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구 이
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1 한국마린엔지니어링학회지제37권제4호, pp , Journal of the Korean Society of Marine Engineering (ISSN Online) / (ISSN Print) 근거리수중통신을위한가시광 LED 적용에관한연구 손경락 ( 원고접수일 :2013 년 2 월 27 일, 원고수정일 :2013 년 5 월 2 일, 심사완료일 :2013 년 5 월 14 일 ) A study on the short-range underwater communication using visible LEDs Kyung-rak Sohn 요약 : 수중통신은지상통신에비하여통신채널의강건성과고속데이터전송측면에서상당한제약요인을가지고있다. 공기중에서 RF 통신은장거리전송에도높은데이터전송률을보이지만, 수중에서는매질의전도특성으로인하여전파에너지의심각한감쇠현상이발생하여통신이어려운실정이다. 현재수중에서수십킬로미터이상의장거리통신이가능한음향파통신모뎀이개발되어사용되고있지만낮은전송율과높은전력소모, 느린전송속도가문제로거론되고있다. 이문제를보완할수있는방안으로빛을이용한근거리수중무선통신이대안으로연구되고있다. 본논문에서는가시광파장영역에서수중통신채널특성을분석하였다. 자유공간광무선통신과비교하여수중가시광통신기술의가능성을제시하고, LED 기반트랜시버와 CMOS 센서를통신시스템에장착하여수중이미지전송을위한광무선통신시스템을시연하였다. 주제어 : 수중통신, 가시광통신, 광무선통신, 발광다이오드, 소멸계수 Abstract: Robust and high speed underwater communication is severely limited when compared to communications in terrestial. In free space, RF communication operates over long distances at high data rates. However, the obstacle in seawater is the severe attenuation due to the conducting nature. Acoustic modems are capable of long range communication up to several tens of kilometers, but it has low data-rate, high power consumption and low propagation speed. An alternative means of underwater communication is based on optics, wherein high data rates are possible. In this paper, the characteristics of underwater channel in the range of visible wavelength is investigated. And the possibility of optical wireless communication in underwater is also described. The LED-based transceiver and CMOS sensor module are integrated in the system, and the performance of image transmission was demonstrated. Keywords: Underwater communication, Visible light communication, Optical wireless communication, Light emitting diode, Extinction coefficient 1. 서론 대기중또는수면위의영역에서통신은라디오주파수 (Radio frequency: RF) 영역의전자파통신이채널의대다수를지속적으로제공할것으로전망한다. 그러나수중의경우 MHz 이상의주파수 영역에서는물의전도성으로인하여심각한수준의감쇠를겪게된다. 더군다나주파수가높아지면감쇠도커져서 GHz 영역의주파수에서는지상에사용하는소자는수중에서더이상사용할수없게된다. 예를들면, 와이파이주파수대역인 2.4 GHz 영역은해수에서 1700 db/m, 민물에서는 교신저자 :( ) 부산광역시영도구태종로 727, 한국해양대학교전자통신공학과, krsohn@hhu.ac.kr, Tel:

2 손경락 190 db/m 정도의큰손실을보이므로사실상적용할수없다 [1]-[3]. 2006년영국의 Wireless Fibre Systems에서수중 RF 모뎀을처음으로상용화했지만 100 bps 데이터전송률로수십 m 통신하는수준이었다. 2007년 1-10 Mbps 통신속도를보이는새로운모델을내놓았지만통신영역은 1m 범위이내였다 [4]. 음향파는 RF와달리해수에서도잘전송이되며수 km 이상도달할수있기때문에수중통신에폭넓게응용되고있다 [5][6]. 그러나최근수중무선센서네트워크를위한솔루션에서음향파통신의제한된대역폭과저속통신, 거리에따른전송지연시간의차이로인한다중채널간간섭과페이딩 (fading) 등으로이러한제한점을극복하고성능을향상시킬수있는방법을여전히찾고있는중이다. MIT에서는영상신호전송을음향파링크를실현하기위하여데이터압축알고리즘과대역폭의효율적인사용을위한가변 M-ary QAM을적용하였다. 150kbps 전송속도로영상신호를송신할수있었지만시스템이복잡하여실제적용에는어려움이많다 [6]. 수중광무선통신의경우미국, 캐나다, 호주등에서이론적인연구와실험이병행진행되고있으나많은연구활동이있는것은아니며, 상용화된수중광무선모뎀도찾아보기힘들다. 그러나최근수중센서네트워크와해저관측소에대한관심이근거리고속수중광무선통신에쏠리고있다 [7]. 예를들면 2006년미국의우즈홀 (Woods Hole) 해양연구소에서는부분적으로유선화된해저관측소를기반으로근거리광대역인터넷서비스를수중에서제공하는것을목표로광무선모뎀네트워크를위한프로토타입의시스템을개발하고성능실험을수행하였다. 실험용플랫폼은 6 개의청색 LED와광증배관 (photomultiplier tube: PMT) 으로구성되어져있고, 해중 10 m 거리에서 10 MHz의구형파가복원되어짐을확인하였다 [8]. 한편, 수중또는해저에서탐사및작업을위한무인자율이동체와로봇에는많은양의데이터처리를위한고속통신이요구되고있다. 대부분유선케이블을연결하여통신채널을구성하였으나, 데이터전송을위한케이블의물리적인연결은시스템의운용적인측면과기술적인측면에서적절한방법이아니다. 지금까지는수중음향파기술에의존하여저속의무선통신을수행하였지만, 고휘도청색과녹색 LED 개발로근거리에서수중통신을위한연구들이다양하게진행되고있다 [9][10]. 2010년미국 MIT에서는수중로봇을제어하기위한광무선수중모뎀을개발하고있음을발표하였다 [11]. 케이블연결없이어지러운수중환경하에서도로봇을안정적으로제어할수있는광링크를확보하는실험으로, 5W 청색 LED 6개와애버런치포토다이오드를사용하여수중 1 m 깊이에서 1.2 Mbps 단방향통신을 30 m 거리까지성공적으로수행하였다. 국내의경우음향파를이용한수중통신및센서네트워크구현에대한연구는군사용또는상업용으로한국해양연구원을비롯하여여러기관에서활발히진행되고있다 [12][13]. 그러나수중광무선통신및센서네트워크에대한연구는미미한실정이다. 본논문에서는가시광파장영역에서수중통신채널의특성을해석하고통신거리에따른광손실을예측하였다. 근거리수중통신의가능성을보이기위하여 1개의 LED로구현된방수형광원과다수개의수광소자로구성된수신단을제작하였고, 이를이용하여 CMOS 이미지센서로획득된디지털정보를수조실험조건에서성공적으로전송됨을보였다. 제안된시스템은수중에서근거리영역의통신수단으로응용될수있을것이다. 2. 수중통신채널 가시광영역에서양방향통신을위한수중통신채널의개략적인모형을 Figure 1에나타내었다. 트랜시버의광원이 LED 라면광도 (Luminous intensity) 와광전력전송의두가지기본적인특징을이용하여채널모델링이가능하다. 우선자유공간에서광무선링크채널의특징은식 (1) 으로해석할수있다 [14][15]. 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 ( ) 426

근거리수중통신을위한가시광 LED 적용에관한연구 Figure 1: Basic schematic of the underwater communication channel. cos cos, (1) 성상상당한광감쇠가발생함을알수있다. Figure 2의결과를바탕으로자유공간과수중에서발생하는광손실을수신단의광전력분포로계산하여비교하면 Figure 3과같다.

3 근거리수중통신을위한가시광 LED 적용에관한연구 Figure 1: Basic schematic of the underwater communication channel. cos cos, (1) 성상상당한광감쇠가발생함을알수있다. Figure 2의결과를바탕으로자유공간과수중에서발생하는광손실을수신단의광전력분포로계산하여비교하면 Figure 3과같다. 1 m 거리에서는자유공간에비하여수중채널이 2 배이상의광전력손실이발생하며거리가멀어질수록그차이는더욱커지고있음을보여준다. 동일한조건으로자유공간에서 2m 까지통신이가능하다면수중에서는 1 m 정도로제한됨을예측할수있다. 여기서 은람베르시안방사차수, A는수광소자의물리적인수광영역의크기, 는발광소자와수광소자간거리, 는발광소자의발산각, 는입사각, 는광필터의이득, 는집광구조에의한이득, 는수신단의시야영역의폭을의미한다. 출력광전력 ( ) 에대한수신광전력 ( ) 의관계는식 (2) 로주어진다. (2) 만약가시광통신을수중에적용하는경우수중매질에의한빛의산란과흡수가소멸계수로서나타나므로전송손실 ( ) 은식 (3) 으로계산되어진다. log (3) Figure 2: Calculated beam profile of the light source in terms of distance in water ( ). 여기서 는파장의존성을가지는소멸계수이다. 일반적으로순수한해수의경우 , 항구주변해수는 의소멸계수를가진다. Figure 2는산란계수 인수질에서 1W급파워 LED를이용한광원의조도와빔프로파일을계산한결과이다. 광원의초기조도는 35,000 lux 이다. 채널손실로인하여 1 m 떨어진거리에서는 500 lux 이하로조도가감소하며 2 m 거리에서는 60 lux 이하이다. 수중통신채널의특 Figure 3: Calculated optical losses in free space and water 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 ( ) 427

손경락 3. 시스템 설계 및 제작 가시광 무선통신을 위한 송수신부의 기본 개략 태의 반사판에 장착하였다. 반사판은 집광기를 역 할을 함으로서 수광 효율을 높이는데 기여한다. 도를 Figure 4에 나타내었다. 송신부는 백색 파워 Figure 6은 CMOS 이미지 센서가 장착된 백색 LED와 이를 변조하기 위한 구동회로로 구성된다.

VC0706은 하드 부는 1MHz의 변조대역폭을 가짐을 확인하였다. 웨어적으로 연결된 JPEG 코덱과 UART (Universal 수신부는 수광 소자와 광전변환 신호처리부분으로 Asynchronous Receiver/Transmitter) 구성되어있다.

UART에는 광무선 통신을 변환된 전기적인 신호는 1 MHz의 대역폭을 가지 위한 광원으로 LED와 광 검출기인 포토다이오드 는 고속 증폭기(trans-impedance gain: 80 V/A in db) (Photodiode: PD)가 연결된다. 이미지 획득 및 전송 에서 증폭되어진다.

4 손경락 3. 시스템 설계 및 제작 가시광 무선통신을 위한 송수신부의 기본 개략 태의 반사판에 장착하였다. 반사판은 집광기를 역 할을 함으로서 수광 효율을 높이는데 기여한다. 도를 Figure 4에 나타내었다. 송신부는 백색 파워 Figure 6은 CMOS 이미지 센서가 장착된 백색 LED와 이를 변조하기 위한 구동회로로 구성된다. LED 기반 수중 가시광 통신 시스템의 개략적인 구 시스템의 출력신호에 대응하는 LED 스위칭 신호 성도이다. CMOS 이미지 센서는 디지털 영상신호 를 만들기 위하여 MAX232와 인버터(inverter)로 구 처리를 위한 프로세서 (VC0706, VIMICRO)와 연결 성된 LED 구동회로를 구현하였으며 제작된 광원 되어 모듈 형태로 구성되어 있다. VC0706은 하드 부는 1MHz의 변조대역폭을 가짐을 확인하였다. 웨어적으로 연결된 JPEG 코덱과 UART (Universal 수신부는 수광 소자와 광전변환 신호처리부분으로 Asynchronous Receiver/Transmitter) 구성되어있다. 수광 소자로서의 광 검출기는 PIN 제공하므로 CMOS 센서에서 캡쳐한 영상 스트림 구조로 된 오스람사의 SFH213을 사용하였다. 응답 은 Motion JPEG (M-JPEC)으로 인터페이스를 압축되어져서 시간은 5ns로 200 MHz의 대역폭을 제공한다. 광전 UART를 통해 출력된다. UART에는 광무선 통신을 변환된 전기적인 신호는 1 MHz의 대역폭을 가지 위한 광원으로 LED와 광 검출기인 포토다이오드 는 고속 증폭기(trans-impedance gain: 80 V/A in db) (Photodiode: PD)가 연결된다. 이미지 획득 및 전송 에서 증폭되어진다. 증폭된 신호는 고속비교기를 관련 통신 알고리즘은 PC의 모니터링 프로그램에 통과함으로서 low와 high 의 이진신호로 복구되고 서 구현된다. UART를 통해 신호처리를 위한 프로세서로 입력된 다. Figure 5: Photograph of the receiver with 7 photo-diodes. Figure 4: Basic schematic of visible light transceiver. Figure 5는 수중에서 방사되는 광원의 빔 폭을 고려하여 제작한 수신기의 사진이다. 수신 성능은 일반적으로 수신기의 감도와 수광 면적에 의존한 다. 동일한 광 검출기를 사용할 경우 다수개의 소 Figure 6: Schematic of the underwater visible-light communication system 4. 실험결과 및 고찰 자를 병렬 연결하면 수광 면적을 확장할 수 있다. 수중 가시광통신 실험을 수행하기 위하여 제작 그러나 웅답속도가 느려지는 문제가 발생할 수 있 한 장치도는 Figure 7과 같다. 1.8 m 길이의 수조에 으므로 적절한 개수를 고려하여야 한다. 본 연구에 적당량 물을 채우고 광원과 CMOS 이미지 센서모 서는 7 개의 광 검출기를 병렬 연결하였고 벌집 형 듈을 수조 내부에 설치하였다. 광원은 100 m 방수 한국마린엔지니어링학회지 제37권 제4호 ( ) 428

근거리수중통신을위한가시광 LED 적용에관한연구 를보장할수있게밀봉되어져있으며 CMOS 센서모듈은플라스틱케이스를이용하여방수가가능하도록하였다. 그러나수신단의경우방수처리가용이하지않아수조바깥에설치하였다. 통상송수신기는빛통과가용이한투명유리또는플라스틱으로창을만들기때문에수조외부수신기를설치하더라도실험결과에는미치는영향은무시할수있다.

여러개의광원을병렬연결하여광출력을높이고콜리메이터또는렌즈를광검출기에사용하여집광할수있는구조를적용한다면통신거리를수미터까지늘릴수있을것이다. 터링프로그램의화면이다. 통신포트설정을확인하고, 통신상태를감시하면서전송된이미지를보여준다. 화면의이미지는수중에설치된 CMOS 센서모듈에서수조내부를촬영한것이다.

Figure 8: Captured waveform during the bidirectional data transmission Figure 7: Experimental setup Figure 8은수중에서가시광통신에의해양방향데이터전송이수행되고있음을보여주는측정파형이다.

5 근거리수중통신을위한가시광 LED 적용에관한연구 를보장할수있게밀봉되어져있으며 CMOS 센서모듈은플라스틱케이스를이용하여방수가가능하도록하였다. 그러나수신단의경우방수처리가용이하지않아수조바깥에설치하였다. 통상송수신기는빛통과가용이한투명유리또는플라스틱으로창을만들기때문에수조외부수신기를설치하더라도실험결과에는미치는영향은무시할수있다. 송수신단이분리되어있으므로양방향통신을위하여서로어긋나게배치함으로서시계영역이확보될수있도록하였다. 수중에서양방향통신을보장할수있는조도는수신단에서 500 lux 정도보장되어야한다. 본연구에서사용한 1개의백색 LED로통신이가능한거리는 1 m 내외였다. 여러개의광원을병렬연결하여광출력을높이고콜리메이터또는렌즈를광검출기에사용하여집광할수있는구조를적용한다면통신거리를수미터까지늘릴수있을것이다. 터링프로그램의화면이다. 통신포트설정을확인하고, 통신상태를감시하면서전송된이미지를보여준다. 화면의이미지는수중에설치된 CMOS 센서모듈에서수조내부를촬영한것이다. 비록 1 m 정도의제한된범위에서수중이미지를촬영하고가시광통신으로전송하였지만향후광원의출력을향상시키고수신단의광전변환효율을개선한다면대용량의실시간수중영상을전송하는시스템으로발전시킬수있을것이다. Figure 8: Captured waveform during the bidirectional data transmission Figure 7: Experimental setup Figure 8은수중에서가시광통신에의해양방향데이터전송이수행되고있음을보여주는측정파형이다. 먼저모니터링 PC에서트랜스미터 A를통해 CMOS 센서모듈로이미지획득을위한명령을내리면리시버 B에서수신한다. 이명령을 CMOS 센서모듈에서인지하고수중이미지획득을위한촬영을한다. 촬영된이미지는 JPEG로압축되고순차적으로수행되는데이터전송명령에의해디지털영상신호처리프로세서의 UART로내보내면트랜스미터 B와리시버 A의경로를통해데이터를보내게된다. 데이터크기는 48.3 Kbyte이며한개의이미지데이터를촬영하여수신하는데 12초가량소요됨을알수있다. Figure 9는정상적으로이미지데이터가전송되었는지확인하기위하여 LabVIEW 로제작한모니 Figure 9: Monitoring screen programmed with LabVIEW R 5. 결론 본논문에서는근거리수중광무선통신에대한연구를보고하였다. 가시광영역에서수중채널의감쇠특성을고려하여광손실을계산하였고자유공간에서의전송특성과비교하였다. 기존에발표된다양한자료를근거로백색 LED 기반가시광 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 ( ) 429

6 손경락 통신시스템을설계하고수중에서양방향통신이가능함을보였다. 조명용광원으로사용하는백색 LED 1개와저가격의포토다이오드 7개로구성된송수신기를통하여 CMOS 이미지센서로획득한정지영상이 1 m 거리에서성공적으로전송됨을보였다. 수중채널의광감쇠문제를극복할수있는고출력광원의설계와광전변환효율이높은수신기를적용하여통신거리를늘린다면실시간해양환경모니터링, 해저탐사를위한센서네트워크, 수중자율이동체및로봇간의통신, 수중근거리기밀통신등에유용하게응용될수있을것으로기대한다. 참고문헌 [1] M. Stojanovic, Underwater wireless communications: current achievements and research challenges, IEEE Oceanic Engineering Society Newsletter, pp. 1-6, [2] R. B. Manjula, S. M. Sunilkumar, Issues in underwater acoustic sensor network, Journal of Computer and Electrical Engineering, vol. 3, no. 1, pp , [3] F. Schill, U. R. Zimmer, and J. Trumpf, Visible spectrum optical communication and distance sensing for underwater applications, Proceeding of Australasian Conference on Robotics and Automation, pp. 1-8, [4] Accessed 4 Feb [5] I. F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia, Underwater acoustic sensor networks: research challenges, vol. 3, pp , Ad Hoc Networks, [6] D. Anguita, D. Brizzolara, and G. Parodi, VHDL modules and circuits for underwater optical wireless communication systems, WSEAS Trans. Communications, vol. 9, pp , [7] L. Liu, S. Zhou, and J-H. Cui, Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks, Wireless communications & mobile computing, pp , [8] N. Farr, A. D. Chave, L. Freitag, S. N. White, D. Yoerger, and F. Sonnichsen, Optical modem technology for seafloor observatories, Oceans, pp. 1-6, [9] N. Farr, A. Bowen, J. Ware, C. Pontbriand, and M. Tivey, An integrated, underwater optical/acoustic communications system, Ocean Physics and Engineering, pp. 1-6, [10] D. Anguita, D. Brizzolara, G. Parodi, and Q. Hu, Optical wireless underwater communication for AUV: preliminary simulation and experimental results, IEEE Oceans, pp. 1-5, June [11] M. Doniec, C. Detweiler, I. Vasilescu, and D. Rus, Using optical communication for remote underwater robot operation, International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp , [12] Accessed 7 Feb [13] Accessed 7 Feb [14] Y. J. Kim and K. R. Sohn, A study on the frequency modulation-based audio transmission system for short-range underwater optical wireless communications, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 1, pp , 2012 (in Korean). [15] K. R. Sohn and C. W. Sohn, Optical wireless remote control using indoor LED lightings, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 8, pp , 2012 (in Korean). 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 ( ) 430

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