최근 해양 환경 모니터링과 해양 개발에 대한 관심이 증대됨에 따라 수중 무선센서네트워크 구성 및 이를 위한 저전력 수중 통신 모뎀에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이에 본 논문에서는 초소형 무지향성 트랜스 듀서를 탑재한 수중 음향 통신 모뎀을 설계하고 구현한다. 또한, 개발한 모뎀을 사용하여 수조와 실외 환경에서 공급 전압과 통신 거리에 따른 성능 실험을 실시하고 결과를 분석한다. 실외 환경에서의 실험 결과에 의하면, 개발한 모뎀에 12 V를 공급하였을 때 40 m 거리에서 200 bps, $10^{-3}$ 비트오율로 단방향 수중 무선 통신이 가능하였다. 본 논문에서 구현한 모뎀은 초소형, 저전력, 무지향성 특성을 가지므로 수중 무선센서네트워크에 기반한 다양한 응용 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 해양 환경 모니터링과 해양 개발에 대한 관심이 증대됨에 따라 수중 무선센서네트워크 구성 및 이를 위한 저전력 수중 통신 모뎀에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이에 본 논문에서는 초소형 무지향성 트랜스 듀서를 탑재한 수중 음향 통신 모뎀을 설계하고 구현한다. 또한, 개발한 모뎀을 사용하여 수조와 실외 환경에서 공급 전압과 통신 거리에 따른 성능 실험을 실시하고 결과를 분석한다. 실외 환경에서의 실험 결과에 의하면, 개발한 모뎀에 12 V를 공급하였을 때 40 m 거리에서 200 bps, $10^{-3}$ 비트오율로 단방향 수중 무선 통신이 가능하였다. 본 논문에서 구현한 모뎀은 초소형, 저전력, 무지향성 특성을 가지므로 수중 무선센서네트워크에 기반한 다양한 응용 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
As the interest in ocean environment monitoring and ocean development has been increased, the need for researches on underwater wireless sensor network (UWSN) and low power consuming acoustic modem for UWSN has been arisen. In this paper, we design and implement a micro-modem equipped with a tiny an...
As the interest in ocean environment monitoring and ocean development has been increased, the need for researches on underwater wireless sensor network (UWSN) and low power consuming acoustic modem for UWSN has been arisen. In this paper, we design and implement a micro-modem equipped with a tiny and omnidirectional transducer for underwater acoustic communications. In addition, we make experiments in a water tank and a pond in order to verify the performance of the developed modem in terms of supply voltage and communication distance, and analyze the results. According to the outdoor experiments, the modem can send data wirelessly in underwater at a distance of 40 meter with a data rate of 200 bps and a bit error rate of $10^{-5}$ when the supply voltage is 12 V. Due to its small size, low power consumption and omnidirectional property, it is expected that the modem which is implemented in this paper could be utilized for various applications based on UWSN.
As the interest in ocean environment monitoring and ocean development has been increased, the need for researches on underwater wireless sensor network (UWSN) and low power consuming acoustic modem for UWSN has been arisen. In this paper, we design and implement a micro-modem equipped with a tiny and omnidirectional transducer for underwater acoustic communications. In addition, we make experiments in a water tank and a pond in order to verify the performance of the developed modem in terms of supply voltage and communication distance, and analyze the results. According to the outdoor experiments, the modem can send data wirelessly in underwater at a distance of 40 meter with a data rate of 200 bps and a bit error rate of $10^{-5}$ when the supply voltage is 12 V. Due to its small size, low power consumption and omnidirectional property, it is expected that the modem which is implemented in this paper could be utilized for various applications based on UWSN.
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문제 정의
본 논문에서는 초소형 무지향성 트랜스듀서를 탑재한 수중 음향 통신모뎀을 설계하고 구현하였다. 또한, 수조와 실외연못 환경에서 수중채널의 특성을 분석하고 공급 전압과 통신거리에 따른 단방향통신 성능 실험을 실시하였다.
제안 방법
이어}, 본 논문에서는 [9] 의 사전 연구를 기반으로 수중용 무지향성 트랜스듀서를 탑재한 초소형 단방향 통신 모뎀을 설계하고 구현한다. 또한, 구현한 모뎀의 성능을 검증하기 위하여 실내와 실외 환경에서 일대일 통신 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다
구현하였다. 또한, 수조와 실외연못 환경에서 수중채널의 특성을 분석하고 공급 전압과 통신거리에 따른 단방향통신 성능 실험을 실시하였다. 임펄스 응답을 통해 수조와 연못의 채널 특성을 고찰할 수 있었으며, 개방된 환경에서는 다중경로의 길이가 감소하고 이로 인해 전송 속도를 개선할 수 있음을 고찰하였다.
모뎀 보드는 2층 구조의 원통 형태로 지름 70 mm, 높이 35 mm의 규격을 가지며 배터리 등 외부 전원에 의해 구동된다. 모뎀 제어를 위한 마이크로컨트롤러(microcontroller unit, MCU)로 ATmegal28을 사용하였고, 개발한 수중 모뎀과 타 보드 또는 응용 프로그램을 연동시키기 위해 SPI와 UART 통신 포트를 구성하였다. 리튬이온 배터리 14.
변조 심볼을 구성하는 변조 구간과 보호 구간의 비율이 수중 음파 통신에 미치는 영향을 분석하기 위해 수조에서 송신 모뎀과 수신 모뎀의 거리는 2.5 m, 변조심볼의 길이는 20 ms로 고정하고 실험을 실시하였다. 표 5는 송신 모뎀 트랜스듀서의 입력전압(Vjn)과 변조 구간의 길이에 따른 수신 모뎀 트랜스듀서의 출력 전압(V°m)이다.
또한, 실험을 통해 수중 채널을 거친 수신 트랜스듀서의 출력 전압은 송신모뎀의 공급 전압에 비례하고 송 . 수신 모뎀 간 통신거리에 반비례함을 검증하였다. 성능지표의 일례로 연못환경에서 개발 모뎀에 12 V의 전원을 인가하였을 때 40 m의 통신 거리에서 200 bps의 전송 속도와 1(尸의 비트 오율로 수중 음파통신이 가능하였다.
8 V, 35 V의 공급 전압 V)에서 송 . 수신 모뎀 간의 통신 거리를 20 m, 30 m, 40 m, 50 m로 변화시키면서 수신 모뎀 트랜스듀서에서 출력되는 전압(Vg)을 측정하였다. 데이터 전송속도는 4.
이 연구에서는 아날로그 송. 수신 모듈 크기를 최소화하기 위해 이진 진폭편이변조(binary amplitude shift keying)를 사용하였다. 또한, 매 비트 전송을 위해 변조 구간 뒤에 보호 구간을 두었는데, 이는 수중 채널 전송 중 발생하는 극심한 다중 경로 페이딩으로부터 변조된 신호를 보호하기 위해서이다.
이에, 수조 통신 실험에서는 변조 심볼의 길이를 20 ms로 즉 데이터의 전송속도를 50 bps로 고정하였다. 수조보다 개방된 공간인 연못에서는 임펄스 응답이 수 ms 동안 지속되었이러한 실험적 데이터에 기반하여 연못 실험에서는 변조 심볼의 길이를 5 ms로 즉 데이터의 전송속도를 200 bps로 고정하였다.
송신측 PC에서 입력한 임의의 데이터는 송신 측 모뎀 보드와 트랜스듀서를 거쳐 수중 채널을 통해 전달되고, 수신 측 트랜스듀서와 모뎀 보드에서 처리된 후 수신측 PC 모니터에 출력된다. 여기서, 실험의 편의를 위해 트랜스듀서만 물 속에 잠기게 하였고, 실내 수조와 실외 연못에서 통신 실험을 수행하였다.
선행되어야만 한다. 이어}, 본 논문에서는 [9] 의 사전 연구를 기반으로 수중용 무지향성 트랜스듀서를 탑재한 초소형 단방향 통신 모뎀을 설계하고 구현한다. 또한, 구현한 모뎀의 성능을 검증하기 위하여 실내와 실외 환경에서 일대일 통신 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다
수조의 경우 협소한 공간과 얕은 수심으로 인해 수십 ms에 달하는 다중경로 신호가 발생할 수 있음을 관찰할 수 있다. 이에, 수조 통신 실험에서는 변조 심볼의 길이를 20 ms로 즉 데이터의 전송속도를 50 bps로 고정하였다. 수조보다 개방된 공간인 연못에서는 임펄스 응답이 수 ms 동안 지속되었이러한 실험적 데이터에 기반하여 연못 실험에서는 변조 심볼의 길이를 5 ms로 즉 데이터의 전송속도를 200 bps로 고정하였다.
성능/효과
그림 11은 송신 모뎀 트랜스듀서에 인가되는 입력 전압(VQ과 통신 거리 (d)에 따른 수신 비트오율 (BER) 특성 그래프이다. 실험 결과에 따르면, 통신 거리가 10, 20 m일 경우 20 V의 Vn에서도 10° 이하의 비트오율을 획득함을 알 수 있으며, 40 m의 통신 거리에서 1甘의 비트 오율로 정보를 전달하기 위해서는 40 Vp_p의 전압을 송신 측 트랜스듀서에 공급해야 함을 고찰할 수 있다.
43 ms(=100/70kHz)가 된다. 실험 결과에 의하면, 송신모뎀 트랜스듀서에 인가되는 입력 전압이 일정할 경우 수신 모뎀에서는 Np와 무관하게 거의 일정한 출력 전압을 획득할 수 있었는데, 이는 변조 심볼의 길이가 다중경로를 극복할 수 있을 만큼 충분히 길다면 변조심볼 내 변조 구간의 증감이 수신 성능에 영향을 미치지 않음을 의미한다. 한편, 표 5를 통해 수신 모뎀 트랜스듀서의 출력 전압은 송신 모뎀 트랜스듀서의 입력 전압에 거의 비례함을 고찰할 수 있다
수신 모뎀 간 통신 거리(d)를 변경하면서 측정한 수신 트랜스듀서의 출력 전압(Vg)을 나타낸다. 연못 실험의 결과는 수조 실험의 결과와 전반적으로 유사하며, 수신 전압의 크기는 공급 전압에 비례하여 통신 거리에 반비례함을 관찰할 수 있다. 그림 11은 송신 모뎀 트랜스듀서에 인가되는 입력 전압(VQ과 통신 거리 (d)에 따른 수신 비트오율 (BER) 특성 그래프이다.
또한, 수조와 실외연못 환경에서 수중채널의 특성을 분석하고 공급 전압과 통신거리에 따른 단방향통신 성능 실험을 실시하였다. 임펄스 응답을 통해 수조와 연못의 채널 특성을 고찰할 수 있었으며, 개방된 환경에서는 다중경로의 길이가 감소하고 이로 인해 전송 속도를 개선할 수 있음을 고찰하였다. 또한, 실험을 통해 수중 채널을 거친 수신 트랜스듀서의 출력 전압은 송신모뎀의 공급 전압에 비례하고 송 .
후속연구
성능지표의 일례로 연못환경에서 개발 모뎀에 12 V의 전원을 인가하였을 때 40 m의 통신 거리에서 200 bps의 전송 속도와 1(尸의 비트 오율로 수중 음파통신이 가능하였다. 본 논문에서 구현한 모뎀은 초소형, 저전력, 무지향성 특성을 가지므로 향후 전송 속도 개선 및 실해역 등 개방된 장소에서의 양방향 통신 실험 수행 후 수중 무선센서 네트워크에 기반한 다양한 해양응용 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
I. F. Akyildiz, D. Pompili and T. Melodia, "Challenges for efficient communication in underwater acoustic sensor networks," ACM Sigbed Review, Vol.1, No.2, Jul., 2004.
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.
J. Heidemann, W. Ye, J. Wills, A. Syed and Y. Li, "Research challenges and applications for underwater sensor networking," in Proc. IEEE WCNC, Las Vegas, NV, Vol.1, pp.228-235, Apr., 2006.
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.
J. Wills, W. Ye and J. Heidemann, "Low-power acoustic modem for dense underwater sensor networks," in Proc. ACM International Wrokshop on Underwater Networks (WUWNet), Los Angeles, CA, pp.79-85, Sep., 2006.
Tritech, Inc., http://www.tritech.co.uk
변무광, 박성준, "수중 센서네트워크를 위한 초음파 통신 모뎀 설계 및 구현," 한국통신학회논문지, 34권, 6호, pp.437-444, 2009년 6월.
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