Real-world Latency Analysis of Vehicular Visible Light Communication with Multiple LED Transmitters and an Event-Based Camera

기술 요약: 다중 LED 송신기와 이벤트 기반 카메라를 활용한 차량 가시광 통신의 실제 지연 시간 분석

문제 제기
이벤트 카메라는 높은 시간 해상도, 낮은 지연 시간, 넓은 동적 범위를 제공하여 차량 간 및 차량과 모든 것 간 (V2X) 응용 분야에서 가시광 통신 (VLC) 을 위한 유망한 수신기로 부각되고 있습니다. 그러나 실제 차량 환경에서 이벤트 카메라 기반 VLC 를 배포하는 데는 세 가지 중요한 과제가 존재합니다:

1. 대역폭 포화: 고속으로 이동하는 차량 탑재 카메라는 데이터 전송 대역폭 (예: USB 한계) 을 초과하는 이벤트 발생률을 생성하여 이벤트 손실을 초래할 수 있습니다. 관심 영역 (ROI) 을 축소하거나 렌즈 조리개를 확대하는 것과 같은 기존 해결책은 통신 거리나 시야각 (FOV) 을 희생하게 되어, 여러 개의 분산된 송신기를 포착하기 어렵게 만듭니다.
2. 다중 송신기 수신: 기존 방법은 일반적으로 단일 송신기 수신에 국한됩니다. 실제 시나리오에서는 FOV 내에 여러 개의 LED 가 포함되는 경우가 많아, 동시에 식별하고 수신할 수 있는 방법이 필요합니다.
3. 종단 간 지연 시간 평가 부재: 협력 인지 (cooperative perception) 와 같은 지능형 교통 시스템 (ITS) 에게 지연 시간은 중요하지만, VLC 시스템의 지연 시간을 분석한 연구는 드물며, 동적이고 다중 송신기가 있는 차량 환경에서의 광학 카메라 통신 (OCC) 시스템에 대한 지연 시간 분석은 전무합니다.

방법론
저자들은 이러한 과제를 해결하기 위해 포괄적인 시스템 모델과 프로토콜을 제안합니다:

• 시스템 아키텍처: 송신기는 10 kHz 로 작동하며 온 - 오프 키잉 (OOK) 을 사용하는 96 개의 적색 LED 로 구성된 수직 막대 (6 개씩 그룹화됨) 를 활용합니다. 수신기는 SONY IMX636 센서를 탑재한 SilkyEvCam 을 사용합니다.
• 양수 이벤트 전용 프로토콜: 대역폭 포화를 방지하면서 넓은 FOV 를 유지하기 위해 시스템은 "양수 이벤트 전용" 모드로 작동합니다. 음수 이벤트의 임계값을 최대값으로 설정하여 이를 억제합니다.
• 통신 프로토콜 및 복호화:
  • 맨체스터 부호화: 이벤트 카메라는 밝기 변화 시에만 이벤트를 생성하므로, 연속된 동일한 비트 (예: "11") 는 이벤트를 생성하지 않습니다. 저자들은 양수 이벤트만을 사용하여 파형 재구성이 가능하도록 맨체스터 부호화를 적용합니다.
  • 파형 재구성: 새로운 알고리즘이 양수 이벤트의 위치를 기반으로 파형을 재구성합니다. 잡음이나 간섭으로 인한 모호성 (이벤트가 두 가지 가능한 재구성 경우 모두에 나타날 수 있음) 을 해결하기 위해 시스템은 더 높은 확률을 가진 파형을 선택합니다.
  • 오류 정정: 센서 잡음과 간섭을 처리하기 위해 시스템은 소프트 디시전 (soft-decision) 메트릭을 사용하는 순차적 취소 리스트 (SCL) 복호화를 통해 CRC-폴라 코드를 복호화합니다.
• 다중 송신기 식별: 시스템은 특정 동기화 시퀀스 (5T → 4T → 3T 로 전환되는 구간) 에 의해 생성된 이벤트의 공간적 분포를 분석하여 송신기 영역을 식별합니다. 가우시안 필터링과 flood-fill 방법을 사용하여 픽셀 클러스터를 감지하고, 경계 직사각형을 그리며, 겹치는 영역을 병합합니다. 각 식별된 영역 내의 이벤트는 병렬 스레드에서 처리됩니다.
• 동기화: 동기화 시퀀스의 시간적 밀도 분석을 통해 시스템은 이벤트를 단일 시간 인스턴스에 정렬하여 양수 이벤트만으로도 동기화 타이밍을 확립합니다.

주요 기여

1. 최적화된 프로토콜: 대역폭 오버플로우를 억제하는 양수 이벤트 전용 작동을 위한 통신 프로토콜을 설계하여, ROI 제한 없이 확장된 통신 거리와 넓은 FOV 를 가능하게 합니다.
2. 다중 송신기 기능: 시야각 내 최대 세 개의 송신기로부터 신호를 동시에 식별하고 수신할 수 있는 방법을 개발했습니다.
3. 실제 지연 시간 벤치마크: 다중 송신기가 있는 현실적인 차량 환경에서 이벤트 카메라 기반 OCC 시스템에 대한 최초의 종단 간 지연 시간 평가를 수행했습니다.

실험 결과
실험은 최대 45 km/h 속도로 정지된 도로변 송신기를 지나가는 차량 탑재 카메라를 통해 수행되었습니다.

• 비트 오류율 (BER): 제안된 프로토콜은 ROI 제한이 필요한 기존 프로토콜과 동등하거나 더 긴 거리에서 동등하거나 더 나은 BER 성능을 달성하여, 전체 프레임 양수 이벤트 전용 작동의 유효성을 입증했습니다.
• 지연 시간 성능:
  • 차량 속도: 지연 시간은 차량 속도 (최대 45 km/h 까지 테스트) 에 의해 거의 영향을 받지 않았습니다.
  • 송신기 수: CPU 코어 한도를 초과하지 않는 한 병렬 처리로 인해 최대 세 개의 송신기가 있어도 지연 시간은 안정적으로 유지되었습니다.
  • 페이로드 크기: 페이로드 크기가 커질수록 점멸 지속 시간이 길어져 지연 시간이 증가했습니다. 시스템은 100 ms 이내에 288 바이트를 성공적으로 수신했습니다.
  • 처리 오버헤드: 지연 시간의 대부분은 LED 점멸 시간에 기인했으며, 실제 수신 처리는 10~16 ms 에 불과하여 충분한 계산 여유가 있음을 나타냈습니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 시스템이 유럽 전기통신 표준 협회 (ETSI) 가 정의한 협력 인지의 지연 시간 요구 사항을 충족한다고 주장합니다. ETSI 는 약 200 바이트를 100 ms 이내에 전송할 것을 명시하고 있습니다. 이 시간 범위 내에서 288 바이트를 수신할 수 있음을 입증함으로써, 시스템은 V2X 협력 인지 사용 사례에 대한 실현 가능성을 증명합니다.

저자들은 이벤트 카메라 기반 VLC 를 무선 주파수 (RF) 통신의 독립적인 대체제가 아닌, RF 대역 혼잡을 완화하는 보완 기술로 위치시킵니다. 이 작업은 정적 조건이나 단일 송신기 시나리오로 제한되었던 기존 문헌의 공백을 해소하는 이 특정 도메인에서 지연 시간 평가를 위한 최초의 벤치마크를 확립합니다. 향후 작업은 송신기 식별의 견고성 향상과 시야각 (line-of-sight) 제한을 극복하기 위한 릴레이 기반 통신 탐구에 초점을 맞출 것으로 파악됩니다.