[논문]해양환경 변동에 따른 수중음향 무선통신 채널 특성

최지웅; 김선효; 손수욱; 김시문

해양환경 변동에 따른 수중음향 무선통신 채널 특성 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.33 no.8, 2016년, pp.52 - 62

최지웅 (한양대학교) , 김선효 (한양대학교) , 손수욱 (한양대학교) , 김시문 (선박해양플랜트연구소)

초록
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해양에서 음파를 사용하여 수중통신을 시도할 경우 해양매질은 음향 도파관(acoustic waveguide)의 역할을 하게 되고, 이 경우 해양환경의 변동성과 그에 따른 음파와 매질의 간섭에 의해 수중통신 채널의 변동성이 발생한다. 수중음향 채널은 대역 제한 채널이면서 잔향음 제한 채널이고 강한 도플러 변이 채널이므로 수신된 통신 신호는 육상통신에 비해 심한 인접 심볼간 간섭(intersymbol interference)과 위상변이를 가지게 된다. 따라서 수중통신을 시도함에 있어 이러한 해양환경 변동성과 그에 따른 수중음향 채널 변동에 대한 충분한 고려가 필요하다. 본 논문은 수중통신 시스템 구성에 도움을 줄 수 있도록 수중통신 채널에 영향을 미치는 해양 매질의 기본적 특성에 대해 소개하고 수중통신 채널과의 상관성 및 환경 변동성에 따른 통신채널의 변동성에 대해 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수중통신 채널을 형성하고 있는 해양환경의 기본적 특성에 대해 소개하고, 이에 따른 수중통신채널의 특성에 대해 간단히 소개하고자 한다.
따라서 수중통신채널을 통해 전파된 통신신호는 매질 변동성에 따른 왜곡이 육상통신에 비해 크며, 이러한 원인으로 인해 수중통신은 만족스러운 성능을 도출하는데 어려움을 겪는다. 본 논문에서는 수중통신채널의 세가지 대표적 특징인 대역제한 채널, 다중 경로 채널, 도플러 변이 채널에 대해 살펴보았고, 해양환경 변동이 수중통신 채널에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
본 논문에서는 육상통신채널과 대비되는 수중통신채널의 특성과 시공간적 변동성에 대해 고찰하였다. 해양환경은 여러 가지 요인(계절, 일주, 조석주기에 따른 변동성 및 내부파와 해수면 움직임에 따른 단주기 변동성 등)에 의해서 시공간상에서 변동성이 매우 크다.

가설 설정

<그림 2(c)>는 천해 겨울철 음속구조 하에서 모의된 음선 추적 예이다. 모의 해역의 수심은 50 m, 음원 수심은 25 m를 가정하였다. 음원으로부터 송신된 음파가 해수면과 해저면에서 반사되면서 다중 경로로 전파되는 것을 볼 수 있다.
모의 환경으로 수심 100 m의 천해 환경에서 송신기 수심 10 m, 수신기는 총 16개로 구성한 후 수심 50 m를 중심으로 20 λ(중심 주파수 8 kHz) 간격으로 수직적으로 배열시켰고, 송수신기간 수평거리는 500 m, 음속은 전체 수심에 대해 1500 m/s로 일정하다고 가정하였고, 해저면 저질 평균입도는 1.0 Φ(coarse sand)로 다중 경로 채널이 복잡한 환경을 가정하였다.

제안 방법

<그림 7>은 2013년 10월 통영 인근 해역 (수심 약 30 m)에서 측정된 채널세기 임펄스 응답 결과이다. 송수신기간 수평거리 약 115 m였으며 음원을 27.5 m 수심에 고정한 후 수신기 수심 6.3 m와 23.3 m에서 중심 주파수 12 kHz와 밴드폭 4 kHz 를 갖는 LFM신호를 이용하여 3분 동안의 채널세기 임펄스 응답 변화를 측정하였다. <그림 7(a)>와 <그림 7(b)>는 수신기 수심 6.
수동 시역전 기법을 이용한 통신 성능을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모의 환경으로 수심 100 m의 천해 환경에서 송신기 수심 10 m, 수신기는 총 16개로 구성한 후 수심 50 m를 중심으로 20 λ(중심 주파수 8 kHz) 간격으로 수직적으로 배열시켰고, 송수신기간 수평거리는 500 m, 음속은 전체 수심에 대해 1500 m/s로 일정하다고 가정하였고, 해저면 저질 평균입도는 1.
채널 모델링을 위하여 내부파가 활발히 존재하는 시간구간과 내부파가 미약한 시간구간을 <그림 8(a)>와 같이 설정하였다. 수층 수심 121 m를 가정한 후 송수신기간 수평 거리 1.26 km에서 음원과 수신기 수심을 동일하게 60 m에 위치시킨 후 음선모델 기반인 벨홉(Bellhop)[26]을 이용하여 시간에 따른 채널 모델링을 수행 하였다. 강한 내부파 패킷(internal wave packet)이 존재하는 시간 구간에서는 내부파로 인한 음파의 하향굴절 영향으로 직접파가 발생하지 않는 것으로 모의된 반면<그림 8(b)>, 내부파의 영향이 작은 경우<그림 8(c)>에서는 비교적 강한 직접파가 수신되는 것으로 모의되었다.
이러한 현상을 확인하기 위하여 음선이론 기반의 음전달 모델을 이용한 채널세기 임펄스 응답 모의를 실시하였다. <그림 8(a)>는 2009년 7월 동해시에서 약 10 km 떨어진 해역에서 써 미스터체인(thermister chain)을 이용하여 측정된 시간에 따른 수심별 음속 구조이다[27].
통신채널은 시변동성 뿐 아니라 송수신기의 위치에 따른 공간 변동성의 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다[29]. 이를 확인하기 위하여 2013년 10월 통영 인근 해역에서 송수신기의 공간적 배치 변화에 따른 수중 통신 채널 특정 실험이 수행되었다. 고정형 송신기는 해저면(수심 약 30 m)으로부터 약 2.
채널 모델링을 위하여 내부파가 활발히 존재하는 시간구간과 내부파가 미약한 시간구간을 와 같이 설정하였다.

대상 데이터

이를 확인하기 위하여 2013년 10월 통영 인근 해역에서 송수신기의 공간적 배치 변화에 따른 수중 통신 채널 특정 실험이 수행되었다. 고정형 송신기는 해저면(수심 약 30 m)으로부터 약 2.5 m에 고정하였고 총 4개의 수신기(6.3 m, 16.3 m, 19.3 m, 23.2 m)와 3 개의 송수신기간 수평거리(115 m, 300 m, 525 m)에 대한 실험이 수행되었다. 채널 측정 실험 시 음속 구조의 수심에 따른 변화는 1504-1510 m/s의 범위 내에서 수심에 따라 일정한 음속 구조를 보였다.
0 Φ(coarse sand)로 다중 경로 채널이 복잡한 환경을 가정하였다. 통신 신호 구성은 6 ~ 10 kHz 대역의 LFM 신호를 탐침(probe) 신호로 사용하였고 1.3 kbps의 전송률을 가지는 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 데이터 신호로 구성하였다.

데이터처리

여기서 D, S, B, S-B, B-S, S-B-S는 각각 직접파, 해수면 반사파, 해저면 반사파, 해수면해저면 반사파, 해저면-해수면 반사파 그리고 해수면-해저면-해수면 반사파. 측정된 채널세기 임펄스 응답은 20번 수신된 LFM 신호의 정합필터링 결과의 포락선 평균을 나타냄.

성능/효과

<그림 15(a)>는 수심 50 m에 위치한 수신기에서 통신 알고리즘과 선형 등화기를 이용하여 복조 된 통신 성능이고, <그림 15(b)>는 수동 시역전 기법을 사용하여 다중 경로 채널이 제거된 집속 신호를 도출하고 통신 알고리즘을 이용하여 복조 된 통신 성능 결과이다. 결과에서 보여지듯이 등화기를 이용하여 도출한 통신 성능(BER : 3.4%) 보다 시역전 기법만을 이용한 통신 성능(BER : 0%)이 훨씬 우세한 것으로 확인된다. 하지만 통신 채널의 시공간적 변동성으로 인해 실제 해양환경에서는 시역전 기법만으로는 기대에 미치는 통신 성능을 도출하기는 쉽지 않다.
측정 당시 수심은 약 105 m였으며, 음원과 수신기 수심은 각각 25 m 와 52 m였고, 음원과 수신기 거리는 416 m <그림 6(a)>와 456 m <그림 6(b)>였다. 실험 당시 수층의 음속은 표층에서 약 25 m까지는 약 1530 m/s로 일정했고, 수심 70 m까지는 수온약층으로 인해 급격히 감소하다가 이후부터는 약 1518 m/s로 일정한 전형적인 여름철 천해 수온구조를 보였다. 해저면은 약 1635 m/s의 음속을 갖는 하부 퇴적층과 1 m 두께의 1560 m/s의 음속을 갖는 세립사질(fine sand) 표층퇴적층의 이층구조 해저면으로 구성되어 있었다[20].
실험 해역의 해저면은 평균입도 6 Φ [여기서0, Φ = -log2(d/d0), d는 입자반경(mm)이고 , d0는 참고길이 (reference length)로서 1 mm 길이에 해당한다]인 해저면 반사손실이 큰 해저면으로 직접파와 해수면 반사파가 우세한 채널 특성을 보였다.
2 m)와 3 개의 송수신기간 수평거리(115 m, 300 m, 525 m)에 대한 실험이 수행되었다. 채널 측정 실험 시 음속 구조의 수심에 따른 변화는 1504-1510 m/s의 범위 내에서 수심에 따라 일정한 음속 구조를 보였다.
두 경우 모두 첫 번째 수신되는 채널세기 임펄스 응답은 직접파와 해저면 반사파에 의해서 형성되고 그 뒤를 이어서 수신되는 채널세기 임펄스 응답은 해수면 반사파와 관련된 다중경로들에 의해서 형성된다. 첫 번째 수신되는 채널세기 임펄스 응답은 시변동성이 작은 것에 반하여 해수면 간섭과 관련된 경로들의 경우 시간에 따른 변동성이 무척 큰 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 음파의 파장에 비해 해수면 거칠기가 큰 경우 해수면 반사신호는 산란성분만 살아남게 되며, 이 경우 산란신호는 랜덤신호로 가정할 수 있다.
육상통신채널과 대비되는 수중통신채널의 특징은 크게 세가지로 구분할 수 있다. 첫째는 해양매질에서의 음파의 흡수손실(absorption loss)은 주파수가 증가함에 따라 급격하게 증가한다는 것이다. 따라서 가용 할 수 있는 주파수가 낮기 때문에 수중통신채널은 대역제한(bandlimited) 채널로 특징지어진다.
풍속이 7 m/s일 경우가 5 m/s일 경우에 비해 직접파와 해수면 반사파의 세기 차이가 크게 발생하는 것을 알 수 있으며, 이것은 7 m/ s의 풍속에서 해수면이 더 거칠어짐에 따른 반사성분의 감소와 5 m/s 경우의 음원과 수신기간의 거리가 더 먼 관계로 수온약층을 통과하는 직접파의 굴절효과에 의한 큰 전달손실 영향이 합쳐진 결과로 판단된다. 해수면 반사파의 신호확장이 5m/s일 경우에 비해 7 m/s에서 더 큰 것을 측정 결과와 모델링 결과에서 공히 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SONAR이란?	반면에 수중에서 음파는 전자기파에 비해 감쇠 손실이 매우 작으므로 주파수에 따라서 수천 킬로미터까지도 전파가 가능하다. 이러한 이유로 해양에서 정보를 전달하거나 수중의 표적을 탐지하는데 음파가 유일한 도구로 사용되고 있으며, 이러한 수중음향 시스템을 SONAR(SOund NAvigation and Ranging)라 한다. 수중에서 전파되는 음파는 전자기파에 비해 낮은 전파속도를 가지며 해양매질의 음향학적 특성에 따라 그 진행경로(진행방향)와 크기 그리고 위상의 변화가 생긴다.
	수중통신을 시도함에 있어 해양환경 변동성과 그에 따른 수중음향 채널 변동에 대한 충분한 고려가 필요한 이유는?	해양에서 음파를 사용하여 수중통신을 시도할 경우 해양매질은 음향 도파관(acoustic waveguide)의 역할을 하게 되고, 이 경우 해양환경의 변동성과 그에 따른 음파와 매질의 간섭에 의해 수중통신 채널의 변동성이 발생한다. 수중음향 채널은 대역 제한 채널이면서 잔향음 제한 채널이고 강한 도플러 변이 채널이므로 수신된 통신 신호는 육상통신에 비해 심한 인접 심볼간 간섭(intersymbol interference)과 위상변이를 가지게 된다. 따라서 수중통신을 시도함에 있어 이러한 해양환경 변동성과 그에 따른 수중음향 채널 변동에 대한 충분한 고려가 필요하다.
	수중에서 음파의 특징은?	큰 제약조건 없이 장거리 전파가 가능한 육상통신과 달리 수중에서 전자기파는 높은 감쇠 손실로 인해서 거리에 따른 전달 손실이 크기 때문에 전파 거리가 매우 짧다. 반면에 수중에서 음파는 전자기파에 비해 감쇠 손실이 매우 작으므로 주파수에 따라서 수천 킬로미터까지도 전파가 가능하다. 이러한 이유로 해양에서 정보를 전달하거나 수중의 표적을 탐지하는데 음파가 유일한 도구로 사용되고 있으며, 이러한 수중음향 시스템을 SONAR(SOund NAvigation and Ranging)라 한다.

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표제어: PCR

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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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