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1. 개요
무선광통신 (光無線通信, OWC)은 가시광선, 적외선(IR) 또는 자외선(UV)을 이용하여 신호를 전달하는 광통신의 한 형태이다. 단거리 통신으로만 진행되고 있으나 장거리 통신 역시 가능하다.이 기술을 이해하는 것에서 가장 중요한 점은 LED의 깜빡임이 1과 0의 2진법 데이터를 함유할 수 있다는 점과 특정 FPS(또는 BPS) 이상을 만족할 경우,
가시광선 대역(390~750 nm)에서 작동하는 OWC 시스템을 흔히 가시광선 통신(VLC)이라고 한다. VLC 시스템은 조명 출력 간 사람의 눈에 띄는 자극을 주지 않고 매우 빠른 속도로 정보 출력이 가능한 발광 다이오드(LED)를 활용한다[2]. 가시광선 통신의 경우, WLAN, WPAN, 이동수단 간 네트워크에서 사용되며 지상파를 사용하는, 750~1600nm의 근적외선 OWC를 FSO(Free Space optical communication)이라고 하기도 한다. 이러한 시스템은 일반적으로 레이저 송신기를 사용하고 높은 데이터 속도, 즉 파장당 10Gbit/s의 비용 효율적인 프로토콜 투명 링크를 제공하며 백홀 병목 현상에 대한 잠재적인 솔루션을 제공한다.
대중에게는 가시광선을 사용한 무선 광통신 분야인 라이파이라는 이름으로 알려져 있다.
최근 태양-블라인드 UV 스펙트럼(200–280 nm) 내에서 작동하는 고체 광원/검출기의 발전으로 자외선 통신(UVC)에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 소위 깊은 UV 대역에서 태양 복사는 지상 수준에서 무시할 수 있으며, 이는 추가적인 배경 잡음 없이 수신된 에너지를 증가시키는 넓은 시야 수신기를 가진 광자 계수 검출기의 설계를 가능하게 한다. 이러한 설계는 무선 센서 및 애드혹 네트워크와 같은 저전력 단거리 UVC를 지원하기 위한 실외 비시선 구성에 특히 유용하다.
2. 역사
무선 광통신의 경우, 이름만 약간 달랐을 뿐 긴 역사를 가지고 있다. 고대 그리스는 데모크리토스, 폴리비우스가 알파벳을 사용한 광통신을 진행했다는 기록이 있고[3], 각각 중세와 근대에는 세마포어 통신과 알디스 램프가 이러한 역할을 했다. 이 알디스 램프는 주로 선박에서 부호 통신을 통해 (0은 닫고, 1은 열고) 타인에게 정보를 전달했다. 1810년 카를 프리드리히 가우스는 한 쌍의 거울을 사용하여 태양 광선을 먼 역으로 유도하는 헬리오그래프를 발명했다. 원래의 헬리오그래프는 측지학적 조사를 위해 설계되었지만, 19세기 말과 20세기 초에 군사적 목적으로 광범위하게 사용되었다.예를 들어, 1935년 독일 육군은 적외선 투과 필터가 달린 텅스텐 필라멘트 램프를 광원으로 사용하는 광음기를 개발했다. 또한, 미국과 독일의 군사 실험실은 1950년대까지 광통신을 위한 고압 아크 램프의 개발을 계속했다. 1962년 MIT 링컨 연구소는 발광 GaAs 다이오드를 사용하여 실험적인 OWC 링크를 구축하여 30마일 거리에서 TV 신호를 전송할 수 있었다. 레이저의 발명 이후, OWC는 레이저의 주요 배치 영역이 될 것으로 예상되었으며 다양한 유형의 레이저와 변조 방식을 사용하여 많은 시험이 수행되었다. 1970년대에 저손실 광섬유가 개발되기도 했다.
우리나라의 경우 봉화, 연기, 선박 깃발, 세마포 전보를 통한 신호 전달은 OWC의 역사적인 형태로 간주될 수 있다.
무선 통신 기술은 20세기의 마지막 수십 년과 21세기 초에 매우 빠르게 확산되어 필수적인 기술이 되었다. 무선 주파수 기술의 광범위한 배치는 무선 장치 및 시스템 확장의 핵심 요소가 되었다. 그러나 무선 시스템이 사용하는 전자기 스펙트럼의 부분은 용량에 제한이 있었고, 스펙트럼의 일부를 사용하기 위한 라이선스는 비쌌다. 이후 시간이 지나면서 데이터 집약적인 무선 통신이 증가함에 따라 RF 스펙트럼에 대한 수요가 공급을 앞지르게 되었고, 무선 주파수 이외의 전자기 스펙트럼 부분을 고려하게 되었다 [4].
3. 장단점
3.1. 장점
또한 매우 높은 주파수의 전자기파인 빛을 보내고, 전송되는 빛끼리는 아무런 상호작용이 없기 때문에, 전기-자기의 상호작용으로 인해 신호의 감쇄와 왜곡인 ISI가 (거의) 없다고 볼 수 있다. 따라서 매우 빠른 속도로 신호를 보낼 수 있고, 보낸 신호의 왜곡이 (거의) 없기 때문에 구리선과는 비교가 안 될 정도로 빠른 속도를 자랑한다.- 속도
빠르다. 그 속도가 어느 정도냐면 Wi-Fi의 100배, LTE의 66배 수준. 또한 주파수 범위가 80THz~750THz(1THz=1,000GHz)로 많은 사람이 이용해도 충분하다.(기존 전파를 이용한 통신의 범위: 300MHz~30GHz) - 편의성
OWC는 LED만 있으면 누구나 사용할 수 있고 돈도 적게 들기 때문에 사용성 측면에서도 나쁘지 않다.
- 통신 장소에 구애받지 않음
OWC는 기본적으로 빛을 이용하는 통신이기 때문에 물 속같이 전파가 통하지 않는 곳에서도 통신을 할 수 있다. 또한 최고의 장점은 전파 혼신의 위험 때문에 통신을 할 수 없는 비행기 안에서도 통신을 할 수 있게 된다.
3.2. 단점
빛이 안 통하거나 광원이 차단되는 경우 당연히 통신을 할 수 없다. 그러나 주변광을 사용하면 통신이 가능하며, 직접적인 빛이 아닌 간접적인 빛을 통해 통신이 가능하다[5].이것은 어떻게 보면 장점으로 작용하기도 하는데, 외부에 노출되어서는 안되는 비밀들을 통신해야 할 때 빛만 가리면 비밀 통신을 할 수 있다. 또한 직사광선이 있는 낮에는 당연히 사용 불가하지만, 빛의 세기를 정류하는 필터를 사용하면 통신은 가능. 물론 낮에도 쓸 수 있는 방법이 있는데, 태양광과 겹치지 않는 진동수의 전자기파를 사용하거나, 다른 파형을 사용하면 된다.
4. 응용기술
가시광선 대역 내 무선 광통신은 무선 근거리 통신망, 무선 개인 지역 통신망 및 차량 통신망을 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용될 수 있다.- 초단거리 통신: 멀티칩 패키지를 사용한 칩 간 통신에 사용
- 단거리 통신: 수중 통신에서의 WBAN(무선 전신 영역 네트워크) 및 WPAN(무선 개인 영역 네트워크)에 사용
- 중거리 통신: 무선 LAN(Local Area Network) 및 차량 간 및 차량 대 인프라 통신에 사용
- 장거리 통신: 자유 공간 광학 통신(FSO)이라고도 불리는 건물 간 통신에 사용.
- 초장거리 통신: 우주에서의 레이저 통신 및 위성 간 연결에 사용.
4.1. 종류
4.1.1. Consumer IR (상업용 적외선)
소비자 IR(Consumer IR) 또는 소비자 적외선(CIR)은 무선 통신을 위해 전자기 스펙트럼의 적외선 부분을 사용하는 장치의 종류이다. CIR 포트는 일반적으로 텔레비전 리모컨, PDA, 랩톱 및 컴퓨터와 같은 가전 제품에서 사용된다.CIR의 기능은 그것을 운반하는 가전제품만큼 광범위하다. 예를 들어, 텔레비전 리모컨은 "채널을 돌려라"라는 명령을 텔레비전에 전달할 수 있는 반면, 컴퓨터는 CIR만을 통해 인터넷 서핑을 할 수 있다. 전송되는 정보의 유형, 속도, 대역폭 및 전력은 사용되는 특정 CIR 프로토콜에 따라 달라진다.
4.1.2. VLC (Visual Light Communication, IEEE 802.15.7)
가시광선 통신(Visible light communication, VLC)은 가시광선(주파수 400–800 THz/파장 780–375 nm의 빛)을 전송 매체로 사용하는 것을 말한다. 이 기술은 형광등 (특수 통신 장치가 아닌 일반 램프)을 사용하여 10 kbit/s의 신호를 전송하거나 LED를 사용하여 단거리에서 최대 500 Mbit/s의 신호를 전송한다.RONJA와 같은 시스템은 최대 이더넷 속도(10 Mbit/s)로 1~2 km(0.6~1.2 mi)의 거리에서 전송할 수 있다.
일반적으로 포토다이오드를 포함하는 전자 장비는 광원으로부터 신호를 수신하지만 경우에 따라 휴대전화 카메라 또는 디지털 카메라로도 통신이 가능하다. 이러한 장치에 사용되는 이미지 센서는 사실 포토다이오드(픽셀)의 열을 만드는 데에 필요하며, 일부 적용 기술에서는 단일 포토다이오드보다 사용이 선호될 수 있다. 이러한 센서는 다중 채널(최대 1픽셀 = 1채널) 또는 다중 광원에 대한 공간 인식을 제공할 수 있다.
VLC는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 통신 매체로 사용될 수 있는데, 이는 실내/외 램프, TV, 교통 표지판, 상업용 디스플레이, 자동차 헤드라이트/미등과 같은 디스플레이 장치가 어디에서나 사용되기 때문이다.
4.1.3. FSO (Free-Space Optical)
자유공간 광통신(Free-Space, FSO)은 자유공간에서 전파되는 빛을 이용하여 통신이나 컴퓨터 네트워킹을 위한 데이터를 무선으로 전송하는 광통신 기술이다. "자유 공간"은 공기, 우주 공간, 진공 등 다양한 무선 전송매체를 의미한다. 이것은 광섬유 케이블과 유선 매체에서 고체를 사용하는 것과 대조된다. 이 기술은 높은 비용 또는 기타 고려사항으로 인해 물리적 연결이 어려운, 장거리 통신의 경우에 유용하다.
4.1.4. 라이파이 (IEEE 802.11bb)
2023년 7월에 IEEE가 표준안을 발표한 무선 광통신. 자세한 내용은 문서 참고.
4.1.5. 우주 OWC
우주에서의 레이저 통신은 위성 간, 지상 대 위성, 위성 대 지상 등에서 발생한다. 전파보다 레이저 통신을 사용하는 주요 이점은 대역폭이 증가하여 더 적은 시간에 더 많은 데이터를 전송할 수 있다는 것이다.5. 관련 문서
[1] 극초기 애니메이션 또는 NTSC 주사율과 유사하다[2] 이런 점에서는 일반적인 광통신과 유사하지만, 별다른 통신 장비가 필요없다.[3] Polybius (1889). "Book X". The Histories of Polybius. pp. 43–46.[4] 물론, 6G를 고려한 데이터 집약 형식의 RF 기술도 발전하고 있다.[5] 단 광선이 벽이나 인접 사물에 충돌하였을 때 반사하는 것이 아닌 회절 상태, 즉 실생활이어야 가능하다