Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 17, No. 12 : 2800~2805 Dec. 2013 VHF-DSC 위치요청프로토콜분석과선박관제시스템구축 김정년 * The Construction of the Vessel Monitoring System and the Protocol Analysis for the Calling of Location Requirement Using VHF-DSC Jeong-nyun Kim * Department of Fishery Information communication, NFFC, Seoul 138-730, Korea 요약 선박안전법과어선법개정에따른어선의 VHF(Very High Frequency) 무선설비와위치자동발신장치설치의무화에대비하여수협중앙회어업정보통신국에서는 VHF 통신망과어선관제를위한위치자동발신장치시스템을구축하고있다. 본연구에서는 DSC(Digital Selective Calling) 기능을이용한위치요청호출의프로토콜분석과선박위치추적에대한최적의방안을제시한다. 또한이를바탕으로어선관제시스템구현과모니터링방법에대한기술을제시한다. ABSTRACT In preperation for the compulsory installation of VHF(Very High Frequency) wireless equipment and fishing vessel automatic identification system according to the revision of The Ships Safety Act and Fishing Vessel act, Fishery Information & Communication Department of National Federation of Fisheries Cooperatives is building VHF communication network and automatic identification system for fishing vessel monitoring. This study suggests the protocol analysis for the calling of location requirement using DSC(Digital Selective Calling) function and show best way for fishing vessel automatic identification system. Also, it suggest way to realize fishing vessel monitoring system 키워드 : VHF-DSC, 선박관제, 프로토콜, 위치요청 Key word : VHF-DSC, Monitoring System, Protocol, Position calling 접수일자 : 2013. 10. 08 심사완료일자 : 2013. 11. 15 게재확정일자 : 2013. 11. 29 * Corresponding Author Jeong-nyun Kim (sparkkim@suhyup.co.kr, Tel: +81-2-2240-2325) Department of Fishery Information communication, NFFC, Seoul 138-730, Korea Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2013.17.12.2800 print ISSN: 2234-4772 online ISSN: 2288-4165 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
VHF-DSC 위치요청프로토콜분석과선박관제시스템구축. 서론어선들은선박안전법, 어선설비기준및선박안전조업규칙에따라조업위치보고등을위하여관련무선설비를갖추도록규정되어있다. 특히 2005년 10월선박안전법시행규칙의개정으로어선과상선과의통신등을위하여연근해어선에도 VHF 무선설비의탑재를의무화하였으며, 5톤이상어선의경우선박검사유효기간인 2013월 7월까지는 VHF 무선설비를설치하여야한다. 또한어선법개정으로모든어선에위치발신장치설치를의무화함에따라선박위치추적및선박관제시스템구현에대한방안이새로운이슈로부상하게되었다. 특히해난사고의 70% 이상이연근해어선에의한사고로최근 5년간평균 130여명이사망또는실종되었으며이로인한사회적손실비용이발생하고있다. 본연구에서정확한선박위치추적으로예방및사고후신속구조가가능하게된다. 따라서본연구에서는의무설치되는 VHF무선설비의 DSC(Digital Selective Calling) 기능을이용한위치요청호출의프로토콜분석과선박위치추적에대한최적의방안을제시한다. 또한이를바탕으로선박관제를위한모니터링방법에대한기술을제시한다. 2.2. VHF 전파환경분석방법전파환경에대한시뮬레이션의가장중요한기술적요소에는예측모델과지형데이터베이스의설정이며본연구에서는 REGIS 예측프로그램을사용하였다. REGIS는전자통신연구원 (ETRI) 에서개발한알고리즘을기반으로만들어졌으며이동통신을비롯한타전파분석에도많이사용되어그신뢰성을인정받은프로그램이다. 동시뮬레이션프로그램은지형정보가수록된데이터베이스에서지형정보를읽어들인뒤검토대상구역내의모든수신지점에대한전파경로를 TIREM (Terrain Integrated Rough Earth Model) 모델을이용하여분석계산한다 [1]. 1) 가시거리에서의전계강도 (2) 2) 비가시거리에서의전계강도 (3) 상기의식에서 BFS는평지에서의기본전계강도값이며 RAL은수신안테나높이에따른손실보정, BAL은송신안테나높이에따른손실보정값이다. 송신출력 1W를기준으로할경우 BFS는다음식과같다.. VHF 전파특성및분석방법 (4) 2.1. VHF 전파특성 VHF는전파특성상직진성이강한가시거리통신이므로동주파수대의전파전파환경을잘이해하는것이중요하다. 사용주파수는 30~300 대로파장의길이는 1~10m이다. 송수신안테나의높이에따른가시거리는다음과같이근사치를구할수있다. (1) D = 가시거리 [km] h1 = 송신측유효안테나높이 [m] h2 = 수신측유효안테나높이 [m] 지구등가반경계수 K=4/3일경우 또한 DL은전파경로가비가시거리인경우자유공간전계강도값에서회절손실을뺀값이다. 따라서비가시거리에서의최종전계강도는평지에서의전계강도와회절손실에의한전계강도를계산하여이중더작은값을선택한후지역별수신안테나높이에따른손실을보정하게된다. 시뮬레이션처리과정은 8단계로이루어지며가각의단계는다음과같다. 1단계 : 초기입력단계무선국데이터와관련된무선국안테나의좌표 ( 경도위도 ), 주파수, 출력, 최대반경데이터, 안테나높이 ( 해발고 + 안테나고 ) 및안테나이득등을입력한다. 2단계 : 지형정보검색입력된좌표로부터계산할최대반경을고려한방위 2801
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 17, No. 12 : 2800~2805 Dec. 2013 각 0도지점의좌표를산출한다. 계산할방위각에대해선정된기지국으로부터 30m( 또는 n배의샘플링 ) 간격으로증가시키면서지형의고도정보와특성정보를읽어들인다. 3단계 : 가시거리 (Line-of-Sight) 여부판정추출한고도정보에기인하여가시거리인지비가시거리인지판정하기위해전파경로상의최대앙각을구한다. (5) 이각이송수신을연결하는앙각보다크면비가시거리로판정한다. (6) (7) 여기에서 hi는 i번째지형데이터의해발고도, hts는송신국의안테나높이를포함한해발고, hrs는수신국의안테나높이를포함한해발고를의미한다. 이것이만족되지않으면가시거리로판정한다. 4단계 : 기본전계강도계산기본전계강도를다음식에의하여계산한다. (8) 5단계 : 회절손실계산및전계강도보정장애물의수가 1개인지또는 2개이상인지그수를산출하여보정한다. - 장애물이 1개인경우 단,,, (9) - 장애물이 2 개이상일경우 단,, (10) 6단계 : 지역별수신국안테나높이보정추출된지형특성데이터에따라수신안테나손실 (RAL) 을보정한다. 7단계 : 거리증분후반복계산한지점에대해계산이끝나면거리를증가시켜 3단계부터 6단계까지반복하며, 한경로의입력한최대거리가끝날때까지반복한다. 한경로가끝나면 8 단계로진행한다. 8단계 : 방위각증가후반복계산한경로 ( 방위각 ) 에대해계산이끝나면방위각을 1초간격으로증가시킨후 2단계부터 7단계까지반복한다. 그리고방위각이 360도가되면전체처리과정이끝나고메모리에저장된전계강도의값에따라화면에그결과를나타낸다.. DSC 프로토콜분석 DSC 호출응답은무선전화통신과달리단시간 ( 약 0.6초 ) 이내에전송이종료되기때문에많은시간을요하지않는다. 또한 VHF DSC 호출응답채널은 Ch.70 (156.525 ) 하나로지정되어있기때문에통신국별로주파수를다르게지정할수없다. DSC의통신권은 VHF 음성통신권과동일하기때문에 VHF DSC 통신권구성방안은 VHF 무선전화통신권구성방안과동일하게적용된다. VHF 무선설비는효율적인 DSC 운영을위하여반드시 Class-A DSC를설치할필요가있으며, 선박관제를위해서는 Class-A DSC를설치함으로써무선전화통신중에도 DSC 호출응답데이터가수신되도록하여 DSC 신호수신이누락되지않도록할필요가있다. 따라서 VHF를통한선박관제를위해서는 DSC 프로토콜분석이중요하며그내용은다음과같다 [2]. 2802
VHF-DSC 위치요청프로토콜분석과선박관제시스템구축 3.1. DSC Call 진행순서및시간 3.1.1. 자동응답 ( 통신가능 ) 의경우 DSC 호출절차 ( 해안국선박국 ) 3.1.5. 통신주파수에서대기상태의경우DSC 호출절차 ( 선박국해안국 ) 3.1.2. 자동응답 ( 통신불가 ) 의경우 DSC 호출절차 ( 해안국선박국 ) 3.1.3. 수동응답의경우 DSC 호출절차 ( 해안국선박국 ) < 사용기호 > - t1 : DSC 호출전송시간 - t2 : DSC 호출수신후운영자확인시간 - t3 : 통신주파수에서호출하기까지시간 - t4 : 자동응답모드에서응답을간 (DSC-3초) - t5 : 응답을준비하기까지걸리는시간 - F : 메시지포맷 - A : 피호출국 MMSI Address - I : 호출국의 MMSI - C : 카테고리 ( 예 : Safety, Routine 등 ) - T1 : 텔레커멘드1 - T2 : 텔레커멘드2 - f1, f1' : 통신주파수 (working frequency) - RQ, BQ : 신호종료절차. 선박관제시스템구현 3.1.4. 자동응답 ( 통신가능 ) 의경우 DSC 호출절차 ( 선박국해안국 ) 선박관제를위한통신망구성도는그림 1과같다. 지역별중계소의 VHF 단말기로접수된위치데이터는지방통신국서버에서제어하여 VMS 화면에표출하고전지방통신국과어업정보통신본부의메인서버와조업 DB, 출입항시스템등을연계하여 VMS를구현한다. 4.1. VHF-DSC 통신망구성방안 VHF 무선설비 (Class-A) 는송수신안테나 1개와 DSC 수신전용안테나 1개로구성되어있으며, DSC 신호의수신은 DSC 수신전용안테나를사용하기때문에음성신호의수신에영향을미치지않지만 DSC 신호의송신은음성신호의송신과같이송수신안테나를공유 2803
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 17, No. 12 : 2800~2805 Dec. 2013 하여사용하기때문에 DSC 신호와음성신호를동시에전송할수없다. VHF-DSC를사용하여자동으로소속선박전체에대한 Position Request Calling을수행하는경우전체지역평균 25.3분, 최대출어의경우에는평균 57.5분이소요됨에따라음성통신시간과적절한분배가필요하다. DSC 통신망과음성통신망을분리할경우, DSC 통신망은송수신안테나와 DSC 안테나를모두설치하지만 VHF DSC 채널인 Ch.70으로운영채널을한정함으로써음성통신을배제시키고, 또한음성통신망에는 DSC 수신안테나를제거함으로써 DSC 수신에제한을함으로써음성통신중심으로만운영할수있도록분리구성할필요가있다. 선박의 VHF DSC에 GPS 신호가접속되어있어야하고, 또한 DSC 응답방식이자동응답모드로설정되어있어야한다. 필요시에는자동모드로설정하여프로그램에의하여 2시간마다출어선에대한 Position Request Calling을차례대로수행함으로써선박의위치를추적할수있다. 그러나대상선박이많을경우에는 DSC Calling으로인한통신폭주가예상되기때문에가능한한위치보고의무가없는 5톤미만의어선또는근거리연해조업을하는 10톤미만의어선으로제한함으로써통신폭주를방지할필요가있다. 그림 2. VHF DSC 메인메뉴화면 Fig. 2 Main menu ficture using VHF-DSC 그림 1. VHF-DSC 원격운영통신망 Fig. 1 Remote control network using VHF-DSC 4.2. VHF DSC를활용한선박위치추적방식그림 2~5는선박관제를위한운영화면을나타내고있다. 그림 2는 VHF DSC 운영절차를나타내는그림으로운영절차를살펴보면사용자 Log-in하여메인메뉴에서운영하고자하는메뉴선택하고, 각메뉴에따른데이터항목입력후전송버튼을눌러서전송하면된다. 응답내용은각메뉴화면의상단에표시되고, DSC 호출및응답내용은 DSC 서버에자동저장되도록한다. 그림 3은선박의위치를추적하는위치요청에관한사항을나타내고있다. VHF DSC의기능중 Position Request Calling을활용하여선박의위치를추적할수있으며, DSC 선박위치추적기능을적용하기위해서는 그림 3. VHF DSC 위치추적운영화면 Fig. 3 Calling of location requirement using VHF-DSC 그림 4. VHF DSC 개별호출운영화면 Fig. 4 Individual call ficture using VHF-DSC 2804
VHF-DSC 위치요청프로토콜분석과선박관제시스템구축 별호출기능을이용하면선박국호출을자유롭게진행할수있게된다. 그림 5는각각선박을호출하기위한 MMSI 검색화면을나타내고있다. 어선의경우업종별, 지구별, 또는톤급별등으로구분하여그룹호출도가능하며, 특히권역별로나누어서집단적으로또는개별적으로호출이가능하게하는기능이다. 그림 5. 등록선박 MMSI 검색화면 Fig. 5 Search vessel MMSI using VHF-DSC DSC Position Calling을수행함에있어실제호출신호를전송하는시간은약 0.6초이내이다. 그러나응답을받기위하여기다리는시간을약 5초정도부여할필요가있으며, 또한초기응답을받지못할경우 1회의재호출을자동으로수행하도록구성할필요가있다. 따라서 Position Request Calling에소요되는시간은최대약 12초정도가소요된다. DSC Calling에따른응답대기시간을 5초를기준으로할경우 1척당 Position Request Calling에소요되는시간은약 6초정도이다. 그러나재호출에따른응답을대기하는경우에는약 12초정도가소요된다. 재호출비율을 50% 로기준할경우 Position Request의전체평균소요시간은 9초정도가소요된다. 따라서 Server 프로그램의작동시간등을고려할경우선박의 DSC 위치추적을수행하는데소요되는시간은 1척당평균약 10초정도가된다. 그림 4는해안국에서선박을개별호출하는화면으로 MMSI 입력후전송하면자동으로채널변환하여통신이가능하다. 기존에무선통신방식은음성통신방식으로선박국에서해안국의호출은자유롭게가능하였으나해안국에서선박국으로의호출은어려움이많았다. 왜냐하면선박국이항상청취를하지않기때문인데개. 결론어선의안전조업을도모하고해난사고발생시즉각적인대응을위하여 VHF DSC를활용하여어선전용 VMS 구축운영할필요가있다. 본연구에서는선박관제를위한 DSC의프로토콜을분석하고원격운용방안을제안하여선박관제시스템구현과모니터링방법에대한기술을제시하였다. 본연구에서제시한프로토콜로최적의선박관제가가능하며이는선박의정확한위치파악이가능하므로해난사고예방은물론해난사고발생시신속한대처로어업인의생명과재산보호에크게기여할것이다. 향후 VHF 통달거리를초과하는해역에서조업하는선박에대한관제방안이추가로제안되어야할것이다. REFERENCES [1] H.S Lee et 2 "Measurement of wave propagation environment in Korean terrain and comparison with the environments(models) of the other nations in pager system", pp. 17~21, June. 1995. [2] B.O Kim et 3, "A study on the corresponding obligation to install VHF", pp. 259-263, October. 2010. 김정년 (Jeong-Nyun Kim) 1997 년목포해양대학교해양전자통신공학과공학사 1999 년한국해양해양대학교전자통신공학과공학석사 2007 년목포해양대학교해양전자통신공학과공학박사 1998 ~ 현재수협중앙회어업정보통신본부 관심분야 : 해상이동통신, 해양정보시스템. 제어계측 2805