[논문]남해 실해역 시험 기반 수중음향채널 경로손실에 관한 연구

김민상; 이태석; 조용호; 임태호; 고학림

doi:10.6109/jkiice.2020.24.3.405

남해 실해역 시험 기반 수중음향채널 경로손실에 관한 연구
A Study on the Path Loss of Underwater Acoustic Channel Based on At-sea Experiment at the South Sea of Korea 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.3, 2020년, pp.405 - 411

김민상 (Oceanic IT Convergence Technology Research Center, Hoseo University) , 이태석 (Oceanic IT Convergence Technology Research Center, Hoseo University) , 조용호 (Oceanic IT Convergence Technology Research Center, Hoseo University) , 임태호 (Oceanic IT Convergence Technology Research Center, Hoseo University) , 고학림 (Oceanic IT Convergence Technology Research Center, Hoseo University)

초록
AI-Helper

최근 수중 자원개발, 재난 감시 및 국방에 관련하여 수중 통신에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 무선통신 시스템 설계에서 경로손실은 주어진 통신 링크에 대한 수신 전력 레벨을 계산하여 통신 신뢰성을 보장하는데 필요한 링크 예산을 도출하기 위한 중요한 정보이다. 수중음향채널은 각 해역에 따라 수온, 수심, 파고, 조류, 탁도 등에 의해 서로 다른 특성을 보이며, 각 해역별 수중음향채널의 경로손실은 서로 다른 특성을 갖는다. 따라서 수중음향 통신 시스템개발을 목적으로 하는 전 세계의 여러 연구기관에서는 다양한 해역에서 수중음향채널에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내는 아직까지 수중음향채널의 경로손실에 대한 연구결과가 매우 부족하다. 따라서 본 연구에서는 남해 거제도 천해역의 실해역 측정을 통해 경로손실을 추정하였으며, 기존 연구에서 제안한 경로손실 수식에 남해의 환경정보를 적용하여 도출한 결과를 비교하여 그 차이를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, studies on underwater communication, related to the development of underwater resources, disaster monitoring and defense, have been actively carried out. In the design of wireless communication systems, path loss is the most important information to derive a link budget that is required to guarantee communication reliability by calculating received power level for the given communication link. The underwater acoustic channel have different characteristics according to geographical location and relevant environmental factors such as water temperature, depth, wave height, algae, and turbidity. Subsequently, many research institutes aiming to develop underwater acoustic communication systems are researching actively on the underwater acoustic channels in various sea areas. In Korea, however, studies on the path loss of the acoustic channel are still insufficient. Therefore, in this study, the path loss of the acoustic channel are studied based on measurement data of the at-sea experiment conducted at Geohae-do, southern sea of Korea.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Attenuation coefficient for underwater acoustic signal.
그림 Fig. 2 Underwater ambient noise level caused by various factors.
그림 Fig. 3 Scenario, ships and measuring equipments for at-sea experiment.
그림 Fig. 4 Fame format used for at-sea experiment.
그림 Fig. 5 Transmission and receiver block diagram.
표 Table. 1 Parameters of the transducers used for at-sea experiment
그림 Fig. 6 TVR and diversity patterns of the transducers
그림 Fig. 7 Comparison of path loss between measured and simulation results for the underwater acoustic channels.
표 Table. 2 Measured path loss of underwater acoustic channel for different frequency bands

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문은 기존에 연구되었던 수중음향채널의 경로손실의 이론적인 수치와 실해역에서 발생하는 경로 손실의 차이를 검증하기 위한 연구를 수행하였다. 측정 장소는 남해 거제도 지세포항 인근 천해역에서 이루어 졌으며, 10개의 주파수 대역에서 수집한 데이터를 사용하여 실해역의 경로손실을 추정하였다.

제안 방법

5kHz대역은 5km까지 분석이 가능한 품질의 신호가 수신되었다. 그리고 중심주파수 65kHz 이상의 주파수 대역에서는 약 500m정도에서 수집한 데이터를 사용하여 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 수중음향채널의 경로손실을 실해역 측정데이터를 사용하여 추정하였으며, 정확한 비교를 위하여 모의실험에 사용한 파라미터는 실해역 실험환경과 동일하게 설정하여 실험을 수행하였다.
96 E 천해역에서 측정을 수행하였고, 평균수심은 약 30m 였다. 측정 거리는 반송 주파수에 따라 최대 통달 거리에 차이가 발생하기 때문에 500m, 1km, 3km, 5km로 구분하여 측정을 수행하였으며, 송신 선박과 수신 선박 사이의 거리는 GPS를 사용하여 거리조절을 하여 이격시키고, 측정 시에 닻(anchor)을 사용하여 조류에 의해 선박이 목표 거리에서 이동하지 않게 하였다.

대상 데이터

따라서 수신 신호의 추정된 SNR이 만약 양의 값인 경우 신호의 크기가 소음보다 크다는 것을 의미하므로 수신 NI에 출력된 신호전력을 그대로 사용하고, 음의 값으로 추정된 경우 수신된 신호전력에 추정된 SNR을 나눈 값을 사용하여 입력 음압을 추정해야 한다. 다양한 주파수 대역에서 수중음향채널의 경로손실을 알아보기 위해 보유하고 있는 트랜스듀서에 따라 10개의 주파수 대역에서 실험을 수행하였다.
본 연구는 ‘분산형 관측/제어망 개발’ 과제에서 수중통신용 OFDM(Orthogonal Frequency Division multiplexing) 모뎀개발을 위한 실해역 측정에서 수집한 데이터를 사용하였으며, 측정에 사용된 송신 신호의 프레임 구조는 그림 4와 같다.
수중음향채널의 경로손실 추정을 위해 2019년 5월 경상남도 거제시 지세포항 부근 해안 34° 49‘ 22.04 N, 128° 44’ 10.96 E 천해역에서 측정을 수행하였고, 평균수심은 약 30m 였다. 측정 거리는 반송 주파수에 따라 최대 통달 거리에 차이가 발생하기 때문에 500m, 1km, 3km, 5km로 구분하여 측정을 수행하였으며, 송신 선박과 수신 선박 사이의 거리는 GPS를 사용하여 거리조절을 하여 이격시키고, 측정 시에 닻(anchor)을 사용하여 조류에 의해 선박이 목표 거리에서 이동하지 않게 하였다.
차이를 검증하기 위한 연구를 수행하였다. 측정 장소는 남해 거제도 지세포항 인근 천해역에서 이루어 졌으며, 10개의 주파수 대역에서 수집한 데이터를 사용하여 실해역의 경로손실을 추정하였다. 분석결과 지세포항 인근해역에서 경로손실은 모의실험결과와 약 32~ 72dB의 큰 차이가 발생하였으며, 저주파수 대역보다 고 주파수 대역에서 오차가 증가하는 것을 확인하였다.
5m로 비교적 안정적인 환경이었다. 측정에 사용된 송신 장비는 PC(NI PXI- 8119), DAQ장비(NI PXI-5122), 송신앰프(B&K 2713)를 사용하였고, 수신 장비는 PC(NI PXI-8119), DAQ장비 (NI PXI-6115), 수신앰프(B&K NEXUS Type 2692)를 사용하였다. 트랜스듀서와 하이드로 폰은 Neptune사의 제품을 사용하였으며, 트랜스듀서는 반송 주파수 대역에 따라 T170, T303, T245를 사용하였고, 하이드로폰은 Neptune사의 B200제품을 사용하여 측정을 수행하였다.
측정에 사용한 신호는 크게 동기와 데이터로 구분하며, 동기 검출용 신호는 LFM(Linear frequency Modulation) 과 HFM(Hyperbolic Frequency Modulation)을 사용하였으며, 데이터는 5개의 OFDM 프레임을 전송하였다 [9, 10]. 그림 4에 보이는 바와 같이 실해역의 SNR 추정을 위해 OFDM 프레임 사이에 ZP(Zero padding) 구간을 삽입하였으며, ZP에는 신호가 존재하지 않기 때문에 수신된 신호에는 소음 성분만 존재하게 된다.
측정에 사용된 송신 장비는 PC(NI PXI- 8119), DAQ장비(NI PXI-5122), 송신앰프(B&K 2713)를 사용하였고, 수신 장비는 PC(NI PXI-8119), DAQ장비 (NI PXI-6115), 수신앰프(B&K NEXUS Type 2692)를 사용하였다. 트랜스듀서와 하이드로 폰은 Neptune사의 제품을 사용하였으며, 트랜스듀서는 반송 주파수 대역에 따라 T170, T303, T245를 사용하였고, 하이드로폰은 Neptune사의 B200제품을 사용하여 측정을 수행하였다.

데이터처리

경로손실을 나타내었다. 각 주파수 당 평균 70개의 실해역 측정데이터를 사용하여 수중음향채널의 경로손실을 추정하였으며, 연속 측정된 5개의 데이터의 평균을 취한 결과를 그림에 나타내었다. 표 2에는 각 주파수 대역에서 모의실험과 측정데이터에서 추정된 수중음향 채널의 경로손실을 정리하였다.

성능/효과

보여진다. 2019년 5월 10부터 5월 14일에 측정지역의 평균 풍속은 1.44m/s였으며, 파고는 약 0.1~0.5m로 비교적 안정적인 환경이었다. 측정에 사용된 송신 장비는 PC(NI PXI- 8119), DAQ장비(NI PXI-5122), 송신앰프(B&K 2713)를 사용하였고, 수신 장비는 PC(NI PXI-8119), DAQ장비 (NI PXI-6115), 수신앰프(B&K NEXUS Type 2692)를 사용하였다.
그림에 보이는 바와 같이 주파수가 증가함에 따라 감쇄 계수가 증가하며, 1~30kHz 대역에서 감쇄의 폭이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상대적으로 TVR이 낮은 T170은 다른 주파수 대역의 트랜스듀서에 비해 비교적 낮은 주파수를 사용함에도 송수신기 사이의 거리가 1km 이상인 환경에서는 수신 신호의 품질이 크게 저하되어 분석에 사용하지 못하였고, TVR이 비교적 우수한 T303을 사용한 중심주파수 24.5kHz대역은 5km까지 분석이 가능한 품질의 신호가 수신되었다. 그리고 중심주파수 65kHz 이상의 주파수 대역에서는 약 500m정도에서 수집한 데이터를 사용하여 분석을 수행하였다.
측정 장소는 남해 거제도 지세포항 인근 천해역에서 이루어 졌으며, 10개의 주파수 대역에서 수집한 데이터를 사용하여 실해역의 경로손실을 추정하였다. 분석결과 지세포항 인근해역에서 경로손실은 모의실험결과와 약 32~ 72dB의 큰 차이가 발생하였으며, 저주파수 대역보다 고 주파수 대역에서 오차가 증가하는 것을 확인하였다.
큰 오차가 발생함을 확인할 수 있다. 특히 65kHz 이하의 주파수 대역과 65kHz이상의 주파수 대역의 경로손실의 오차는 평균 15dB정도 발생하였으며, 높은 주파수 대역일수록 모의실험과 실해역의 경로손실의 차이가 증가함을 확인하였다.
표 2에 보이는 바와 같이 모의실험과 실측을 통해 추정된 수중음향채널의 경로손실의 차이는 약 32~72dB 의 큰 오차가 발생함을 확인할 수 있다. 특히 65kHz 이하의 주파수 대역과 65kHz이상의 주파수 대역의 경로손실의 오차는 평균 15dB정도 발생하였으며, 높은 주파수 대역일수록 모의실험과 실해역의 경로손실의 차이가 증가함을 확인하였다.

후속연구

하지만 본 연구를 활용하여 남해의 다양한 환경에서 추가적인 측정과 분석이 수행된다면, 향후 남해에서 수중음향 통신시스템 구축을 위한 기반연구가 될 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

C. Lal, R. Petroccia, K. Pelekanakis, and J. Alves, "Toward the Development of Secure Underwater Acoustic Networks," IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 42, no. 4, pp. 1075-1087, Jul. 2017.

상세보기
S. Jiang, "On Securing Underwater Acoustic Networks: A Survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 729-752, Aug. 2018.

상세보기
G. Burrowes, and J. Y. Khan, Autonomous Underwater Vehicles, Mr. Nuno Cruz(Ed.), pp. 173-198, Intech, 2011.
N. Bahrami, N. Khamis, and A. Yahya, "Underwater Channel Characterization to Design Wireless Sensor Network by Bellhop," TELKOMNIKA, vol. 14, no. 1, pp. 110-118, Mar. 2016.

상세보기
J. G. Proakis, Digital Communications, 4th ed. New York, NY: McGraw-Hill, 1993.
J. T. Hansen, "Link Budget Analysis For Undersea Acoustic Signaling," United States Navy P.S. Auburn University, Jun. 2002.
R. J. Urick, Principle of Underwater Sound, 3rd. Edition Peninsula Publishing, 1996.
G. M. Wenz, "Acoustic Ambient Noise in the Ocean: Spectra and Sources," Journal of the Acoustical Society of America, vol. 34, no. 12, pp. 1936-1956, 1962.

상세보기
Y. H. Cho, T. S. Lee, and H. L. Ko. "Performance Analysis of OFDM-based Underwater Communication Systems for time-varying underwater channel in Western sea of Korea," The Journal of Korean Institute of communications and Information Sciences, vol. 43, no. 10, pp.1654-1663, Oct. 2018.

상세보기
K. Y. Kim, M. S. Kim, H. L. Ko, and T. H. Im, "Performance analysis of OFDM and CDMA communication methods in underwater acoustic channel," The Journal of the Acoustical Society of Korea, vol. 38, no. 1, pp. 30-38, Jan. 2019.

원문보기 상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증