광학 무선 통신 (r1)

광학 무선 통신은 크게 가시광선 통신(VLC)과 적외선 통신으로 구분된다. 이 두 방식은 사용하는 광파의 파장 대역이 다르며, 이에 따라 특성과 주요 응용 분야가 차이를 보인다.

가시광선 통신은 사람의 눈으로 볼 수 있는 380nm에서 780nm 사이의 빛을 이용하여 데이터를 전송한다. 주로 발광 다이오드(LED)를 광원으로 사용하며, 빠르게 깜빡이는 빛의 변화(변조)로 정보를 실어 보낸다. 이 기술의 가장 큰 특징은 조명과 통신의 기능을 동시에 수행할 수 있다는 점이다. 즉, 실내 조명용 LED 등이 데이터 송신기의 역할을 겸할 수 있어 에너지 효율과 인프라 활용 측면에서 장점을 가진다. Li-Fi는 이러한 VLC 기술을 기반으로 한 고속 무선 네트워킹 방식이다.

적외선 통신은 가시광선보다 파장이 긴 780nm에서 1mm 사이의 적외선을 이용한다. 대표적인 예로는 IrDA(Infrared Data Association) 표준이 있으며, 이는 과거 휴대전화나 노트북의 파일 교환에 널리 사용되었다. 적외선 통신은 일반적으로 점대점 통신에 특화되어 있으며, 송신기와 수신기 사이에 가시선(LOS)이 확보되어야 정상적인 동작이 가능하다. 가시광선에 비해 주변광 간섭의 영향을 덜 받지만, 햇빛에 강한 적외선 성분이 포함되어 있을 경우에는 성능이 저하될 수 있다.

광원 변조 기술은 정보 신호를 광 신호로 변환하는 과정으로, 주로 발광 다이오드나 레이저 다이오드 같은 광원의 출력을 제어하는 방식으로 이루어진다. 가장 기본적인 변조 방식은 온-오프 키잉으로, 데이터 비트 '1'과 '0'에 따라 광원을 켜고 끄는 방식이다. 보다 효율적인 고속 전송을 위해 펄스 위치 변조, 직교 주파수 분할 다중화 같은 고급 디지털 변조 기술이 적용된다. 이러한 변조는 통신 속도와 신뢰성을 결정하는 핵심 요소이다.

수신 측에서는 포토다이오드나 광전지 같은 검출기가 광 신호를 전기 신호로 다시 변환한다. 검출기는 입사하는 광자의 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 이로 인한 광전류의 변화를 측정한다. 고속 통신을 위해서는 응답 속도가 빠른 아발란치 포토다이오드가 사용되기도 한다. 최근에는 상보성 금속 산화물 반도체 이미지 센서를 활용한 가시광 통신 시스템도 연구되고 있으며, 이는 공간 분할 다중 접속이 가능하다는 장점이 있다[1].

변조 및 검출의 성능은 다음 표와 같은 주요 파라미터에 의해 크게 영향을 받는다.

이러한 기술들은 시스템의 데이터 전송률, 에너지 효율성, 그리고 실용적인 배치 용이성을 함께 고려하여 설계되어야 한다.

광학 무선 통신의 전송 채널은 주로 자유 공간이며, 이 채널의 특성은 시스템 설계와 성능에 결정적인 영향을 미친다. 주요 특성으로는 가시선 통신 요구, 광학적 경로 손실, 다중경로 전파, 그리고 주변광에 의한 간섭이 있다.

가시광선과 적외선은 직진성이 강해 송신기와 수신기 사이에 물리적 장애물이 없을 때 가장 효율적으로 신호를 전달한다. 이를 가시선 통신이라 한다. 그러나 벽이나 가구와 같은 장애물에 의해 신호가 차단되거나 반사, 산란되면 통신 품질이 급격히 저하된다. 반사된 신호는 수신기에 다양한 시간 지연을 가지고 도착하는 다중경로 전파 현상을 일으키며, 이는 신호 간의 간섭을 유발해 데이터 오류율을 높이는 요인이 된다. 채널의 손실은 거리의 제곱에 반비례하는 광학적 경로 손실과 대기 중의 흡수 및 산란에 의해 결정된다.

주변광 조건은 채널 특성에 큰 변수로 작용한다. 자연광이나 기존 조명과 같은 환경광은 수신기에 지속적인 잡음으로 작용할 수 있다. 특히, 형광등과 같이 빠르게 깜빡이는 인공광은 심한 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭을 완화하기 위해 수신기에는 광학 필터와 고속의 포토다이오드가 사용되며, 변조 방식도 주변광의 영향을 최소화하도록 설계된다. 채널의 특성을 정량화하기 위해 다음과 같은 주요 파라미터가 사용된다.

이러한 채널 특성은 실내와 실외 환경에서 크게 달라지며, 통신 링크의 안정성을 보장하기 위해서는 환경에 맞는 채널 모델링과 적응형 신호 처리 기술이 필수적이다.

Li-Fi는 가시광선 통신 기술을 기반으로 한 고속 양방향 무선 통신 방식을 지칭하는 상표명이다. 2011년 에든버러 대학교의 하랄트 하스 교수가 처음 공개적으로 시연하면서 주목받기 시작했다. 이 기술은 발광 다이오드의 빠른 점멸을 데이터 신호로 변조하여 정보를 전송하는 원리를 활용한다. LED의 점멸 속도는 인간의 눈으로는 인지할 수 없을 정도로 빠르기 때문에, 조명 기능을 유지하면서 동시에 데이터 통신이 가능해진다.

Li-Fi 시스템의 핵심 구성 요소는 데이터를 변조하는 LED 송신기와, 빛의 강도 변화를 감지하여 전기 신호로 복조하는 포토다이오드 수신기이다. 주로 사용되는 변조 방식으로는 온-오프 키잉과 더 복잡한 직교 주파수 분할 다중화가 있다. 전송 속도는 실험실 환경에서 수십 Gbps에 달하는 것으로 보고되었으나, 실제 환경에서는 수백 Mbps에서 수 Gbps 수준의 성능을 보인다.

이 기술의 가장 큰 장점은 전자기 간섭을 일으키지 않는다는 점이다. 이 특징은 병원이나 항공기 내부, 산업 시설 등 전파 간섭에 민감한 환경에서 RF 통신을 보완할 수 있는 가능성을 열어준다. 또한 빛이 벽을 통과하지 못하기 때문에 물리적 공간 밖으로 신호가 새어나가지 않아, 보안 측면에서도 유리한 특성을 가진다.

그러나 Li-Fi는 본질적으로 가시선 통신이기 때문에 송신기와 수신기 사이에 시야가 확보되어야 하며, 장애물에 의해 통신이 쉽게 차단된다는 한계를 가진다. 이를 극복하기 위해 빛의 반사를 이용한 비가시선 통신 연구와, RF 통신과의 하이브리드 네트워크 구성 방안이 활발히 탐구되고 있다. 상용화를 위해서는 저비용·고성능 수신기 개발, 조명 인프라와의 통합, 그리고 IEEE 802.15.7 표준을 포함한 국제 표준의 완성도 제고가 중요한 과제로 남아 있다.

적외선 데이터 통신은 적외선을 이용한 근거리 무선 데이터 통신 기술이다. 주로 두 장치 간의 점대점(Point-to-Point) 연결을 통해 데이터를 교환하는 데 사용되었으며, 1990년대 중반부터 2000년대 초반까지 휴대폰, PDA, 노트북, 프린터, 리모컨 등 다양한 전자기기에 널리 적용되었다. IrDA라는 명칭은 이 기술을 표준화한 산업 컨소시엄인 적외선 데이터 협회(Infrared Data Association)에서 유래한다.

통신을 위해 송신기와 수신기는 서로를 정확히 향해야 하는 가시선 통신 방식을 사용한다. 일반적인 통신 거리는 수십 센티미터에서 1미터 미만이며, 데이터 전송률은 초기 115.2 kbps에서 발전하여 최대 16 Mbps(FIR)에 이르렀다. 변조 방식으로는 펄스 위치 변조(PPM)를 사용하여 적외선 발광 다이오드(LED)를 빠르게 점멸시켜 데이터를 전송하고, 수신측에서는 포토다이오드가 이 신호를 검출한다.

주요 장점은 저렴한 구현 비용, 낮은 전력 소모, 그리고 물리적으로 좁은 빔을 사용함으로써 발생하는 간섭 방지와 보안성[2]이었다. 그러나 통신을 위해 정확한 정렬이 필요하고, 장애물에 매우 취약하며, 가시광선 통신이나 RF 통신에 비해 전송 거리가 매우 짧은 한계를 지녔다. 이후 블루투스 및 Wi-Fi와 같은 무선 기술이 등장하면서, 편의성과 다자간 통신 지원 측면에서 IrDA는 그 입지를 상당 부분 잃게 되었다.

자유 공간 광통신은 레이저 또는 발광 다이오드(LED)를 광원으로 사용하여 대기 중의 자유 공간을 매개체로 데이터를 전송하는 무선 통신 기술이다. 광섬유를 사용하지 않고 공기, 진공 또는 우주 공간과 같은 투명 매질을 통해 광 신호를 직접 전달한다는 점이 특징이다. 주로 지상의 고정 지점 간 통신, 위성 간 통신, 지구-위성 간 링크, 그리고 군사 및 항공 분야에서 활용된다.

시스템은 기본적으로 광 송신기, 전송 경로(대기), 광 수신기로 구성된다. 송신기는 전기 신호를 고도로 집중된 광파로 변조하여 방출하며, 수신기는 이 신호를 포착하여 다시 전기 신호로 복원한다. 전송 거리는 수백 미터에서 수천 킬로미터에 이르며, 사용되는 광원의 파장은 주로 780~1600nm 대역의 적외선이나 가시광선 근처이다. 대기 중의 산란, 굴절, 흡수 현상이 신호 감쇠의 주요 원인으로 작용한다.

자유 공간 광통신의 성능은 날씨 조건에 크게 의존한다는 한계를 가진다. 안개, 비, 눈, 대기 난류 등은 광 신호를 산란시키거나 흡수하여 링크 품질을 심각하게 저하시킬 수 있다[3]. 그러나 전자기 간섭에 영향을 받지 않으며, 주파수 허가가 필요 없고, 설치가 비교적 빠르며, 매우 높은 대역폭과 데이터 전송률을 제공할 수 있는 장점이 있다.

주요 응용 분야는 다음과 같이 구분할 수 있다.

이 기술은 광학 무선 통신의 한 갈래로, 짧은 거리의 가시광선 통신(VLC)이나 Li-Fi와 구분되며, 마이크로파를 사용하는 RF 무선 통신과는 다른 물리적 채널을 이용한다.

광학 무선 통신 시스템의 송신기는 전기 신호를 광 신호로 변환하여 공간으로 방출하는 핵심 장치이다. 주로 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)가 사용되며, 각각의 특성에 따라 응용 분야가 구분된다.

발광 다이오드(LED)는 가시광선 통신(VLC) 및 Li-Fi의 주요 광원이다. 백색 LED는 고속 온-오프 스위칭(변조)이 가능하며, 기존의 조명 인프라를 데이터 통신에 동시에 활용할 수 있다는 장점을 가진다. 통신용 고출력 LED는 높은 변조 대역폭을 확보하기 위해 설계되며, 인광체를 사용하지 않는 RGB LED나 자외선 LED가 더 높은 데이터 전송률을 달성하기도 한다[5]. 반면, 레이저 다이오드는 매우 좁은 스펙트럼과 높은 방향성을 특징으로 하며, 주로 자유 공간 광통신(FSO)과 같은 장거리 또는 고속 통신 링크에 사용된다. 레이저의 높은 집속성은 전송 효율을 높이지만, 정확한 빔 조준과 안전성 관리가 필수적이다.

송신기의 성능을 결정하는 주요 매개변수는 변조 대역폭, 출력 광功率, 발광 각도, 그리고 파장이다. 아래 표는 두 주요 광원의 일반적인 특성을 비교한 것이다.

효율적인 시스템 구성을 위해 송신기에는 변조 신호를 구동하는 회로와 빔의 형태를 제어하는 광학 렌즈 또는 반사경이 결합된다. 특히 가시광선 통신에서는 데이터 전송과 조명 기능의 균형을 맞추기 위해 평균 광 출력과 변조 깊이를 최적화하는 것이 중요하다.

광학 무선 통신 시스템의 수신기는 광신호를 전기 신호로 변환하는 핵심 장치이다. 주로 포토다이오드와 이미지 센서가 사용되며, 각각의 특성에 따라 적용 분야가 구분된다.

포토다이오드는 가장 일반적인 광검출기로, 입사하는 광자의 에너지에 의해 생성된 광전류를 출력한다. 고속 응답이 가능한 핀 포토다이오드나 애벌랜치 포토다이오드(APD)가 고속 데이터 통신에 주로 사용된다. 이들은 단일 소자로 구성되어 신호 처리 회로가 비교적 간단하지만, 정확한 광축 정렬이 필요하고 시야각(FOV)이 좁은 특성을 가진다. 수신 감도와 대역폭은 시스템의 전송 거리와 데이터 속도를 결정하는 중요한 요소이다.

반면, 이미지 센서(예: CMOS 이미지 센서 또는 CCD)는 픽셀 배열을 통해 공간 정보를 포함한 광신호를 검출한다. 이를 활용하면 가시선(LOS) 통신 뿐만 아니라 벽면 등에서의 난반사를 이용한 비가시선(NLOS) 통신이 가능해진다. 또한, 다중 입사각 신호를 동시에 수신할 수 있어 수신기의 위치 정렬 요구 사항이 완화된다. 최근에는 통신 전용으로 설계된 이미지 센서 기반 수신기(ISCR)가 연구되어, 기존 카메라 센서의 프레임 속도 한계를 극복하고 고속 데이터 전송에 적용되고 있다[6].

수신부에는 검출기 이후에 증폭기, 필터, 복조기 등의 신호 처리 회로가 필수적으로 따라온다. 이들은 약한 광전류 신호를 증폭하고, 주변광 간섭 및 잡음을 제거하며, 변조된 신호에서 원래의 데이터 비트 스트림을 복원하는 역할을 한다.

변조/복조 회로는 광학 무선 통신 시스템의 핵심 신호 처리부로서, 디지털 데이터를 광 신호로 변환하고 다시 데이터로 복원하는 역할을 담당한다. 송신 측의 변조 회로는 입력된 디지털 비트 스트림을 광원인 LED나 레이저 다이오드의 발광 특성(예: 빛의 세기, 주파수, 위상)에 실어 보내기 위한 전기 신호 형태로 변환한다. 가장 기본적인 방식은 빛의 유무로 0과 1을 표현하는 온-오프 키잉(OOK)이다. 고속 및 고효율 전송을 위해 펄스 위치 변조(PPM), 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 같은 고급 디지털 변조 기술이 적용되기도 한다.

수신 측의 복조 회로는 포토다이오드나 이미지 센서를 통해 검출된 미약한 광 전류 신호를 증폭하고, 원래의 디지털 데이터 스트림으로 재구성한다. 이 과정에는 수신된 아날로그 신호에서 시각과 잡음을 제거하는 필터링, 신호 레벨을 판단하는 임계값 검출, 비트 동기를 맞추는 클록 복원 등이 포함된다. 주변광 잡음과 채널의 소광 현상으로 인한 신호 열화를 보상하기 위해, 등화 기술이나 오류 정정 부호를 결합한 복잡한 신호 처리 알고리즘이 사용된다.

다양한 변조 방식의 특징은 다음과 같이 비교할 수 있다.

이러한 회로의 설계는 목표 전송 속도, 전송 거리, 전력 소비, 시스템 비용, 그리고 적용 환경의 광학적 조건에 따라 최적화된다.

광학 무선 통신은 가시광선 또는 적외선과 같은 빛을 매개체로 사용하기 때문에, 기존의 RF 무선 통신이 사용하는 무선 주파수 대역에 비해 훨씬 넓은 주파수 대역을 자유롭게 활용할 수 있다. 전자기 스펙트럼 상에서 가시광선 영역의 대역폭은 라디오파 영역보다 수백 배에서 수천 배에 달하여, 이론적으로 초고속 데이터 전송을 실현할 수 있는 물리적 기반을 제공한다.

실제 구현 측면에서, Li-Fi와 같은 기술은 고출력 LED를 초고속으로 점멸시켜 데이터를 변조한다. 이 점멸 속도는 인간의 눈이 인지할 수 없는 수준으로 매우 빨라, 기존 조명 기능을 유지하면서도 기가비트 급의 데이터 전송 속도를 달성한다. 실험실 환경에서는 단일 채널 기준으로 10 Gbps 이상의 전송 속도가 보고되었으며, 파장 분할 다중화 기술을 적용하면 그 용량을 더욱 확장할 수 있다.

다음 표는 광학 무선 통신의 이론적 대역폭 잠재력을 다른 통신 방식과 비교하여 보여준다.

이러한 고대역폭 특성은 데이터 집약적인 응용 분야, 예를 들어 고화질 비디오 스트리밍, 대용량 파일 전송, 가상 현실 및 증강 현실 콘텐츠의 무선 전송에 매우 유리하다. 또한, 빛의 직진성으로 인해 하나의 작은 공간 내에서 고밀도로 네트워크 셀을 구성할 수 있어, 단위 면적당 데이터 처리 용량(스펙트럼 효율성)을 크게 높일 수 있다.

광학 무선 통신은 전자기파의 일종인 가시광선 또는 적외선을 이용하지만, 기존의 RF 통신과는 다른 주파수 대역을 사용한다. 이로 인해 전자기 간섭에 매우 강한 특성을 보인다. Wi-Fi나 블루투스와 같은 무선통신은 같은 전파 스펙트럼을 공유하기 때문에 서로 간섭을 일으키고, 전자기장이 강한 병원, 항공기, 공장 환경에서는 통신 품질이 크게 저하될 수 있다. 반면, 가시광선은 전파와 다른 물리적 성질을 가지므로 이러한 RF 기반 간섭의 영향을 전혀 받지 않는다. 이는 통신 신뢰성이 요구되는 특수 환경에서 큰 장점으로 작용한다.

보안성 측면에서도 광학 무선 통신은 고유한 이점을 가진다. 빛은 불투명한 벽을 통과할 수 없기 때문에, 통신 범위가 물리적으로 빛이 도달하는 공간으로 제한된다. 이는 신호가 의도하지 않은 영역으로 새어나가는 것을 근본적으로 차단하여, 외부에서의 도청이나 데이터 탈취 위험을 현저히 낮춘다. 예를 들어, 특정 방 안에서 이루어지는 Li-Fi 통신은 그 방을 벗어나면 신호를 포착할 수 없으므로, 물리적 경계가 보안 경계가 되는 효과를 낳는다.

물론, 이러한 보안성은 상대적인 개념이다. 통신 범위 내에서는 빛이 직접 노출되므로, 수신기가 있다면 신호를 가로챌 가능성은 존재한다. 또한, 반사된 빛을 통해 간접적으로 정보를 유출할 수 있는 가능성에 대한 연구도 진행되고 있다[7]. 따라서 완벽한 보안 솔루션이라기보다는, RF 통신에 비해 물리적 도청이 훨씬 어려운 강화된 보안 계층을 제공한다고 평가된다.

광학 무선 통신, 특히 가시광선 통신(VLC) 및 Li-Fi 기술의 가장 큰 실용적 장점 중 하나는 기존의 광범위하게 보급된 발광 다이오드(LED) 조명 인프라를 데이터 통신 송신기로 전환하여 활용할 수 있다는 점이다. 이는 별도의 전용 통신 장비 구축 비용을 크게 절감할 수 있는 가능성을 열어준다.

현대의 건물, 가로등, 차량, 디스플레이 등은 이미 고속 점멸이 가능한 LED 조명으로 빠르게 대체되고 있다. 이러한 LED는 전기 신호에 따라 빛의 세기를 극히 빠르게 변조할 수 있어, 사람의 눈에는 인지되지 않는 속도로 데이터를 실어 보내는 변조기로 기능할 수 있다[8]. 따라서 데이터 통신을 원하는 공간에 단순히 특수한 LED 조명기구나 드라이버 회로를 설치함으로써 무선 액세스 포인트를 쉽게 구축할 수 있다.

이러한 접근 방식은 사물인터넷(IoT) 및 스마트 빌딩 환경에서 특히 유망하다. 예를 들어, 사무실이나 공장의 천장 조명이 각각 독립적인 초소형 셀 기지국 역할을 하여 고밀도 무선 네트워크를 형성할 수 있다. 또한 가시광선 통신은 전자기 간섭에 영향을 받지 않아 병원, 항공기, 산업 시설 등 RF 통신 사용이 제한되거나 위험한 환경에서 기존 조명 시스템을 안전한 데이터 링크로 활용할 수 있다.

물론, 기존 조명 인프라를 통신용으로 활용하기 위해서는 표준화된 변조 방식, 효율적인 네트워크 관리 프로토콜, 그리고 기존 조명의 주요 기능인 '조명'에 지장을 주지 않는 기술이 요구된다. 그러나 잠재적인 비용 효율성과 편의성으로 인해, 조명과 통신의 융합은 광학 무선 통신 상용화의 핵심 동력으로 평가받는다.

광학 무선 통신의 주요 한계 중 하나는 가시선 통신 요구 사항이다. 대부분의 시스템은 송신기와 수신기 사이에 직접적인 광학 경로가 확보되어야 안정적인 데이터 전송이 가능하다. 벽, 가구, 사람과 같은 불투명 장애물은 광 신호를 차단하여 통신 링크를 단절시킨다. 이는 전파를 사용하는 RF 통신이 장애물을 일정 정도 통과하거나 회절할 수 있는 것과 대비되는 특징이다.

이러한 LOS 요구 사항은 통신 링크의 신뢰성과 커버리지 범위를 제한한다. 수신기가 송신기의 시야각을 벗어나거나 부분적으로 가려지면 심각한 신호 감쇠가 발생하며, 이는 소광 현상으로 이어진다. 이를 완화하기 위해 다중 광원 배치, 반사경 활용, 또는 벽면의 확산 반사를 통한 간접 경로 통신과 같은 기술이 연구되고 있다.

장애물의 영향은 사용되는 광 파장에 따라 다르게 나타난다. 가시광선 통신의 경우, 일반 조명용 LED를 광원으로 사용할 때는 빛이 직진하는 성질이 강해 장애물에 매우 민감하다. 한편, 적외선을 사용하는 일부 시스템은 표면에서의 산란을 이용한 비가시선 통신이 일부 가능하지만, 데이터 전송률과 거리가 크게 제한된다.

따라서 광학 무선 통신의 실용적인 배치에서는 송수신기의 위치 선정과 주변 환경의 장애물 분석이 필수적이다. 실내에서는 천장의 조명 장치를 송신기로 활용하고 수신기를 작업대 위에 배치하는 것이 일반적이며, 이동성 지원을 위해서는 핸드오버 기술이나 수신기 시야각 확대 등의 연구가 진행되고 있다.

주변광은 태양광이나 기존 조명기기에서 나오는 빛으로, 광학 무선 통신 시스템의 수신기에 원하지 않는 신호를 유입시켜 간섭을 일으킨다. 이는 특히 가시광선 통신(VLC)에서 주요한 문제로 작용한다. 수신기는 통신용으로 변조된 발광 다이오드(LED)의 빛을 검출해야 하지만, 주변의 강한 백색광이나 자연광은 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 저하시킨다. 이를 완화하기 위해 협대역 광필터를 사용하여 통신에 사용되는 특정 파장의 빛만을 통과시키거나, 고속 변조 방식을 채택하여 저주파로 변동하는 주변광 성분과 신호를 분리하는 기술이 적용된다[9].

소광 현상은 빛이 대기 중을 전파하거나 반사, 산란되는 과정에서 그 세기가 약해지는 현상을 의미한다. 자유 공간 광통신(FSO)에서 이 현상은 통신 거리와 안정성을 제한하는 핵심 요인이다. 소광은 크게 기하학적 소광과 대기 소광으로 나눌 수 있다. 기하학적 소광은 빔이 전파되면서 자연스럽게 퍼져 나가며 단위 면적당 에너지 밀도가 감소하는 것이며, 대기 소광은 빛이 공기 분자, 에어로졸, 안개, 비, 눈 등에 의해 흡수되거나 산란되면서 발생한다. 특히 강수 현상은 광파장 크기와 비슷한 크기의 입자를 만들어 심각한 신호 감쇠를 유발한다.

주변광 간섭과 소광 현상은 시스템 설계에 중요한 영향을 미친다. 주요 대응 기술은 다음과 같다.

이러한 환경적 요인들은 Li-Fi와 같은 실내 응용에서는 주변광 관리가, 장거리 자유 공간 광통신에서는 기상 조건과 소광 보상이 각각 핵심적인 연구 과제로 남아 있다.

광학 무선 통신의 상용화를 가로막는 주요 장벽 중 하나는 기술 표준의 부재 또는 파편화이다. Li-Fi와 같은 기술은 아직 IEEE 802.15.7 표준을 포함해 광범위하게 채택된 단일 표준 체계가 확립되지 않았다. 이로 인해 서로 다른 제조업체의 장비 간 상호운용성이 보장되지 않아 시장 확산에 어려움을 겪는다.

표준화와 더불어 기존 RF 무선 통신 인프라와의 경쟁 및 통합 문제도 큰 도전 과제이다. Wi-Fi와 블루투스는 이미 보편화되어 있고, 사용자들은 새로운 통신 방식에 대한 학습 비용과 장비 교체 비용을 부담해야 한다. 광학 무선 통신의 독보적인 장점이 이러한 전환 비용을 상쇄할 만큼 명확하게 소비자에게 전달되지 않는 한, 시장 진입 장벽은 높을 수밖에 없다.

상용 제품의 비용과 복잡성도 장애 요인이다. 고속 데이터 전송을 위해서는 고성능 LED나 레이저 다이오드, 정교한 변조 회로 및 민감한 수신 센서가 필요하여 초기 제조 단가가 높다. 또한, 실내에서 가시선 통신 조건을 유지하거나 반사경을 이용한 비가시선 통신을 구현하는 것은 설치 및 유지보수 측면에서 추가적인 복잡성을 초래한다.

마지막으로, 규제적 측면에서도 고려해야 할 사항이 존재한다. 특히 고출력 레이저를 사용하는 자유 공간 광통신 시스템은 안전 기준과 관련된 규제를 받을 수 있다. 이러한 기술적, 경제적, 규제적 장벽들이 종합적으로 표준화와 상용화의 속도를 늦추고 있다.

실내 환경에서 광학 무선 통신은 기존 RF 기반 Wi-Fi를 보완하거나 대체할 수 있는 고속 데이터 네트워킹 솔루션으로 주목받는다. 특히 Li-Fi 기술은 실내 조명으로 널리 보급된 LED를 데이터 송신기에 활용함으로써, 별도의 전파 인프라 구축 없이 고밀도 무선 네트워크를 구축할 수 있는 잠재력을 가진다. 사무실, 병원, 공장, 쇼핑몰, 항공기 객실, 지하철 터널 등 다양한 실내 공간에서 초고속 무선 인터넷 접속을 제공하는 것이 핵심 목표이다.

이 기술의 실내 적용은 몇 가지 뚜렷한 장점을 기반으로 한다. 첫째, 광대역 특성을 활용해 기가비트 이상의 초고속 데이터 전송이 가능하다. 둘째, 빛이 벽을 통과하지 못하는 특성은 자연스럽게 셀(cell) 경계를 형성하여, 인접한 방이나 층 간의 간섭 없이 고밀도 네트워크 구축과 향상된 보안을 가능하게 한다. 셋째, 기존의 조명 인프라를 데이터 액세스 포인트(AP)로 전환할 수 있어 설치 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

주요 응용 시나리오는 다음과 같이 구분된다.

현재의 도전 과제는 주로 가시선 통신의 특성에서 비롯된다. 수신기와 송신기 사이에 장애물이 생기면 통신이 단절될 수 있으며, 강한 태양광이나 인공 조명 같은 주변광이 수신기에 간섭을 일으킬 수 있다. 이를 극복하기 위해 반사광을 이용한 비가시선(NLOS) 통신 기술, 다중 입력 다중 출력(MIMO) 기술 적용, 그리고 빠른 핸드오버 프로토콜 개발 등이 활발히 연구되고 있다.

광학 무선 통신 기술은 가시광선 통신과 자유 공간 광통신을 포함하며, 대기 중이나 진공 상태에서 레이저 또는 고휘도 LED를 이용해 데이터를 전송한다. 이 기술은 항공, 우주, 군사 분야에서 기존 RF 통신의 한계를 보완하는 중요한 통신 수단으로 주목받고 있다. 특히 높은 데이터 속도, 향상된 보안성, 그리고 전자기 간섭에 대한 저항력이 이러한 분야의 까다로운 요구사항에 부합한다.

항공 및 우주 통신 분야에서는 위성 간 통신과 깊은 우주 탐사 임무에서 광학 무선 통신이 활발히 연구되고 적용된다. 지상-위성 또는 위성-위성 간 통신에서 광학 링크는 RF 대역의 혼잡과 대역폭 제약을 극복하고 기가비트급 이상의 초고속 데이터 전송을 가능하게 한다[12]. 또한, 레이저 신호의 매우 좁은 빔 각도는 도청과 간섭의 위험을 현저히 낮추며, 우주 공간의 진공 환경은 대기 감쇠의 영향을 받지 않아 장거리 통신에 유리하다.

군사 응용 분야에서는 보안 통신과 전자전(EW) 환경에서의 신뢰성 있는 연결이 핵심 가치이다. 광학 무선 통신, 특히 자유 공간 광통함은 RF 통신과 달리 전자기 간섭을 받지 않으며, 신호가 매우 집중되어 탐지와 도청이 어렵다. 이는 함정 간 통신, 지상 기지국 연결, 또는 무인 항공기의 데이터 링크와 같은 시나리오에서 중요한 이점을 제공한다. 그러나 안개, 강우, 대기 난류와 같은 기상 조건에 민감하다는 한계가 있어, 종종 RF 통신과의 하이브리드 시스템으로 구성되어 안정성을 높인다.

광학 무선 통신 기술은 사물인터넷 생태계의 확장과 스마트 조명 시스템의 고도화에 중요한 역할을 한다. IoT 환경에서는 수많은 센서와 디바이스가 데이터를 교환해야 하는데, 기존 RF 무선 통신은 주파수 대역의 포화와 간섭 문제에 직면한다. 광학 무선 통신, 특히 Li-Fi는 조명용 LED를 데이터 전송 매체로 활용하여 새로운 통신 채널을 제공한다. 이는 이미 보급된 조명 인프라를 네트워크 액세스 포인트로 전환할 수 있어, IoT 디바이스의 고밀도 배치와 연결성을 지원하는 효율적인 솔루션이 된다.

스마트 조명 분야에서는 단순한 조명 제어를 넘어서는 통합 서비스 플랫폼으로의 진화가 가능하다. LED 조명기기는 데이터 송수신 기능을 내장하여, 조명과 데이터 네트워크를 하나의 시스템으로 통합한다. 예를 들어, 슈퍼마켓의 LED 조명은 고객에게 제품 정보를 전송하는 동시에, 고객의 스마트폰 위치를 기반으로 실내 내비게이션 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 각 조명기기가 네트워크 노드로 작동하여 건물 내 센서 네트워크를 구성하면, 실내 위치 추적, 환경 모니터링, 에너지 관리 등 다양한 애플리케이션이 구현된다.

주요 응용 사례는 다음과 같이 구분된다.

이러한 융합은 에너지 효율을 높이는 동시에 새로운 데이터 서비스의 기반을 마련한다. 그러나 대규모 상용화를 위해서는 광원 변조 및 검출 기술의 비용 절감, 표준화된 프로토콜의 확립, 그리고 기존 RF 네트워크와의 원활한 연동(헤테로지니어스 네트워킹) 기술 개발이 필요하다.

IEEE 802.15.7은 가시광선 통신(VLC)을 위한 물리 계층(PHY) 및 매체 접근 제어(MAC) 계층 표준이다. 이 표준은 2011년에 처음 채택되어 가시광 스펙트럼을 이용한 단거리 무선 광통신 시스템의 기반을 마련했다. 표준은 데이터 전송을 위해 발광 다이오드(LED)와 같은 조명 장치를 사용하는 방식을 정의하며, 기존의 라디오 주파수(RF) 기반 통신과는 별개의 주파수 대역을 활용한다는 점이 특징이다.

표준은 세 가지 물리 계층 타입(PHY I, II, III)을 규정하여 다양한 응용 요구사항을 충족시킨다. PHY I는 저속 데이터 전송에 적합하며, PHY II는 중간 속도를 지원한다. PHY III은 특정 색상의 LED를 사용하는 가시광선 통신 방식으로, 주파수 분할 다중화를 통해 데이터 속도를 향상시킨다. 매체 접근 제어 계층은 가시광선 통신 네트워크의 토폴로지(가시광 개인 영역 네트워크, VPAN) 관리, 장치 간 연결 설정 및 동기화를 담당한다.

IEEE 802.15.7 표준의 개정 작업은 지속적으로 이루어져 왔다. 2018년에는 IEEE 802.15.7-2018로 개정되며, 더 높은 데이터 전송률, 이동성 지원, 가시광선 통신 네트워크와 기존 라디오 주파수 네트워크의 공존 메커니즘 등이 강화되었다. 이 개정판은 Li-Fi와 같은 고속 응용을 더 잘 지원하기 위해 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 변조 방식을 포함하는 새로운 PHY 타입을 도입하기도 했다.

이와 관련된 다른 표준 및 활동으로는 가시광선 통신을 사물인터넷(IoT) 및 산업용 무선 센서 네트워크에 적용하기 위한 IEEE 802.15.13 작업 그룹의 활동이 있다. 또한, 국제전기통신연합(ITU)의 ITU-T G.9991 및 G.vlc 권고안은 가시광선 통신을 이용한 고속 데이터 전송을 위한 아키텍처와 요구사항을 정의한다. 이러한 표준화 노력은 가시광선 통신 기술의 상호운용성을 보장하고 상용화를 촉진하는 데 기여한다.

최근 연구는 광학 무선 통신의 전송 속도, 신뢰성, 응용 범위를 확장하는 데 집중되고 있다. 실험실 환경에서 Li-Fi 기술을 이용한 초고속 전송 기록이 계속 갱신되고 있으며, 가시광선 통신과 레이저 기반 자유 공간 광통신을 결합한 하이브리드 시스템 연구가 활발하다. 또한, 벡터 변조나 다중 입력 다중 출력 같은 고급 디지털 신호 처리 기술을 적용하여 스펙트럼 효율과 전송 용량을 극대화하려는 시도가 이루어지고 있다.

연구의 주요 발전 방향 중 하나는 비가시선 통신 환경의 개선이다. 이를 위해 반사광이나 산란광을 이용한 통신, 다중 경로 전파 모델링, 그리고 지능형 반사 표면 기술을 활용하여 장애물을 우회하거나 신호를 강화하는 방법이 탐구되고 있다. 또한, 기계 학습 알고리즘을 채널 등화나 간섭 제거에 적용하여 시스템 성능을 최적화하는 연구도 진행 중이다.

상용화를 위한 표준화 노력도 계속되고 있으며, IEEE 및 ITU와 같은 표준화 기구에서는 Li-Fi와 가시광선 통신을 6G 이동 통신 네트워크의 핵심 구성 요소로 통합하기 위한 논의가 진행 중이다. 궁극적인 목표는 조명, 통신, 센싱 기능이 융합된 지능형 광 네트워크 인프라를 구축하는 것이다.

광학 무선 통신은 가시광선 또는 적외선을 이용하는 반면, RF 무선 통신은 전파를 이용하여 정보를 전송한다. 이 근본적인 차이는 두 기술 간의 성능, 적용 분야, 한계를 명확히 구분짓는다.

주요 특성을 비교하면 다음과 같다.

광학 방식은 높은 대역폭과 보안성, 전자기 간섭 내성에서 강점을 보이지만, 가시선 통신 요구사항과 제한된 커버리지가 주요 한계이다. 반면 RF 방식은 편재성과 장애물 관통 능력으로 인해 범용 무선 네트워킹의 핵심을 이루고 있다. 따라서 두 기술은 상호 보완적인 관계로, Li-Fi는 실내 고밀도 핫스팟을, Wi-Fi는 광범위한 연결성을 담당하는 헤테로지니어스 네트워크 구성이 유력한 발전 방향으로 여겨진다[14].

광학 무선 통신과 유선 광통신(광섬유 통신)은 모두 빛을 정보 전달의 매개체로 사용한다는 근본적인 공통점을 지닌다. 두 기술 모두 광원을 변조하여 데이터를 실어 보내고, 수신단에서 광검출기를 통해 광신호를 전기 신호로 복원하는 기본 원리를 공유한다. 이는 라디오 주파수(RF)를 사용하는 전통적인 무선 통신과는 구별되는 특징이다. 그러나 전송 채널의 물리적 형태에서 결정적인 차이가 발생한다. 광섬유 통신은 유리나 플라스틱으로 만들어진 광섬유라는 가이드된 매체 내부로 빛을 가두어 전송하여, 외부 환경의 간섭을 극도로 차단하고 장거리 전송에 적합하게 만든다.

반면, 광학 무선 통신은 빛이 공기 중과 같은 자유 공간을 통해 전파되는 것을 전제로 한다. 이는 자유 공간 광통신(FSO)이나 Li-Fi와 같은 기술의 기반이 된다. 채널의 특성 차이는 시스템 설계와 성능에 직접적인 영향을 미친다. 아래 표는 두 기술의 핵심 관계와 차이점을 요약한다.

두 기술은 상호 보완적인 관계에 있다. 광섬유 네트워크는 초고속 데이터의 장거리 백본을 담당하고, 광학 무선 통신은 이 데이터를 최종 사용자에게 유연하게 전달하는 "최종일마일" 솔루션 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 건물 내부로 광섬유를 끌어온 후, 각 방에서는 LED 조명기를 이용한 Li-Fi로 고속 무선 접속을 제공하는 융합 구조가 가능하다. 또한, 자유 공간 광통신(FSO)은 두 건물 사이의 광섬유 연결이 어려운 경우에 점대점 무선 백본 링크로 활용될 수 있다. 따라서 미래의 통신 네트워크는 유선 광통신의 안정성과 광학 무선 통신의 유연성을 결합한 하이브리드 형태로 발전할 가능성이 있다.