[논문]긴급재난 대응용 5G 이동 기지국을 위한 대기공간 광통신 장치의 제작과 특성평가

장진현

doi:10.7236/jiibc.2023.23.5.131

긴급재난 대응용 5G 이동 기지국을 위한 대기공간 광통신 장치의 제작과 특성평가
Manufacturing and Characteristic Evaluation of Free space Optical Communication Devices in 5G Mobile Base Stations for Emergency Disaster Response 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.23 no.5, 2023년, pp.131 - 138

장진현 (ICT 폴리텍대학 클라우드인터넷과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 수 km이하의 이동 기지국에 활용할 수 있는 대기공간 광통신(Free Space Optic) 장치를 제작하고 그 특성을 알아보았다. 대기전송으로 인한 손실을 극복하고자 23dBm 이상의 출력을 갖는 광섬유증폭기(EDFA)를 사용하였다. 레이저 빔의 집속도를 높이고 소형화하기 위하여 광학렌즈를 제작하였으며, 1.5 ~1.8[mrad] 범위내에서 빔 발산각(divergence)을 갖도록 송신렌즈를 설계하였다. 송수신부의 장비간의 효과적인 자동정렬과 포인팅 에러를 줄이기 위하여 PAN/TILT를 제어하는 PT 모듈을 제작하였다. 본 연구에서는 일정한 수준이상으로 전송품질을 유지하기 위하여 Reed-Solomon(RS) 코드를 사용하였다. 가시도 300m의 기후 상황에서 300m 대기공간 거리를 통신이 가능하도록 제작하였다. 성능측정을 위하여 비트에러 측정기와 아이패턴 분석기를 이용하여 측정하였으며 2.5Gbps 이상에서 10^-9 BER을 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a free space optical communication device that can be used in a mobile base station of several km or less was fabricated and its characteristics were investigated. To overcome the loss due to atmospheric transmission, an optical fiber amplifier (EDFA) with an output of 23 dBm or more was used. In order to increase the focusing speed and miniaturization of the laser beam, an optical lens was manufactured, and a transmission lens was designed to have beam divergence within the range of 1.5 to 1.8 [mrad]. A PT module that controls PAN/TILT was fabricated in order to reduce pointing errors and effective automatic alignment between transceiver devices. In this study, Reed-Solomon (RS) code was used to maintain the transmission quality above a certain level. It was manufactured to be able to communicate at a wireless distance of 300m in a weather situation with visibility of 300m. For performance measurement, it was measured using BERT and eye pattern analyzer, and it was confirmed that BER can be maintained at 2.5Gbps.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 대기공간 광통신 장치 Fig. 1. free space optical communication device
그림 그림 2. 빔 발산 설계 Fig. 2. Beam divergence design
그림 그림 3. PT모듈 자동정렬 기법 Fig. 3. PT module automatic alignment technique
그림 그림 4. FSO 장치 성능 평가 구성도 Fig. 4. FSO device performance evaluation Configulation
그림 그림 5. 최대통신속도 측정 구성도 Fig. 5. Maximum speed measurement configuration
그림 그림 6. 최대통신속도 측정(BERT) Fig. 6. Maximum speed measurement (BERT)
그림 그림 7. Slave FSO의 렌즈 집광부 아이패턴 Fig. 7. Eye pattern of Slave FSO Receiver Part.
그림 그림 8. 대기환경변화에 다른 성능시험 Fig. 8. Performance test according to changes in atmospheric environment

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

3-3에서 탈부착식 자동 정렬 장치(PT 모듈)에 대해서 설명하였고 3-4에서 에러정정을 할 수 있는 채널코딩 기법 적용에 대해 설명하였다. 본 연구에는 통신재난으로 인한 응급복구에 활용할 수 있는 단거리 대용량 FOS 시스템을 연구함으로써 초기 FOS 시스템에서 문제시되었던 소형화, 장비정렬의 어려움, 에러 감지 및 보정기술을 적용, 전송거리 확대등의 문제를 해결하여 날씨의 영향을 최소화 할 수 있는 대기공간 광통신 통신장치를 연구하고자 한다. 향후 이러한 기술은 짙은 안개가 발생한 공항과 터널, 작업장, 경기장등 단거리 대용량 전송로가 필요한 곳이나 지진, 화재등 재난 상황시 기간 통신망이 복구되기 전까지 재난복구용 통신망으로 사용할 수 있는 유용한 시스템이다.

제안 방법

본 연구에서 사용된 EDFA는 출력기준 23dBm의 증폭 특성을 갖는 EDFA를 사용하여 테스트하였으며 설치하고자 하는 장비간 직선거리에 따라 증폭이득을 조정하여 사용할 수 있도록 설계하여 적용하였다. 100GHz 간격(0.8nm)의 DWDM 다중화기와 20nm 간격의 CWDM 다중화기를 사용할 수 있도록 설계하였으며, 입력되는 SFP 파장을 다중화하여 EDFA로 연결하였다. 본 연구에서는 제품의 소형화와 파장선택성의 용이함으로 인하여 마이크로광학형 소자를 사용하였다.
6dB 이상이 확보 될 수 있는지를 점검하고 아이패턴 분석기를 이용하여 EDFA의 추가로 인한 광채널의 이상여부를 확인하였다. EDFA가 입력 광채널을 왜곡 없이 안정적인 증폭할 수 있는 이득범위를 계산하기 위한 실험을 수행할 때는 광스펙트럼분석기와 광파워미터 측정입력 한계치로 인하여 30dB 범위의 가변 감쇄기를 사용하여 EDFA의 입력과 출력을 조정하면서 진행하였다. 측정결과 EDFA의 ASE 잡음을 고려하더라도 20dB 이득 범위내에서 광출력의 아이패턴이 일그러짐 없이 안정적으로 SFP의 출력을 증폭하여 보낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한 향후 전송거리 확장을 위하여 렌즈부를 착탈식 모듈로 개발하여, 렌즈부 교체만으로 최대 500m까지 통신 거리를 조절할 수 있도록 설계하였다. 광송수신 모듈은 광송신부와 광수신부가 분리되어 있는 형태의 모듈을 사용하여 1축, 3축 스테이지를 이용하여 초점거리를 조절하여 광송수신 효율을 극대화 할 수 있도록 설계되었다.
그림 5와 같이 실내 시험환경에서 짙은 안개와 같은 가장 가혹한 대기 손실치에 대한 최대 전송거리 달성여부를 확인 하기 위하여, 자유공간에서의 각각의 목표 거리에 해당하는 손실치 만큼 가변 감쇄기를 이용하여 출력을 조정한 상태에서 테스트 하는 방법이 있다. 두 번째는 실제 야외에서 Master FSO와 Slave FSO 두 장비의 이격거리를 고정시킨 상태에서 에러없이 목표로 한 통신속도와 수신감도를 유지하는지를 확인하는 것이다. 이와 같은 야외에서의 테스트가 가장 유용하나 최악의 기상상황을 충족시키는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다.
7[mrad] 정도임을 확인할 수 있다. 또한 향후 전송거리 확장을 위하여 렌즈부를 착탈식 모듈로 개발하여, 렌즈부 교체만으로 최대 500m까지 통신 거리를 조절할 수 있도록 설계하였다. 광송수신 모듈은 광송신부와 광수신부가 분리되어 있는 형태의 모듈을 사용하여 1축, 3축 스테이지를 이용하여 초점거리를 조절하여 광송수신 효율을 극대화 할 수 있도록 설계되었다.
1550nm 대역의 광원을 사용하였으므로 EDFA 사용이 가능하다. 본 연구에서 사용된 EDFA는 출력기준 23dBm의 증폭 특성을 갖는 EDFA를 사용하여 테스트하였으며 설치하고자 하는 장비간 직선거리에 따라 증폭이득을 조정하여 사용할 수 있도록 설계하여 적용하였다. 100GHz 간격(0.
3-1에서 광송신부 광학계를 설계하고 제작하였다. 효율적인 광송신부 구성을 위하여 복합렌즈를 이용하여 시스템 간편화 및 소형화로 설치의 용이성을 향상시키고자 하였다. 3-2에서 대기채널 손실 극복을 위해 채택한 광섬유증폭기의 적용에 대해서 설명하였다.

대상 데이터

본 시스템에 적용된 R-S 코드는 RS (255,225)를 적용하였다. 255개 바이트가 하나의 블록으로 구성되고 블록당 오버헤드는 30 바이트이다. 즉 225 바이트마다 30개의 오버헤드를 붙여 255바이트의 블록을 구성하며 이론상 수정 가능한 에러 수는 15개이다.
FSO 헤더를 움직여 자동정렬 기능을 구현하기 위한 PT 모듈은 자유공간 광통신 장비의 특성상 두 장비간 거리가 멀어질수록 약간의 움직임에 의해서도 광각도가 크게 움직일 수 있으므로 0.000048° / step 의 정교한 해상도를 갖는 모듈을 설계하고 제작하였다.
계산된 손실값을 보상하기 위하여 광섬유증폭기(EDFA)를 채택하여 안정적인 광전력을 공급할 수 있음을 설명하였다. Ⅲ장에서 대기공간 광통신 장치를 제작하였다. 3-1에서 광송신부 광학계를 설계하고 제작하였다.
이와 같은 야외에서의 테스트가 가장 유용하나 최악의 기상상황을 충족시키는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 그림 5와 같은 실내 시험테스트 이외에 야외 성능테스트를 위해 직선 거리 확보가 쉽고 비교적 안개가 짙으며 인적이 드문 경기 광주에서 시험을 진행하였다. 그림 8의 데이터는 24시간 가시거리와 장비 내부온도등을 실시간 모니터링하면서 장비의 수신 감도 변화를 기록한 데이터이다.
8nm)의 DWDM 다중화기와 20nm 간격의 CWDM 다중화기를 사용할 수 있도록 설계하였으며, 입력되는 SFP 파장을 다중화하여 EDFA로 연결하였다. 본 연구에서는 제품의 소형화와 파장선택성의 용이함으로 인하여 마이크로광학형 소자를 사용하였다. 광파장다중화기의 출력과 EDFA의 출력을 각각 확인하여 EDFA를 채택하지 않은 경우보다 송신 광전력이 최소한 13.

데이터처리

본 연구에서는 제품의 소형화와 파장선택성의 용이함으로 인하여 마이크로광학형 소자를 사용하였다. 광파장다중화기의 출력과 EDFA의 출력을 각각 확인하여 EDFA를 채택하지 않은 경우보다 송신 광전력이 최소한 13.6dB 이상이 확보 될 수 있는지를 점검하고 아이패턴 분석기를 이용하여 EDFA의 추가로 인한 광채널의 이상여부를 확인하였다. EDFA가 입력 광채널을 왜곡 없이 안정적인 증폭할 수 있는 이득범위를 계산하기 위한 실험을 수행할 때는 광스펙트럼분석기와 광파워미터 측정입력 한계치로 인하여 30dB 범위의 가변 감쇄기를 사용하여 EDFA의 입력과 출력을 조정하면서 진행하였다.
짙은 안개가 발생하여 가시거리를 확보하기 어려운 환경에서 최대한 전송하기 위한 대기공간 광통신 장치를 구성하고 구간내에서 데이터 송수신이 안정적으로 이루어지고 있음을 확인하고자 하였다. 대기공간을 통한 통신이므로 신호의 감쇄와 분산으로 인한 왜곡 현상이 발생하면 매우 치명적이므로 FOS 장비의 전송특성을 검증하기 위하여 BER과 아이패턴을 측정하였다. 성능평가요소는 크게 3가지로서, 전송신호의 파형왜곡 여부, 최대 전송대역폭(통신속도)과 실제 야외필드에서 최대전송거리 달성 여부이다.
Ⅱ장에서 대기상태 변동에 따른 안정적인 통신품질을 확보하기 위하여 대기공간에서의 광 손실을 계산하고 전송에 필요한 광전력을 설계하였다. 최근의 논문들에서 검증된 데이터에 근거하여 안개등으로 인한 가시도 300m 환경에서 300m 거리를 전송하기 위한 손실값을 계산하였다. 계산된 손실값을 보상하기 위하여 광섬유증폭기(EDFA)를 채택하여 안정적인 광전력을 공급할 수 있음을 설명하였다.

성능/효과

그림 6은 BERT를 이용하여 전송속도를 측정한 결과이다. CPRI와 OBSAI등 다양한 프로토콜에 대하여 시험하였으며, 2.5.Gbps 이상에서 안정적으로 에러없이 동작함을 확인할 수 있었다.
최근의 논문들에서 검증된 데이터에 근거하여 안개등으로 인한 가시도 300m 환경에서 300m 거리를 전송하기 위한 손실값을 계산하였다. 계산된 손실값을 보상하기 위하여 광섬유증폭기(EDFA)를 채택하여 안정적인 광전력을 공급할 수 있음을 설명하였다. Ⅲ장에서 대기공간 광통신 장치를 제작하였다.
짙은 안개가 발생하여 가시거리를 확보하기 어려운 환경에서 최대한 전송하기 위한 대기공간 광통신 장치를 구성하고 구간내에서 데이터 송수신이 안정적으로 이루어지고 있음을 확인하고자 하였다. 대기공간을 통한 통신이므로 신호의 감쇄와 분산으로 인한 왜곡 현상이 발생하면 매우 치명적이므로 FOS 장비의 전송특성을 검증하기 위하여 BER과 아이패턴을 측정하였다.
EDFA가 입력 광채널을 왜곡 없이 안정적인 증폭할 수 있는 이득범위를 계산하기 위한 실험을 수행할 때는 광스펙트럼분석기와 광파워미터 측정입력 한계치로 인하여 30dB 범위의 가변 감쇄기를 사용하여 EDFA의 입력과 출력을 조정하면서 진행하였다. 측정결과 EDFA의 ASE 잡음을 고려하더라도 20dB 이득 범위내에서 광출력의 아이패턴이 일그러짐 없이 안정적으로 SFP의 출력을 증폭하여 보낼 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구에는 통신재난으로 인한 응급복구에 활용할 수 있는 단거리 대용량 FOS 시스템을 연구함으로써 초기 FOS 시스템에서 문제시되었던 소형화, 장비정렬의 어려움, 에러 감지 및 보정기술을 적용, 전송거리 확대등의 문제를 해결하여 날씨의 영향을 최소화 할 수 있는 대기공간 광통신 통신장치를 연구하고자 한다. 향후 이러한 기술은 짙은 안개가 발생한 공항과 터널, 작업장, 경기장등 단거리 대용량 전송로가 필요한 곳이나 지진, 화재등 재난 상황시 기간 통신망이 복구되기 전까지 재난복구용 통신망으로 사용할 수 있는 유용한 시스템이다.

참고문헌 (17)

C. I. Yeo, etc "Recent R&D Trends of Mobile FSO？Technilogies. Electronics and Telecommunications？Trend. 2018.
M. A. Khalighi and M. Uysal, "Survey on free space？optical communication: A communication theory？perspective," IEEE Commun. Surv. Tut., vol. 16, no. 4,？pp. 2231-2258, Jun. 2014.
B. Bag, A. Das, I. Ansari, A. Prokes, C. Bose, and A.？Chandra, "Performance analysis of hybrid FSO systems？using FSO/RF-FSO link adaptation,"IEEE Photon. J., vol.？10, no. 3, May 2018, Art no. 7904417.
K. A. Winick, "Atmospheric turbulence induced signal？fades on optical heterodyne communication links".？Appl. Opt.. vol.25, pp1817-1825. June 1986.

상세보기
J.H.Jung "Pulse Broadening of Optical Pulse Propagated？through the Turbulent Atmosphere", The Journal of？Korean Institute of Electromagnetic Engineering and？Science, vol.15-1, 2004
Kwang-Chun Ho, Implementation of Optical Sensor？based on Block Surface Wave and Diffraction Grating？Profile. JIIBC, Vol. 21 No.4 | pp.143-148, Year 2021.08.？https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.4.143

원문보기 상세보기
Kwang-Hyun Noh, "Design of V-Band Waveguide Slot？Sub-Array Antenna for Wireless Communication？Back-haul", Journal of the Korea Academia-Industrial？cooperation Society, Vol. 17, No. 7 pp. 334-341, 2016.？https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.334

원문보기 상세보기
Eui-Seok Jeon, Ho-Myoung An, & Byungcheul Kim？(2021). A study on AC-powered LED driver IC. Journal？of Korea Institute of Information, Electronics, and？Communication Technology, 14(4), 275-283.
R. Nebuloni and E. Verdugo, "FSO Path Loss Model？Based on the Visibility", IEEE Photinics Journal, vol. 14,？no. 2, april 2022
I. I. Kim, B. McArthur, and E. Korevaar, "Comparison of？laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog？and haze for optical wireless communications," in Proc.？SPIE, 2001, pp. 26-37.
M. Gebhart et al., "Measurement of light attenuation in？dense fog conditions for FSO applications," Atmos. Opt.？Model., Meas., Simul., vol. 58691, pp. 175-186, 2005.
K. Dev, R. Nebuloni, C. Capsoni, O. Fiser, and V.？Brazda, "Estimation of optical attenuation in reduced？visibility conditions in different environments across？free space optics link," IET Microw., Antennas Propag.,？vol. 11, no. 12, pp. 1708-1713, 2017.
Free-space optics wavelength selection: 10 μm versus？shorter wavelengths Journal of Optical Networking Vol.？2, Issue 6, pp. 127-143, 2003
T. Ismail, E. Leitgeb, and T. Plank, "Free space optic and？mmWave communications: Technologies, challenges？and applications," IEICE Trans. Commun., vol. E99-B,？no. 6, pp. 1243-1254, 2016.
D. K. Borah and D. G. Voelz, "Pointing error effects on？free-space optical communication links in the presence？of atmospheric turbulence," J. Lightw. Technol., vol. 27,？no. 18, pp. 3965-3973, 2009.
R. Nebuloni and C. Capsoni, "Effects of adverse weather？on free space optics," Opt. Wireless Commun., pp. 47-68, 2016.
M. Grabner and V. Kvicera, "Multiple scattering in rain？and fog on frees pace optical links," J. Lightw. Technol.,？vol. 32, no. 3, pp. 513-520, 2014.

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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