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수중 음향 채널의 해저 광케이블 간섭 효과 분석
Interface Effect Analysis between Undersea Fiber Optic Cable and Underwater Acoustic channel 원문보기 논문타임라인

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.9, 2015년, pp.979 - 986  

임요웅 (전남대학교 전자통신학과) ,  임필섭 (전남대학교 전자통신학과) ,  이정구 (한국과학기술정보연구원) ,  김천석 (전남대학교 전자통신학과)

초록
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광케이블을 이용한 보안 솔루션의 기술들은 아직까지 확실한 기술적 안정성을 확보하지 못한 상태이며, 그중 음향 감지를 통한 보안 시스템 역시 여러 가지 변수에 따른 오 경보 및 감지 실패 등의 완벽한 방어 기술을 확보하지 못한 상태이다. 본 논문에서는 수중 음향 통신의 수중 음향통신 채널에 대한 4가지 특성을 조사한다. 또한 수중에서 음향 신호 분석을 통한 광케이블을 이용한 감지 시스템 구축 방안으로서 감지 시스템을 구축한다. 또한 해저 광케이블의 신호 특성 분석과 잡음 분석을 수행한 후 이를 실제 적용 가능성을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Security solutions using fiber-optic cable have not yet secured a solid technical stability, through which the Acoustic detection security system also did not have a complete defense techniques such as false alarm and detecting fail due to a number of variables. In this paper, we investigate 4 chara...

주제어

#광케이블   #음향 신호   #보안   #수중 통신  

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

문제 정의

  • 본 논문에서는 광케이블에 혼입되는 Acoustic 신호를 분석하여 여러 상황의 결과치를 도출하여 해저 광케이블의 손망실 감지, 오일, 가스 파이프라인 감지 및 모니터링, 펜스, 울타리 경계 감지, 주요 자산의 보호 감지 등에 적용하기 위한 방법을 그림 1과 같이 제시한다.
  • 본 논문에서는 수중 음향 채널에서 수중 음향통신 채널에 대한 4가지 특성인 간섭과 반향, 기하학적인 왜곡과 흡수에 기인한 전송 손실, 환경 잡음, 송신기와 수신기사이의 상대적인 이동으로 인한 도플러 확산을 조사하였다
  • 본 논문에서는 해저 광케이블의 신호 특성은 지상 광케이블 특성과 거의 동일하며 이에 수중 음향 인입 데이터 축출과 분석하였다. 광케이블은 음향 신호 인입용의 별도의 케이블이 필요하지 않으며, 기존 상용 케이블을 사용하며 유사 패턴의 신호 그룹을 감지 시스템 데이터 DB에 연동 누적시킨다.
  • 이에 본 논문에서는 수중 음향 채널에서 수중 음향 통신 채널에 대한 4가지 특성을 조사한다. 또한 수중에서 음향 신호 분석을 통한 광케이블을 이용한 보안 시스템 구축 방안으로서 보안 시스템을 구축하고 수중에서의 음향 신호를 분석한다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 환경 잡음 영향을 단순화하기 위하여 1kHz ∼10KHz 구간만을 모델링하며, 수심과 잡음레벨이 반비례한다고 가정하고 식(3)-식(5)를 유도하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수중에서 광케이블의 음향 특성을 이용하기 위해 필수적인 것은 무엇인가? 이러한 광케이블을 사용한 수중용 보안 시스템은 주로 광케이블의 음향(acoustic) 특성을 이용한다. 수중에서 광케이블의 음향 특성을 이용하기 위해서 수중의 음파 채널에 대한 특성 분석이 필수적이며 광대역 장거리 해저 광케이블의 다양한 수중 음파 채널의 특성을 집적화하여 광케이블을 통한 보안 및 수중 채널 품질 확장의 가능성을 분석한 연구[1-2]가 있으나 실제 수중 통신에 적용하기에는 아직 신뢰성을 확보하지 못하고 있는 상황이다.
수중 음향 통신은 어느 분야에서 실용화되어 있는가? 수중 음향 통신은 매질의 극심한 환경 변수와 다양한 잡음들의 영향으로 인하여 실질적인 상용화를 위한 연구와 개발이 쉽지 않은 상황으로 어군 탐지, 단거리의 제한된 용도와 군사용 등의 특수한 목적을 가진 일부 영역에서 실용화 되어 있는 상황이다.
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참고문헌 (14)
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  1. B. Li, S. Zhou, M. Stojanovic, L. Freitag, and P. Willett, "Multicarrier communication over underwater acoustic channels with nonuniform Doppler shifts," IEEE J. of Oceanic Engineering, vol. 33, no. 2, 2008, pp. 270-279. 

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    이러한 솔루션은 미국, 영국, 이스라엘, 호주 등지에서 집적된 기술개발과 상용화가 이루어진 상황이며, 군부대, 주요 플랜트, 관공서, 파이프라인, 중요 요인 거주지역 등 중요 시설물 보호를 위하여 다양한 솔루션이 제공 되고 있다[1].

    수중에서 광케이블의 음향 특성을 이용하기 위해서 수중의 음파 채널에 대한 특성 분석이 필수적이며 광대역 장거리 해저 광케이블의 다양한 수중 음파 채널의 특성을 집적화하여 광케이블을 통한 보안 및 수중 채널 품질 확장의 가능성을 분석한 연구[1-2]가 있으나 실제 수중 통신에 적용하기에는 아직 신뢰성을 확보하지 못하고 있는 상황이다.

  2. Y. Labrador, M. Karimi, D. Pan, and J. Miller, "Modulation and Error Correction in the Underwater Acoustic Communication Channel," IJCSNS, Int. J. of Computer Science and Network Security, vol. 9 no. 7, July 2009, pp. 350-359. 

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    수중에서 광케이블의 음향 특성을 이용하기 위해서 수중의 음파 채널에 대한 특성 분석이 필수적이며 광대역 장거리 해저 광케이블의 다양한 수중 음파 채널의 특성을 집적화하여 광케이블을 통한 보안 및 수중 채널 품질 확장의 가능성을 분석한 연구[1-2]가 있으나 실제 수중 통신에 적용하기에는 아직 신뢰성을 확보하지 못하고 있는 상황이다.

  3. A. Sohail and M. N. Jafri, "Adaptive OFDM over Frequency Selective and Fast Fading Channel Using Blockwise Bit Loading Algorithm," IEEE Int. Conf. on Wireless and Optical Communication Networks, Helsinki, July 2009. 

  4. J. Yoo, H. Park, and H. Shin, "A study of Integrated Management Center of u-City," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 2, no. 3, 2007. pp. 210-218. 

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    이 시스템은 유사 시스템인 자력식 케이블 감지 시스템과 광 망 시스템 등과 각각의 장단점을 보완하며 상황에 맞은 솔루션으로 채택 활용되고 있다[4].

  5. J. Yoo and H. Shin, " A study on the processor of City construction and u-City business," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 4, no. 4, 2009, pp. 287-292. 

  6. I. Kim and H. Shin, "A study on Development of Intelligent CCTV Security System based on BIM," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 6, no. 5, 2011, pp. 789-795. 

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    이는 해저 환경에서도 활용이 가능하며, 다양한 신호의 분석이 최대의 문제가 될 것으로 전망하고 있다[6-7].

  7. I. Kim, J. Yoo, and B. Kim, "A Monitoring Way and Installation CCTV under the u-City Environment," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 3, no. 4, 2008, pp. 295-303. 

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    이는 해저 환경에서도 활용이 가능하며, 다양한 신호의 분석이 최대의 문제가 될 것으로 전망하고 있다[6-7].

  8. M. Jang, M. Jun, T. Roh, and J. Kim, "Thermoelectric Power Generation with High Efficiency," Electronics and Telecommunications Trends, vol. 23, no. 6, 2008, pp. 12-21. 

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    이는 어떠한 물체가 접근 하는가 혹은 어떠한 행동을 하고 있는가를 인지하는 기술이며, 이를 통하여 주요 시설물에 문제를 야기할 수 있는 행동인지를 구분해 내기 위함이다[8-10].

  9. S. Han, Y. Kim, J. Kim, D. Kim, J. Jung, S. Kim, and G. Cho, "Control of Heat Temperature in Light Emitting Diodes with Thermoelectric Device," J. of the Korean vacuum Society, vol. 20, no. 4, 2011, pp. 280-287. 

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    이는 어떠한 물체가 접근 하는가 혹은 어떠한 행동을 하고 있는가를 인지하는 기술이며, 이를 통하여 주요 시설물에 문제를 야기할 수 있는 행동인지를 구분해 내기 위함이다[8-10].

  10. Y. Im, and H. Kang, "Performance Frequency Division Multiplexing(OFDM) over an underwater acoustic channel," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 5, no. 5, 2010, pp. 509-515. 

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    주로 고체나 기체의 입자들에 의해서 수중의 이질성, 밀도 그리고 온도 기술에 의해서 수중 채널의 불완전성이 나타난다[10].

    이는 어떠한 물체가 접근 하는가 혹은 어떠한 행동을 하고 있는가를 인지하는 기술이며, 이를 통하여 주요 시설물에 문제를 야기할 수 있는 행동인지를 구분해 내기 위함이다[8-10].

  11. E. Kim and D. Kim, "Energy Efficient Routing Protocol of Underwater Sensor Networks in the Deep Ocean" J. of the Korea Institute of Information Science, vol. 34, no. 2(D), 2007, pp. 294-299. 

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    식(3)과 식(4)를 이용하여 식(5)과 같이 수심과 주파수에 따른 잡음레벨 식을 유도하였다[11].

  12. C. Hwang and K. Kim, "Doppler Frequency Estimation for Time-Varying Underwater Acoustic Communication Channel" J. of the Korea Institute of Communication and Information Sciences, vol. 40, no. 1, 2015, pp. 187-192. 

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    여기서 s(t)는 송신된 신호를 r(t)는 도플러 주파수 천이된 신호를 각각 나타낸다[12].

  13. K. Kim, "A Study on The low-frequency Hydrophone Using Single-mode FBG in the Hopper Type WDM be in the Making" J. of the Institute of Electronics Engineers of Korea, vol. 50, no. 12, 2013, pp. 3225-3229. 

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    그림 5의 결과는 단일모드광섬유에서 1,548.7nm 중심파장을 사용하고, 음원 1Hz∼20KHz 가변 수중 스피커를 통하여 음향 신호를 인가한 2m×1m×1.5m 수조 실험의 결과 파형이다[13].

  14. T.Bok, J. Kim, D.aeng, J. Lee, J. Bae, S. Kim, "Extraction of an Underwater Transient Signal Using Sound Mask-filter" J. of the Acoustical Society of Korea, vol. 31, no. 8, 2012, pp. 532-541. 

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    (c)와 (e)는 새로운 신호와 필터링된 신호의 전력스펙트럼을 나타낸다[14].

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