[논문]수중 광통신 환경에서 최적 파장을 도출하기 위한 실험적 해석

곽동현; 전승일; 최정락; 한민석

doi:10.17661/jkiiect.2023.16.6.478

수중 광통신 환경에서 최적 파장을 도출하기 위한 실험적 해석
Experimental Analysis to Derive Optimal Wavelength in Underwater Optical Communication Environment 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.16 no.6, 2023년, pp.478 - 488

곽동현 (Department of Electronics and Control Engineering, Republic of Korea Naval Academy) , 전승일 (Department of Electronics and Control Engineering, Republic of Korea Naval Academy) , 최정락 (Department of Electronics and Control Engineering, Republic of Korea Naval Academy) , 한민석 (Department of Electronics and Control Engineering, Republic of Korea Naval Academy)

초록
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본 논문은 수중 환경에서의 전통적인 음파 통신을 대체할 수 있는 레이저 통신의 해군 적용 방안을 연구한다. 아두이노 및 MATLAB을 활용한 레이저 송수신기를 구성하여 수조 실험을 진행하여 다양한 수중 환경에서 통신 가능 여부를 확인하였다. 첫 번째 실험에서는 레이저를 통해 데이터를 전송할 때, 통신 간 원하는 메시지를 데이터화하여 전송하고 이를 수신하여 올바른 메시지로 변환되는지 확인하였다. 두 번째 실험에서는 수중 상황에서의 통신 작동 여부를 확인하였으며, 세 번째 실험에서는 CDS 조도 센서 모듈을 사용하여 빛의 세기를 측정하고 다양한 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 측정하여 확인하였다. 또한, MATLAB Code를 활용해 염도, 수온, 수심 등의 데이터를 수집하여 탁도를 계산하고 계산된 탁도(5, 20, 55, 180)에 대해서 최적의 파장값(532nm, 633nm, 785nm, 1064nm)을 제시하였다. 이를 바탕으로 해군 전술 통신, 원격 센싱, 수중 드론 제어 등의 분야에서의 활용방안을 중점적으로 분석한다. 마지막으로 현재의 기술 한계를 극복하고 성능을 향상하는 개선방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the naval application of laser communication as a potential replacement for traditional acoustic wave communication in underwater environments. We developed a laser transceiver using Arduino and MATLAB, conducting a water tank experiment to validate communication feasibility across diverse underwater conditions. In the first experiment, when transmitting data through a laser, the desired message was converted into data and transmitted, received, and confirmed to be converted into the correct message. In the second experiment, the operation of communication in underwater situations was confirmed, and in the third experiment, the intensity of light was measured using the CDS illuminance sensor module and the limits of laser communication were measured and confirmed in various underwater situations. Additionally, MATLAB code was employed to gather data on salinity, water temperature, and water depth for calculating turbidity. Optimal wavelength values (532nm, 633nm, 785nm, 1064nm) corresponding to calculated turbidity levels (5, 20, 55, 180) were determined and presented. The study then focuses on analyzing potential applications in naval tactical communication, remote sensing, and underwater drone control. Finally, we propose measures for overcoming current technological limitations and enhancing performance.

주제어

표/그림 (13)

표 표1. 수중 무선 통신 기술 비교 [3] Table 1. Comparison of underwater wireless communication technologies [3]
그림 그림 1. 구현된 송신기와 수신기 블록도 Fig. 1. Implemented transmitter and receiver block diagram
그림 그림 2. DM-104 모듈의 메시지 이진화 및 SPI 통신 코드 Fig. 2. Message binarization and SPI communication code for DM-104 module
그림 그림 3. DM-104 모듈의 이진 메시지의 레이저 전송 코드 Fig. 3. Laser transmission code of binary messages in the DM-104 module
그림 그림 4. PP-A435 모듈의 수신 코드 Fig. 4. Receive code for PP-A435 module
표 표 2. 단계별 세부 실험 조건 Table 2. Comparison of underwater wireless communication
그림 그림 5. 실험 환경 설정 Fig. 5. Experiment environment settings
표 표 3. 환경에 따른 레이저 통신 가능 여부 판단 Table 3. Determination of whether laser communication is possible depending on the environment
표 표 4. 환경에 따른 CDS 조도 센서의 측정값 비교Table 4. Comparison of measured values of CDS illuminance sensor according to environment
그림 그림 7. 탁도에 적합한 레이저 파장 Fig. 7. Laser wavelength suitable for turbidity
그림 그림 6. 탁도에 따른 최적의 레이저 파장 제시 Fig. 6. Proposal of optimal laser wavelength
그림 그림 9. 파장에 따른 빛의 종류와 특징 Fig. 9. Types and characteristics of light according to wavelength
그림 그림 8. 탁도와 레이저 파장과의 관계 [8] Fig. 8. Relationship between turbidity and laser wavelength [8]

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다양한 수중 광통신 환경에서 최적 파장을 도출하기 위한 실험적 해석을 통해 이러한 기술이 해군의 다양한 환경과 임무 수행에 어떻게 적용될 수 있는지를 중점적으로 살펴보고자 한다. 수중 레이저 통신이 어떻게 해군에 도움이 되는지를 이해하기 위해 기존의 음파 통신 기술과 비교 분석하여 수중 레이저 통신 기술이 해군 전술 통신, 원격 센싱, 수중 드론 제어 등의 다양한 작전 분야에서 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 설명한다.
레이저 수중 통신의 환경에 따른 통신 상태를 알아보는 실험을 통해 레이저 수중 통신의 한계점과 개선사항 등을 알아보았다. 실험의 결과를 토대로 레이저 수중 통신이 음파 통신과 비교하여 어떠한 장점이 있고, 어떤 방향으로 해군에 적용되는지 알아본다.
본 논문에서는 MATLAB과 아두이노 프로그램을 활용한 레이저 기반의 수중 통신 시스템을 구현하고 해군 적용 방안을 도출하였다. 이 연구는 수중에서 레이저를 사용한 통신이 전통적인 방식보다 어떻게 더 효과적일 수 있는지를 살펴보고, 해군에서 어떻게 적용될 수 있을지 탐구하였다.

제안 방법

2번 실험에서는 그림 5와 같이 가로와 세로 각각 30cm, 높이 5cm의 수조 3개를 연속으로 설치하여 통신 거리를 1m로 설정하였다, 위 환경에서 1번 실험을 반복한다. 실험은 대조군으로 일반적인 대기 상황, 수조에 물만 넣은 상황으로 설정하고 비교군으로 염도의 수치, 불순물의 양을 각각 다르게 설정하였다.
첫 번째 실험에서는 레이저를 통해 데이터를 전송할 때, 통신 간 원하는 메시지를 데이터화하여 전송하고 이를 수신하여 올바른 메시지로 변환되는지 확인하였다. 두 번째 실험에서는 수중 상황에서의 통신 작동 여부를 확인하였으며, 세 번째 실험에서는 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 측정하여 확인하였다.
탁도 문제를 해결하기 위해서 레이저의 파장을 다르게 하는 방법을 시도하였고 이를 뒷받침 가능한 관련 논문을 통해 근거를 제시하였다. 또한, 탁도별로 다른 파장을 제시하는 MATLAB 코드를 작성하여 해결방안을 모색하였다.
레이저 수중 통신의 환경에 따른 통신 상태를 알아보는 실험을 통해 레이저 수중 통신의 한계점과 개선사항 등을 알아보았다. 실험의 결과를 토대로 레이저 수중 통신이 음파 통신과 비교하여 어떠한 장점이 있고, 어떤 방향으로 해군에 적용되는지 알아본다.
본 논문에서는 MATLAB과 아두이노 프로그램을 활용한 레이저 기반의 수중 통신 시스템을 구현하고 해군 적용 방안을 도출하였다. 이 연구는 수중에서 레이저를 사용한 통신이 전통적인 방식보다 어떻게 더 효과적일 수 있는지를 살펴보고, 해군에서 어떻게 적용될 수 있을지 탐구하였다.
2번 실험을 통해 수중 상황에서 메시지를 전달할 수 있는지를 확인하였다. 수조 3개를 합쳐 수조에 물을 채워 넣은 상황에서 아래 표에 나와 있는 다양한 수중 환경을 조성하여 각 실험을 3회씩 진행하였다. 각 실험에 관한 통신 결과는 1번 실험의 결과와 같고 실험들의 종합적인 결과는 표 3과 같다.
2번 실험에서는 그림 5와 같이 가로와 세로 각각 30cm, 높이 5cm의 수조 3개를 연속으로 설치하여 통신 거리를 1m로 설정하였다, 위 환경에서 1번 실험을 반복한다. 실험은 대조군으로 일반적인 대기 상황, 수조에 물만 넣은 상황으로 설정하고 비교군으로 염도의 수치, 불순물의 양을 각각 다르게 설정하였다.
최근의 연구에는 각기 다른 파장을 가진 레이저를 항공기에서 수면으로 조사하여 수중 탁도를 계산하는 특허가 개발되어있다. 이에 따르면 수중의 탁도를 계산하기 위해 항공기에서 각각 다른 파장을 가진 레이저 2개를 수면으로 조사하였을 때 두 레이저가 반사되어 돌아오는 값을 비교하여 탁도를 계산한다. 즉, 어떤 수치를 가지는 탁도에 대하여 통신 감도, 직진성 등의 특징이 감소하는 파장이 있고 이러한 감소가 덜한 파장이 존재함을 알 수 있다.
3번 실험에서는 CDS 조도 센서 모듈을 사용하여 수신기의 성능을 평가한다. 이전 실험과 동일한 조건에서 CDS 조도 센서의 수신부에 레이저를 조사하여 광량이 얼마나 변화하는지 측정한다. 이를 통해 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 정량적으로 확인할 수 있다.
첫 번째 실험에서는 레이저를 통해 데이터를 전송할 때, 통신 간 원하는 메시지를 데이터화하여 전송하고 이를 수신하여 올바른 메시지로 변환되는지 확인하였다. 두 번째 실험에서는 수중 상황에서의 통신 작동 여부를 확인하였으며, 세 번째 실험에서는 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 측정하여 확인하였다.
실험 과정에서 탁도가 통신에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 탁도 문제를 해결하기 위해서 레이저의 파장을 다르게 하는 방법을 시도하였고 이를 뒷받침 가능한 관련 논문을 통해 근거를 제시하였다. 또한, 탁도별로 다른 파장을 제시하는 MATLAB 코드를 작성하여 해결방안을 모색하였다.
현재의 기술 한계를 극복하고 더욱 향상된 성능을 제공할 수 있는 개선 사항 및 요구사항에 대해 논의한다. 특히 수중 센서 데이터 통신과 잠수함, 수중 드론(AUV) 등과 같은 수중 통신 물체들의 통신에 대해 다루며, 이를 활용한 수중 정찰 및 위협 탐지 방법을 제안한다. 이를 통해 수중 레이저 통신이 해군 작전에 더욱 효과적으로 적용되어 궁극적으로 전력 및 정보 전달능력을 향상할 수 있는 길을 모색한다.

대상 데이터

수신기는 PP-A435 모듈과 CDS 조도 센서 모듈을 사용하였다. 수신기에 사용된 PP-A435 모듈은 레이저 수신 센서로, 레이저 모듈에서 방사한 레이저를 수신부에서 수신하여 속에 담긴 데이터를 해석한다.
수신기는 PP-A435 모듈과 CDS 조도 센서 모듈을 사용하였다. 수신기에 사용된 PP-A435 모듈은 레이저 수신 센서로, 레이저 모듈에서 방사한 레이저를 수신부에서 수신하여 속에 담긴 데이터를 해석한다. CDS 조도 센서 모듈은 수중 통신 상황에서 빛의 세기를 측정하여 다양한 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 확인할 수 있는 측정 도구로 사용하였다.
미세플라스틱은 수중에 떠다니는 플라스틱 입자에 의해 레이저 통신에 방해요소라면 흙은 미세플라스틱보다 작은 입자의 크기를 가져 수조 속 물의 혼탁도를 증가시켜 통신에 방해요소로 작용하였다. 실험에 사용된 미세플라스틱은 대체로 5mm 이하의 입자크기를 가지지만 흙은 입자의 크기가 2mm보다 작은 크기의 입자들로 구성되었다. 이 결과를 토대로 레이저 통신은 해양환경 속에서 입자들에 의한 반사, 굴절, 산란에 의한 통신 감도 감소보다 혼탁도에 더 민감하게 반응하였다.

데이터처리

2번 실험을 통해 수중 상황에서 메시지를 전달할 수 있는지를 확인하였다. 수조 3개를 합쳐 수조에 물을 채워 넣은 상황에서 아래 표에 나와 있는 다양한 수중 환경을 조성하여 각 실험을 3회씩 진행하였다.
3번 실험에서는 CDS 조도 센서 모듈을 사용하여 수신기의 성능을 평가한다. 이전 실험과 동일한 조건에서 CDS 조도 센서의 수신부에 레이저를 조사하여 광량이 얼마나 변화하는지 측정한다.
즉, 레이저가 센서의 수신부를 가리는 역할을 한다. 이를 바탕으로 CDS 센서의 측정값을 비교하여 레이저의 통신 감도를 각 3회 실시하여 비교하였다. 실험에 대한 수치는 표 4와 같다.

이론/모형

수신기에 사용된 PP-A435 모듈은 레이저 수신 센서로, 레이저 모듈에서 방사한 레이저를 수신부에서 수신하여 속에 담긴 데이터를 해석한다. CDS 조도 센서 모듈은 수중 통신 상황에서 빛의 세기를 측정하여 다양한 수중 상황에서 레이저 통신의 한계를 확인할 수 있는 측정 도구로 사용하였다. 수중 레이저 통신에 대한 실험은 각 통신 과정별로 아래와 같이 단계별로 별도의 실험을 진행하였다.
또한, 수중 레이저 통신의 다양한 수중 환경 속에서 대용량 데이터를 전송할 수 있도록 강력한 채널 부호화 방식을 적용하고 있다. 채널 부호화는 전송된 데이터의 오류를 감지하고 수정하는 데 도움이 되는 방법으로, 최근 연구에서는 LDPC 부호화 기법에 주목하고 있다.

성능/효과

1번 실험에서 각 송수신 장치의 작동이 정상적으로 작동함을 확인하였다. 송신 메시지인 ‘Red Submarine Found'가 정상적으로 송신되었고 수신기가 수신하여 모니터에 'Message Received: Red Submarine Found'의 결과를 출력하였다.
결과적으로 본 연구는 레이저 기반의 수중 통신이 기존 음파 통신 방식보다 우수한 성능을 보이며, 해군 작전에 높은 가치를 제공함을 입증하였다. 앞으로 이 기술의 발전과 함께 해군 통신 시스템의 진화가 기대되며, 전방위적인 해양 안보와 작전 지원에 기여할 것으로 예상한다.
해당 논문에 따르면 레이저 파장이 클수록 높은 수치의 탁도에서 산란과 흡수율이 낮아지는 현상을 나타낸다고 저술하였다. 또한, 레이저 파장 하나를 고정한 상태에서 다른 탁도로 실험하였을 때 통신에 적합한 임계 탁도값도 논문에서 제시하였는데 이 수치와 그림 6에서 제시한 코드에서 구분한 탁도값과 파장값이 거의 일치함을 확인할 수 있다.
레이저 통신 시스템은 수중에서 높은 대역폭과 낮은 지연율을 제공함으로써, 현재의 음파 통신 방식과 비교하여 높은 데이터 전송률을 실현할 수 있었다. 또한, 레이저 통신은 간섭에 대한 저항력이 강해 수중 환경에서의 통신 안정성을 향상하는데 기여하였다.
실험 과정에서 탁도가 통신에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 탁도 문제를 해결하기 위해서 레이저의 파장을 다르게 하는 방법을 시도하였고 이를 뒷받침 가능한 관련 논문을 통해 근거를 제시하였다.
실험에 사용된 미세플라스틱은 대체로 5mm 이하의 입자크기를 가지지만 흙은 입자의 크기가 2mm보다 작은 크기의 입자들로 구성되었다. 이 결과를 토대로 레이저 통신은 해양환경 속에서 입자들에 의한 반사, 굴절, 산란에 의한 통신 감도 감소보다 혼탁도에 더 민감하게 반응하였다. 이는 수중에서 레이저 통신을 활용할 때 특정 환경에 유용하게 활용되거나 특정 환경에서 사용을 제한하는 방향으로 적용될 수 있다.
해양 작전에서는 앞으로 드론, 로봇 등의 무인 기술이 더욱 발전하면서, 수중 드론 및 로봇 간의 통신이 중요한 역할을 할 것으로 예상한다. 이러한 무인 기술을 이용한 다중작전은 단일 작전보다 더욱 효율적이며, 레이저 통신 기술을 활용하면 드론, 로봇 간의 통신을 더욱 신속하고 정확하게 처리할 수 있으며, 다수의 데이터를 송/수신할 수 있다. 따라서, 이러한 수중 드론 및 로봇 간의 레이저 통신 기술은 앞으로의 해양 작전에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
이로써 탁도에 따른 레이저 파장을 다르게 제시한 코드가 실제로 통신에 효과적이며 제시한 파장값도 통신에 적합한 수치라는 것을 확인할 수 있다.
빈 수조에서는 출력값이 약 6룩스이다. 이를 통해 레이저가 CDS 센서의 수신부를 조사하였을 때 수신부를 가려 센서가 빛을 거의 감지하지 못하는 것을 확인하였다. 수조에 물을 담았을 때 출력값은 조금 상승한 약 11룩스를 보인다.
송신 메시지인 ‘Red Submarine Found'가 정상적으로 송신되었고 수신기가 수신하여 모니터에 'Message Received: Red Submarine Found'의 결과를 출력하였다. 이를 통해 본 연구를 진행하기 위한 전제조건인 기본적인 레이저 통신이 가능함을 확인하였다.
일반적으로 CDS 조도 센서는 빛의 세기를 측정할 수 있는 장치로 레이저의 세기를 측정할 수 없다. 하지만 레이저가 CDS 센서의 수신부를 조사할 때 CDS 센서의 결과값이 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 레이저가 센서의 수신부를 가리는 역할을 한다.
물의 혼탁도는 본 연구의 실험에서 가장 영향을 많이 주었다. 하지만 탁도에 따른 파장값을 다르게 한다면 혼탁한 수중 상황에서도 효과적인 통신이 가능함을 확인하였다.
미국 해군은 항공기와 잠수함 사이의 레이저 통신에 성공한 사례가 있다. 해당 실험에서는 깊은 바다에서 청색 광의 레이저가 가장 적합하다는 결과가 나왔으며, 약 532nm 파장의 레이저를 사용하여 데이터 전송 성공률이 약 80% 이상을 보여주었다. 이를 바탕으로 레이저 통신은 현실 가능한 효과적인 통신 기술로 인정되고 있다.

후속연구

이러한 무인 기술을 이용한 다중작전은 단일 작전보다 더욱 효율적이며, 레이저 통신 기술을 활용하면 드론, 로봇 간의 통신을 더욱 신속하고 정확하게 처리할 수 있으며, 다수의 데이터를 송/수신할 수 있다. 따라서, 이러한 수중 드론 및 로봇 간의 레이저 통신 기술은 앞으로의 해양 작전에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
결과적으로 본 연구는 레이저 기반의 수중 통신이 기존 음파 통신 방식보다 우수한 성능을 보이며, 해군 작전에 높은 가치를 제공함을 입증하였다. 앞으로 이 기술의 발전과 함께 해군 통신 시스템의 진화가 기대되며, 전방위적인 해양 안보와 작전 지원에 기여할 것으로 예상한다.
이러한 수중 레이저 통신 기술의 발전을 통해 수상함, 무인 잠수정, 무인 잠수정과 무인 잠수정 간의 통신 등 다양한 활용방안을 모색할 수 있다. 그러나 이러한 방안들도 각각의 문제점이 존재한다.
이를 통해 천안함 사건과 같은 사고를 예방할 수 있으며, 미 해군이 미국 연안에 수중 센서를 설치하여 데이터를 수집하고 있는 것처럼, 북한 및 주변국의 잠수함 위협에 대비할 수 있다. 이러한 수중 센서 데이터 통신 기술은 해양 보안 분야에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
수중 레이저 통신은 빠른 전송속도, 높은 대역폭, 낮은 지연 시간 및 강력한 보안성과 같은 많은 이점을 제공한다[1]. 이러한 이점 덕분에 수중 레이저 통신은 해군 작전의 효율성과 안정성을 향상하는 데 큰 도움이 될 것으로 전망된다.
특히 수중 센서 데이터 통신과 잠수함, 수중 드론(AUV) 등과 같은 수중 통신 물체들의 통신에 대해 다루며, 이를 활용한 수중 정찰 및 위협 탐지 방법을 제안한다. 이를 통해 수중 레이저 통신이 해군 작전에 더욱 효과적으로 적용되어 궁극적으로 전력 및 정보 전달능력을 향상할 수 있는 길을 모색한다.
해양 작전에서는 앞으로 드론, 로봇 등의 무인 기술이 더욱 발전하면서, 수중 드론 및 로봇 간의 통신이 중요한 역할을 할 것으로 예상한다. 이러한 무인 기술을 이용한 다중작전은 단일 작전보다 더욱 효율적이며, 레이저 통신 기술을 활용하면 드론, 로봇 간의 통신을 더욱 신속하고 정확하게 처리할 수 있으며, 다수의 데이터를 송/수신할 수 있다.

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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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