초록 ▼

연구목표
본 연구에서는 수중에서 고속 데이터 전송을 위해 트랜스듀서 어레이를 이용한 송신단을 설계하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 검증한다. 또한 시뮬레이션을 위해 현실적이면서 단순화된 수중 채널 모델도 연구한다. 아울러 연구된 내용을 기반으로 하여 간략화된 prototype 수중 통신 시스템을 구현하고, 지원된 연구 장비를 이용하여 수조에서 실험을 수행하여 성능을 분석하고 그 결과를 제시한다.
연구내용
해양 탐사를 위해 위성 탐사선, 잠수정등을 이용하여 과학적이고, 효율적인 연구가 진행되어 왔다. 이중 소형 무인 잠

연구목표
본 연구에서는 수중에서 고속 데이터 전송을 위해 트랜스듀서 어레이를 이용한 송신단을 설계하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 검증한다. 또한 시뮬레이션을 위해 현실적이면서 단순화된 수중 채널 모델도 연구한다. 아울러 연구된 내용을 기반으로 하여 간략화된 prototype 수중 통신 시스템을 구현하고, 지원된 연구 장비를 이용하여 수조에서 실험을 수행하여 성능을 분석하고 그 결과를 제시한다.
연구내용
해양 탐사를 위해 위성 탐사선, 잠수정등을 이용하여 과학적이고, 효율적인 연구가 진행되어 왔다. 이중 소형 무인 잠수정 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)를 제어하거나 동영상과 같은 데이터를 전송하기 위해서는 수중 채널 환경에 강하면서 고속?장거리 데이터 전송이 가능한 수중 데이터 송수신 시스템에 관한 연구가 중요하다. 지금까지의 연구는 대부분 수신기 구조나 변복조 기법, 코딩기법을 위주로 하고 있다. 그러나 수신단 뿐만 아니라 송신 시스템을 트랜스듀서 어레이를 이용하여 적절히 설계하면 고속 데이터 전송 및 데이터 도달 거리 영역 확장을 실현할 수 있다. 즉 수신기가 존재하는 방향으로 지향성을 줌으로써 전력 소모를 최소화하면서 데이터 오차를 줄이는 전송 능력을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서는 이러한 수중 통신 시스템을 위한 효율적인 송신단을 설계한다. 또한 연구된 방법을 검증하기 위해 반드시 필요한 수중 채널 모델링에 대해서도 연구한다. 즉 단순하면서도 실제 환경에 근접한 모델을 연구하였다. 그리고 시뮬레이션을 통해 검증된 방법은 DSP 프로세서를 탑재한 하드웨어를 설계?구현하여 수조에서 실험을 통해 실제 성능을 고찰하도록 한다.
연구성과
본 연구에서는 수중 통신 시스템의 성능을 개선하기 위하여 송신 빔 형성을 위한 하이드로폰 어레이 시스템을 구현하고 그 성능을 분석하였다. 이를 위해 먼저 수중채널 모델을 분석하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 DSP 프로세서를 이용한 하드웨어를 직접 설계 및 구현하여 수조에서 실험을 수행하였다. 실험을 통해 송신 하이드로폰 수가 증가할수록 성능이 개선되며, 실험에 사용된 수조 내에서 5개 어레이를 사용할 경우 1개만 사용할 경우보다 수신 레벨이 25배 이상 증가하는 것을 확인하였고, 그 결과 OOK 변조 기법을 적용한 경우 오차율 $10^{-3}$을 기준으로 전송율이 400 bps 정도까지 가능하다는 것을 확인하였고 이는 송신 센서를 한개만 사용한 경우에 비해 약 3배 이상 전송율이 향상된 것이다. 이러한 결과들은 앞으로 디지털 수중 통신 시스템 구현에 있어서 고속, 고품질, 원거리 데이터 전송을 가능하게 할 것이다.
이러한 연구 결과로 인하여 국내 업체와 산학 협력을 체결하였으며, 앞으로 지속 적인 공동 연구를 수행하기로 하는 성과를 올렸다. 우선 잠수부와 같은 수중 활동 자들 사이의 디지털 수중 음성 통신 시스템을 공동 설계하여 상품화하기로 하였다.

Abstract ▼

Purpose of Research
In this study we design the transmit system by using transducer array for high-speed data transmission in undersea, evaluate the performance via simulation. We also study the realistic simplified underwater channel model for simulation. We implement the prototype DSP hardware

Purpose of Research
In this study we design the transmit system by using transducer array for high-speed data transmission in undersea, evaluate the performance via simulation. We also study the realistic simplified underwater channel model for simulation. We implement the prototype DSP hardware system based on the studied contents, and perform the experiments in water tank using applied equipments.
Contents of Research
The scientifical and effective oceanic exploration using satellites, ship and AUV (Autonomous Underwater Vehicle) have been studied. Among these, it needs the underwater data transmission system for controlling AUV or transmitting the acquired data. Specially, the high-speed, long-range robust underwater communication system is required to transmit the large-scale data such as motion pictures. The existing researches were the study about the receiver structure, modulation/demodulation techniques, coding schemes. However, the high-speed long-range underwater communication system can be realized if one uses the transmitter using transducer array as well as the receiver. As the designed transmitter forms directivity to receiver direction, the system with lower power consumption and low bit-error rate can be realized. In this study we may study the effective transmitter for underwater communication. And the underwater channel modelling should be studied for performance evaluation. So in this study we research the simple and realistic underwater channel model. The evaluated method via computer simulation will perform the experiment in water tank by using implemented DSP hardware.
Effectiveness of Research
In this study we applied a transmit beamforming technique to the underwater acoustic communication system for high rate data transmission. A prototype transmit system was designed and implemented with the general purpose DSP processor and multiple digital-to-analog converters. The performances of the implemented system were evaluated by the experiment in water tank. In order to simplify the procedure the channel coding and equalizer were omitted. And the simplest OOK (On-Off Keying) technique in digital communication methods was applied. The experimental result shows that the transmission data rate is higher about 3 times in the case of 5 hydrophone transmitting array than 1 hydrophone transmitter at bit error rate $10^{--2}$. We verified that the maximum data rate was 400 bps for speech signal transmission in water tank.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문 ...3
• 1. 국문요약문 ...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문 ...4
• 1. 국문요약문 ...4
• 2. 영문요약문 ...5
• Ⅲ. 연구내용 ...6
• 1. 서론 ...6
• 2. 연구방법 및 이론 ...7
• 3. 결과 및 고찰 ...15
• 4. 결론 ...19
• 5. 인용문헌 ...20