[논문]근거리 수중통신을 위한 가시광 LED 적용에 관한 연구

손경락

doi:10.5916/jkosme.2013.37.4.425

초록
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수중통신은 지상통신에 비하여 통신채널의 강건성과 고속데이터 전송 측면에서 상당한 제약 요인을 가지고 있다. 공기 중에서 RF 통신은 장거리 전송에도 높은 데이터 전송률을 보이지만, 수중에서는 매질의 전도특성으로 인하여 전파에너지의 심각한 감쇠현상이 발생하여 통신이 어려운 실정이다. 현재 수중에서 수 십 킬로미터 이상의 장거리 통신이 가능한 음향파 통신 모뎀이 개발되어 사용되고 있지만 낮은 전송율과 높은 전력 소모, 느린 전송속도가 문제로 거론되고 있다. 이 문제를 보완할 수 있는 방안으로 빛을 이용한 근거리 수중무선통신이 대안으로 연구되고 있다. 본 논문에서는 가시광 파장영역에서 수중통신 채널 특성을 분석하였다. 자유공간 광무선 통신과 비교하여 수중 가시광 통신기술의 가능성을 제시하고, LED 기반 트랜시버와 CMOS 센서를 통신시스템에 장착하여 수중이미지 전송을 위한 광무선 통신 시스템을 시연하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Robust and high speed underwater communication is severely limited when compared to communications in terrestial. In free space, RF communication operates over long distances at high data rates. However, the obstacle in seawater is the severe attenuation due to the conducting nature. Acoustic modems...

Robust and high speed underwater communication is severely limited when compared to communications in terrestial. In free space, RF communication operates over long distances at high data rates. However, the obstacle in seawater is the severe attenuation due to the conducting nature. Acoustic modems are capable of long range communication up to several tens of kilometers, but it has low data-rate, high power consumption and low propagation speed. An alternative means of underwater communication is based on optics, wherein high data rates are possible. In this paper, the characteristics of underwater channel in the range of visible wavelength is investigated. And the possibility of optical wireless communication in underwater is also described. The LED-based transceiver and CMOS sensor module are integrated in the system, and the performance of image transmission was demonstrated.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 가시광 파장영역에서 수중통신 채널의 특성을 해석하고 통신거리에 따른 광 손실을 예측하였다. 근거리 수중통신의 가능성을 보이기 위하여 1개의 LED로 구현된 방수형 광원과 다 수개의 수광소자로 구성된 수신단을 제작하였고, 이를 이용하여 CMOS 이미지 센서로 획득된 디지털 정보를 수조 실험 조건에서 성공적으로 전송됨을 보였다.
본 논문에서는 근거리 수중광무선 통신에 대한 연구를 보고하였다. 가시광 영역에서 수중채널의 감쇠특성을 고려하여 광 손실을 계산하였고 자유 공간에서의 전송특성과 비교하였다.

제안 방법

본 논문에서는 근거리 수중광무선 통신에 대한 연구를 보고하였다. 가시광 영역에서 수중채널의 감쇠특성을 고려하여 광 손실을 계산하였고 자유 공간에서의 전송특성과 비교하였다. 기존에 발표 된 다양한 자료를 근거로 백색 LED 기반 가시광 통신 시스템을 설계하고 수중에서 양방향 통신이 가능함을 보였다.
8 m 길이의 수조에 적당량 물을 채우고 광원과 CMOS 이미지 센서모듈을 수조 내부에 설치하였다. 광원은 100 m 방수를 보장할 수 있게 밀봉되어져 있으며 CMOS 센서 모듈은 플라스틱 케이스를 이용하여 방수가 가능하도록 하였다. 그러나 수신단의 경우 방수처리가 용이하지 않아 수조 바깥에 설치하였다.
그러나 웅답속도가 느려지는 문제가 발생할 수 있으므로 적절한 개수를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 7 개의 광 검출기를 병렬 연결하였고 벌집 형태의 반사판에 장착하였다. 반사판은 집광기를 역할을 함으로서 수광 효율을 높이는데 기여한다.
통상 송수신기는 빛 통과가 용이한 투명 유리 또는 플라스틱으로 창을 만들기 때문에 수조 외부 수신기를 설치하더라도 실험결과에는 미치는 영향은 무시할 수 있다. 송수신단이 분리되어 있으므로 양방향 통신을 위하여 서로 어긋나게 배치함으로서 시계영역이 확보될 수 있도록 하였다. 수중에서 양방향 통신을 보장할 수 있는 조도는 수신단에서 500 lux 정도 보장되어야 한다.
2010년 미국 MIT에서는 수중로봇을 제어하기 위한 광무선 수중 모뎀을 개발하고 있음을 발표하였다[11]. 케이블 연결 없이 어지러운 수중환경 하에 서도 로봇을 안정적으로 제어할 수 있는 광 링크를 확보하는 실험으로, 5W 청색 LED 6개와 애버 런치 포토다이오드를 사용하여 수중 1 m 깊이에서 1.2 Mbps 단방향 통신을 30 m 거리까지 성공적으 로 수행하였다.
로 제작한 모니터링 프로그램의 화면이다. 통신포트설정을 확인하고, 통신 상태를 감시하면서 전송된 이미지를 보여준다. 화면의 이미지는 수중에 설치된 CMOS 센서 모듈에서 수조내부를 촬영한 것이다.

대상 데이터

수중에서 양방향 통신을 보장할 수 있는 조도는 수신단에서 500 lux 정도 보장되어야 한다. 본 연구에서 사용한 1개의 백색 LED로 통신이 가능한 거리는 1 m 내외였다. 여러 개의 광원을 병렬 연결하여 광 출력을 높이고 콜리메이터 또는 렌즈를 광 검출기에 사용하여 집광할 수 있는 구조를 적용한다면 통신거리를 수미터 까지 늘릴 수 있을 것이다.
수신부는 수광 소자와 광전변환 신호처리부분으로 구성되어있다. 수광 소자로서의 광 검출기는 PIN 구조로 된 오스람사의 SFH213을 사용하였다. 응답 시간은 5ns로 200 MHz의 대역폭을 제공한다.
예를 들면 2006년 미국의 우즈홀 (Woods Hole) 해양연구소에서는 부분적으로 유선화된 해저 관측소를 기반으로 근거리 광대역 인터넷 서비스를 수중에서 제공하는 것을 목표로 광무선 모뎀 네트워크를 위한 프로토타입의 시스템을 개발하고 성능실험을 수행하였다. 실험용 플랫폼은 6 개의 청색 LED와 광증배관 (photomultiplier tube: PMT)으로 구성되어져 있고, 해중 10 m 거리에서 10 MHz의 구형파가 복원되어짐을 확인하였다[8].

성능/효과

본 논문에서는 가시광 파장영역에서 수중통신 채널의 특성을 해석하고 통신거리에 따른 광 손실을 예측하였다. 근거리 수중통신의 가능성을 보이기 위하여 1개의 LED로 구현된 방수형 광원과 다 수개의 수광소자로 구성된 수신단을 제작하였고, 이를 이용하여 CMOS 이미지 센서로 획득된 디지털 정보를 수조 실험 조건에서 성공적으로 전송됨을 보였다. 제안된 시스템은 수중에서 근거리 영역의 통신 수단으로 응용될 수 있을 것이다.
가시광 영역에서 수중채널의 감쇠특성을 고려하여 광 손실을 계산하였고 자유 공간에서의 전송특성과 비교하였다. 기존에 발표 된 다양한 자료를 근거로 백색 LED 기반 가시광 통신 시스템을 설계하고 수중에서 양방향 통신이 가능함을 보였다. 조명용 광원으로 사용하는 백색 LED 1개와 저가격의 포토다이오드 7개로 구성된 송수신기를 통하여 CMOS 이미지 센서로 획득한 정지영상이 1 m 거리에서 성공적으로 전송됨을 보 였다.
촬영된 이미지는 JPEG로 압축되고 순차적으로 수행되는 데이터 전송 명령에 의해 디지털 영상신호처리 프로세서의 UART로 내보내면 트랜스미터 B와 리시버 A의 경로를 통해 데이터를 보내게 된다. 데이터 크기는 48.3 Kbyte이며 한개의 이미지 데이터를 촬영하여 수신하는데 12초 가량 소요됨을 알 수 있다.
송신부는 백색 파워 LED와 이를 변조하기 위한 구동회로로 구성된다. 시스템의 출력신호에 대응하는 LED 스위칭 신호를 만들기 위하여 MAX232와 인버터(inverter)로 구성된 LED 구동회로를 구현하였으며 제작된 광원부는 1MHz의 변조대역폭을 가짐을 확인하였다. 수신부는 수광 소자와 광전변환 신호처리부분으로 구성되어있다.
기존에 발표 된 다양한 자료를 근거로 백색 LED 기반 가시광 통신 시스템을 설계하고 수중에서 양방향 통신이 가능함을 보였다. 조명용 광원으로 사용하는 백색 LED 1개와 저가격의 포토다이오드 7개로 구성된 송수신기를 통하여 CMOS 이미지 센서로 획득한 정지영상이 1 m 거리에서 성공적으로 전송됨을 보 였다. 수중 채널의 광 감쇠 문제를 극복할 수 있는 고출력 광원의 설계와 광전변환 효율이 높은 수신기를 적용하여 통신거리를 늘린다면 실시간 해양환경모니터링, 해저 탐사를 위한 센서네트워크, 수중 자율 이동체 및 로봇간의 통신, 수중 근거리 기밀통신 등에 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

후속연구

화면의 이미지는 수중에 설치된 CMOS 센서 모듈에서 수조내부를 촬영한 것이다. 비록 1 m 정도의 제한된 범위에서 수중 이미지를 촬영하고 가시광 통신으로 전송하였지만 향 후 광원의 출력을 향상시키고 수신단의 광전변환 효율을 개선한다면 대용량의 실시간 수중영상을 전송하는 시스템으로 발전시킬 수 있을 것이다.
조명용 광원으로 사용하는 백색 LED 1개와 저가격의 포토다이오드 7개로 구성된 송수신기를 통하여 CMOS 이미지 센서로 획득한 정지영상이 1 m 거리에서 성공적으로 전송됨을 보 였다. 수중 채널의 광 감쇠 문제를 극복할 수 있는 고출력 광원의 설계와 광전변환 효율이 높은 수신기를 적용하여 통신거리를 늘린다면 실시간 해양환경모니터링, 해저 탐사를 위한 센서네트워크, 수중 자율 이동체 및 로봇간의 통신, 수중 근거리 기밀통신 등에 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서 사용한 1개의 백색 LED로 통신이 가능한 거리는 1 m 내외였다. 여러 개의 광원을 병렬 연결하여 광 출력을 높이고 콜리메이터 또는 렌즈를 광 검출기에 사용하여 집광할 수 있는 구조를 적용한다면 통신거리를 수미터 까지 늘릴 수 있을 것이다.
근거리 수중통신의 가능성을 보이기 위하여 1개의 LED로 구현된 방수형 광원과 다 수개의 수광소자로 구성된 수신단을 제작하였고, 이를 이용하여 CMOS 이미지 센서로 획득된 디지털 정보를 수조 실험 조건에서 성공적으로 전송됨을 보였다. 제안된 시스템은 수중에서 근거리 영역의 통신 수단으로 응용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중통신이 수중에서 제약 요인을 갖는 까닭은 무엇인가?	수중통신은 지상통신에 비하여 통신채널의 강건성과 고속데이터 전송 측면에서 상당한 제약 요인을 가지고 있다. 공기 중에서 RF 통신은 장거리 전송에도 높은 데이터 전송률을 보이지만, 수중에서는 매질의 전도특성으로 인하여 전파에너지의 심각한 감쇠현상이 발생하여 통신이 어려운 실정이다. 현재 수중에서 수 십 킬로미터 이상의 장거리 통신이 가능한 음향파 통신 모뎀이 개발되어 사용되고 있지만 낮은 전송율과 높은 전력 소모, 느린 전송속도가 문제로 거론되고 있다.
	음향파 통신 모뎀이가진 문제를 보완할 수단으로 연구되는 것은 무엇이 있는가?	현재 수중에서 수 십 킬로미터 이상의 장거리 통신이 가능한 음향파 통신 모뎀이 개발되어 사용되고 있지만 낮은 전송율과 높은 전력 소모, 느린 전송속도가 문제로 거론되고 있다. 이 문제를 보완할 수 있는 방안으로 빛을 이용한 근거리 수중무선통신이 대안으로 연구되고 있다. 본 논문에서는 가시광 파장영역에서 수중통신 채널 특성을 분석하였다.
	음향파의 특징은 무엇인가?	음향파는 RF와 달리 해수에서도 잘 전송이 되며 수 km 이상 도달할 수 있기 때문에 수중통신에 폭 넓게 응용되고 있다[5][6]. 그러나 최근 수중 무선 센서 네트워크를 위한 솔루션에서 음향파 통신의 제한된 대역폭과 저속통신, 거리에 따른 전송지연 시간의 차이로 인한 다중 채널간 간섭과 페이딩 (fading) 등으로 이러한 제한점을 극복하고 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 여전히 찾고 있는 중이 다.

참고문헌 (15)

M. Stojanovic, "Underwater wireless communications: current achievements and research challenges," IEEE Oceanic Engineering Society Newsletter, pp. 1-6, 2006.
R. B. Manjula, S. M. Sunilkumar, "Issues in underwater acoustic sensor network," Journal of Computer and Electrical Engineering, vol. 3, no. 1, pp. 101-110, 2011.
F. Schill, U. R. Zimmer, and J. Trumpf, "Visible spectrum optical communication and distance sensing for underwater applications," Proceeding of Australasian Conference on Robotics and Automation, pp. 1-8, 2004.
http://www.wirelessfibre.co.uk; Accessed 4 Feb 2013.
I. F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia, "Underwater acoustic sensor networks: research challenges," vol. 3, pp. 257-279, Ad Hoc Networks, 2005.

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D. Anguita, D. Brizzolara, and G. Parodi, "VHDL modules and circuits for underwater optical wireless communication systems," WSEAS Trans. Communications, vol. 9, pp. 525-552, 2010.
L. Liu, S. Zhou, and J-H. Cui, "Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks," Wireless communications & mobile computing, pp. 977-994, 2008.
N. Farr, A. D. Chave, L. Freitag, S. N. White, D. Yoerger, and F. Sonnichsen, "Optical modem technology for seafloor observatories," Oceans, pp. 1-6, 2006.
N. Farr, A. Bowen, J. Ware, C. Pontbriand, and M. Tivey, "An integrated, underwater optical/acoustic communications system," Ocean Physics and Engineering, pp. 1-6, 2010.
D. Anguita, D. Brizzolara, G. Parodi, and Q. Hu, "Optical wireless underwater communication for AUV: preliminary simulation and experimental results," IEEE Oceans, pp. 1-5, June 2011.
M. Doniec, C. Detweiler, I. Vasilescu, and D. Rus, "Using optical communication for remote underwater robot operation," International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 4017-4022, 2010.
http://moeri.kordi.re.kr; Accessed 7 Feb 2013.
http://155.230.104.21; Accessed 7 Feb 2013.
Y. J. Kim and K. R. Sohn, "A study on the frequency modulation-based audio transmission system for short-range underwater optical wireless communications," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 1, pp. 166-171, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
K. R. Sohn and C. W. Sohn, "Optical wireless remote control using indoor LED lightings," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 8, pp. 1111-1116, 2012 (in Korean).

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