소프트웨어 정의 라디오 기반 IEEE 802.15.7 가시광통신 구현 및 실험

본 논문은 IEEE 802.15.7 표준에 정의된 가시광통신(VLC) PHY I 계층을 실시간으로 구현하기 위해, 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 개념을 적용한 테스트베드를 제시한다. 구현에 사용된 하드웨어는 저비용 상용 부품(COTS)으로 구성되었으며, 송신부는 USRP2(LFTX 보드)와 고출력 백색 LED(파란색 LED에 황색 포스포러스 코팅) 및 MOSFET 스위칭 구동 회로로 이루어졌다. 수신부는 USRP2(LFRX 보드)와 고감도 PIN 포토다이오드(THORLABS PDA36A) 및 가변 이득 트랜스임피던스 앰프(TIA)로 구성되어, 광신호를 전기 신호로 변환한다. 소프트웨어 측면에서는 FlexiCom이라는 객체지향 프레임워크 위에 GNU Radio 블록을 설계하였다. FlexiCom은 Qt 기반 GUI를 제공해 사용자가 PHY I의 다양한 운영 모드와 변조 방식(OOK, VPPM)을 선택하고, 실시간으로 파라미터를 조정할 수 있게 한다. 프레임 구조는 IEEE 802.15.7 규격에 따라 동기화 헤더(SHR), 물리 헤더(PHR), 서비스 데이터 단위(PSDU)로 나뉘며, 프레임 사이에 플리커링 방지를 위한 인밴드 아이들 패턴이 삽입된다. 송신 흐름에서는 데이터 → RLL 코딩(Manchester, 4B6B 등) → FEC(RS+CC) → 변조(OOK/VPPM) → 프레임 조립 → USRP2 DAC 순으로 처리된다. 수신 흐름은 USRP2 ADC → 최대우도(ML) 기반 타이밍 복구 → 동기화 블록(패턴 매칭) → 디코딩 → CRC 검증 순으로 진행된다. 시스템의 연산 부하 분석 결과, 전체 CPU 사용량의 약 25%만을 차지했으며, 가장 무거운 동기화 블록이 55%를 차지한다. 이는 VOLK 라이브러리와 SSE 최적화를 통해 실시간 처리에 충분한 성능을 확보했음을 의미한다. 성능 평가에서는 실내 실험실 환경에서 송·수신 거리를 0.5 m 단위로 증가시키며 5가지 OOK 기반 운영 모드의 BER을 측정하였다. 2 m 거리에서 모드 1~5는 각각 7.9 kb/s, 18.0 kb/s, 24.6 kb/s, 32.4 kb/s, 35.2 kb/s의 유효 데이터 전송률을 달성했으며, BER이 10⁻⁶ 이하인 구간을 확인하였다. 거리 증가에 따라 SNR이 감소하면서 채널 코딩이 강한 모드의 이점이 사라지고, 무코딩 모드와 비슷한 성능을 보이는 현상이 관찰되었다. 추가 실험으로 MPEG‑TS 형식의 비디오 스트림(비디오 25 kb/s, 오디오 16 kb/s)을 73.3 kb/s 코딩 모드로 전송했으며, 수신 측에서 UDP 소켓을 통해 VLC 플레이어에 전달, 실시간 영상 재생에 성공하였다. 이때 전송 클럭을 500 kHz(표준 200 kHz 대비 2.5배)로 올려 추가 신호 오버헤드를 처리하였다. 논문은 현재 구현이 단일 LED(450 lm)와 USRP2의 하드웨어 제한으로 인해 전송 거리와 데이터율이 제한적임을 인정한다. 향후 다중 LED 어레이, 고속 DAC/ADC, 그리고 PHY II·III(색상 이동 변조) 지원을 통해 수백 Mb/s 수준의 고속 VLC 시스템으로 확장할 가능성을 제시한다. 전체적으로 SDR 기반 접근법이 표준 준수, 빠른 프로토타이핑, 비용 절감, 그리고 소프트웨어 중심의 유연한 실험 환경을 제공한다는 점을 입증하였다.