Li-Fi 기술은 LED 조명 인프라를 활용하기 때문에 주파수 간 간섭(interference) 현상이 없고 가시광 사용에 제한이 없으므로 새로운 주파수를 개발할 수도 있어 사물인터넷(IoT) 통신에도 활용될 수도 있다. 이에 지능형 교통 시스템(ITS), P2P 초고속 정보통신, 각종 문화 콘텐츠 전달 등의 분야에 커다란 변화를 가져올 것으로 예상된다. 

Ⅰ. 개요

Li-Fi(Light Fidelity) 무선통신 기술은 기존의 전자파를 이용한 데이터 전송이 아니라 고효율 조명으로 주목받고 있는 LED 기술과 무제한 인터넷 공유 기술로 사용자층이 지속적으로 확대되고 있는 Wi-Fi 기술을 융합시킨 기술이다. Li-Fi 기술은 RF(Radio Frequency 방식처럼 전송 매체(media)가 전파가 아닌 가시광선을 이용하여 초고속으로 정보를 전송할 수 있는 차세대 무선 네트워크라 할 수 있다.

- LED 조명에 무선통신 칩을 장착하여 빛을 이용한 광 무선통신 기술로서 빛을 발산하는 전구에 디지털 신호를 실어 전구와 스마트 기기 간 데이터를 송수신하는 새로운 무선통신 기술이다.

- RF를 이용한 Bluetooth/UWB/ZigBee/NFC/WPSC/Z-Wave 등의 근거리 무선통신 서비스 기술에 비해 Li-Fi 기술은 LED 반도체의 가시광선을 이용한 통신 방법이다.

- 직류가 아닌 교류 전류를 기기에 흘려보내 1초에 60회 깜빡이는 플리커 현상을 이용하여 빛으로 데이터를 송수신하는 기술이다.

이처럼 Li-Fi 기술은 차세대 조명으로 각광을 받고 있는 LED 빛을 이용하여 조명 기능 이외에 정보 전달 기능을 부여한 새로운 광-무선통신 기술로 주목받고 있다. 가시광선 스펙트럼을 이용하여 데이터를 보낼 수 있으며, 빛의 강도는 진폭의 작은 변화에 따라 데이터를 전송하도록 조작이 가능하고 조명이 존재하는 어느 장소에서나 원하는 정보를 획득할 수 있어 차세대 근거리 무선통신 기술로 자리매김 될 것으로 전망된다.

- 빛의 파장을 이용하기 때문에 1GB 전송에 1초밖에 걸리지 않으며, 가시광선으로 이뤄진 스펙트럼이 무선 전파보다 1만 배 이상 강력하고 에너지 효율성이 높은 특징이 있다1).

- 고속 통신이 가능한 이유는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 직교주파수분할다중화) 전송 방식 때문이다. 이 방식은 LED 조명을 빠르게 점멸해가면서 수천 개에 이르는 대용량 데이터를 한 번에 전송할 수 있는 특징이 있다.

이 연구에서는 무선인터넷 데이터 트래픽이 급증함에 따라 대용량 멀티미디어 전송에 한계상황이 나타나고 있는 상황에서 차세대 근거리 무선통신 유망 기술로 주목받고 있는 Li-Fi 정보 전송 개념과 아울러 지능형 교통 시스템, 실내 내비게이션, 문화 콘텐츠 전송, u-홈 구축 등 다양한 Li-Fi 기술의 응용분야에 대해 설명한다.

Ⅱ. Li-Fi 정보 전송 개념

모바일 미디어의 소비 니즈가 동영상 중심으로 빠르게 변화하면서 무선 인터넷 데이터 트래픽이 급증하고 있다. 이에 따라 무선 네트워크를 통한 대용량 멀티미디어 전송에 한계 상황이 나타나고 있다. 이에 이동통신업계는 일찍부터 주파수 자원 고갈을 우려해 왔으며, 경쟁적으로 주파수 자원 확보에 주력하고 있다. 

현재의 주파수는 향후 5년 내 고갈될 것으로 예측되고 있다. 이러한 상황에서 고속 양방향 무선전송 기술로 Li-Fi 기술이 개발되면서 Wi-Fi보다 100배 이상 빠르고 안전하게 데이터를 전송할 수 있어 차세대 성장 동력으로 급부상하고 있다.

- 현재 Li-Fi 기술은 1W용 LED 전구 1개를 이용하여 컴퓨터 4대를 인터넷에 연결할 수 있고, 150Mbps의 속도로 전송할 수 있는 정도의 기술력을 보이고 있다.

- D-light 모듈은 전구의 빛 주파수를 변형시켜 정보를 저장할 수 있게 하며, 10Mbps의 최고 속도로 전송이 가능하여 초고속 브로드밴드를 충분히 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다2).

무선통신 기술은 주파수 대역이 넓을수록 한 번에 많은 양의 데이터를 전송할 수 있는데, 5G 시스템에서 새로운 초고주파 대역을 고려하는 이유도 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문이다. 

Li-Fi 기술은 LED 조명 인프라를 활용하기 때문에 주파수 간 간섭(interference) 현상이 없고 가시광 사용에 제한이 없으므로 새로운 주파수를 개발할 수도 있어 사물인터넷(IoT) 통신에도 활용될 수도 있다. 이에 지능형 교통 시스템(ITS), P2P 초고속 정보통신, 각종 문화 콘텐츠 전달 등의 분야에 커다란 변화를 가져올 것으로 예상된다. 

적외선/가시광선/자외선/X선/감마선으로 이루어진 가시광선(인간의 눈으로 볼 수 있는)을 이용한 Li-Fi 기술은 비가시광인 전자기파에 비해 380~750THz의 고주파를 이용한다. 이는 무선통신 전체 주파수보다 무려 1만 배 이상 높은 광대역 특성을 갖고 있다. LED 조명의 색깔에 따라 사용할 수 있는 주파수가 조금씩 다르지만 가시광선은 전 세계적으로 공통 주파수로 자유롭게 통신을 할 수 있다는 장점이 있다[1]. Li-Fi 정보 전송의 기본 개념인 가시광선 영역의 파장 특성을 <그림 1>에 나타낸다.

▲ 그림 1. 가시광선 영역의 파장 특성

LED의 디지털화 기술이 가속되면서 조명 기술은 OLED(유기 발광 다이오드)를 이용한 고선명/고화질 디스플레이 기술로 발전하고 있다. 아울러 Li-Fi 기술과 접목되어 차세대 근거리 무선통신 기술로 진화하고 있다[2].

이러한 조명 기술의 발전 과정을 <표 1>에 나타낸다.

▲ 표 1. 조명 기술의 발전 과정

Ⅲ. Li-Fi 기술의 응용분야

1. 개요

Li-Fi 기술은 WLAN(Wireless Local Area Networks)의 고속 전송률, NFC(Near Field Communication)의 보안성 등의 장점을 모두 갖추고 있다. 현재의 기술발전 상태로 보면, LED 조명기구나 휴대전화, 가로등 빛, 자동차 후미등 등을 이용하여 각종 데이터를 주고받을 수 있을 것으로 예상된다3). 

Wi-Fi 기술과 마찬가지로 네트워크화, 모바일화, 고속화를 지향하면서 LED 조명의 빛을 이용하여 사물인터넷을 구현할 수 있는 위해 촉매제 역할을 할 것으로 예상된다. Wi-Fi 네트워크는 신호가 사무실이나 가정에서 멀어지거나 사람이 많은 모인 곳에서는 속도가 느려지는 단점이 있다. 

반면, Li-Fi 네트워크는 LED 조명을 통해 건물의 주변을 지역화하여 일관성 있는 통신이 가능하기 때문에 이러한 문제점을 해소할 수 있다4). 이처럼 Li-Fi 기술은 다음과 같은 다양한 산업분야에서 상용화가 추진되고 있다[3][4][5].

 - Wi-Fi 및 WiMAX보다 100배 이상 빠른 전송속도에 비해 전력소비는 상대적으로 매우 낮아 차세대 스마트폰에 적용할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 

- RF 통신의 송수신장치와 같은 물리적인 장치가 필요하지 않아 해저 탐사, 잠수함 통신 등의 환경에 적용할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 

- LED 조명을 통해 실내 GPS의 정확성을 향상시켜 긴급구조 서비스, 실내 내비게이션 및 교통 정보 등 다양한 분야에서 상용화가 추진되고 있다.

- 차량의 헤드라이트에 Li-Fi 시스템을 장착하여 앞 차량에서 나오는 신호를 읽어 차량끼리 가까워지면 자동으로 간격을 유지하는 기술이 개발되고 있다.

이처럼 Li-Fi 기술은 지능형 교통 시스템, 초고속 근거리 통신, LBS 기반의 실내 내비게이션, 음악이나 영화 등 각종 문화 콘텐츠 전송, 유비쿼터스 네트워크 구축을 위한 u-홈 등 다양한 산업 분야에서 스마트 테크놀로지로 자리 잡을 것으로 예상된다. 

아울러 고화질 영상(HD, 4K 등) 전송, 백본망(backbone network) 구성 및 사용자 밀집지역에서 무선통신 환경 개선 등 초고속 근거리 통신 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. Li-Fi 기술의 다양한 응용 분야를 <표 2>에 나타낸다.

▲ 표 2. Li-Fi 기술의 응용 분야

기존의 RF 무선통신은 전자파와 주파수 혼선 우려로 전파 발신이 금지된 장소에서는 사용할 수 없다. 이에 비해 Li-Fi 네트워크는 인체에 무해하고 전자기 간섭을 유발하지 않기 때문에 항공기, 병원, 원자력발전소와 같이 전자기파에 민감한 곳에서도 인터넷 이용이 가능하여 차세대 초고속 무선 근거리 정보통신 표준이 될 것으로 예상하고 있다. 

LED 전구를 일정 간격으로 건물 등에 배치해서 Li-Fi 네트워크를 이용할 수 있는 만큼 이미 갖추어진 인프라를 그대로 이용하면서 안정적인 인터넷 환경을 누릴 수 있을 것이다[6]. 

LED 조명기술 기반의 가시광 통신(VLC) 기술을 이용한 Li-Fi 네트워크는 지능형 교통 시스템, 초고속 근거리 통신, 실내 내비게이션, 문화 콘텐츠 전송, u-홈 등 다양한 산업 분야에 응용되면서 그 가치를 확산시켜가고 있다. 가시광 통신 기술을 이용한 Li-Fi 기술의 적용 분야를 <그림 2>에 나타낸다.

▲ 그림 2. VLC를 이용한 Li-Fi 기술의 적 용분야

2. 지능형 교통시스템 응용

(1) Li-Fi 기술력을 적용한 ITS 서비스

자동차 산업은 첨단 ICT 신기술과 융합되면서 이를 기반으로 자동차의 센서 및 전자장치가 상호작용하여 운전자에게 안전하고 편리한 운전환경을 제공하는 고부가가치 산업으로 빠르게 성장하고 있다. 

Li-Fi 기술이 지능형교통시스템(ITS : Intelligent Transport System)과 접목되어 다양한 유무선 경로를 통해 얻어지는 교통정보를 바탕으로 교통시설을 상황에 따라 자동으로 제어함으로써 운전자에게 최대한의 편의를 제공할 수 있을 것이다. Li-Fi 기술력을 적용한 ITS 서비스 종류를 <표 3>에 나타낸다.

▲ 표 3. Li-Fi 기술력을 적용한 ITS 서비스 종류

(2) Li-Fi 기술과 ITS의 융합

Li-Fi 네트워크를 이용하여 달리는 자동차 내부에서 앞차의 정보를 실시간으로 받아 급브레이크와 같은 상황을 즉시에 인식하고 반응할 수 있는 것은 물론 자동차 내부에서 전자파 간섭을 최소화하는 등 차세대 지능형교통시스템(C-ITS : Cooperative-ITS)에 응용할 수 있다.

ITS는 교통 체계의 효율성과 안전성을 제고하기 위하여 기존의 교통 체계에 전자, 정보, 통신, 제어 등의 지능형 기술을 접목시킨 차세대 교통 체계이다. 

ITS에 Li-Fi 기술을 융합시켜 뒤차에서 앞에 자동차에 빛을 발사하여 속도와 거리 정보를 즉시 파악함으로써 돌발 사고를 막을 수도 있고, 자동차 천정의 LED 전구를 이용하여 스마트 기기와 교신하여 실내에서 내비게이션도 동작시킬 수 있다. ITS 기술과 Li-Fi 기술을 융합시켜 교통 안전 서비스를 제공하는 구조적 개념도를 <그림 3>에 나타낸다[7].

▲ 그림 3. ITS와 Li-Fi 기술 융합의 개념

Li-Fi 기술이 적용된 ITS는 자동차 속도의 가감 등의 데이터를 뒤따르는 차량에게 전송하여 전후 차량들이 과속하거나 너무 느리게 주행할 때 좀 더 쉽고 안전한 간격으로 운전할 수 있도록 할 수 있다. 자동차 전조등과 후미등에 고출력 LED가 장착되는 추세로 이를 활용해 안전한 자동차 운행 서비스 제공이 가능할 것으로 예상하고 있다. Li-Fi 기술을 활용하여 전후 자동차 간 안전 운전 활용 사례를 간단히 요약하면 다음과 같다[7]. 

- 구글 등 글로벌 IT 업계는 자동차 산업을 미래 최대의 성장동력으로 주목하고 차량용 운영 체제(OS) 선점에 주력하면서 자율 주행 자동차 기술 개발을 본격 추진하고 있다. 

- 미국의 카네기멜런대학 연구진은 전조등을 켜고 가는 중에 앞차나 반대편에서 오는 차량이나 도로 표지물 등을 인식할 때 그 부분만 밝기가 줄어드는 LED 전조등을 개발하여 산업계의 주목을 받은 바 있다. 

- 독일의 자동차 업체들은 LED 전조등으로 차량 간 교신하며 교통사고를 막을 수 있는 기술을 개발하고 있다. 

- 일본의 NEC, 카시오 등은 원거리 저속 자동차 안전운전에 Li-Fi 기술을 적용하여 상용화에 주력하고 있다.

ITS 분야에서 Li-Fi 기술의 도입은 특히 곡선 도로 주행 시 앞차와의 간격을 계산하여 미리 경고해주는 PLWS(Progressive-rake Light Warning System) 등 기술이 개발되면서 2014년 생산된 차량의 15%에 LED 조명 기술을 적용하고 있다.(다음 호에 계속) 

1) ‌고속으로 점멸하는 특성이 있는 LED 램프에서 발생하는 가시광선 소자를 이용하여 인간의 눈으로 느껴지지 않을 정도의 고속으로 점멸시켜(ON/OFF) 데이터를 송수신할 수 있다. 

2) ‌Li-Fi 기술적 개념을 최초로 제시한 해럴드 하스 교수가 참여한 영국 옥스퍼드 및 케임브리지대학이 설립한 조인트벤처(joint venture) 기업에서 10Gbps 속도를 내는 Li-Fi 기술 시현에 성공하면서 기술 확산 및 시장 성장 가능성을 더욱 높여가고 있다.

3) ‌‌LED 조명이 있는 곳이면 어디에서나 Li-Fi 네트워크를 구현할 수 있어 일상생활에 상당한 변화를 가져올 것으로 예상된다.

 

4) ‌국내 대형마트에서 카트에 Li-Fi 기술을 적용하여 GPS를 통해 소비자가 원하는 물품이나 할인판매 중인 상품의 위치를 알려주는 Li-Fi 카트가 상업화된 사례가 있다.

5) ‌LED가 공항의 조명 인프라, 지상 차량 및 항공기 간의 신호를 제공하는 역할을 할 수 있기 때문에 공항에서의 지상 충돌을 줄일 수 있다. 아울러 전파 간섭 때문에 사용할 수 없었던 비행기 안에서도 사용 가능하다.

6) ‌도로, 차량, 교통 신호 시스템 등 기존 교통 시스템의 구성 요소에 교통, 전자, 통신, 제어 등의 첨단 기술을 접목시켜 실시간 교통 정보를 수집, 관리, 제공하는 기술이다. 이를 통해 교 통시설의 이용효율을 극대화하고, 교통 이용 편의와 교통안전 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 에너지 절감 등 친환경적인 차세대 교통체계를 구현하는 기술로 주목받고 있다.

7) ‌차세대 지능형교통시스템(C-ITS)은 무선통신 기반의 시스템으로 차량뿐만 아니라 지하철, 철도, 비행기 등 여러 교통수단과 정보 교류를 통해 종합적인 교통 정보망을 구축하여 언제 어디서든지 현재 교통 상황을 알 수 있도록 할 수 있다. 차세대 지능형교통시스템(C-ITS)을 통해 교통관리, 전자지불, 대중교통, 교통정보 유통, 여행정보, 화물운송 및 지능형 차량 등 다양한 안전운전 서비스를 제공받을 수 있다.

8) ‌C-ITS는 도로를 주행 중인 차량이 다른 차량 및 교통 시설과 실시간으로 교통 정보와 상황을 주고받아 전방에서 발생하는 각종 사고나 긴급 상황 등을 스마트 기기를 통해 운전자에게 알려 사고를 예방할 수 있는 미래형 첨단 교통 시스템이다.

박세환 _ 한국과학기술정보연구원 전문연구위원