 차단하여 높은 수준의 물리적 보안을 제공한다. 에너지 효율성도 중요한 장점이다. 기존 LED 조명 인프라를 통신 장비로 동시에 활용할 수 있어, 조명을 위한 에너지 외에 추가적인 통신 전력 소비가 거의 발생하지 않는 에너지 하베스팅 효과를 기대할 수 있다.

다음 표는 RF 통신과 비교한 가시광 통신의 주요 장점을 정리한 것이다.

마지막으로, 통신과 조명의 융합을 통한 새로운 서비스 창출 가능성이다. 각 조명기구가 고유의 ID를 가진 소형 기지국 역할을 하여, 실내 위치 기반 서비스를 매우 정밀하게 제공할 수 있다. 이는 대형 쇼핑몰, 박물관, 지하 주차장 등에서의 길 찾기, 맞춤형 정보 전달 등에 활용될 수 있다.

가시광 통신은 RF 통신에 비해 여러 장점을 지니지만, 상용화를 위해 극복해야 할 현실적 한계와 기술적 과제도 존재한다.

가장 큰 한계는 통신 경로에 대한 물리적 차단에 매우 취약하다는 점이다. 빛은 직진성을 띠며 벽을 통과하지 못하기 때문에, 송신기와 수신기 사이에 장애물이 있거나 수신기가 빛의 직사광로에서 벗어나면 통신이 즉시 단절된다. 이는 Wi-Fi와 같은 RF 기술이 벽을 투과하여 넓은 커버리지를 제공하는 것과 대비되는 근본적인 차이이다. 또한, 주변 환경광, 특히 자연광(태양광)의 간섭은 통신 신호의 품질을 크게 저하시키는 주요 요인이다. 강한 외부 광원은 수신기의 포토다이오드를 포화시켜 신호 검출을 어렵게 만들거나 오류율을 증가시킨다.

시스템 구성 및 비용 측면에서도 과제가 있다. 양방향 통신을 구현하기 위해서는 조명 장치(LED)에 송신 모듈을, 사용자 장치(스마트폰 등)에는 수신 모듈뿐만 아니라 발광을 위한 송신 모듈도 추가로 탑재해야 한다. 이는 기기 설계를 복잡하게 하고 비용을 증가시킨다. 현재 대부분의 상용 스마트폰에는 고속 변조가 가능한 LED 송신기가 내장되어 있지 않아, 보급을 위해서는 하드웨어의 개선이 선행되어야 한다. 아래 표는 주요 기술적 한계를 정리한 것이다.

마지막으로, 기술 표준의 통합과 상호운용성 확보가 시급한 과제로 남아 있다. IEEE 802.15.7과 같은 초기 표준이 존재하지만, 보다 높은 데이터 전송률과 효율적인 네트워킹을 위한 표준화 작업은 여전히 진행 중이다. 서로 다른 제조사의 장치들이 원활하게 통신할 수 있도록 공통된 프로토콜과 인터페이스가 확립되어야만 시장의 확대가 가능하다.

가시광 통신 시스템의 송신기는 주로 LED 조명이 담당한다. 기존의 조명용 LED에 고속 변조 기술을 적용하여 데이터를 실어보내는 방식으로 작동한다. 이는 통신 인프라를 별도로 구축할 필요 없이 기존 조명 설비를 재활용할 수 있다는 경제적 장점을 제공한다. 송신용 LED는 가시광 스펙트럼(약 380nm ~ 780nm 파장) 내에서 빛을 방출하며, 데이터 전송을 위해 빛의 세기를 초고속으로 껐다 켰다 한다.

가시광 통신에 사용되는 LED의 성능은 데이터 전송률과 직접적으로 연관된다. 일반적인 백색 LED는 인광체를 이용해 청색 LED의 빛을 변환하여 백색광을 생성하는데, 이 인광체의 여기와 재결합 과정이 응답 속도를 제한할 수 있다. 따라서 초고속 통신을 위해서는 RGB LED를 직접 변조하거나, 마이크로 LED와 같은 고속 응답 특성을 가진 소자를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 송신기의 핵심 구성 요소는 다음과 같다.

송신기의 설계는 통신 거리, 데이터율, 커버리지 영역, 그리고 조명의 본래 기능인 '밝기'와 '색질'을 동시에 만족시켜야 한다는 점에서 복잡하다. 데이터 전송을 위해 빛을 변조하면 인지되지 않을 정도로 미세하게 밝기가 변동할 수 있으나, 이 변동이 눈에 띄는 플리커 현상(깜빡임)을 유발해서는 안 된다[5]. 따라서 효율적인 송신기 설계는 통신 성능과 인간 중심의 조명 품질 사이의 균형을 찾는 과정이다.

수신기의 핵심 부품은 포토다이오드이다. 포토다이오드는 빛 에너지를 전류 신호로 변환하는 광검출기로, 빠른 응답 속도가 요구되는 가시광 통신에는 주로 핀 포토다이오드나 애벌랜치 포토다이오드가 사용된다. 이들 소자는 수신된 빛의 세기 변화에 따라 전류의 세기가 변하는 원리를 이용해, LED에서 송출된 광 신호를 전기 신호로 복원한다.

수신기 시스템은 포토다이오드에서 생성된 미약한 아날로그 전기 신호를 증폭하고, 잡음을 필터링하며, 최종적으로 디지털 데이터 비트로 복조하는 일련의 신호 처리 회로로 구성된다. 이 과정에서 트랜스임피던스 증폭기가 중요한 역할을 수행하여 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 초기 증폭을 담당한다. 이후 대역통과필터를 통해 원하는 신호 대역만을 추출하고, 데이터 복조를 수행한다.

수신기의 성능을 결정하는 주요 매개변수로는 수신 감도, 대역폭, 시야각 등이 있다. 특히 실내 환경에서 천장의 조명으로부터 신호를 수신하는 경우, 수신기의 시야각이 넓을수록 수신 가능한 위치의 유연성이 높아진다. 또한 배경 광잡음, 특히 자연광이나 다른 조명에서 오는 변조되지 않은 빛을 효과적으로 제거하는 것이 수신기 설계의 핵심 과제 중 하나이다.

신호 처리 모듈은 가시광 통신 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 핵심 연결 고리 역할을 한다. 이 모듈은 LED 변조 방식에 따라 생성된 광 신호를 전송 가능한 형태로 가공하고, 수신된 미약한 광 신호를 정확한 데이터로 복원하는 일련의 처리 과정을 담당한다. 시스템의 성능, 특히 데이터 전송률과 비트 오류율을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다.

신호 처리의 기본 흐름은 크게 송신 처리와 수신 처리로 나뉜다. 송신 측에서는 입력된 디지털 데이터에 대해 채널 코딩을 적용하여 전송 중 발생할 수 있는 오류를 정정할 수 있도록 부가 정보를 추가한다. 이후 변조 방식(예: OOK, VPPM)에 맞게 신호를 형성하고, 이를 LED 드라이버 회로가 이해할 수 있는 전기 신호로 변환한다. 수신 측에서는 포토다이오드를 통해 검출된 아날로그 광 신호를 증폭하고, 잡음을 제거한 후 원래의 디지털 비트 열로 복조 및 복호화한다.

고속 통신을 구현하기 위한 고급 신호 처리 기술도 활발히 연구된다. OFDM과 같은 다중 반송파 변조 기술을 가시광 통신에 적용하여 주파수 효율과 전송 속도를 높이는 방식이 대표적이다[6]. 또한, MIMO 기술을 도입하여 여러 개의 LED와 수신기를 활용하면 공간 다이버시티를 얻어 통신 용량과 신뢰성을 동시에 향상시킬 수 있다.

가시광 통신과 RF 통신은 무선 데이터 전송을 위한 서로 다른 물리적 매체를 사용한다. 가시광 통신은 가시광선 스펙트럼(약 380~780nm 파장)을, RF 통신은 전파 스펙트럼을 사용한다. 이 근본적인 차이는 두 기술의 특성과 적용 분야를 크게 달라지게 만든다.

주요 특성 비교는 다음과 같다.

가시광 통신은 전자기 간섭에 영향을 받지 않아 항공기 내부, 병원, 산업 시설 등 전파 간섭이 심각한 환경에서 RF 통신을 보완하는 역할을 할 수 있다. 또한 빛이 벽을 통과하지 못하는 특성은 물리적 공간 단위로 통신을 격리시켜 보안을 강화하지만, 동시에 수신기와 송신기 사이에 시선 확보가 필요하다는 제약을 만든다. 대역폭 측면에서 가시광 스펙트럼은 RF 대역보다 훨씬 넓어 잠재적인 데이터 용량이 크지만, 상용화된 데이터 속도는 아직 RF 기술에 미치지 못하는 경우가 많다.

따라서 두 기술은 상호 배타적이기보다는 상호 보완적인 관계로 간주된다. 가시광 통신은 고밀도 실내 환경에서의 데이터 정체 해소, 안전 필수 환경에서의 통신, 정밀한 위치 기반 서비스 제공에 강점을 보인다. 반면 RF 통신은 이동성, 넓은 커버리지, 비시선 통신에서의 유연성으로 인해 여전히 광범위한 무선 통신의 주류를 이루고 있다. 미래 네트워크는 상황과 요구사항에 따라 두 기술을 최적으로 결합하는 헤테로지니어스 네트워크 형태로 발전할 가능성이 있다.

가시광 통신과 적외선 통신은 모두 광무선 통신 기술의 범주에 속하지만, 사용하는 스펙트럼 대역과 이를 통한 특성이 뚜렷한 차이를 보인다.

가시광 통신은 380nm에서 780nm 사이의 파장을 갖는 가시광선을 이용한다. 이는 기존의 LED 조명 인프라를 통신 매체로 활용할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 통신과 조명이 동시에 가능하며, 빛이 차단되는 영역에서는 통신이 불가능해 보안성이 상대적으로 높은 편으로 평가된다. 반면, 적외선 통신은 일반적으로 780nm 이상의 파장, 즉 가시광선보다 긴 적외선 영역을 사용한다. 리모컨, IrDA 규격의 단거리 데이터 통신 등에 오랫동안 사용되어 왔으며, LED나 레이저 다이오드를 광원으로 활용한다. 적외선은 가시광선에 비해 태양광에 포함된 간섭 신호가 적고, 비가시성이므로 통신에 대한 사용자 방해 요소가 적다는 특징이 있다.

두 기술의 주요 차이점을 표로 정리하면 다음과 같다.

적용 분야 측면에서 가시광 통신은 기존 조명 인프라와의 융합을 통한 대용량 실내 무선 네트워크 구축에 초점이 맞춰져 있다. 반면, 적외선 통신은 주로 리모컨, 근거리 기기 간 데이터 동기화, 그리고 벽면의 반사를 이용한 확산식 통신 등 제한된 공간에서의 비가시적 통신 수단으로 활용되어 왔다. 최근 연구에서는 두 기술을 상호 보완적으로 활용하거나, 가시광 통신을 하향링크, 적외선 통신을 상향링크로 사용하는 하이브리드 시스템에 대한 탐구도 이루어지고 있다.