[논문]선체통신을 위한 새로운 AFSK 통신방식 제안

배진호; 이종현; 팽동국; 조일형

문제 정의

본 논문에서는 선박내 통신을 담당하는 함상망으로는 통신이 불가능한 지역의 통신을 위하여 초음파를 이용한 새로운 선체통신 방법을 제안한다. 제안된 초음파 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조(AFSK) 방식으로서, 램파의 모드 분산 영향과 복잡한 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 프레임 단위 STFT분석을 통하여 신호를 복조 방식이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 모드 분산 및 다중 경로 영향을 극복하기 위한 주파수 변조 기반의 진폭 변복조 방식을 제안하였다. 제안된 변조 방식을 본 논문에서는 AFSK (Amplitude-Frequency Shift Key)라 명한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 선박내 통신을 담당하는 함상망(Shipboard Network)에서 통신이 되지 않는 불통지역의 통신을 위해 초음파를 이용한 새로운 선체통신 방법을 제안한다. 제안된 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조 방식으로 램파의 모드 분산영향과 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 감소하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 STFT(Shirt-time fourier transform)분석을 통한 신호를 복조 방식이다.

제안 방법

이때, 여과된 신호에는 램파의 모드 분산 영향과 다중 경로 영향으로 반송파 주파수와 주변의 대역 성분이 함께 존재하여 반송파 주파수를 왜곡시켜 수신 신호에 반송파를 곱하여 기저 대역 신호를 복조하는 일반적인 복조 방법을 적용하는 기법은 어려움이 있으며, 만약 그 주파수를 추정했다고 해도 최적의 수신 성능을 보인다고 할 수도 없다. 따라서 본 논문에서는 여과된 신호에 버스트 신호 주기를 고려하여 프레임의 크기를 설정한 후 프레임 크기의 반을 중첩하여 STFT를 취한 후 최대 에너지 값을 이용 하여 신호를 복조한다. 여기서, 최대 에너지는 각 프레임의 FFT 결과에서 최대 에너지크기를 취한 후에, 한 bit 구간에서 최종적인 최대 에너지를 선택한다.
송신부에서는 NI사의 LabView 2011를 이용하여 AFSK 변조 신호를 생성한 후 DAQ 보드(USB-6361, NI, USA)로 디지털 아날로그 변환하여 전력증폭기(HVA-400, TOYO, Japan) 와 전치증폭기(VP1000, Reson, Denmark)로 증폭된 신호를 송신하였다. 수신부에서는 선박의 외판을 통해 수신된 신호를 전치증폭기(VP1000, Reson, Denmark)로 증폭하여 DAQ 보드(USB-6361, NI, USA)로 아날로그 디지털 변환한 후 LabView 2011을 이용하여 신호 수집 및 AFSK 신호 복조를 수행하였다.
송신부에서는 NI사의 LabView 2011를 이용하여 AFSK 변조 신호를 생성한 후 DAQ 보드(USB-6361, NI, USA)로 디지털 아날로그 변환하여 전력증폭기(HVA-400, TOYO, Japan) 와 전치증폭기(VP1000, Reson, Denmark)로 증폭된 신호를 송신하였다. 수신부에서는 선박의 외판을 통해 수신된 신호를 전치증폭기(VP1000, Reson, Denmark)로 증폭하여 DAQ 보드(USB-6361, NI, USA)로 아날로그 디지털 변환한 후 LabView 2011을 이용하여 신호 수집 및 AFSK 신호 복조를 수행하였다. 또한 Lame wave를 생성하기위해 53kHz에 공진 주파수를 갖는 PWAS 타입의 초음파 센서를 송수신 센서로 사용하였다.
제안된 주파수기반 진폭 변조 방식의 통신 성능을 검증하기 위해 건조중인 유조선(Cargo-oil tank, ㈜대우조선해양)의 외판을 이용하여 최대 100m 까지 거리를 변화시키면서 통신 실험을 수행하였다. 실험 환경 설명을 위해 선박의 모형 이미지를 그림 3에 윗 쪽 그림에 표현하였고, 그 아래 그림은 데크에서 본 연구진들이 실험을 수행하는 모습이다.
본 논문에서는 선박내 통신을 담당하는 함상망으로는 통신이 불가능한 지역의 통신을 위하여 초음파를 이용한 새로운 선체통신 방법을 제안한다. 제안된 초음파 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조(AFSK) 방식으로서, 램파의 모드 분산 영향과 복잡한 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 프레임 단위 STFT분석을 통하여 신호를 복조 방식이다. 제안된 통신 방식의 성능을 검증하기 위해 53kHz에 공진 주파수를 갖는 PWAS 타입의 초음파 센서를 이용하여 1kbps의 전송률로 송신 신호를 발생시켜 건조중인 유조선의 두께 20mm인 외판에서 100m 거리가 떨어진 지점에서 수신 성능을 평가한 결과 100%의 복조 결과를 획득하였다.
제안된 통신 방식은 인접 신호 간섭의 영향을 줄이기 위해 버스트(Burst) 방식으로 송신 신호를 생성한 후 주파수 변조 방식에서 bit '1'과 bit '0'의 진폭의 크기를 조절하여 송신 신호를 생성한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 선박내 통신을 담당하는 함상망(Shipboard Network)에서 통신이 되지 않는 불통지역의 통신을 위해 초음파를 이용한 새로운 선체통신 방법을 제안한다. 제안된 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조 방식으로 램파의 모드 분산영향과 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 감소하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 STFT(Shirt-time fourier transform)분석을 통한 신호를 복조 방식이다. 제안된 통신 방식의 성능 검증을 위해 건조중인 유조선(Cargo-oil tank,대우조선해양)의 외판을 이용하여 100m 거리 통신 실험결과 100% 복조 결과를 획득하였다.
통신 실험을 진행하기 위하여, 선체 채널에서 램파의 음파 전달 특성을 분석하였다. 사용된 선박은 ㈜ 대우조선해양에서 건조중인 선박을 이용하였으며 30m 이내의 근거리에서 PWAS(Piezoelectric wafer active sensors) 형의 초음파 센서를 이용하여 선체의 모드를 분석하였다.

대상 데이터

실험 환경 설명을 위해 선박의 모형 이미지를 그림 3에 윗 쪽 그림에 표현하였고, 그 아래 그림은 데크에서 본 연구진들이 실험을 수행하는 모습이다. 데이터는 선체의 외판에서 약 20m간격으로 100m 까지 수신 센서의 위치를 변경하면서 취득하였다.
통신 실험을 진행하기 위하여, 선체 채널에서 램파의 음파 전달 특성을 분석하였다. 사용된 선박은 ㈜ 대우조선해양에서 건조중인 선박을 이용하였으며 30m 이내의 근거리에서 PWAS(Piezoelectric wafer active sensors) 형의 초음파 센서를 이용하여 선체의 모드를 분석하였다. 구조물의 두께 20mm와 초음파 센서의 운용 주파수 50kHz~90kHz 에 대하여 그림 1과 같이 A0와 S0 모드가 발생되었고 이중 신호의 진폭이 가장 큰 A0모드의 전파 속도는 약 3100m/s로 측정되었다.
제안된 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조 방식으로 램파의 모드 분산영향과 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 감소하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 STFT(Shirt-time fourier transform)분석을 통한 신호를 복조 방식이다. 제안된 통신 방식의 성능 검증을 위해 건조중인 유조선(Cargo-oil tank,대우조선해양)의 외판을 이용하여 100m 거리 통신 실험결과 100% 복조 결과를 획득하였다.

성능/효과

사용된 선박은 ㈜ 대우조선해양에서 건조중인 선박을 이용하였으며 30m 이내의 근거리에서 PWAS(Piezoelectric wafer active sensors) 형의 초음파 센서를 이용하여 선체의 모드를 분석하였다. 구조물의 두께 20mm와 초음파 센서의 운용 주파수 50kHz~90kHz 에 대하여 그림 1과 같이 A0와 S0 모드가 발생되었고 이중 신호의 진폭이 가장 큰 A0모드의 전파 속도는 약 3100m/s로 측정되었다.
디지털 통신 방식 중 진폭천이(ASK, Amplitude Shift Key) 변조와 주파수천이(FSK, Frequency Shift Key) 변조 방식을 모드 분산영향이 적은 근거리에 적용하였을 경우에는 수신 신호가 잘 복조됨을 확인하였다. 그러나 모드 분석 결과 거리가 증가함에 따라 램파의 속도 분산 및 다중 모드 분산 특성에 의해 인접 신호의 간섭이 증가하여 수신 신호에 대한 오류 판정이 크게 증가하였다.
디지털 통신 방식 중 진폭천이(ASK, Amplitude Shift Key) 변조와 주파수천이(FSK, Frequency Shift Key) 변조 방식을 모드 분산영향이 적은 근거리에 적용하였을 경우에는 수신 신호가 잘 복조됨을 확인하였다. 그러나 모드 분석 결과 거리가 증가함에 따라 램파의 속도 분산 및 다중 모드 분산 특성에 의해 인접 신호의 간섭이 증가하여 수신 신호에 대한 오류 판정이 크게 증가하였다.
그림 6는 수신 신호 복조결과로 위쪽부터 25m, 80m 그리고 100m 거리에서의 수신 신호의 파형과 복조 결과를 나타낸다. 본 결과에서 25m ~ 61m 의 입력전압은 50V, 80m 의 입력전압은 100V, 그리고 100m 에서의 입력전압은 150V 을 인가하였다. 이때 각각의 bit 판정에 사용된 문턱값은 거리가 25m인 경우는 0.
본 결과에서 25m ~ 61m 의 입력전압은 50V, 80m 의 입력전압은 100V, 그리고 100m 에서의 입력전압은 150V 을 인가하였다. 이때 각각의 bit 판정에 사용된 문턱값은 거리가 25m인 경우는 0.05V , 거리가 43m인 경우는 0.025V, 거리가 61m인 경우는 0.03V, 거리가 80m인 경우는 0.018V , 그리고 거리가 100m인 경우는 0.011V 로 추정되었고, 거리에 따른 모든 실험환경에서 100% 복조 성능을 얻었다.
제안된 초음파 통신 방식은 주파수 변조기반 진폭 변조(AFSK) 방식으로서, 램파의 모드 분산 영향과 복잡한 선박 구조에 따른 다중 경로 영향으로 발생하는 인접 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 버스트 신호 생성 방법과 프레임 단위 STFT분석을 통하여 신호를 복조 방식이다. 제안된 통신 방식의 성능을 검증하기 위해 53kHz에 공진 주파수를 갖는 PWAS 타입의 초음파 센서를 이용하여 1kbps의 전송률로 송신 신호를 발생시켜 건조중인 유조선의 두께 20mm인 외판에서 100m 거리가 떨어진 지점에서 수신 성능을 평가한 결과 100%의 복조 결과를 획득하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선체 구조물에서 전자기파를 통신 신호로 사용하기에는 어려운 이유는?	선체 구조물에서 금속투과 한계에 의해 전자기파를 통신 신호로 사용하기에는 어렵다. 그러나 초음파는 매질의 고유 전파 속도에 따라 구조물을 통해 빠르게 전파되므로 선체 구조물에서의 통신 신호로 사용하기에 적합하다.
	유무선 통합 SAN의 한계는?	특히, 조선-IT 융합 활성화 방법 중 디지털 선박 구현을 위해 현재 한국전자통신연구원 등에서 유무선 통합 SAN(Ship area network)의 연구가 시작되 었다. 그러나 전자기파의 금속투과 한계에 의해 오픈된 영역만 커버할 수 있는 Point area 또는 Room area 통신이라는 한계가 있다. 이러한 가운데, 선박의 철 구조물을 하나의 통신용 전송 매질로 이용하는 초음파 선체통신망(Ship body area network, SBAN)의 개념은 조선-IT 융합 기술의 한 사례이다.
	생성된 램파는 철판의 두께와 사용되는 주파수에 따라 어떤 모드의 신호가 발생하는가?	선체 구조물에 전달된 초음파는 유도파(Guided wave) 형태로 진행되며 생성된 유도파 중에서 철판에서 생성되는 램파 (Lamb wave)가 선체를 이용한 통신 수단으로 사용된다. 생성된 램파는 철판의 두께와 사용되는 주파수에 따라 대칭 모드 (Symmetric mode) 및 비대칭 모드(Anti-symmetric mode) 등 다양한 모드의 신호가 발생되어 서로 다른 속도로 전달되어 수신된다. 이러한 신호는 인접한 심볼에 영향을 주는 인접신호간섭(ISI, Intersymbol Inteference) 현상을 일으켜 전송 복조할 때 오류를 발생시키는 문제점을 일으킨다.

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