[논문]블루투스와 연동하는 수중 가시광 통신 시스템의 구현

김민수; 손경락

doi:10.5916/jkosme.2014.38.7.923

블루투스와 연동하는 수중 가시광 통신 시스템의 구현
Implementation of underwater visible light communication system interlinked with bluetooth 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.7, 2014년, pp.923 - 928

김민수 (Department of Electronics and Communications Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 손경락 (Department of Electronics and Communications Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper

수중통신은 통신채널로서의 물이 가시광 영역을 제외한 전자파 영역에는 본질적으로 전도성이 매우 떨어지므로 공기 중 통신에 비하여 성능이 심각하게 제한된다. 음파통신은 장거리 전송이 가능하지만 전자파에 비하여 음속이 수중에서 매우 느리므로 통신 속도에 제한이 있다. 한편 광무선 통신은 수중 관측이나 해중 모니터링을 위한 요구조건을 충족시킬 수 있는 대안 중의 하나로 제안되었다. 본 연구에서는 블루투스를 이용하여 모선의 통신시스템과 결합할 수 있는 수중 가시광 통신 시스템을 개발하였다. LED 조명통신 시스템과 블루투스의 인터페이스로 수중-수상 통신시스템을 연동할 수 있으며, 수중 3 m 거리에서 230.4 kbps 전송속도로 이미지와 문자를 에러 없이 전송할 수 있음을 보였다. 이러한 노력은 수중 무선 시스템과 수상에서 모니터링을 위한 모선과의 통신을 효과적으로 상호 연결하는 인프라를 강화하는데 기여할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Communication underwater is severely limited when compared to communications in air because water is essentially opaque to electromagnetic radiation except in visible range. Acoustic systems are capable of long range communication, but offer limited data rates and significant latency due to the speed of sound in water. On the other hand, optical wireless communication has been proposed as one of the best alternatives to meet the requirements of the underwater observation and subsea monitoring systems. It will help In this study, we are developing an underwater optical communication system that integrates with a depot ship floating on the water. An interface between LED lighting communication system and Bluetooth module is presented to support the underwater-to-air communications. Error free image and text transmission at 3 m of water were achieved at bit rates of 230.4 kbps. This development effort will enhance infrastructure to efficiently interconnect between underwater wireless systems and command ship networks for underwater monitoring.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Figure 4 (a)와 같이 방수를 위한 구조물에 장착되는 형태로 제작하였다. 단순하면서 저가형의 광 전력 검출기를 위해 실리콘 PIN 광 다이오드 (SFH213, Osram)를 12개 병렬 연결한 구조로 설계하였으며, Figure 4 (b)와 같이 원형으로 배치함으로써 수광 범위를 넓히고 수신감도를 높이고자 하였다. Figure 4 (c)는 트랜스 임피던스 전치증폭기를 이용한 수신단의 회로도와 블루투스 인터페이스 부분을 보여준다.
본 논문에서는 수중에서 가시광 파장영역을 이용하여 근거리 통신이 가능한 LED 통신 시스템을 구현하였으며, 수중에서 취득한 데이터를 블루투스를 이용하여 수상으로 송신할 수 있는 중계 시스템을 제안하고 실험하였다. 수중에서 LED 조명 등으로 사용할 수 있을 정도의 광 전력을 방출하기 위하여 5 W급 고휘도 LED 4 개로 광 송신기를 제작하였고 고속 변조가 가능하게 MOSFET으로 LED를 구동하였다.
해양 및 해저에 대한 관심이 높아지고 바다 속의 풍부한 자원 개발의 필요성이 부각되고 있는 점을 고려한다면 지상 통신망과 유사한 형태의 수중 통신 네트워크는 필수적이라고 할 수 있다. 이러한 관점에서 본 연구는 수중에서의 근거리 고속 통신 및 수중-수상 간 연결통신을 가시광을 적용한 무선통신 시스템으로 가능함을 보여주려고 하였다.

제안 방법

블루투스는 1 dBi 기본안테나로 장애물이 없을 경우 100 m 까지 통신이 지원되지만 실내에서는 30 m 정도 통신거리를 확보할 수 있으므로 블루투스 수상 중계기와 모선간의 통신은 한정된 근접거리에서 수행되어야한다. 본 연구에서는 가시광과 블루투스로 구성된 통신채널을 이용하여 수중-수상간 이미지 전송과 데이터 전송을 성공적으로 수행하였다.
본 연구에서는 각각의 LED에 개별적 렌즈가 배열되도록 하였으며 이로 인한 조명등의 방사각은 20° 이다.
스마트폰이 대중화된 시대에 맞추어 본 실험에서는 일련의 문자열을 수중 가시광 통신을 통해 수신한 수상 중계기는 블루투스를 이용하여 지상의 스마트 폰으로 전송하였다. 블루투스를 이용한 스마트폰과의 통신은 안드로이드 기반 응용 프로그램을 개발하여 사용하였다. Figure 7은 수중에 설치된 광 다이오드 수신기와 연결된 블루투스와 전송된 문자열을 받고 있는 스마트폰의 사진이다.
송수신 PC 간 이미지 전송을 위한 프로그램은 LabVIEW를 이용하여 개발하였다. Figure 6 (a)는 이미지 송신 프로그램 화면이다.
본 논문에서는 수중에서 가시광 파장영역을 이용하여 근거리 통신이 가능한 LED 통신 시스템을 구현하였으며, 수중에서 취득한 데이터를 블루투스를 이용하여 수상으로 송신할 수 있는 중계 시스템을 제안하고 실험하였다. 수중에서 LED 조명 등으로 사용할 수 있을 정도의 광 전력을 방출하기 위하여 5 W급 고휘도 LED 4 개로 광 송신기를 제작하였고 고속 변조가 가능하게 MOSFET으로 LED를 구동하였다. 수중에서 획득된 정보는 블루투스와 연동되며 최종적으로 수상에 있는 단말기 또는 스마트폰으로 전송될 수 있게 하였다.
수중에서 획득한 정보를 지상의 이동 단말기에서 즉시 확인할 수 있는 기능은 매우 유용한 서비스를 제공할 수 있다. 스마트폰이 대중화된 시대에 맞추어 본 실험에서는 일련의 문자열을 수중 가시광 통신을 통해 수신한 수상 중계기는 블루투스를 이용하여 지상의 스마트 폰으로 전송하였다. 블루투스를 이용한 스마트폰과의 통신은 안드로이드 기반 응용 프로그램을 개발하여 사용하였다.
수중에서 수집된 데이터는 수상에 있는 모선으로 전송되어 모니터링 될 수 있어야 하며 수상의 모선에서는 수중 시스템을 제어할수 있어야 한다. 이를 위하여 본 논문에서는 가시광 통신 시스템으로 근거리 수중 데이터통신을 수행하고 이를 지상의 무선 통신망과 결합하는 방법으로 스마트폰의 블루투스 사용을 처음으로 제안하고 시스템을 구현하였다. 스마트폰은 성능이 우수하고 활용성이 다양한 개인용 휴대 단말기이지만 블루투스를 이용할 경우 기존의 무선통신망이 취약한 해상에서도 비용 지불 없이 독립적인 통신 채널을 확보하는 수단으로 사용할 수 있다.

대상 데이터

Figure 2 (c)는 LED 구동회로이다. 고출력 LED 의 고속 스위칭을 위하여 SUP40N10 n-MOSFET (스위칭 특성: 상승시간 12 ns, 하강시간: 12 ns)과 TC4427 MOSFET Driver (스위칭 특성: 상승시간 19 ns, 하강시간: 19 ns)를 사용하였다. LED의 스위칭 시간은 TC4427에 의해 제한되므로 구동회로의 이상적인 대역폭은 25 MHz 정도이다.
본 실험에서 RF는 5.6kΩ으로 설정하였다.
보낼 이미지 파일을 선택하면 전송이 시작되고 파일전송이 끝난 후 종료메시지를 보낸다. 본 실험에서는 606 kbyte 크기의 노란색 튤립 사진을 전송하였다. 전송속도는 230.
수중 수신부와 연결된 블루투스는 수조의 물 표면에 뜰 수 있게 설치하여 수면 중계기 역할을 하게 된다. 본 연구에서는 수신 무선 단말기로 블루투스 모듈이 장착된 PC와 스마트폰을 이용하였다. PC 간 통신에서는 이미지 전송을 스마트폰 통신에는 텍스트 전송을 시도하였다.

이론/모형

본 실험에서는 606 kbyte 크기의 노란색 튤립 사진을 전송하였다. 전송속도는 230.4 kbps이며 변조 방법은 진폭 편이 변조 방법 중 가장 단순한 방식인 온-오프 변조 (On-off keying)를 사용하였다. 수중 통신 거리는 수조의 길이 제한으로 3 m 까지만 가능하였지만 수상에서 블루투스에 의한 스마트폰까지의 통신 거리는 1 dBi 기본안테나를 사용하여 약 30 m 이었다.

성능/효과

Figure 7은 수중에 설치된 광 다이오드 수신기와 연결된 블루투스와 전송된 문자열을 받고 있는 스마트폰의 사진이다. 스마트폰을 이용한 가시광 수중통신 실험에서 10분간 연속적인 데이터 전송에도 에러가 발생하지 않았으며 최대 전송 가능한 보오율은 230.4 Kbps 이었다. 더 높은 비트 율에서는 간헐적 오류 데이터가 발생하였다.
또한 수신 프로그램에서는 수신된 이미지의 16진 코드를 확인할 수 있게 구현이 되어 있으므로 전송 데이터와 비트 단위 비교가 가능하다. 이를 통해서도 가시광 통신과 블루투스 무선 통신의 연동으로 인한 데이터 손실은 발생하지 않았으므로 동일한 품질의 이미지가 수신되었음을 확인할 수 있었다.
이를 보완하기 위하여 12 개의 광 다이오드를 Figure 4 (b)와 같이 배열하였다. 제작된 송수신기의 지상 통신성능 시험에서는 230.4 kbps에서 19 m 까지 통신이 가능하였다. 일정한 거리 내에서는 복수개의 광 다이오드로 수신 감도를 높일 수 있지만 그 범위를 벗어나 신호 전력이 미약할 경우에는 수신단의 누적 열잡음으로 신호대 잡음비 개선을 기대하기 어렵다.
수중에서 획득된 정보는 블루투스와 연동되며 최종적으로 수상에 있는 단말기 또는 스마트폰으로 전송될 수 있게 하였다. 제한된 수조실험을 통해 3 m 거리의 수중에서 230.4 Kbps의 속도로 이미지 및 문자열 전송이 완벽하게 수행됨을 보였다.

후속연구

더 높은 비트 율에서는 간헐적 오류 데이터가 발생하였다. 수신단의 직렬통신 포트와 블루투스간의 연결 케이블을 방수에 강하고 전기적 간섭으로 부터 차폐될 수 있는 것으로 보완한다면 더 높은 비트율로 통신이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 가시광 통신 시스템의 특징은 무엇인가?	본 연구에서는 블루투스를 이용하여 모선의 통신시스템과 결합할 수 있는 수중 가시광 통신 시스템을 개발하였다. LED 조명통신 시스템과 블루투스의 인터페이스로 수중-수상 통신시스템을 연동할 수 있으며, 수중 3 m 거리에서 230.4 kbps 전송속도로 이미지와 문자를 에러 없이 전송할 수 있음을 보였다. 이러한 노력은 수중 무선 시스템과 수상에서 모니터링을 위한 모선과의 통신을 효과적으로 상호 연결하는 인프라를 강화하는데 기여할 것이다.
	수중통신의 단점은 무엇인가?	수중통신은 통신채널로서의 물이 가시광 영역을 제외한 전자파 영역에는 본질적으로 전도성이 매우 떨어지므로 공기 중 통신에 비하여 성능이 심각하게 제한된다. 음파통신은 장거리 전송이 가능하지만 전자파에 비하여 음속이 수중에서 매우 느리므로 통신 속도에 제한이 있다.
	음파통신의 특징은 무엇인가?	수중통신은 통신채널로서의 물이 가시광 영역을 제외한 전자파 영역에는 본질적으로 전도성이 매우 떨어지므로 공기 중 통신에 비하여 성능이 심각하게 제한된다. 음파통신은 장거리 전송이 가능하지만 전자파에 비하여 음속이 수중에서 매우 느리므로 통신 속도에 제한이 있다. 한편 광무선 통신은 수중 관측이나 해중 모니터링을 위한 요구조건을 충족시킬 수 있는 대안 중의 하나로 제안되었다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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http://www.osram-os.com/, Accessed August 25, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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