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지후 옹
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1 한국해양공학회지제 32 권제 2 호, pp , 2018 년 4 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(2), April, Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission Hyun-Joong Son *, Jin-Il Kang **, Thieu Quang Minh Nhat *, Seo Kang Kim * and Hyeung-Sik Choi * Division of Mechanical and Energy Systems Engineering, Korea Maritime University, Busan, Korea ** BORsys Co. Ltd., Busan, Korea * 영상통신용수중광통신시스템연구 손현중 * 강진일 ** Thieu Quang Minh Nhat * 김서강 * 최형식 * * 한국해양대학교기계에너지시스템공학과 ** ( 주 ) 볼시스 KEY WORDS: Underwater optical wireless communication 수중광무선통신, Underwater communication 수중통신 ABSTRACT: In this study, we designed and developed an underwater LED communication system composed of an LED and a photo sensor. In addition, we experimented with video data transmission in a water tank. Two communication modules were installed in the 3 m water tank, and the image data transmission test was successfully performed at a rate of 20 frames per second(fps), image resolution of , and data communication speed of 4 Mbps. 1. 서론최근각국에서해양에대한관심의증가로약 800여종이상의수중드론이개발되어해양탐사및자원개발에사용되고있으며이러한수중드론의증가와함께이들의임무도점차다양해지고복잡해지고있다. Side sonar scanner나 Multi-beam echo sounder 등을장착하여수중지형을매핑하여해저지형도를만들고, 이를수중드론간에통신으로전송하거나수중에설치된통신노드로전송하는형태로발전하여수중에서대량의정보를빠르게보내는통신기술이점점중요한이슈가되고있다 (Farr et al., 2005). 현재음향파통신은수중통신에폭넓게응용되고있지만후술할다양한문제점에의해수중에서많은용량의데이터를고속으로전송하기어렵다. 이를해결하기위한방안으로미국우즈홀해양연구소 (Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI), 메사추세츠공과대학 (Massachusetts Institute of Technology, MIT), 영국소나다인사 (Sonardyne International Ltd.) 등수중로봇최선진국에서는청색광레이저및 LED(Light emitting diode) 를이용한수중대용량고속통신연구가활발히이루어지고있다. 본논문에서는음향파수중통신과가시광수중통신기술을비교분석하고, 수중광무선통신에대한국내외연구동향과가시광수중통신의활용분야를소개하였다. 또한소개한수중광무선통신을활용한다양한수중드론운용시스템아이디어를실현하기위한수단으로수중에서화상데이터와같이대량의데이터를빠른속도로전송할수있는통신기술을확보하고자 LED와광검출센서로구성된수중양방향 LED 통신시스템을연구개발하였다. 그리고개발한통신시스템을수조에서동화상데이터전송시험을성공적으로수행하였다. 2. 음향파수중통신과가시광수중통신비교분석수중에서는전자기파의도달거리가매우짧아수중통신은많은어려움이있기때문에최근까지수중에서의통신은모두음향파를사용하여이루어졌다. 수중음향파통신은수중에서신호감쇠가작아가장광범위하게사용되고있으나다음과같은문제점이있으며, 수중음향링크의다양한범위에대한일반적인대역폭을 Table 1에나타내었다 (Kaushal and Kaddoum, 2016). Received 2 March 2018, revised 10 April 2018, accepted 20 April 2018 Corresponding author Hyeung-Sik Choi; , hchoi@kmou.ac.kr ORCID: It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KMRTS 2017 in Seongnam. c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 143

kbps Short 0.1-1 20-50 ~ 30 kbps Very short < 0.1 > 100 ~ 500 kbps 이러한음향파통신의단점을보완하기위해청색광을이용한수중고속통신기술개발에대한연구개발이최근에미국을비롯한선진몇개국에서이루어지고있다. 청색광은수중투과가가장우수한특징을보이고다음장점이있다. - 청색광의수중전파속도는광속이므로데이터고속전송이가능하다.

2 144 Hyun-Joong Son et al. Table 1 Typical bandwidth for different ranges in underwater acoustic links Distance Range [km] Bandwidth [khz] Data Rate Very long 1000 < 1 ~ 600 bps Long ~ 5 kbps Medium ~ 10 kbps Short ~ 30 kbps Very short < 0.1 > 100 ~ 500 kbps 이러한음향파통신의단점을보완하기위해청색광을이용한수중고속통신기술개발에대한연구개발이최근에미국을비롯한선진몇개국에서이루어지고있다. 청색광은수중투과가가장우수한특징을보이고다음장점이있다. - 청색광의수중전파속도는광속이므로데이터고속전송이가능하다. - 해수의온도변화와분포영향에무관하다. - 해수면에서발생하는선박엔진소음, 스크루소음등의잡음에무관하다. - 청색광의수중전파속도가빠르기때문에반사와굴절에의한간섭이없다. Table 2는음향파수중통신과가시광수중통신기술을비교하여나타낸것이다 (Kaushal and Kaddoum, 2016). 3. 가시광수중통신국내외연구동향 Fig. 1 Problems of Acoustic Communication - 수중에서의음파속도는 1500m/s전로전자기파속도에비하여매우느리다. - 해수의온도변화와분포영향에민감하다. - 해수면에서발생하는선박엔진소음, 스크루소음등의잡음에취약하다. - 음파의반사와굴절에의한다중경로진행파의간섭에취약하다. - 데이터전송속도가 100bps ~ 100Kbps 이하로제한되어대용량데이터전송에많은어려움이있다. - 데이터전송효율대비높은전력이요구되기때문에배터리자원이한정된수중드론적용에많은제약이있다. - 음향파통신모뎀시스템크기가크기때문에용적이제한된수중드론에적용하기에많은제약이있다. 수중광무선통신시스템의국외연구동향으로는수중장비최선진국인미국에서연구가활발히이루어지고있으며특히우즈홀해양연구소가세계적으로주목할만한성과를거두고있다. 국내외연구동향을살펴보면다음과같다. 3.1 메사추세츠공과대학 (MIT) MIT 대학에서는 5W 청색 LED 6개와 APD를사용하여 1.2Mbps 단방향통신을 30m 거리까지통신가능한수중광무선통신모뎀을개발하고수중에서케이블없이수중로봇을제어하는실험을수행하였다 (Doniec et al., 2010). Fig. 2 Optical Communication Modem of MIT Table 2 Acoustic Communication VS Optical Communication Parameter Acoustic Optical Attenuation Distance and frequency dependent (0.1-4 db/km) 0.39 db/m (ocean) 11 db/m (turbid) Speed [m/s] 1500 m/s m/s Data rate ~ kbps ~ Gbps Latency High Very Low Distance up to kms 10~100 meters Bandwidth 1000 Km < 1 khz 1~10 km 10 khz 10~150 MHz Transmission power tens of Watts (typical value) Few Watts Efficiency 100 bit/joules 30,000 bits/joules Performance parameters Temperature, salinity and pressure Absorption, scattering/turbidity, organic matter

Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 145 3.2 노스캐롤라이나대학 (Univ.

4 Underwater optical communication observation node of WHOI Fig. 3 Optical Communication Modem of N.C University 3.

, 2008) Table 3은 2015년기준으로도달한성능을나타낸것이다 (Pontbriand et al., 2015). 우즈홀해양연구소는개발한가시광수중통신시스템을실제대양에서다방면에활용하고있으며대표적인사례로는북태평양해저에수중광통신모뎀을장착한해저관측노드 (Fig.

LED 10 Mbps 108 Hemisphere PMT / LED 15 Mbps 80 Hemisphere PMT / LED > 400 Mbps 4 ±7 degrees PMT / Laser 10 Gbps Contact ±2 degrees Photodiode / Laser Fig.

5) 로수중광역통신망을구축하여수중에서임무중인 AUV(Autonomous underwater vehicle) 와실시간고속통신네트워크를구축하여많은데이터를고속으로취득하거나실시간으로 AUV 제어등의기술을개발하고있다 (Pontbriand et al., 2015). 3.

3 Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 노스캐롤라이나대학 (Univ. of North Carolina) 노스캐롤라이나대학에서는 6각형형태의돔에총 7개의포토센서, LED, 렌즈를배치하여광검출및광전송시야각을향상시키고상대방광통신장치의각도를추정할수있는수중광무선통신장치연구개발을수행하였다 (Simpson et al., 2012). Fig. 4 Underwater optical communication observation node of WHOI Fig. 3 Optical Communication Modem of N.C University 3.3 우즈홀해양연구소 (Woods Hole Oceanographic Institution) 우즈홀해양연구소에서는청색 LED 및 Laser와광증배관 (Photomulti-plier tube, PMT) 으로구성된수중가시광통신시스템을오래전부터꾸준히개발하였으며 (Pontbriand et al., 2008) Table 3은 2015년기준으로도달한성능을나타낸것이다 (Pontbriand et al., 2015). 우즈홀해양연구소는개발한가시광수중통신시스템을실제대양에서다방면에활용하고있으며대표적인사례로는북태평양해저에수중광통신모뎀을장착한해저관측노드 (Fig. 4) 를설치하고 1년동안수집된해저관측노드의대용량수집데이 Table 3 WHOI underwater optical wireless communication spec (2015 year) Rate Range [m] Angle Technology [receiver / source] 1 Mbps 138 Hemisphere PMT / LED 10 Mbps 108 Hemisphere PMT / LED 15 Mbps 80 Hemisphere PMT / LED > 400 Mbps 4 ±7 degrees PMT / Laser 10 Gbps Contact ±2 degrees Photodiode / Laser Fig. 5 Underwater optical communication network of WHOI 터를광통신으로회수에성공함으로해저관측노드를인양하는비용과시간을절약한사례가있다 (Farr et al., 2013). 또한가시광통신모뎀을장착한해저노드 (Fig. 5) 로수중광역통신망을구축하여수중에서임무중인 AUV(Autonomous underwater vehicle) 와실시간고속통신네트워크를구축하여많은데이터를고속으로취득하거나실시간으로 AUV 제어등의기술을개발하고있다 (Pontbriand et al., 2015). 3.4 영국소나다인사 (Sonardyne International LTD) 음향파통신장비분야의유명업체인영국 Sonardyne 사는미국우즈홀해양연구소, MIT와기술협약을통해수중광무선통신모뎀을세계에서최초로상용화, 상업적으로가치가있음을증명한사례가있다. 다음의 Table 4는 Sonardyne 사의수중광무선통신모뎀상용제품을정리한것이다. Table 4 UK Sonardyne's underwater wireless communication module products Model BlueComm 200 BlueComm 100 (Operates only in deep water Specification environments greater than 1000 meters) Light source Blue LED Array Blue LED Array Bit rate 1 ~ 5 Mbps 1 ~ 12.5 Mbps Communication range up to 10 M up to 150 M Communications Interface Ethernet Ethernet Photo

(BlueComm 100) 의사양이천해에서최대통신속도 5Mbps, 최대통신거리 10m 인점을비교하면통신속도는동일하고최대통신거리가 10m 더우수한수준의성능이다. Fig. 6은한국해양대학교에서개발해온광무선통신장치를함께나타낸것이다. 그리고 Fig.

8 WHOI's Un-Tether ROV 반적이나유선케이블통신의경우케이블길이가길어질수록수중운동체의동작에많은저항력을미치고조류가있는환경에서적용이어려운문제가있다.

8은미국우즈홀해양연구소에서가시광통신기술을적용하여개발및시범운용중인 Un-Tether ROV (Remotely operated vehicle) 이다 (Bowen et al., 2013).

이러한문제점을해결하기위해가시광수중통신을적용한다면수중로봇을인양하지않고도취득데이터를내려받거나운용프로그램입력등의필요한작업이가능해지게되며특히운용인력과모선이불필요해지므로수중로봇운용비용을크게절감할수있다.

4 146 Hyun-Joong Son et al. 3.5 국내연구동향국내연구동향으로는한국해양대학교에서수중광무선통신기반기술을확보하고자관련연구를 2013년도부터꾸준히진행하여현재천해에서최대통신속도 5Mbps, 최대통신거리 20m 수준에도달하였으며이는영국 Sonardyne 사에서상용화중인천해용수중광통신모뎀 (BlueComm 100) 의사양이천해에서최대통신속도 5Mbps, 최대통신거리 10m 인점을비교하면통신속도는동일하고최대통신거리가 10m 더우수한수준의성능이다. Fig. 6은한국해양대학교에서개발해온광무선통신장치를함께나타낸것이다. 그리고 Fig. 7은한국해양대학교의기술을이전받아 BORsys 에서제작한 BOLcomm 100( 천해 100m용 ) 의사진이다. Fig. 6 Optical Communication Modems of Korea Maritime University Fig. 8 WHOI's Un-Tether ROV 반적이나유선케이블통신의경우케이블길이가길어질수록수중운동체의동작에많은저항력을미치고조류가있는환경에서적용이어려운문제가있다. 이러한문제점을해결하기위해고속통신이가능한가시광수중통신기술을적용하여케이블이없는실시간제어수중로봇을개발하려는연구가수행되고있다. 다음 Fig. 8은미국우즈홀해양연구소에서가시광통신기술을적용하여개발및시범운용중인 Un-Tether ROV (Remotely operated vehicle) 이다 (Bowen et al., 2013). AUV의운용을위해서는진수및회수작업을위해운용인력이탑승한모선이수반되어야하며임무종료후취득데이터를얻기위해서는반드시수중로봇을인양하여야만하는문제점이있다. 이러한문제점을해결하기위해가시광수중통신을적용한다면수중로봇을인양하지않고도취득데이터를내려받거나운용프로그램입력등의필요한작업이가능해지게되며특히운용인력과모선이불필요해지므로수중로봇운용비용을크게절감할수있다. 또한무선수상선 (Unmand surface vehicle, USV) 또는수중노드를활용한다면지역에제한을받지않고더욱효과적인운용이가능할것이다. Fig. 7 Underwater Optical Communication Modem of BORsys Co Ltd. (BOLcomm100) 4. 가시광수중통신활용분야 가시광수중통신기술을효과적으로활용할수있는분야로는수중로봇원격고속통신, 다이버통신, 해양방위, 광역수중통신네트워크등을들수있다. 또한가시광수중통신기술은이장에서소개한분야에국한되지않고이외에다양한활용분야가존재한다. 4.1 수중로봇원격고속통신분야화상이나데이터를실시간으로모니터링하거나실시간제어가필요한수중로봇운용시유선케이블을사용하는것이일 Fig. 9 USV and AUV optical underwater communication concept design 4.2 다이버통신분야레저활동나수중작업등다이버들의수중활동증가로이들에대한안전과원활한작업수행을위하여다이버와통신이필연적으로늘어나면서다양한수중통신장비들이개발되고있는

Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 147 추세이다. 현재는수중다이버간의의사소통은미리약속된수신호를활용하거나, 음향파를이용한전통적인통신수단밖에존재하지않기때문에양질의음성, 영상이미지등의대용량데이터를전송하기어렵고, 작업선이나육상으로전달할수있는무선통신수단이없는실정이다.

에서개발중인수중다이버가시광통신장치이다. Fig. 10 Japanese company's diver underwater optical communication device 4.

가시광수중통신을활용할경우, 소스신호가로채기나재밍등의해킹시도가매우어려울뿐만아니라많은데이터를고속으로짧은시간에상호교환이가능하므로통신노출시간을다른통신수단에비하여크게단축시킬수있는점은저피탐 (Low probability of interception, LPI) 을달성하기쉽게되므로결과적으로기동중인잠수함이노출될확률이감 소하는효과가있다.

4 광역수중통신네트워크망분야광역수중통신네트워크는넓은범위의수중에걸쳐서각종수중정보를수집하고이를수중기지국을통해지상으로전송하는형태로, 수중센서를통해수집된정보가해양기후관측및생태환경분석등의분야와선박의항로정보등해운산업분야, 영해방위를위한국방분야등다양한영역에서활용이가능하다.

5 Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 147 추세이다. 현재는수중다이버간의의사소통은미리약속된수신호를활용하거나, 음향파를이용한전통적인통신수단밖에존재하지않기때문에양질의음성, 영상이미지등의대용량데이터를전송하기어렵고, 작업선이나육상으로전달할수있는무선통신수단이없는실정이다. 이에대응하여수중가시광통신을활용한다면수중에서다이버-다이버간의사소통뿐만아니라수중촬영영상등을선상이나육상으로실시간전송하여해상크레인과같은중장비와연계한작업수행에도활용할수있을것이다. 또한다이버들의안전사고를방지하기위하여작업선에서도다이버의상태를확인할수있는안전장치로도활용가능할것이다. Fig. 10은일본다이요요덴사와 Nakagawa Labs Inc. 에서개발중인수중다이버가시광통신장치이다. Fig. 10 Japanese company's diver underwater optical communication device 4.3 해양방위산업분야기동중인군사용잠수함과의통신을위하여기존에는 RF(Radio Frequency) 통신이나수중음향통신기법이적용되었으나이는적에게노출되기쉬워가로채기 (Interception) 나재밍 (Jamming) 기회를제공하게될수도있다. 이를극복하기위한방법으로고지향성을가지면서해수투과율이높은청록레이저를이용한방위산업목적의가시광수중통신이연구되고있다. 가시광수중통신을활용할경우, 소스신호가로채기나재밍등의해킹시도가매우어려울뿐만아니라많은데이터를고속으로짧은시간에상호교환이가능하므로통신노출시간을다른통신수단에비하여크게단축시킬수있는점은저피탐 (Low probability of interception, LPI) 을달성하기쉽게되므로결과적으로기동중인잠수함이노출될확률이감 소하는효과가있다. 또한공격형잠수함탑재무인잠수정 (Unmanned underwater vehicle, UUV) 의다양한군사적활용도가증가하고있어여기에수중가시광통신기술을적용한다면 UUV의정밀사출및도킹, 실시간화상데이터및대용량수집데이터를짧은시간내에전송등을실현할수있어 UUV의보다효과적인군사적응용이가능해질것이다. 4.4 광역수중통신네트워크망분야광역수중통신네트워크는넓은범위의수중에걸쳐서각종수중정보를수집하고이를수중기지국을통해지상으로전송하는형태로, 수중센서를통해수집된정보가해양기후관측및생태환경분석등의분야와선박의항로정보등해운산업분야, 영해방위를위한국방분야등다양한영역에서활용이가능하다. 또한, 수중에서의탐지기능을통해해수의온도와흐름뿐만아니라해저지진파등의감지를통해해양기후의관측과해저에서시작되는자연재해에대해보다정확한예측을하는것은물론선박사고등에대해서도신속한대처가가능하기때문에우리나라를포함한각국에서광역수중통신네트워크에관심과투자개발이활발하게진행되고있다. 주목할만한사례로는유럽연합의유 무선방식을혼용한 썬라이즈프로젝트 와캐나다비영리단체오션네트웍스에서운용하고있는유선망기반센서수집및수집데이터실시간원격관측시스템이있다. 특히해양의물리적, 화학적, 생물학적, 지질학적수중데이터가 200기가바이트이상이매일수집되고있다. 이방대한데이터를전송및처리하기할수있는통신수단은수중가시광통신기술이매우유력하다. 수중광통신노드는통신거리가짧은단점이있지만광섬유로이들을길게연결하면초고속광역통신망이구성될것이다. 이러한시스템을구성하면수중광통신관련제품들의시장이크게확장될것으로사료된다. Fig. 12는 Salish Sea 수역에구축된광역수중통신네트워크시스템을나타낸것이다. Fig. 12 Wide-area underwater communication network system built in Salish Sea 5. 수중광통신시스템설계 Fig. 11 Underwater optical communication application of military submarine and UUV 앞에서서술한국외연구동향과같이수중드론의개발및활

148 Hyun-Joong Son et al. 용이증가하면서함께이들의임무도점차다양해지고있다. 그리고이를보다저비용, 효율적으로운용하기위해다양한운용시스템에대한아이디어가제안되고있다. 이아이디어를실현하기위한핵심수단으로수중에서대량의정보를빠르게전송하는통신기술이점점중요한이슈가되고있다.

송신파트는전송하고자하는데이터를 LED 광에너지로변환해전송하기위한것으로크게광학장치, LED, LED 드라이버, 컨트롤러로구성되어있으며수신파트는 LED 송신기에서방출된광을검출하고적절한신호처리를통해원래의데이터를복원하는장치로크게집광장치, 포토센서, 전단증폭기, 2차증폭기및신호처리기로구성되어있다. 이를구체적으로살펴보면다음과같다.

⓻ : RS422, RS485, Ethernet의통신인터페이스를지원하기위한보드로통신모뎀제어를위한별도의통신처리회선을포함하도록구성하였다. 개발한광통신모뎀의설계목표사양을 Table 5에나타내었다.

6 148 Hyun-Joong Son et al. 용이증가하면서함께이들의임무도점차다양해지고있다. 그리고이를보다저비용, 효율적으로운용하기위해다양한운용시스템에대한아이디어가제안되고있다. 이아이디어를실현하기위한핵심수단으로수중에서대량의정보를빠르게전송하는통신기술이점점중요한이슈가되고있다. 본논문에서는이러한동향에발맞춰수중에서동화상데이터와같은대량의데이터를짧은시간에전송할수있는통신기술을확보하고자 LED와광검출센서로구성된수중양방향 LED 통신시스템을설계, 제작하였다. 5.1 송신-수신일체형수중광통신모뎀설계및제작단일실린더통신모뎀으로수중양방향광통신을구현하기위해송신파트와수신파트가통합된형태로하드웨어구조를설계하였다. 송신파트는전송하고자하는데이터를 LED 광에너지로변환해전송하기위한것으로크게광학장치, LED, LED 드라이버, 컨트롤러로구성되어있으며수신파트는 LED 송신기에서방출된광을검출하고적절한신호처리를통해원래의데이터를복원하는장치로크게집광장치, 포토센서, 전단증폭기, 2차증폭기및신호처리기로구성되어있다. 이를구체적으로살펴보면다음과같다. 쳐원신호복원을하는신호처리시스템을단일기판에집적하였다. ⓺ : 전단증폭기게인, 노이즈차단주파수설정, 구형파복원기준점등의광수신에관련된파라미터를원격으로제어할수있도록구성하였으며자율알고리즘에의해최적화된광수신파라미터를스스로조정하도록프로그램하였다. ⓻ : RS422, RS485, Ethernet의통신인터페이스를지원하기위한보드로통신모뎀제어를위한별도의통신처리회선을포함하도록구성하였다. 개발한광통신모뎀의설계목표사양을 Table 5에나타내었다. Table 5 Optical modem design specification Light source 450 nm BLUE LED Array Optical Power 6 Watts (Radiated light) Optical Beam 7 Half angle emitter beam Sensor PIN, APD Comm Range 20 metres maximum Bit Rate 0.1 ~ 5 Mbps Comm Interface RS422, RS485, Ethernet 5.2 제작한광통신모뎀통신성능검증제작한광통신모뎀의수중통신성능을평가하기위해가로 3M 크기의실험수조에서수중통신실험을수행하였다 (Fig. 14). 송수신부거리를실험수조의최대길이인 3m로고정하고안정적으로통신가능한최대통신속도를측정하였다. 측정방법으로는전송데이터 0x00~0xFF 중에서 0xAA(0b ) 또는 Fig. 13 Integrated optical modem H/W structure ⓵ : LED 광의직진성을향상시킬수있는콜리메이트렌즈등의광학장치로구성하였다. ⓶ : 수중에서투과율이좋은 450nm 청색파장의 LED로서고출력이면서도고속응답이가능한 Low Capacitance LED 를선정하였다. ⓷ : 전송하고자하는데이터를 LED 구동전류로변환하며특히매우빠른속도로 LED를 On-off 를하여야하므로고속의 LED 드라이버를구성하였다. ⓸ : 광수신기는고이득포토다이오드를사용하여저에너지광신호를효과적으로검출하고주변광잡음을필터링하고통신데이터를디코딩할수있도록구성하였다. ⓹ : 포토다이오드의출력전류를입력으로받아비례전압을출력하는전단증폭기및전단증폭기로부터얻어진신호에노이즈제거, 구형파복원등의신호처리과정을거 Fig. 14 LED underwater communication performance test Fig. 15 Receive waveform of 0xAA data

Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 149 0x55(0b10101010) 가비트변화율이가장높은점 (Fig.

본논문에서개발한통신모뎀은최대 5Mbps까지통신가능하도록설계하였으나, 사용한 PC to RS485 통신인터페이스장비가최대 4Mbps까지지원되는문제점이있어본실험에서는최대 4Mbps까지실험을수행하였다. 6. 수중광통신을이용한수중동영상통신시스템설계및제작 6.

카메라호환성을높이기위해 USB CAM 종류의카메라를호환할수있으며사용자가지정한해상도로이미지캡쳐를해서얻은비트맵이미지데이터를 JPEG로압축하여이미지용량을줄인다. 압축된 JPEG 이미지를 Byte 배열로변환한후 STX(Start of text), 전체데이터길이, ETX(End of text) 등의필요한정보를추가하여프로토콜패킷매칭을한후광통신모뎀의송신측에전송한다.

7 Study on Underwater Optical Communication System for Video Transmission 149 0x55(0b ) 가비트변화율이가장높은점 (Fig. 15) 을이용하여 0xAA의 1Byte 데이터를연속적으로송신및수신하여값이일치하는지검사하는소프트웨어를작성하여반복시험을 10 만번이상수행하는방법으로통신성능을측정하였다. 그결과, 최대 4Mbps까지, 10만번테스트중 13개에러발생율로안정적인수중통신이가능함을확인하였다. 본논문에서개발한통신모뎀은최대 5Mbps까지통신가능하도록설계하였으나, 사용한 PC to RS485 통신인터페이스장비가최대 4Mbps까지지원되는문제점이있어본실험에서는최대 4Mbps까지실험을수행하였다. 6. 수중광통신을이용한수중동영상통신시스템설계및제작 6.1 수중광통신용영상통신소프트웨어설계 USB CAM(Universal serial bus camera) 에서촬영한이미지데이터를수중광통신을통해전송하는영상전송소프트웨어의개념설계도를 Fig. 16과같이나타내었다. 카메라호환성을높이기위해 USB CAM 종류의카메라를호환할수있으며사용자가지정한해상도로이미지캡쳐를해서얻은비트맵이미지데이터를 JPEG로압축하여이미지용량을줄인다. 압축된 JPEG 이미지를 Byte 배열로변환한후 STX(Start of text), 전체데이터길이, ETX(End of text) 등의필요한정보를추가하여프로토콜패킷매칭을한후광통신모뎀의송신측에전송한다. LED 송신기와광수신기가한쌍으로구성된통신모듈을수면과수중에각각설치한다. 그리고이통신모듈들은서로광 통신모뎀에서수신된이미지데이터를파싱, 디코딩하여영상출력하는영상수신소프트웨어의개념설계도를 Fig. 17과같이나타내었다. 광통신모뎀에서수신된데이터는상시수신버퍼에저장되며소프트웨어의쓰레드프로그램은수신버퍼에저장된데이터를파싱하여 STX, 이미지데이터길이, ETX를분리한다. 분리된이미지데이터는 JPEG 디코딩을통해이미지를복원하며복원된이미지에이미지확대축소등과같은필요한이미지보정작업을한후최종적으로사용자의모니터에이미지를출력한다. 위 Fig. 16와 Fig. 17의이미지송신-수신절차한번에 1프레임의영상전송이이루어지며보레이트, 소프트웨어처리시간등에따라초당전송, 수신가능한최대프레임수가결정된다. 6.2 수중광통신용영상통신시험및결과 5.2절에서기술한바와같이구성된실험수조환경에서수중광통신모뎀을설치하고영상통신시험을수행하였다 (Fig. 18). 영상전송시험결과를 Table 6에나타내었다. Fig. 18 Video transmission / reception software UI & Video communication experiment environment Table 6 Video transmission test result Bit Rate 4 Mbps Image Resolution Image Data Size Average 0.2 Mbit Received image frame 20 FPS Error rate no error in 10 hour continuous test Fig. 16 Schematic of underwater video data transmission 광통신모뎀의보레이트는 4Mbps로하였으며 해상도의이미지데이터를전송하고자했을때평균이미지데이터의크기는 0.2Mbit 전후로측정이되었다. 실제로영상전송을했을때 20FPS 정도의프레임이측정되었으며광통신모뎀의광을차단하지않는이상이미지수신의에러가발견되지않았다. 7. 결론 Fig. 17 Schematic of receiving underwater video data 수중드론의개발및활용이증가하면서함께이들의임무도점차다양해지고있다. 그리고이를보다저비용, 효율적으로운용하기위해다양한운용시스템에대한아이디어가제안되고있다. 이아이디어를실현하기위한핵심수단으로수중에서대량의정보를빠르게전송하는통신기술이점점중요한이슈

8 150 Hyun-Joong Son et al. 가되고있지만음향파통신은수중에서장거리전파가가능하지만낮은대역폭문제점에의해수중에서많은용량의데이터를고속으로전송하기어렵기때문에이런문제점을해결할필요가있다. 본논문에서는음향파수중통신과가시광수중통신기술을비교분석하고, 수중광무선통신에대한국내외연구동향과가시광수중통신의활용분야를소개하였다. 또한소개한수중광무선통신을활용한다양한수중드론운용시스템아이디어를실현하기위한수단으로수중에서화상데이터와같이대량의데이터를빠른속도로전송할수있는통신기술을확보하고자 LED와광검출센서로구성된수중양방향 LED 통신시스템을연구개발하였다. 그리고개발한통신시스템을길이 3미터수조에서 4Mbps 통신속도로 해상도의이미지를초당 20 프레임의속도로수조에서동화상데이터전송실험을성공적으로수행하였다. 본논문에서개발한양방향 LED 통신시스템은수중에서대량의데이터고속전송이필요한다양한수중드론에적용할수있을것으로기대되며향후수중광통신모뎀의활용범위를높이기위해멀티빔소나등의대용량계측데이터무선통신실험등을실해역에서수행할예정이다. 후기본연구는민군협력진흥원이지원하는 2017년도민군겸용기술개발사업인다중센서를이용한무인잠수정의종단유도및도킹기술개발과제로수행된연구결과임. References Bowen, A.D., Jakuba, M.V., Farr, N.E., Ware, J., Taylor, C., Gomez-Ibanez, D., Machado, C.R., Pontbriand, C., An Un-tethered ROV for Routine Access and Intervention in the Deep Sea. In Oceans-San Diego 2013, IEEE., 1-7. Doniec, M., Detweiler, C., Vasilescu, I., Rus, D., Using Optical Communication for Remote Underwater Robot Operation. In Intelligent Robots and Systems (IROS), 2010 IEEE/RSJ International Conference on, IEEE, Farr, N., Chave, A., Freitag, L., Preisig, J., White, S., Yoerger, D., Titterton, P., Optical Modem Technology for Seafloor Observatories. In OCEANS 2005, Proceedings of MTS/IEEE, Farr, N.E., Ware, J.D., Pontbriand, C.T., Tivey, M.A., Demonstration of Wireless Data Harvesting from a Subsea Node using a Ship of Opportunity. In Oceans-San Diego 2013, IEEE, 1-5. Kaushal, H., Kaddoum, G., Underwater Optical Wireless Communication. IEEE Access, 4, Pontbriand, C., Farr, N., Ware, J., Preisig, J., Popenoe, H., Diffuse High-bandwidth Optical Communications. In OCEANS 2008, IEEE, 1-4. Pontbriand, C., Farr, N., Hansen, J., Kinsey, J.C., Pelletier, L.P., Ware, J., Fourie, D., Wireless Data Harvesting using the AUV Sentry and WHOI Optical Modem. In OCEANS'15 MTS/IEEE Washington, IEEE, 1-4. Simpson, J.A., Hughes, B. L., Muth, J.F., Smart Transmitters and Receivers for Underwater Free-space Optical Communication. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 30(5),

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN