[논문]어구 자동 식별을 위한 전자 부이의 통신 거리 및 위치 오차 검증

김성율; 임춘식; 이성렬

doi:10.12673/jant.2021.25.5.397

어구 자동 식별을 위한 전자 부이의 통신 거리 및 위치 오차 검증
Verification of Communication Distance and Position Error of Electric Buoy for Automatic Identification of Fishing Gear 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.25 no.5, 2021년, pp.397 - 402

김성율 ((주)알씨엔) , 임춘식 ((주)알씨엔) , 이성렬 (목포해양대학교 항해정보시스템학부)

초록
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전자 어구 실명제는 '풍요로운 어장' 조성과 해양 환경 보호를 실행할 수 있는 주요 정책 중 하나이다. 또한 어구 자동식별 시스템은 LPWA 등의 통신과 멀티 센싱 기술을 활용하여 위 정책을 실현할 수 있는 해양 IoT 서비스 중 하나이다. 어구 자동식별 시스템은 해상에 부유하고 있는 전자 부이로부터 어구의 위치 및 유실 정보를 수집하고 어민이나 육상 관제국에게 제공한다. 어구 자동식별 시스템을 구성하는 전자 어구와 통신 장치들을 개발하였다. 본 논문에서는 전자 어구와 어선에 설치되는 무선 노드 사이의 통신 거리 측정과 전자 어구의 위치 정보 오차 측정 내용 및 결과에 대해 살펴본다. 측정 결과 통신 결과 목표치인 30 km의 2배인 62 km 거리에서 LOS 통신이 가능한 것을 확인하였고, 위치 오차는 목표치인 CEP 5 m 보다 적은 1 m의 결과를 얻었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 어구 자동식별 시스템의 서비스 영역과 정확도가 더욱 신장될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The real-name electric fishing gear system is one of the important policy capable to build 'abundant fishing ground' and to protect marine environment. And, fishing gear automatic-identification system is one of IoT services that can implement above-mentioned policy by using communication such as low power wide area (LPWA) and multi-sensing techniques. Fishing gear automatic -identification system can gather the location data and lost/hold data from electric buoy floated in sea and can provide them to fishermen and monitoring center in land. We have developed the communication modules and electric buoy consisted of fishing gear automatic-identification system. In this paper, we report the test results of communication distance between electric buoy and wireless node installed in fish boat and location error of electric buoy. It is confirmed that line of sight (LOS) distance between electric buoy and wireless node is obtained to be 62 km, which is two times of the desired value, and location error is obtained to be CEP 1 m, which is smaller than the desired value of CEP 5 m. Therefore, it is expected that service area and accuracy of the developed fishing gear automatic-identification system is more extended.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 어구 자동식별을 위한 전자 부이의 구성 Fig. 1. Configuration of electric buoy for automatic identification of fishing gear.
그림 그림 2. 제작된 전자 부이의 형상 Fig. 2. Shape of fabricated electric buoy.
그림 그림 3. 제작된 무선 노드 하드웨어 Fig. 3. Hardware of fabricated wireless node.
그림 그림 4. 시험 구성도 Fig. 4. Test configuration.
그림 그림 5. 최대 전송 거리 시험을 위한 시스템 구성 Fig. 5. System configuration for maximum communication distance test.
그림 그림 6. 최대 전송 거리 측정을 위한 전자 부이와 무선 노드의 설치 위치 Fig. 6. Install positions of electric buoy and wireless node for measuring maximum communication distance.
그림 그림 7. 전자 부이의 위치 오차 측정을 위한 전자 부이와 무선 노드의 설치 위치 Fig. 7. Install positions of electric buoy and wireless node for measuring location error.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 개발된 전자 부이의 실용화를 위해 필요한 통신 거리 (무선 노드와의 통신 거리)와 전자 부이 위치 오차의 시험에 대해 보고하고자 한다.
그리고 이 목표치에대한 신뢰성을 보완하기 위하여 하나 이상의 성능을 추가할 필요가 있다. 본 논문에서는 전자 부이의 위치 오차를 추가하였다. 그 목표치는 CEP 5 m 이하로 설정하였다.
해양수산부의 수산실용화기술개발사업으로 개발된 어구 자동식별 전자 부이의 실용성 제고를 위해 필요한 최대 전송 거리와 위치 오차의 시험 내용을 살펴보았다.

제안 방법

본 시험의 절차는 그림 4의 구성을 통해 다음과 같이 하였다. ① 어선용 무선 노드와 노트북 연결, ② 모니터링 프로그램 실행, ③ GPS 신호의 회절 현상이 최대한 적게 반영되는 장소에 어구 자동식별 부이 배치, ④ 어구 자동식별 부이 전원 on, ⑤어구 자동식별 부이 배치 장소에서 GPS 정보 수집, ⑥ 어구 자동식별 부이가 연결된 후 약 3분 동안 대기, ⑦ 수신된 어구 자동식별 부이의 GPS 정보 수집, ⑧ 어구 자동식별 부이에서 수신한 GPS 정보와 기준 좌표값을 비교하여 /거리 오차 산출.
본 시험에서는 어구 자동식별 전자 부이 1대와 어선용 무선노드(게이트웨이) 1대를 그림 4와 같은 점대점 방식으로 링크를 구성한 가장 간단한 구조를 채택하여 수행하였다.
어구 자동식별을 위한 전자 어구 위치의 오차 측정도 최대 통신 거리 측정에서와 같은 주파수와 통신 간격을 설정하여 수행하였다. 본 시험의 절차는 그림 4의 구성을 통해 다음과 같이 하였다.
어구 자동식별을 위한 전자 어구의 성능 시험 항목은 두 가지로, 우선 최대 전송 거리를 측정하였다. 목표치는 60 km 이상이고 기준은 통신 성공률 85% 이상으로 설정하였다.
어구 자동식별을 위한 전자 어구의 최대 통신 거리 측정은 LPWA의 21번 채널 (921.1MHz)를 사용하였고, 통신 간격 (주기)는 20초로 설정하여 수행하였다. 본 시험의 구성도는 그림 5와 같다.
위의 최대 전송 거리 측정에서와 동일한 위치 (좌표 상 35°48'48.9"N 126°23'49.9"E)에 전자 어구를 설치하였다
이러한 전자 어구 실명제에 필요한 제반 장치 및 통신 기술을 해양수산부의 ‘수산실용화기술개발사업’을 통해 개발하였다
이러한 전자 어구 실명제에 필요한 제반 장치 및 통신 기술을 해양수산부의 ‘수산실용화기술개발사업’을 통해 개발하였다. 전자 부이와 육상 관제국, 육상 관제국과 관리 선박, 관리선박과 어선 간의 통신 방식으로는 IoT에 가장 적합한 NB-IoT와 LoRa (low power long range)의 LPWA (low power wide area)를 채택하여 개발하였고, 최근에는 상용화에 있어 그 실용성을 높이고자 LPWA보다 통신 속도가 높은 3GPP Release13 표준인 LTE Cat.M1 방식을 추가 적용하여 개발하였다.
최대 전송 거리 시험은 ① 서버에서 모니터링 프로그램 실행, ② 어선용 무선 노드 전원 on, ③ 서버 접속 확인, ④ 어구 자동식별 전자 부이는 어선용 무선 노드와 60 km 거리 이상의 장소로 이동, ⑤ 어구 자동식별 부이 전원 on, ⑥ 모니터링 프로그램에 수집된 어선용 무선 노드 위치 정보와 어구 자동식별 부이 위치 정보를 통해 60 km 이상에서 통신 성공 여부 확인의 절차와 방법을 통해 수행하였다.
확산 계수 (SF) 12로 설정하여 20초 간격으로 총 102회 통신을 수행하면서 각 통신 회차별 통신 성공 여부와 더불어 수신신호 강도 (RSSI; received signal strength indication), 신호 대 잡음비 (SNR)을 측정하였다. 측정 결과 평균 수신 신호 강도는 –122.

대상 데이터

그림 3은 어선에 설치되는 무선 노드, 즉 무선 게이트웨이의 메인보드를 나타낸 것이다. 어구 자동식별 외의 다양한 해상 IoT 서비스 제공을 위해 상용 SKT LoRa (즉 Cat.M1) 통신 모듈 뿐만 아니라 private LoRa 통신 모듈도 포함시켜 제작하였다.
전자 부이가 설치된 지도 앱 상의 좌표는 좌표 측정계로 측정한 값과 일치하지 않았다. 오차 측정의 간편성을 위해 좌표 측정장치의 값인 북위 31.81357도와 동경 126.3972도를 기준 값으로 설정하여 위치 오차를 측정하였다.

성능/효과

105회 측정 결과 오차가 발생한 경우는 총 102회이었고, 이들 평균, 즉 평균 위치 오차는 1.32 m로 계산되었다. 102회의 오차 중 95% 범위 내 최대 오차는 3.
이 점은 해상에서의 통신 환경이 육상에 비해 열악하여 개발된 통신 장치들의 신뢰성의 항상성을 보장할 수 없다는 것을 시사한다. 그리고 두 번째 시험에서 얻은 수신 확인 프로토콜에 의한 평균 지연시간이 비교적 길게 얻어졌다는 결과는 전자 어구 모니터링 시스템의 실시간성 확보에 장애가 될 수 있다는 점이다.
시험 결과 개발된 전자 부이는 무선 노드와 최대 약 62 km 거리에서 약 81%의 성공률로 통신할 수 있는 것을 확인하였다. 목표치인 85% 성공률에는 미치지 못하는 결과이지만 원래의 통신 거리 목표치인 기존 30 km로 두 장치 간 거리를 축소하게 되면 85% 이상의 통신 성공률이 얻어질 것으로 예상할 수 있는 측정값이라고 판단할 수 있다. 본 시험은 실제 해상에서의 시험이 아닌 해상 대 육상 링크에서 수행되었다.
전자 어구 모니터링을 위한 각 장치 간 통신 목표 거리 30 km는 우리나라 연근해를 서비스 영역으로 설정했기 때문이다. 상기의 시험을 통해 개발된 LPWA 기반 통신 장치들의 통신 거리 목표치 30 km를 충분히 달성했으나 무선 노드가 육상에 고정된 경우에 대한 결과이다. 개발된 시스템들의 성능 확인을 위한 육상 시험이나 실험실 수준의 시험에서의 목표치는 실해역에서의 실증시험 목표치보다 도전적으로 설정해야 한다.
시험 결과 개발된 전자 부이는 무선 노드와 최대 약 62 km 거리에서 약 81%의 성공률로 통신할 수 있는 것을 확인하였다. 목표치인 85% 성공률에는 미치지 못하는 결과이지만 원래의 통신 거리 목표치인 기존 30 km로 두 장치 간 거리를 축소하게 되면 85% 이상의 통신 성공률이 얻어질 것으로 예상할 수 있는 측정값이라고 판단할 수 있다.
85 dBm (최소 -126 dBm, 최대는 –117 dBm)로 얻어졌다. 에러 없이 프레임을 수신한 횟수는 총 83회로 통신 성공률은 81.3%로 얻어졌다. 통신 성공률이 높지 않은 이유는 유실된 프레임의 경우 SNR이 -20 dB로 비교적 낮은 경우라는 것을 확인하였고, 낮은 SNR은 통신 거리를 비약적으로 60 km 이상으로 설정한 점과 주위 환경 잡음이 존재한 점 등을 고려할 수 있을 것이다.
위치 오차 시험을 통해 개발된 GNSS 모듈과 프로세싱을 이용하면 95% 신뢰 수준에서 위치를 3 m 정도의 오차 범위 내에서 전자 부이를 활용할 수 있다는 것을 확인하였다. 해상 어업 활동에서 활용되는 위치 정보는 그 정확도가 매우 클 필요가 없다는 점에서 본 시험을 통해 확인한 위치 오차 범위는 실용화 측면에서 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.
00 m로 얻어졌다. 즉 본 논문을 통해 개발된 GNSS 모듈을 통해 전송된 위치 정보는 95% 신뢰도를 갖고 실제 위치값에 비해 약 3 m 정도의 오차만 갖는 것을 확인하였다.
측정 결과 평균 수신 신호 강도는 –122.85 dBm (최소 -126 dBm, 최대는 –117 dBm)로 얻어졌다
3%로 얻어졌다. 통신 성공률이 높지 않은 이유는 유실된 프레임의 경우 SNR이 -20 dB로 비교적 낮은 경우라는 것을 확인하였고, 낮은 SNR은 통신 거리를 비약적으로 60 km 이상으로 설정한 점과 주위 환경 잡음이 존재한 점 등을 고려할 수 있을 것이다.

후속연구

즉 전자 어구와 무선 노드가 60 km 이격된 환경에서 90% 이상의 통신 성공률을 목표치로 삼을 수 있다. 그리고 이 목표치에대한 신뢰성을 보완하기 위하여 하나 이상의 성능을 추가할 필요가 있다. 본 논문에서는 전자 부이의 위치 오차를 추가하였다.
위치 오차 시험을 통해 개발된 GNSS 모듈과 프로세싱을 이용하면 95% 신뢰 수준에서 위치를 3 m 정도의 오차 범위 내에서 전자 부이를 활용할 수 있다는 것을 확인하였다. 해상 어업 활동에서 활용되는 위치 정보는 그 정확도가 매우 클 필요가 없다는 점에서 본 시험을 통해 확인한 위치 오차 범위는 실용화 측면에서 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다. 더욱이 통신 거리를 60 km가 아닌 30 km 정도로 줄이면 오차의 크기는 더욱 감소될 것으로 판단된다.
본 시험은 실제 해상에서의 시험이 아닌 해상 대 육상 링크에서 수행되었다. 향후 실제 해역에서의 시험은 본 시험에서 얻어진 프레임 손실의 원인, 즉 신호 대 잡음비 개선과 RSSI 개선을 통해 보완하면 실용화를 위한 성능을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

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S. R. Lee1 and S. H. Kim, "Test of communication distance measurement of fishing gear automatic system based on private LoRa," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 24, No. 2, pp. 61-66, Apr. 2020.

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H. J. Park, J. M. Joung, S. Pranesh, M. S. Kim, and K. S Kim, "Performance analysis of automatic fishing gear monitoring system over seawater, Journal of Institute of Korean Electric and Electronic Engineering, Vol. 24, No. 4, pp. 1069-1073, Dec. 2020.

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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