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백색 LED 기반 수중 및 수상-수중 간 광무선 통신시스템 연구
A Study on the White LED-based Underwater and Surface-to-Underwater Optical Wireless Communication Systems 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.2, 2012년, pp.309 - 314  

손경락 (한국해양대학교 전자통신공학과) ,  손창우 (한국해양대학교 전자통신공학과) ,  김성호 (한국해양대학교 전자통신공학과)

초록
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본 논문에서는 백색 LED를 이용한 수중 가시광 통신 시스템 개발에 대하여 기술하였다. 아날로그 음성 통신 시스템을 위하여 펄스위치변조 방식이 적용되었으며, 디지털 데이터 통신을 위하여 온-오프 키잉 변조 방식이 적용되었다. 시스템은 저가형으로 상용화된 발광소자인 백색 LED와 수광 소자인 실리콘 기반 포토다이오드를 사용하여 근거리 수중통신을 위한 트랜시버를 개발하였으며 가시광 통신의 수중 통신 적용 가능성을 보이고자 하였다. 광 감쇠와 산란 등으로 대기 중에서의 통신에 비하여 수중에서의 통신 성능이 저하되는 결과를 얻었지만 수중통신 채널에 적합한 모뎀 기술이 적용된다면 수중에서 강인한 통신인터페이스를 제공할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we present surface-to-underwater visible light communication systems using white LEDs. Pulse position modulation (PPM)-based analogue data communications and on-off keying-based digital data communications systems are developed. Inexpensive and commercial power-LEDs and photo-diodes a...

주제어

#백색 발광 다이오드   #가시광 통신   #수중 광무선 통신   #펄스위치변조  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 가시광의 경우 전송가능 거리는 물의 혼탁도 (turbidity)에 의존하지만 맑은 바닷물에서는 최대 전송거리가 100 m 정도로 알려져 있으므로 물속에서 보안이 가능한 근거리용 고속 통신 수단으로 응용이 가능하다. 본 논문에서는 아날로그 음성통신을 위한 펄스위치변조 (pulse position modulation: PPM) 기반 가시광 통신 시스템과 디지털 데이터 통신을 위한 온-오프 키잉(on-off keying: OOK) 기반 가시광 통신 시스템을 구현하였다. 이러한 통신시스템은 스쿠버 다이버 간 LED 광무선 통신 단말기를 제공하여 수중에서 자유롭게 통신할 수 있다.
  • 본 연구에서는 백색 LED 광원을 이용한 수중 광 무선통신과 수상-수중 간 광 무선 통신시스템을 제안하고 실험하였다. 수중 광 무선통신의 경우 다이버간 음성 전송을 위한 목적으로, 수상-수중간 통신은 수중에 위치한 이동체를 수상 또는 수면에서 원격제어하기 위한 시스템에 응용하기 위한 목적으로 개발하였다.
  • 수중 통신을 위한 채널의 환경에 따라 통신 거리와 품질에 직접적으로 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 순수한 물속에서 가시광 LED를 이용하여 오디오 및 디지털 데이터 통신이 가능함을 보이는 기초연구를 수행하였다. 사용한 가시광원의 경우 청색 LED 칩 상부에 노란색 형광 물질을 사용하여 백색을 구현한 제품이므로 수중에서 조명과 통신용으로 동시에 사용할 수 있는 장점이 있다.
  • 본 연구에서는 지상통신 중심의 가시광 통신시스템을 수중통신에 적용할 수 있는 가능성에 대하여 주목하였다 [4,5]. 가시광의 경우 전송가능 거리는 물의 혼탁도 (turbidity)에 의존하지만 맑은 바닷물에서는 최대 전송거리가 100 m 정도로 알려져 있으므로 물속에서 보안이 가능한 근거리용 고속 통신 수단으로 응용이 가능하다.
  • 본 연구에서는 백색 LED 광원을 이용한 수중 광 무선통신과 수상-수중 간 광 무선 통신시스템을 제안하고 실험하였다. 수중 광 무선통신의 경우 다이버간 음성 전송을 위한 목적으로, 수상-수중간 통신은 수중에 위치한 이동체를 수상 또는 수면에서 원격제어하기 위한 시스템에 응용하기 위한 목적으로 개발하였다. 실험 결과 가시광 LED를 이용한 수중-수상 광무선 통신이 가능함을 확인하였다.

가설 설정

  • Figure 6은 평행광 렌즈를 포함하는 LED 광원과 집광렌즈를 포함하는 PD 부분의 실물사진을 보여준다. 1 m 거리에서 측정한 LED 빔의 직경은 15cm 이므로 수조의 크기를 고려하면 수면 및 수조 유리에 의한 반사빔의 영향은 크지 않을 것으로 가정하였다. 수광부의 집광기는 P7 렌즈(직경:3.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
심해에서 음파를 이용한 통신기술의 한계는? 열적으로 안정된 특성을 보이므로 심해에서 적용이 가능하다. 그러나 수면 가까이에서는 주위의 잡음과 수면에서의 반사와 굴절로 인하여 다중경로가 발생하므로 통화 품질에 심각한 영향을 미치고 있다. 또한 대역폭의 제한으로 응용 분야가 한정적이다. 전자파 영역의 경우 MHz 변조 주파수 대역을 제공하지만 물속에서 전력 손실이 26 dB/km/100MHz 정도로 사실상 수중통신에는 적합하지 않다[3].
심해에서 음파를 이용한 통신은 어떤 기술인가? 심해에서 음파를 이용한 통신은 물속에서 음향의 감쇄가 0.1 dB/m/Hz로 상대적으로 작기 때문에 수 kHz 주파수 대역의 저속 데이터를 수 km 정도 전송할 수 있는 오랜 전에 개발되어 사용되고 있는 기술이다[1,2]. 열적으로 안정된 특성을 보이므로 심해에서 적용이 가능하다.
수중에서 가시광을 이용한 통신은 어떻게 응용될 수 있는가? 본 연구에서는 지상통신 중심의 가시광 통신시스템을 수중통신에 적용할 수 있는 가능성에 대하여 주목하였다 [4,5]. 가시광의 경우 전송가능 거리는 물의 혼탁도 (turbidity)에 의존하지만 맑은 바닷물에서는 최대 전송거리가 100 m 정도로 알려져 있으므로 물속에서 보안이 가능한 근거리용 고속 통신 수단으로 응용이 가능하다. 본 논문에서는 아날로그 음성통신을 위한 펄스위치변조 (pulse position modulation: PPM) 기반 가시광 통신 시스템과 디지털 데이터 통신을 위한 온-오프 키잉(on-off keying: OOK) 기반 가시광 통신 시스템을 구현하였다.
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참고문헌 (6)

  1. L. Liu, S. Zhou and J Cui, "Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks", Wireless Comm. and Mobile Computing, vol. 8, pp. 977-994, 2008. 

    상세보기 crossref

  2. S. Arnon, "Underwater optical wireless communication network", Opt. Eng., vol. 49, pp. 015001-1- 015001-6, 2010. 

    상세보기 crossref

  3. 박성준, 박수현, 김상경, 김창화, "수중통신과 해양센서네트워크 기술", 정보과학회지, pp. 79-88, 2010. 07. 

  4. 계광현, 손경락, "가시광 LED를 이용한 양방향 무선통신 시스템 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제34권, 제6호, pp. 852-857, 2010. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. 김연주, 손경락, "근거리 수중 광무선 통신을 위한 주파수 변조 기반 오디오 전송 시스템 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제36권 제1호, pp. 166-171, 2012. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. D. Anguita, D. Brizzolara and G. Parodi, "Optical wireless communication for underwater wireless sensor networks: hardware modules and circuits design and implementation", Oceans 2010, Seattle, WA, Sept. 2010. 

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