집안을 둘러보며 거의 모든 전자·전기 기기에 공통으로 들어 있는 것이 무엇인지 찾아보세요. 바로 인터넷 연결입니다. 맞죠? 그런데 만약 스마트폰 네트워크나 Wi-Fi 공유기처럼 우리가 매일 사용하는 LED 조명으로도 통신을 할 수 있다면 어떨까요? 믿기 어렵겠지만, 실제로 존재하는 놀라운 기술입니다.
쉽게 말해, 통신 방식의 목록에 새로운 카테고리가 하나 추가된 셈입니다. 정확히는 '광 무선 통신(Optical Wireless Communication)' 분야의 한 갈래로, 광케이블을 사용하지 않는 모든 종류의 광통신이 여기에 포함됩니다.
LED 조명을 이용해 데이터를 전송하거나 통신하는 기술을 가시광선 통신(VLC, Visible Light Communication)이라고 합니다. VLC에서는 조명을 사람의 눈으로는 감지할 수 없을 만큼 빠른 속도로 깜빡이며(on/off) 데이터를 전송하고, 이 신호를 포토디텍터(수광 센서)만이 감지합니다.
VLC = 조명(Illumination) + 통신(Communication)
VLC와 유사한 용어들
- 자유공간 광통신(FSO, Free Space Optical Communication) – VLC와 비슷하지만 가시광선에 국한되지 않습니다. 자외선과 적외선도 FSO 범주에 속합니다. 또한 FSO는 조명 기능이 필요 없기 때문에 주로 건물 간 통신 링크처럼 좁은 초점 빔(focused beam)을 활용하는 용도로 사용됩니다.
- Li-Fi(라이파이) – Wi-Fi가 사용될 수 있는 환경에서 고속 VLC를 지칭하는 용어입니다. Li-Fi 통신은 Wi-Fi와 유사하지만, Li-Fi는 가시광선을 사용하고 Wi-Fi는 전파(라디오파)를 사용한다는 점이 다릅니다.
LiFi란 무엇인가?
LiFi는 'Light Fidelity'의 약자로, 발광다이오드(LED)를 이용해 데이터를 전송하는 무선 광 네트워크 기술이자 가시광선 통신(VLC) 시스템입니다.
LiFi는 가정과 사무실에서 흔히 쓰는 에너지 효율형 LED 전구를 활용하도록 설계되었습니다. 이러한 LED 전구는 단순히 데이터 전송을 돕는 데 그치지 않고, 최대 초당 224기가비트(gigabits per second)에 달하는 속도까지 구현할 수 있습니다.
모스 부호를 손전등으로 보내는 상황을 상상해 보세요. 손으로 직접 깜빡이면 빛 신호로 데이터를 전송하는 것이지만, 계속 켜졌다 꺼지기 때문에 유용한 조명이라고 할 수는 없습니다. 이제 그 손전등이 컴퓨터에 의해 극도로 빠르게 켜짐과 꺼짐을 반복한다고 상상해 봅시다. 그러면 우리 눈에는 일정하게 켜져 있는 조명처럼 보이지만, 실제로는 데이터를 전송하고 있는 것입니다. 즉, 조명과 통신이라는 두 가지 기능을 동시에 수행하므로 VLC의 정의에 정확히 부합합니다.
LiFi의 작동 원리
작동 원리는 매우 간단합니다. 데이터를 정의하는 패턴에 따라 LED 조명을 켜고 끄는 방식으로 전송이 이루어지며, 이 빠른 스위칭은 인간의 눈에는 전혀 느껴지지 않습니다.
간단한 Li-Fi 또는 VLC 시스템에는 두 가지 필수 구성 요소가 있습니다:
- 빛 신호를 수신할 수 있는 포토다이오드(photodiode)를 장착한 최소 한 개의 기기
- 신호 처리 장치(signal processing unit)가 탑재된 광원
일반적인 전구에 일정한 전류를 흘려보내면 전구에서 일정한 양의 광자(photon)가 방출되어 가시광선으로 관찰됩니다. 전류의 크기를 천천히 변화시키면 빛의 출력 강도 역시 밝아졌다 어두워집니다. LED 전구는 반도체 소자이기 때문에 전류, 즉 광 출력을 극도로 높은 속도로 변조(modulation)할 수 있으며, 이를 포토디텍터가 감지해 다시 전류로 변환합니다.
모든 통신 기술에서 정보는 1과 0으로 이루어진 이진(binary) 데이터 문자열로 변환됩니다. 이 문자열은 켜짐(on)과 꺼짐(off) 신호의 형태로 코딩될 수 있습니다. 빛이 켜진 상태(ON)는 1로, 꺼진 상태(OFF)는 0으로 표현되며, 수신 측에서는 빛의 깜빡임을 해석해 1과 0으로 판독합니다.
Wi-Fi vs LiFi 비교
Li-Fi와 Wi-Fi는 둘 다 전자기적으로 데이터를 전송한다는 공통점이 있습니다. 하지만 Wi-Fi는 전파를 사용해 상대적으로 낮은 데이터 전송률을 가지는 반면, Li-Fi는 가시광선을 기반으로 하여 훨씬 빠른 전송 속도를 제공합니다. 인접 액세스 포인트 간의 신호 간섭은 Wi-Fi 전송의 오랜 난제였지만, Li-Fi 시스템에는 이러한 단점이 없습니다.
무선 주파수(RF) 통신에는 무선 회로, 안테나, 복잡한 수신기가 필요한 반면, Li-Fi는 훨씬 단순하여 리모컨 같은 저비용 적외선 통신 장치에서 사용되는 직접 변조 방식과 유사한 기법을 활용합니다.
또한 Li-Fi는 IrDA 기기와 호환되고 간섭 문제가 없기 때문에 항공기 내부나 해양 탐사 등 다양한 환경에서 활용될 수 있습니다. 반면 Wi-Fi는 802.11 규격 기기와만 호환되며, 주로 인터넷 브라우징과 핫스팟 구축에 사용됩니다.
Wi-Fi가 제공하지 못하는 Li-Fi 기술의 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 밀집된 지역이나 염수(바닷물) 환경에서도 전송이 가능합니다.
- 신호가 벽을 투과하지 못하기 때문에 데이터가 더욱 안전하게 보호됩니다.
- 가시광선은 전파보다 훨씬 높은 밀도를 지녀 대량의 데이터 전송이 가능합니다.
- Li-Fi 시스템의 최고 기록 속도는 초당 10Gbit입니다.
LiFi의 장점
- 효율성(Efficiency) – 이 기술은 가시광 스펙트럼에서 작동합니다. 이미 가정과 사무실에 설치된 LED 전구를 이중 목적으로 활용할 수 있어 비용과 에너지 면에서 효율적입니다.
- 활용성(Availability) – 가장 큰 장점은 빛과 LED 전구가 있는 곳이라면 어디든 사용할 수 있다는 점입니다. 가정, 항공기, 사무실, 상점, 쇼핑몰 등 어디서든 고속 데이터 전송이 가능합니다.
- 보안성(Security) – 가시광선 신호는 불투명한 물체를 투과할 수 없기 때문에 보안이 Li-Fi의 가장 큰 강점입니다. 그 결과 Li-Fi의 접근 범위는 자연스럽게 하나의 방 안으로 제한됩니다.
LiFi의 한계
어떤 기술도 완벽하지 않습니다. 저마다의 한계와 단점이 있으며, Li-Fi 기술도 예외가 아닙니다. 보안과 속도 면에서 많은 이점에도 불구하고, Li-Fi는 아래와 같은 과제에 직면해 있습니다.
- 시야 확보(Line of Sight) – 신호가 벽을 넘지 못한다는 점은 보안상 확실한 장점이지만, 일상의 물체에 의해 신호가 반사되기 때문에 커버리지 거리 측면에서는 제약이 됩니다.
- 다중경로 왜곡(Multipath Distortion) – 송수신기에서 목적지까지 경로마다 길이가 다르기 때문에 신호 도착에 시간차가 발생하면서 생기는 왜곡입니다. 이는 기호간 간섭(Inter Symbol Interference) 문제를 일으킵니다.
- 단방향 통신(Simplex Communication) – VLC는 일방향 전송에서 최고의 성능을 발휘합니다. 파장 분할, 시간 분할, 서로 다른 코드 등으로 업링크와 다운링크를 분리하는 여러 방법이 있지만, 높은 비용 때문에 VLC는 다운링크 구현에 가장 적합한 것으로 평가됩니다.
- 조명 상시 켜짐(Lights On) – VLC 시스템이 작동하려면 조명이 항상 켜져 있어야 합니다. 상업·산업 시설에서는 이용 중일 때 조명이 켜져 있으니 문제가 없지만, 가정에서는 조명이 순수하게 조명 용도로만 사용되고 하루 대부분 꺼져 있는 경우가 많습니다.
- 송신 소자(Transmitter Sources) – 현재 LED 조명은 오직 조명 목적으로만 생산되고 있어, 통신 응용은 개발 계획에서 우선순위에 있지 않습니다. 다만 실질적인 관점에서 보면 저비용 LED 소자만으로도 훌륭한 결과를 얻을 수 있습니다.
Li-Fi는 놀라운 기술이자 아직 초기 단계에 있는 기술입니다. 이른 시점에서 기술의 미래 성장을 예측하기는 어렵지만, Li-Fi와 Wi-Fi의 결합이 두 기술의 장점을 모두 살린 인터넷 환경을 만들어낼 것이라고 말하는 것은 안전한 전망입니다.