[논문]OTDR을 이용한 광섬유 외곽경비시스템에 관한 연구

장진현; 이용철; 신동호; 오상균; 이종윤; 정진호

[국내논문] OTDR을 이용한 광섬유 외곽경비시스템에 관한 연구
An Optical Fiber Perimeter Guard System Using OTDRs 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.35 no.12B, 2010년, pp.1236 - 1243

장진현 (한국정보통신기능대학 광통신설비과) , 이용철 ((주)GES) , 신동호 ((주)에스엘테크놀로지) , 오상균 (한국폴리텍 I 대학 성남캠퍼스 디지털전자과) , 이종윤 (호서대학교 IT융합기술학부 전자공학과) , 정진호 (호서대학교 IT융합기술학부 전자공학과)

초록
AI-Helper

광통신 네트워크 유지보수에 사용되는 광섬유 선로 감시 장치인 OTDR 방식으로 구성된 광섬유 센서장치를 이용하여 광섬유 외곽 경비 시스템을 제작하고 특성을 평가하였다. OTDR 하나로 400m의 광 펜스를 감지하기 위하여 중심파장은 1310nm이며, 출력전력이 +15dBm인 펄스 레이저를 사용하였다. MPU 보드에 고속의 32비트 프로세서인 S3C2440을 탑재하여 알고리즘 처리에 따른 성능 향상을 도모하였다. 제작결과 최대 오차는 최대거리인 10km 구간 시험에서 0.84m이었고, 모든 구간에서 합격기준인 ${\pm}1m$를 만족하였다. 광 펜스 이상 감지 후 경보시간은 3초 이내로 확인하였다. 1차 침입 후에 2차 침입이 발생했을 경우 이를 효과적으로 감시하기 위한 2차 침입감지와 다중점 측정을 위하여 광스위치를 OTDR안에 내장시켰다. 광스위치를 이용하여 효과적으로 2차 침입감지와 다중점 측정이 가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The perimeter defense system was created and its characteristics were evaluated. It was designed to utilize the fiber sensing device, namely OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) which has been used for the maintenance of the optical communication network. An OTDR was constituted by a pulse laser with the nature of 1310nm, +15dBm for the observation of 400 meter optical fence. The high-speed 32-bit processor(S3C2440) has applied to MPU(Main Processor Unit) which helps to improve the performance of OTDR algorithms. Consequently, the maximum error was 0.84 meter on the performance test of the 10km monitoring and the pass criteria of ${\pm}1m$ satisfied in all the sections. The alarm delay time was under 3 sec after detecting the disorder. For the case of secondary trespassing after primary trespassing, the optical switch was installed in OTDR to monitor the secondary trespassing and to measure the multi-point detection. Therefore, this paper shows that the detections of secondary trespassing and multi-point is possible by means of optical switch.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 최근에 새로운 프로세서에 의해 리엔지니어링(re-engineering)된 광섬유 외곽경비시스템의 성능을 평가하고 현재까지 광섬유 외곽경비시스템의 문제점으로 지적된 2차 침입감지에 대한 효과적인 대응방법으로 광스위치가 내장된 OTDR을 저가형으로 제작하여 효용성을 실험하였다. II 장에서 광섬유 외곽 경비시스템의 전체 구성요소에 대하여 설명하고 핵심적인 역할을 하는 스위치 내장형 OTDR의 원리와 제작방법에 대하여 논의한다.
또한 침입 발생 후 경보시간은 3초 이내로 확인하였다. 현재까지 문제시되었던 OTDR 수의 증가와 2차 침입에 대한 대책을 본 논문에서는 광스위치 모듈을 OTDR 내에 일체형으로 제작하였고 효과적으로 2차 침입위치 추적이 가능함을 증명하였다. 광섬유 외곽경비시스템은 광섬유 펜스(설치포함) 가격이 비싸기 때문에 시스템의 저가격화를 지속적으로 요구받고 있다.

제안 방법

MCS에 있는 중앙관제시스템은 최대 12대의 LCU를 연결하여 운용할 수 있도록 설계되었으며, 하나의 LCU에는 OTDR 모듈이 총 10개가 장착될 수 있도록 하였다. OTDR 모듈은 높이 3m의 광섬유 펜스 기준으로 약 400m를 담당하도록 설계되었는데 이는 광섬유 길이로 10km에 해당하는 길이이다.
광섬유 외곽경비시스템의 주요특징을 표 1에 나타내었다. 외부침입이 발생한 후 LCU에서 침입위치를 감지하여 최종적으로 MCS에서 알람이 발생할 때까지의 시간을 3초 이내로 구현하고자 하였으며 침입위치 정확도는 OTDR의 성능에 따라 결정된다.
그림 6에 MPU 보드 구성도를 나타내었다. MPU 보드는 연산과 제어를 위한 CPU, 메모리소자를 이용하였고, VME BUS, 10/100Base-T, RS-232C 시리얼포트 등을 통해 외부 장치와의 데이터 통신을 수행하도록 구성 하였다.
새로 개발된 MPU와 기존 개발제품과의 비교를 표 3에 나타내었다. 새로이 개발된 MPU는 고속의 32비트 프로세서인 S3C2440(400MHz, RISC Processor)를 탑재하여 알고리즘 처리에 따른 성능 향상을 도모하였고, 메모리는 사용 목적에 따라 3가지 종류를 이용하였다. 64Mbyte의 SDRAM은 프로그램 작업영역으로 사용되며, Boot Loader 저장 공간으로 1M NOR 플래시 메모리를 사용하였다.
또한, Kernel 및 응용 프로그램의 저장 공간으로 64M-byte의 NAND 플래시 메모리를 사용하였다. 프로그램 실행 중 발생하는 알고리즘 처리공간으로 4M-byte의 Static-RAM을 사용하여 처리속도를 개선하였다. VME bus의 종속 유니트(그림 6에서의 PIU, SCU, NSU)을 효율적으로 인터페이스 하기 위하여 FPGA를 사용하였으며 RTC(Real Time Clock)를 위하여 DALLAS사의 DS1286을 사용하였다.
처리 속도를 향상시키기 위해, 별도의 배터리 백업 SRAM을 사용하는 공유 메모리 기법을 사용하고 있다. 그밖에 데이터베이스 관리 서비스, I/O 태스크, 알람처리를 위한 태스크, 실시간 정보처리 태스크를 구축하였다.
MPEG-4 비디오 엔코더 및 영상제어기를 새로이 제작하였다. 하나의 NSU는 최대 4대의 영상 카메라를 연결하여 사용할 수 있다.
침입 탐지 위치의 정확성을 시험하기 위하여 미리 정해진 거리 지점에서 이벤트를 발생시킨 후, 수집된 원시 데이터와 거리 환산 데이터를 확인하는 방식으로 시험을 진행하였다. 그림 10에 외부의 힘에 의해 침투 발생지점을 측정한 화면을 나타내었다.
OTDR의 분해능은 10,000 등급(grade)으로서, 최대 10km를 10,000개의 구간으로 나누어 표시할 수 있는 성능을 가지도록 설계하였다. 하나의 데이터등급은 광케이블 상에서는 1m를 나타내며, 높이 3m 펜스에서는 0.
이러한 점을 해결하기 위하여 본 연구에서 개발된 시스템은 1×2 광스위치를 OTDR 내부의 광커플러 출력에 연결하여 2개의 출력을 갖는 OTDR을 제작하였으며 OTDR 각각의 출력을 광 펜스의 시작과 끝단에 연결되도록 설치하였다.
각 구간별로 오실로스코프를 이용하여 시간을 측정하였으며, MCS 전송시간은 LCU의 이벤트 정보 중 time stamp와 MCS에서 경보를 발생할 때의 시스템 시간의 차이로 정의하였다. 경보시간은 3초 이내이다.
광섬유 외곽경비시스템을 구축하여 그 특성을 평가하였다. 침입자 위치추적을 위한 핵심적인 기능을 하는 OTDR과 MPU 장치를 포함한 LCU라고 부르는 광섬유 외곽경비시스템의 하드웨어 제어장치를 새로이 제작하였다.
광섬유 외곽경비시스템을 구축하여 그 특성을 평가하였다. 침입자 위치추적을 위한 핵심적인 기능을 하는 OTDR과 MPU 장치를 포함한 LCU라고 부르는 광섬유 외곽경비시스템의 하드웨어 제어장치를 새로이 제작하였다. MPU는 고속의 32비트 프로세서인 S3C2440을 탑재하여 알고리즘 처리에 따른 성능 향상을 도모하였다.
MPU는 고속의 32비트 프로세서인 S3C2440을 탑재하여 알고리즘 처리에 따른 성능 향상을 도모하였다. 영상감시 기능의 통합 감시 장치를 제작하였으며, 최대 4대의 영상 카메라를 연결하여 사용할 수 있도록 하였다. 1×2 스위치가 내장된 다중 모드용 OTDR을 제작하여 1~10km의 거리에 대하여 측정한 결과, 최대 오차는 최대 거리인 10km 구간 시험에서 0.

대상 데이터

OTDR 제작에 사용된 광원은 오끼(Oki)사의 펄스 레이저가 사용되었으며 출력 광전력이 +15dBm이고 거리에 대한 손실을 줄이기 위하여 850nm 파장을 사용하지 않고 1300nm 파장을 사용하였다. 포토다이오드는 미쓰비시(Mitsubishi)사의 APD(Avalanche Photo Diode)가 사용되었다.
OTDR 제작에 사용된 광원은 오끼(Oki)사의 펄스 레이저가 사용되었으며 출력 광전력이 +15dBm이고 거리에 대한 손실을 줄이기 위하여 850nm 파장을 사용하지 않고 1300nm 파장을 사용하였다. 포토다이오드는 미쓰비시(Mitsubishi)사의 APD(Avalanche Photo Diode)가 사용되었다.
프로그램 실행 중 발생하는 알고리즘 처리공간으로 4M-byte의 Static-RAM을 사용하여 처리속도를 개선하였다. VME bus의 종속 유니트(그림 6에서의 PIU, SCU, NSU)을 효율적으로 인터페이스 하기 위하여 FPGA를 사용하였으며 RTC(Real Time Clock)를 위하여 DALLAS사의 DS1286을 사용하였다.

성능/효과

1km ~10km의 광섬유에 대하여 각각 측정시험 결과, 최대 오차는 최대거리인 10km 구간 시험에서 나타난 0.84m 오차율이 가장 크게 나타나며, 모든 구간에서 합격기준인 ±1m를 만족하였다.
평상시에는 광 펜스 입력단에 연결된 OTDR을 이용하여 광 펜스 상태를 감시하다가 외부 침입에 의하여 광 펜스가 절단되면 OTDR의 스위치가 연속적으로 동작하여 광 펜스의 입력단과 끝단에서 동시에 측정하도록 한다. 결과적으로 1차 침입으로 인하여광 펜스가 절단된 이후에도 절단지점을 기준으로 앞단 또는 뒷단에 2차 침입이 발생한 경우 정확히 침입 위치를 추적할 수 있다.

후속연구

그러나 계측기 수준의 OTDR 기능을 그대로 가져가면서 가격을 낮추는 것은 더 이상 한계가 있으므로, 광섬유 센서 구조를 획기적으로 단순화하여 광 펄스가 광섬유 진행에 따른 시간 지연정보만 받아서 처리하는 방식 등의 연구 개발이 요구된다. 또한, 광스위치를 이용한 다중점 측정과 2차 침입을 동시에 할 수 있는 알고리즘 개발과 원격제어기술이 향후의 광섬유 외곽경비시스템에서 보완되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OTDR 방식의 가장 큰 장점은 무엇인가요?	침입자의 자세, 침입속도, 기상조건에 무관하게 은밀하게 침입하는 것을 방지할 수 있는 기술로 침입 위치를 3m 오차 이내로 추적이 가능하다. 가장 큰 장점으로는 비, 눈, 안개 등의 수분, 바람, 차량, 항공기, 물체 충돌 등의 진동 및 낙뢰, 정전기, 고압선 등의 전기에 영향을 받지 않으며, 평지, 산악 등에 구애받지 않고 철책, 철주, 초소에 설치 운용 가능하다는 점이다. 국내의 경우 1990년 초에 휴전선의 철책을 대체할 목적으로 ADD에서 개발되었으며 2004년 미 국방성의 FCT(Foreign Comparative Testing) 시험평가를 위하여 시스템의 하드웨어와 소프트웨어가 전면 재개발 되었으며 현재까지 지속적으로 보완되고 있다[3].
	OTDR은 무엇을 측정할 수 있는 것인가요?	광통신 선로의 거리 및 상태를 측정할 수 있는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)은 1980년 초부터 많은 연구가 진행되어 폭 넓게 사용되고 있는 광통신 핵심 제품이다. OTDR은 일반적으로 빛이 광섬유를 진행하면서 발생한 Rayleigh 산란현상을 이용한다.
	OTDR 방식은 어떤 방식인가요?	OTDR 방식은 광섬유로 직조된 광섬유 펜스에 레이저를 입사시켜 침입자가 절단하거나 잡아당길 때 반사광의 세기를 측정하여 정확한 침입 위치를 경보 한다. 침입자의 자세, 침입속도, 기상조건에 무관하게 은밀하게 침입하는 것을 방지할 수 있는 기술로 침입 위치를 3m 오차 이내로 추적이 가능하다.

참고문헌 (9)

Horiguchi, T., K.Shimizu, "Development of a Distributed Sensing Technique Using Brilloulin Scattering", J. Lightwave Techn., 13(7), pp. 1296-1302, 1995.

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Dakin, J. P., D. J. Pratt, G. W. Bibby, "Distributed optical fiber Raman temper-ature sensor using a semiconductor light source and detector", Electron. Lett. 21(13), pp.569-570, 1985.

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Defense News, "U.S. Air Force To Test Sensor Fence" September 2-8, 2002.
Personik, S.D "Photon probe -an optical time domain reflectometer", Bell Syst. Techn, J. 56 : 355-366, 1977.

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M. Nakazawa, "Rayleigh backscattering theory for single-mode optical fibers", Opt. Soc. Am., vol. 73, no. 9, pp.1175-1179, 1983.

상세보기
Beller, J, "A high performance digital signal processing system for the HP8146A OTDR", Hewlett-Packard J., pp.63-68, 1993.
Anderson, D., and D.Judge, "A pattern matching algorithm for remote systems that measures the distance and loss of fusion splices with high precision, NOF-OEC '94, San Diego, pp.139-154, 1994.
Healy, P. "Intrumentation principles for optical time domain reflectometry ", J. Phys. E: Sci. Instrum. 19, pp.334-341, 1986.

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Neumann, E.G, "Analysis of the backs-cattering method for testing optical fiber cables", AEU, Band 34, Heft 4, 157-160, 1980.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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