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수중 환경 및 생태 실시간 모니터링을 위한 초소형 수중 음향통신 모뎀 개발
Development of Underwater Acoustic Micro Modem for Real-Time Monitoring of Underwater Environment and Ecosystem 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. CI, 컴퓨터, v.48 no.6 = no.342, 2011년, pp.97 - 108  

전준호 (강릉원주대학교 전자공학과) ,  박성준 (강릉원주대학교 전자공학과)

초록
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과거 유선 및 비실시간으로 구축되던 수중 생태 모니터링, 자원 탐사 시스템 등은 수중 무선 센서네트워크 시스템 기술의 연구 개발을 통해 실시간 정보 송수신이 가능한 디지털 융합의 형태로 진화될 수 있다. 이를 가능하게 하는 핵심 기술 중의 하나는 배터리에 의해 동작하는 초소형 수중 음향통신 모뎀 구현 기술이며, 본 연구에서는 무지향성 수중 음향 트랜스듀서를 탑재한 초소형 수중 음향통신 모뎀을 설계하고 개발한다. 또한, 구현된 수중 모뎀의 성능을 검증하기 위하여 경기도 양평의 북한강에서 송수신 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다. 실험 결과에 따르면, 개발한 모뎀은 최대 250 m의 거리에서 200 bps의 전송속도와 $7.8{\times}10^{-5}$의 비트오율로 무선 데이터 송수신이 가능하였다. 개발된 수중 모뎀은 향후 수중 무선 센서네트워크를 활용한 다양한 응용 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Systems for underwater environment monitoring and natural resources can be considered as a part of digital convergence where real-time data transmission is possible with the help of underwater wireless sensor network (UWSN). One of key technologies required for the deployment of the systems is under...

주제어

#Underwater wireless sensor networks   #acoustic communications   #acoustic modem   #monitoring of underwater ecosystem  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 수중 센서네트워크 시스템에서 고정된 노드 또는 센서노드를 지원하기 위해서는 지향성 트랜스듀서를 사용하는 것이 유리하며, 싱크노드 또는 이동성이 고려된 노드를 지원하는 경우라면 무지향성 트랜스듀서를 사용하는 것이 적합하다. 본 논문에서는 수중 무선센서네트워크의 모든 노드에서 활용될 수 있도록 무지향성 음향 트랜스듀서를 사용하여 수중 모뎀 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 수중 환경 생태 모니터링 시스템을 위한 초소형 수중 음향 통신 모뎀의 개발을 수행하였다. 개발된 모뎀은 부피를 최소화하기 위해 원형 다층 구조로 설계하였고 26 kHz의 공진 주파수를 갖는 무지향성 트랜스듀서를 탑재하였다.
  • 즉, 배치된 수중 모뎀은 수거 및 재충전이 용이하지 않으므로 저전력 구동을 통해 동작시간을 최대화해야 하고, 수중 음향 모뎀을 탑재한 수중 노드 또는 수중 이 동체의 이동을 원활히 하고 수중 생태계에 영향을 주지 않기 위해서는 모뎀을 소형화해야 한다. 이에 본 연구에서는 선행 연구[6～8]들을 기반으로 상기 수중 무선 센서네트워크 시스템을 위한 수중 음향 모뎀의 요구사항을 반영한 초소형 크기와 저전력 특성을 갖는 모뎀을 설계하고 구현하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수중 환경 생태 모니터링 및 자원 탐사를 수행하는 기존 방법들의 한계는? 수중 환경 생태 모니터링 및 자원 탐사를 수행하는 기존 방법으로는 다이버가 잠수하여 수중 정보를 취득하거나 유선으로 조종하는 수중 로봇, 혹은 무선으로 구동되는 수중 자율 로봇을 활용하는 방법들이 있다. 그러나, 다이버가 잠수하는 경우 작업 반경에 제한이 있으며 정보 전달에 있어 비실시간 특성을 갖게 된다. 또한, 수중 조종 로봇은 전원 및 통신을 위해 선으로 연결되어 있으므로 동작에 제한을 가지며 수중 자율 로봇은 무선으로 동작하나 정보 전송의 비실시간 특성을 갖는다. 이러한 고찰로부터 디지털 융합 시스템의 일환이며 현재의 방식들보다 진보된 무선 실시간 수중 환경 모니터링 기능을 제공하는 수중 무선 센서네트워크 시스템의 필요성이 제기되었다[1～2].
수중 환경 생태 모니터링 및 자원 탐사를 수행하는 기존 방법에는 무엇이 있는가? 수중 환경 생태 모니터링 및 자원 탐사를 수행하는 기존 방법으로는 다이버가 잠수하여 수중 정보를 취득하거나 유선으로 조종하는 수중 로봇, 혹은 무선으로 구동되는 수중 자율 로봇을 활용하는 방법들이 있다. 그러나, 다이버가 잠수하는 경우 작업 반경에 제한이 있으며 정보 전달에 있어 비실시간 특성을 갖게 된다.
수중 채널에서 음파는 주파수와 어떤 관계가 있는가? 수중 채널에서 음파는 주파수가 낮을수록 더 멀리 전달되므로 본 논문에서는 26 kHz의 공진주파수를 갖는 상용 무지향성 트랜스듀서를 사용하여 초소형 수중 모뎀을 설계하고 구현한다. 부피를 최소화하기 위해 수중 모뎀의 기능을 디지털 처리, 아날로그 송신 처리, 아날로그 수신 처리로 분할하여 설계하고, 각 기능을 수행 하는 총 3 종의 원형 보드를 실린더 형태로 적체하여 수중 모뎀을 완성한다.
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참고문헌 (10)

  1. I. F. Akyildiz, D. Pompili and T. Melodia, "Underwater Acoustic Sensor Networks: Research Challenges," Ad Hoc Networks, vol. 3, no. 2, pp. 257-279, Feb. 2005. 

  2. J. H. Cui, J. Kong, M. Gerla and S. Zhou, "Challenges: Building scalable and distributed underwater wireless sensor networks (UWSNs) for Auqatic Application," UCONN CSE Technical Report, Jan. 2005. 

  3. Teledyne Benthos, Inc., http://www.teledynebenthos.com 

  4. LinkQuest, Inc., http://www.link-quest.com 

  5. S. Pandya, J. Engel, J. Chen, Z. Fan and C. Liu, "CORAL: miniature acoustic communication subsystem architecture for underwater wireless sensor networks," in Proc. IEEE Sensors, Irvine, CA, pp. 163-166, Oct. 2005. 

  6. Moo-Kwang Byeon, Bo-Won Kim, Jun-Ho Jeon and Sung-Joon Park, "Design and implementation of high-speed communication modem using ultrasonic sensors for underwater sensor networks," in Proc. MTS/IEEE OCEANS 2008, Quebec, Canada, Sep. 2008. 

  7. 전준호, 조헌철, 김창화, 류영선, 박성준, "수중 음향 통신을 위한 초소형 모뎀 설계 및 구현," 한국통신학회 논문지, 36권 4호, 2011년 4월. 

  8. Jun-Ho Jeon, Tae-Hee Won, Hunchul Cho and Sung-Joon Park, "Implementation of a micro-modem for underwater wireless sensor networks," in Proc. MTS/IEEE OCEANS 2011, Santander, Spain, Jun. 2011. 

  9. M. Crocker, Encyclopedia of Acoustics, John Wiley & Sons, 1997. 

  10. L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens and J. V. Sanders, Fundamentals of Acoustics, John Wiley & Sons, 4th ed. 

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