Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 7 pp. 744~753, 2015 ISSN 2234-7925 (Print) J. Korean Soc. of Marine Engineering (JKOSME) ISSN 2234-8352 (Online) http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2015.39.7.744 Original Paper 해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술개발 강남선 임근완 1 이성행 2 김상용 3 (Received July 31, 2015; Revised August 17, 2015;Accepted August 28, 2015) Development of unified communication for marine VoIP service Nam-seon Kang Geun-wan Yim 1 Seong-haeng Lee 2 Sang-yong Kim 3 요약 : 본논문에서는해사위성기반의 VoIP 서비스를위한해상용통합커뮤니케이션기술개발에관한연구를수행하였다. 최근스마트폰과모바일기기가대중화되면서해상에서도인터넷기반유무선통합기술의수요가증가하고있으며, 특히가격경쟁력이높고다양한서비스를제공할수있는 VoIP 제품과서비스모델에대한관심이높아지고있다. 따라서본논문에서는첫째, 아날로그게이트웨이모듈을장착하여기존선박용장비와연동이가능하며육상용시스템대비 80% 이상소형화된해상 VoIP 모듈을개발하고둘째, 해상용 VoIP 서비스핵심요소기술인통신데이터사용량최소화기술이적용된해상위성통신용텍스트 / 음성 / 영상엔진을개발한다. 마지막으로다자간메시지및클라우드방식의메시지대화지원, 전화번호기반의통화기능지원과개인공간에서육상과음성및영상통화지원이가능한해상용통합커뮤니케이션을설계하고단위모듈을개발하여성능을검증하였다. 주제어 : 해상용통합커뮤니케이션, 통신데이터사용량, 해상위성통신용텍스트 / 음성 / 영상엔진, 해사위성 Abstract: This paper presents the results of research on developing marine unified communications to provide VoIP service based on marine satellites. With the recent popularity of smart-phones and other mobile devices, the demand for Internet-based wired and wireless unified technology has been growing in marine environments, and increasing interest is being directed to VoIP products and service models with high price competitiveness and the ability to deliver a variety of services. In this regard, this research designed three instruments, developed their unit modules, and verified their performances. These three instruments included the following: (1) a marine VoIP module equipped with an analogue gateway that can be linked to the existing devices used in vessels, which is more than 80% smaller than that of a land system; (2) a text/voice/video engine for marine satellite communications that runs on technology that minimizes communication data usage, which is a core technology for a marine VoIP service; and (3) a unified communication service that can support multilateral cloud-based message conversations, telephone number-based call functions, and voice/video calling between a private space in a ship and shore. Keywords: Marine unified communication, Use of communication data, Text/voice /video engine for marine satellite communication, Marine satellite 1. 서론 디지털선박의출현, 해양플랜트수요증가및조선해양 IT 기자재비중확대등에따라해상통신은많은변화를겪고있다. 첫째, 해상통신장비가기존의아날로그방식에서디지털방식으로변화되고있다. 최근스마트쉽 (Smart-ship), 해양플랜트에대한수요증가와기술의발달로네트워크기반의해양기자재비중이높아지고있으며, 기존의아날로그방식으로는 2018년부터단계적이행이예정된 e-navigation 기술의실현의한계가보고됨에따라해상통신시스템이아날로그장비에서디지털장비로변화되고있다 [1][2]. 둘째, 저속으로제공되고있던해상위성환경이개선되고있다. 현재대부분의선박에서는국제해사위성기구 (Inmarsat) 의지구정지궤도상의 4개의위성을이용하여전세계선박과육상간전화, 팩스, 데이터및텔렉스등의통신을제공받고있다 [3]. 과거에는 Figure 1, Table 1과같이 9.6kbps의저속의위성통신이제공되었으나현재에는 4 Corresponding Author (ORCID: http://orcid.org/0000-0001-9740-2898): Marine Simulation Research Team, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding, 38-6, Noksansandan232, Kangseo-gu, Busan 46757, Korea, E-mail: nskang@rims.re.kr, Tel: 051-974-5534 1 R&D center, Acromate, E-mail: gwyim@acromate.com, Tel: 070-7700-6005 2 R&D center, Acromate, E-mail: shlee@acromate.com, Tel: 070-7700-6005 3 Logistics Research Team, Hyundai Ubiquitous & Information Technology, E-mail: dpsyk@hyundai-uni.com, Tel: 02-2072-6129 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright c The Korean Society of Marine Engineering
해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술개발 세대위성인 FBB(Fleet Broadband) 을통해최대 432kbps의속도를제공하고있으며, 5세대위성으로일컬어지고있는최대 2Mbps 데이터통신이가능한 Marine VSAT 서비스가예정되어있어해상에서의위성통신환경이점차적으로개선되어지고있다 [4][5]. 셋째, 대용량데이터가필요한상업용서비스에대한수요가증가하고있다. 스마트폰의대중화와모바일기기의사용이급속히확대되면서해상통신도육상과마찬가지로음성통신에서선원의개인공간에서전화, 인터넷서비스등이지원가능한통신환경을요구하고있으며이에따라 Table 2와같이문자기반의안전서비스에서고속의대용량데이터가필요한응용분야, 상업분야로확대되어가고있다 [6]. Figure 1: Communications characteristics using Inmarsat service model Table 1: Inmarsat service types Category Type Target Rate B 9.6K C 256Bit E&E M Vessel 4.8K Services Mini-M 2.4K Fleet-F33/F55/F77 9.6K/128K GAN Land 64K BGAN Land 492K Fleet Broadband Vessel 432K I-4 Services Satellite lsatphone Potable Phone LandPhone Stationary 2.4K Service FleettPhone Vessel 이러한해상통신환경의변화에따라선박에서도 IP기반유무선통신을병행하여사용하기시작하였으며최근건조되는스마트쉽 (Smart-ship), 해양플랜트에는아날로그방식또는디지털방식의전화시스템을선내통신수단으로구축하고, 육상과통신시기존의 PSTN (Public Switch Telephone Network) 에비하여다회선을상대적으로저렴한비용으로제공할수있는 VoIP(Voice over Internet Protocol) 시스템이구축되고있다 [7]. 또한해운선사를중심으로선교에설치된업무용 PC와위성전화기를이용하여육상과연락을해야하는불편함을해소하여선원들의복지환경을개선하고우수한해상인력을확보하기위해서개인공간에서음성통화, SNS(Social Network Service/site) 와같은서비스사용이가능한해상통신솔루션의도입을적극적으로검토하고있어통신사를중심으로다양한해상용 VoIP 시스템과서비스가출시되고있다. 하지만해상용 VoIP 서비스를사용하기위해서는 IP-PBX 와같은고가의대형장비를설치하여야하며해상위성통신에적합한기술부족으로낮은음성품질, 패킷지연, 누적패킷으로인한추가비용발생등의문제가발생되고있다. 따라서본연구에서는 VoIP 하드웨어일부를소프트웨어화하고 IP-PBX 기능을일원화하여해상환경에최적화된 VoIP 모듈을개발하고통신데이터사용량최소화기술이적용된개인용컴퓨터및스마트기기기반의통합커뮤니케이션 (UC) 을개발하여해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술을개발한다. 본논문의구성은다음과같다. 2장에서는해상용 VoIP 기술을분석하고, 3장에서는해상 VoIP 서비스를위한커뮤니케이션시스템의구성에대하여기술한다. 4장에서는개발모듈의개발결과를제시하고 5장에서결론및향후연구방향을제시한다. 2. 해상 VoIP 기술 Figure 2: Relation of Characteristics of maritime service and marine communications 2.1 VoIP(Voice over Internet Protocol) VoIP는 PSTN망에서회선교환기술을이용하여음성정보를전달하던기존의음성통신방법과다르게음성정보를 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 745
강남선 임근완 이성행 김상용 패킷형태로변환하여 IP(Internet Protocol) 데이터그램방식으로전송하는기술로 Figure 3과같이응용계층 (Application Layer), 신호계층 (Signal Layer), 매체계층 (Media Layer) 의 3 개층으로구성되며응용계층은지능화된호처리와 VoIP 의생성및수행, 서비스관리기능을담당하고, 신호계층은호처리, 호변환, 자원관리, 매체제어등의기능을수행하며매체계층은 RTP(Real-time Transport Protocol) 및 RTCP(Real-time Control Protocol) 프로토콜등을이용하여실제데이터처리및전달또는변형, 품질보장, 톤발생기능등을담당한다 [8][9]. Figure 3: Components of VoIP systems IBM과 Microsoft를중심으로개발되어활발히이용되고있다. 통합커뮤니케이션 (UC) 은채팅, 프레즌스, 전화, 컨퍼런스, 콜제어, 음성인식과같은실시간통신서비스와통합메시징과같은비실시간통신을통합하는서비스를말하며네트워크, 하드웨어, 소프트웨어, 서비스등이상호유기적으로결합되어구현된다 [11]. 일반적으로 VoIP와통합커뮤니케이션 (UC) 시스템은 IDC (Internet Data Center) 와같은시스템과관리조직이구성되어야하며 VoIP와통합커뮤니케이션 (UC) 서비스를이용하기위해서는 IP기반의자동식구내교환설비 (PABX, Private Automatic Branch Exchange) 와통합커뮤니케이션 (UC) 서버등대형시스템의설치가필요하다. 하지만해상의경우운항선의평균선령은약 21년으로 IP-PBX와같은디지털네트워크기술이적용된선박은 Figure 4와같이일부신조선에불과하며 Figure 5와같이 25년이상의선박과상대적으로크기가작은선박이높은비중을차지하고있어현재개발된 VoIP 제품및서비스를사용하기에는설치기간, 설치및운영을위한비용을부담하기에는어려움이있다 [12]. 또한, 현재해상 VoIP 서비스는선내근무환경개선, 복지환경제공에대한요구사항을반영한서비스보다는선내 IP-PBX(Private Branch Exchange) 를이용한선박내부의IP전화에집중되어있어 Table 2와같이선원개인의통신이나근무환경개선, 복지향상등시장의요구사항을만족시킬수있는다양한해상 VoIP 서비스개발이필요하다 [2]. VoIP는음성데이터서비스를제공하는인터넷전화뿐아니라인터넷팩스, 웹콜센터, 통합메시징서비스등의각종부가서비스와영상회의, 전자상거래등인터넷을기반으로다양한멀티미디어서비스들을제공할수있어전세계적으로통신장비업체및통신사업자들의적극적인투자와개발을통해관련시장이빠르게성장하고있다 [10]. 해상에서도 IP-PBX를기반으로하는해상 VoIP 제품과서비스를개발하고있으나해상은육상에비해패킷지연 (packet delay) 이상대적으로크고, 통신서비스를이용하기위해서지속적으로수십바이트의 IP교환망레지스터패킷을전송해야하므로추가과금이발생하는문제점이있다. 또한패킷지연과유실등을보상하여원활한소통을지원하는고품질의음성 / 영상엔진국산화기술을확보하지못하여해상 VoIP 서비스에많은문제점이발생하고있으며국외기술의존도가높아다양한서비스개발및시스템확장에많은어려움을겪고있다. 2.2 해상 VoIP 서비스육상에서는전화, SMS(Short Message Service), 이메일, 쪽지, 채팅과같은기본통신수단뿐아니라기업구성원간커뮤니케이션, 컨텐츠공유또는공동작업이가능한 VoIP 기반의통합커뮤니케이션 (UC, Unified Communication) 이 Figure 4: Status of new/ existing vessels ages Figure 5: Status of new/ existing vessels size 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 746
해상 VoIP 서비스를 위한 통합 커뮤니케이션 기술 개발 Table 2: Requirements of market for satellite service Category Items response to international organizations requirement for 24-hour communications Digital Ship Business Communication service for medium & small vessel Office-at-sea Passenger internet service Individuals crew welfare Personal communications 2.3 해상 VoIP 서비스를 위한 통합 커뮤니케이션 이에 따라 본 연구에서는 저렴한 비용으로 선육 간 통신 지원을 지원하고 해상에서 선원의 개인 통신환경 확보하며 해운선사의 업무 지원이 가능한 해상환경에 최적화된 VoIP 모듈과 통합 커뮤니케이션(UC)을 개발한다. 해상용 VoIP모듈은 해상환경에 최적화하기 위하여 Figure 6과 같이 통합관리시스템(EMS, Enterprise Management System), 가입자 관리 데이터베이스, UC 서버, 미디어 서버, 아날로그 게이트웨이, IP-PBX 등으로 구성되는 고가 의 대형 육상 VoIP 시스템을 게이트웨이와 IP-PBX를 일원 화/소형화하고 각종 서버를 소프트웨어로 구현하여 경제적 인 해상용 VoIP 모듈을 개발한다. 또한 해상위성통신의 패킷 지연, 누적 패킷 문제를 해결 하기 위해 Voice engine jitter buffer 성능을 개선하여 패킷 지연의 영향을 최소화하고 육상통신이 필요한 경우에만 주 기적인 세션연결을 위한 레지스터 패킷을 전송하여 데이터 사용량이 최소화하고 최소한의 데이터율(data rate)로 고품 질의 음성/영상 재생이 가능한 해상용 VoIP 음성/영상 엔진 과 해상 VoIP 통합 커뮤니케이션(UC) 기술을 개발한다. 본 연구에서 제안한 해상용 통합 커뮤니케이션 기술은 선원 개인의 선육 간 통신을 지원할 뿐 아니라 개발된 소 Figure 6: Comparison of the existing UC system and marine UC system 3. 시스템 구성 요소 해상용 통합 커뮤니케이션 기술은 Figure 7과 같이 4S 통 신(Ship to Ship, Ship to Shore)을 구현하여 선박 내부통신과 선박과 선박 간, 선박과 육상간의 통신을 지원하고 개인용 PC, 스마트기기 기반의 개인 통신 수단을 제공하여 근무환 경 개선 및 복지향상에 기여할 수 있는 기술이다. 해상용 통합커뮤니케이션 시스템은 VoIP 관리 모듈, 해 상용 VoIP 음성/영상엔진, 통합 커뮤니케이션 소프트웨어 로 구성되며 주요 내용은 Table 3과 같다. 3.1 해상용 VoIP 모듈 해상용 VoIP 모듈은 Figure 6과 같이 임베디드 기반의 하 드웨어 모듈과 아날로그 게이트웨이 모듈(Analog Gateway Module)로 구성된다. 형의 VoIP 모듈을 육상에 위치한 선사에 설치하여 업무용 통합커뮤니케이션 운용을 위한 하드웨어는 각종 게이트 시스템으로 확장할 수 있어 해운선사에서 요구하고 있는 웨이 모듈과 하드웨어 제어를 위한 메인보드로 구성되며 기업용 통합 커뮤니케이션 시스템, 업무지원 시스템을 경 유지보수의 용이성을 확보하기 위하여 Figure 8과 같이 슬 제적으로 구축할 수 있는 장점이 있다. 롯구조로 시스템을 구성한다. Figure 7: Technological diagram for marine unified communication system 한국마린엔지니어링학회지 제39권 제7호(2015. 9) 747
강남선 임근완 이성행 김상용 Table 3: Marine unified communication system Category Items unified communications hardware platform VoIP interface module for connection with module existing vessel devices packet delay, loss prevention technology voice/ technology to support maritime voice/video video service engine minimize communications data usage VoIP service management software VoIP operational software (server) multilateral cloud-based message UC conversations telephone number-based call function security service with terminal authentication system Figure 8: Marine VoIP module with slot card (ACRO200) 선의대부분은아날로그기반의전화기와방수전화기가설치되어있기때문에이를 IP로변환하기위한 VoIP 연동모듈 (FXS) 을개발하고해사위성게이트웨이에서기존의전화회선 (PSTN) 회선제공시연동을위한모듈 (FXO) 을개발하여 Figure 9와같이해상용 VoIP 시스템을구성한다. 3.2 해상용 VoIP 음성 / 영상엔진 IP 네트워트망을이용하여오디오데이터를실시간으로전송하는 VoIP 음성통화는 IP 네트워크환경의변동에따른데이터전송지연, 패킷손실등일반적인 IP 네트워크저해요소로인하여통화음질저하가발생되며, 특히지터 (jitter) 라고불리는패킷도착지연의편차에따라모바일단말기에서 VoIP 음성의품질저하가발생되고있다 [13]. 본연구에서는이러한패킷지연을최소화하고패킷손실을방지하여고품질의음성 / 영상서비스를지원하기위하여 RTP packet 변환모듈, 코덱최적화기술, 육상 IP 교환망연결시발생되는누적패킷을최소화할수있는기술을개발하고저용량통신시패킷지연으로인하여발생되는음성왜곡을보정하기위해서지터버퍼 (jitter buffer) 를설계하고주변소음제거알고리즘, Equalizer 필터등을적용하여고품질음성서비스지원이가능한음성신호처리알고리즘을개발한다. 개발된해상용 VoIP 음성 / 영상엔진을운영체제 (ios/ Android/Windows) 별 API에적합하도록확장성을고려하여입출력을설계하여이기종간시스템에대한이식성및사용성에대한편의성을향상시키도록하였다. 3.3 해상용통합커뮤니케이션소프트웨어해상용통합커뮤니케이션소프트웨어는개인용 PC, 모바일기기에서운용되는통합커뮤니케이션 (acrofon) 과 VoIP 서버기능을소프트웨어로구현한 VoIP 서비스통합관리프로그램, UC 서버기능을소프트웨어로구현한통합커뮤니케이션운용프로그램으로구성된다. Figure 9: Marine VoIP system 아날로그게이트웨이모듈은선내방송장비연동모듈 (TPA, Telephone Public Address), 알람모니터링모듈 (DCM, Dry Contact Module), 아날로그전화기와 VoIP 연동을위한모듈 (FXS, Foreign exchange Subscriber), 위성과연동을위한모듈 (FXO, Foreign exchange Office) 로구성된다. 해상용통신장비는선박또는해양플랜트에서운용되기때문에선내에설치된아날로그기반의방송시스템 (PA, Public Address System), 알람시스템 (GA, General Alarm System) 과연동되어야하므로선내방송장비연동모듈 (TPA) 과알람모니터링모듈 (DCM) 을개발한다. 최근신조선박과해양플랜트에는 IP전화기가설치되고있지만현존 3.3.1 통합커뮤니케이션 (acrofon) 통합커뮤니케이션 (acrofon) 은개인공간에서육상과문자 / 음성 / 영상통화를지원하며휴대폰연락처관리기능과유사한형태의연락처관리기능을지원한다. 특히, 전화번호기반의통화기능을지원하여정해진장소에서사용하여야하는기존의선내전화기와달리소프트웨어에고정전화기와같은전화번호를부여하여선내에서육상의휴대폰과같은기능을이용할수있도록한다. 선박내부또는선박과육상과의다자간메시지대화가가능한구조를설계하고클라우드방식의메시지대화기능을개발하여해상위성통신환경에따른메시지손실을방지할수있도록시스템을개발한다. 3.3.2 VoIP 서비스통합관리프로그램 VoIP 서비스통합관리프로그램은육상의 VoIP 하드웨어와서버를소프트웨어로구현하고, 통합커뮤니케이션구동을위한서버기술을소형화한것으로통합커뮤 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 748
해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술개발 니케이션응용소프트웨어연동및통화기능서비스, 각종통계서비스지원을위한통합운용관리기능을지원한다. VoIP 시스템에서는호연결및해제요청을처리하여통화를연결 / 종료하기위하여 ITU-T 표준인 H.323과 IEFT 표준인 SIP(Session Initiation Protocol) 등을사용하고있으며초창기 VoIP 서비스에서는 H.323이널리사용되었으나확장네트워크구성과대규모사용자에대한지원에한계와서비스구현이복잡하고호환성을보장하지못하는단점때문에최근에는개방형네트워크를기준으로다양한멀티미디어서비스를쉽게수용할수있고비교적간단한프로토콜구조를가지고있는 SIP 기술이제안되어 VoIP 서비스의호처리에많이활용되고있다 [9]. 따라서본연구에서도 SIP 기반의 VoIP 서비스통합관리프로그램을개발하고네트워크상에서안정적인전화품질을제공하기위해전화서비스우선처리를위한 QoS(Quality of Service) 서비스기능을서비스통합관리프로그램에구현하며음성및영상신호처리서비스, 다자간대화를위한멀티컨퍼런스 (Multi-conference) 기능, 안내멘트, 대기음등각종미디어서비스지원을위한미디어서버를소프트웨어로구현한다. VoIP 서비스는기존의인터넷망을활용하기때문에인터넷망에서발생되는보안문제와 VoIP 프로토콜과응용서비스들이가지고있는서비스오용, 세션가로채기, VoIP 스팸등의위험에노출되어있으므로이러한보안문제를해결하기위하여 Table 4의대책방안중접속차단, 관리자등급지정, 단말인증방식이적용된자체방화벽및보안서비스를구현한다 [14]. 3.3.3 통합커뮤니케이션운용소프트웨어서버프로그램통합커뮤니케이션운용소프트웨어서버프로그램은통합커뮤니케이션 (UC) 운용을위한서버를소프트웨어로구현한것으로메시지기반대화와연락처관리, 다자간메시지지원과클라우드방식의메시지대화기능및 SIP 기반의 VoIP 시스템과연동기능을구현한다. 4. 해상용통합커뮤니케이션시스템개발 4.1 해상용 VoIP 모듈 (ACRO200) 해상용 VoIP 모듈인 ACRO200은최대가입자 200명을수용할수있는장비로 IP-PBX, 서버기반컴퓨팅 (SBC, Server-Based Computing), 가입자서버, 통합커뮤니케이션 (UC) 서버, 미디어서버, 통합관리시스템서버 (EMS) 를소프트웨어로구현하고아날로그게이트웨이를해상환경에적합한모듈로최적화하여 19인치표준랙 2U 크기의소형화된장비로개발하였다. 평균고장시간간격 (MTBF, Mean Time Between Failure) 을고려하여전해콘덴서대신고체또는세라믹콘덴서를사용하고 AC 전원에문제가발생할경우 DC 전원으로전환이가능하도록하였다. 또한 Figure 8과같이각종모듈을슬롯구조로설계하여서문제발생시보수및교환이용이하도록하였다. ACRO200은 Figure 9와같이선내방송장비 (PA) 와알람시스템 (GA) 와연동하기위한선내방송장비연동모듈 (TPA) 와알람모니터링모듈 (DCM), 해상게이트웨이이서기존의전화시스템인 PSTN 회선제공시연동을위한게이트웨이모듈 (FXO) 을메인모듈로구성하고, 선내아날로그 Table 4: Security threats to VoIP service and technological countermeasures Security threats control signal media signal Countermeasures (password) key management communications compatibility management signal countermeasures (authentication) user Administrator LAN section wiretapping WAN section wiretapping Terminal wiretapping System resource depletion Line resource depletion Call interruption and suspension System disorder Registered information falsification Attack to administrative error Configuration change Invite session interception Registration session interception Call spam IM spam presence spam 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 749
강남선 임근완 이성행 김상용 전화기및방수전화기의연결을위한아날로그전화기의 VoIP 연동모듈 (FXS) 을확장형으로구성할수있도록하여회선사용및구성에대한시스템의유연성을확보하였다. 4.2 음성 / 영상엔진해상통신시발생되는패킷사용량과지연을최소화하여고품질의음성및영상서비스지원이가능한엔진기술을개발하기위하여 Figure 10과같이해상 VoIP 서비스를위한음성 / 영상엔진을개발하였다. Figure 10: Diagram of marine VoIP voice/video engine 현재 VoIP 서비스는높은유지보수비용과새로운기능추가시고비용, 장시간의투자가필요하고기존의장비업체에종속되는단점이있는고가의대형 PBX를설치하는대신에통신사업자가제공하는장비를통하여서비스제어및관리를받는 IP 센트렉스 (CENTREX, Centralized exchange) 서비스가널리활용되고있다 [15]. 센트렉스서비스는시스템에대한운영경비의부담이적고신뢰도가높은다양한서비스를폭넓게제공받을수있는장점이있는반면사설 IP를이용하는경우는 30초마다, 공인 IP를이용하는경우는 60~120초마다 KT와같은통신사업자의서버로레지스터리패킷을송수신을하여야야하므로 1일기준 720~2,880kbyte의데이터가소요되는단점이있다 [16]. 육상의경우전용회선, 무제한요금제등우수한통신환경이제공되고있어지속적인레지스터리패킷전송에문제가없지만해상은제한적인대역폭과종량제요금을사용하고있어통신지연과추가비용발생이우려되며, 일반적인 VoIP 시스템과같이통화시송수신상태를판단하지않고양단의데이터를지속적으로전송할경우송신데이터증가로인한과금문제가발생하게된다. 이러한점들을개선하기위해서통신사서버에정해진시간마다레지스터리패킷을전송하여통신연결을지속하는대신콜이벤트발생시에만선택적으로레지스터리패킷을전송하고음성과묵음사이를구분하여패킷을전송하는음성검출기 (VAD, Voice Activity Detection) 기술을적용하여해상용 VoIP 음성엔진기술 (ACRO-VAD) 을개발하였다 [17][18]. 음성검출기 (VAD) 는음성처리시스템의필수적인전처리 (pre-processing) 과정으로신호의에너지 (Energy), 영교차율 (ZCR, Zero Crossing Rate), 피치 (Pitch) 검출파라미터등과같은특징을이용하는방법과 LLR(Likelihood Ratio) 와같은통계적인특성에기반한방법이널리활용되고있다 [19]. 이러한방법은깨끗한음성신호에서는효과적으로동작하지만잡음에의해오염된음성에는정확한결과를얻기어려우며정확하지못한결과가음성처리알고리즘에적용되는경우음성통화불능상태가발생할위험이있기때문에본연구에서는잡음에오염된음성에서새로운정규화음성확률 (normalized speech probability) 기반계수를적용하여낮은전력밀도및잡음과유사한무성음영역에서도높은 VAD 신뢰성을가진음성처리기술을 Figure 11과같이개발하여해상용 VoIP 음성엔진 (ACRO-VAD) 에적용하였다. ACRO-VAD는음성처리기술을통해 Figure 11 상단의신호를음성구간과묵음구간을추출하여 Figure 11 하단과같이데이터를선별적으로송신하여기존의시스템에비하여데이터사용량을절감할수있다. 개발된해상용 VoIP 음성엔진기술 (ACRO-VAD) 시험결과음성코덱최적화기술과 VAD 기술적용을통해 Table 5, 6과같이육상 VoIP 시스템대비약 55% 의통신패킷을절감할수있음을확인하였으며, 통신패킷사용량최적화에도 Table 7의 VoIP 서비스에서음성품질에대한기준으로사용되는평균평가점 (MOS, Mean Opinion Source) 4.0 이상을유지하여해상에서고품질의 VoIP 음성통화를제공할수있음을확인하였다. Figure 11: Technology to minimize packet through VAD Table 5: Packet save based on codec optimization Codes Size(ms) Bandwidth Total Data G.711 20 80 kbps 40 kbps G.729 20 24 kbps 24 kbps Speex 20-11 kbps Table 6: Packet save based on selective transmission Category VoIP marine VoIP Voice Data 80 kbps 80 kbps Ethernet overhead 7.2 kbps 7.2 kbps Total Data(s) 87.2 kbps 39.24 kbps VAD - - 55% 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 750
해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술개발 Table 7: Mean Opinion score(mos) Level Quality Impairment 5 Excellent Imperceptible 4 Good Perceptible but not annoying 3 Fair Slightly annoying 2 Poor Annoying 1 Bad Very annoying 4.3 해상용통합커뮤니케이션소프트웨어 4.3.1 통합커뮤니케이션 (acrofon) 선박내부및선박과육상간의문자 / 음성 / 영상통화를지원하기위하여해상용통합커뮤니케이션 (acrofon) 을 Figure 12와같이개발하였으며주요기능은 Figure 13과같다. 통합커뮤니케이션 (acrofon) 은 Android, IOS, Windows(PC) 의운용환경을모두수용하며, 고정식전화기와같이지정된번호를부여하여장소에구애받지않고통화를이용할수있도록개발하였다. 해상용통합커뮤니케이션 (acrofon) 은이름, 전화번호, 이메일, 주소등Android와 ios 앱에서제공하는연락저의모든정보를가져오기 / 내보내기기능으로동기화할수있으며연락처정보를암호화된형태로 VoIP 서비스통합프로그램에저장하여프로그램재설치에도연락처정보를활용할수있도록구성하였다. 특히해상용통합커뮤니케이션시스템은육상시스템과달리 Push Notification Server가별도로설치되지않아 UC 서버와지속적으로데이터를교환하여야하여불필요한메모리와배터리가소모되는문제점이발생할수있으므로사용자가앱을사용하는포그라운드 (foreground) 상태에서만 UC서버와통신을유지하고음성통화를위한 Push 서버를이용하여데이터를전달함으로프로그램유휴상태 (Application background) 시소비전력을최소화할수있는기능을개발하였다. Figure 13: Menu layout for marine UC (acrofon) 4.3.2 VoIP 서비스통합관리프로그램 VoIP 서비스통합관리프로그램은최대 200명의가입자를수용이가능한 SIP 기반의음성및영상신호처리가가능하며, 선박과육상의통화시통신사의기업망서버에연동되어요금이정산될수있도록개발하였다. 또한 Figure 14와같이 VoIP 서비스관리기능을구현하여가입자관리, 서비스관리등각종통계데이터를관리할수있도록하였다. Figure 14: Management service for VoIP service Figure 12: Marine UC (acrofon) VoIP 프로토콜과응용서비스, 인터넷환경에따라발생되는보안문제를위하여 HTTP Digest MD5 단말인증방식을적용하며 SIP 매시지재생공격에대비하고, ACL(Access Control List) 를설정하여등록된서비스서버주소에서오는메시지에만응답할수있도록하는등단말인증방식이적용된자체방화벽및보안서비스를개발하였다. 개발된 VoIP 서비스통합관리프로그램의성능시험을위하여통신에필요한프로토콜과트래픽을콜시퀀스에따라생성가능한 IP telephony signaling and traffic generator (Abacus 5000 call generator) 를이용하여시험하였다. 시험방법은장비에전화번호 120개를입력하고동시에자동으로전화를걸고통화를유지후전화를끊는방법으로초당 12.5회의콜을시도하였다. 성능시험결과 Figure 15, 16과같이 CPU와메모리는 45% 이하의점유율을보였 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 751
강남선 임근완 이성행 김상용 으며총 1,078,412, 회의시도에 1,078,395회의성공이이루어져 99.9% 의호성공률을확인하였다. 특히 RTCP 패킷당 RTP Packet Loss가전혀발생하지않았으며평균 0.018msec 의지터가발생하여해상에서 VoIP기반통합커뮤니케이션 (UC) 서비스의사용이가능함을확인하였다. 비스의해상적용가능성을확인하였다. 앞으로수행될연구에서는해상용 VoIP모듈에대한전자기적안전성확보를위하여 IEC-60945 시험을수행하고 FBB, MVSAT 위성이설치된실선박에서상용통합커뮤니케이션 (acrofon) 을시험하고기술을보완하여해상 VoIP 서비스를위한통합커뮤니케이션기술개발을완료하고자한다. 후기 본연구는중소기업기술개발지원사업의구매조건부제품개발사업으로수행중인 해사위성기반 VoIP 서비스를위한선박용통합커뮤니케이션기술 사업의연구결과이며위기관의후원에감사드립니다. Figure 15: Performance test results for marine VoIP Figure 16: Marine VoIP Performance test summary 5. 결론 본연구에서는해사위성기반의 VoIP 서비스를위한해상용통합커뮤니케이션 (UC) 기술을개발하기위하여 VoIP 모듈을개발하고데이터사용량이최적화된해상용 VoIP 음성 / 영상엔진이탑재된해상용통합커뮤니케이션 (UC) 을다음과같이개발하였다. 첫째, 해상용 VoIP모듈은 19인치표준랙 2U 크기로소형화하였으며, 슬롯구조와확장형모듈형태로시스템을구성하여선박환경에최적화하였다. 둘째, 음성및영상통화를위하여코덱최적화기술과 VAD를적용한패킷최소화기술을개발하여육상 VoIP 시스템대비약 55% 의패킷을절감하면서도 MOS 4.0 이상의음성품질을유지할수있는고품질의해상용 VoIP 엔진을개발하였다. 마지막으로선박내부및선박과육상간의문자 / 음성영상통화가가능한통합커뮤니케이션 (acrofon) 을개발하고성능시험을수행한결과 99.9% 의호성공률, RTCP 패킷당평균 0.018msec의지터발생과 RTP Packet 패킷손실이전무함을확인하여 VoIP기반통합커뮤니케이션 (acrofon) 서 References [1] O. S. Park and D. H. Kim, Technical trends in maritime radio communication for e-navigation, Electronics and Telecommunications Trends, Electronics and Telecommunications Research Institute, vol. 27, no. 2, pp.51-58, 2012. [2] e-navigation, A Proposal for New Growth Engines, Monthly Maritime Korea, 2014. [3] S. Y. Jeon and G. H. Kim, A development of web proxy for the satellite communication, Journal of Korea Multimedia Society, vol. 16, no. 12, pp. 1403-1412, 2013. [4] Y. M. Kwon and J. G. Min, Expansion of stationary satellite service : with a focus on marine VSAT service, Information and Communication, 2009. [5] MVSAT - Global Xpress(GX), Maritime Satellite Communication Overview, Inmarsat, 2015. [6] Trend and future of Digital Maritime Communications Technology, Korea Communication Agency, 2014. [7] H. S. kwon, D. G. Kim, J. G. Lee, and S. H Kim, Development of automatic exchange telephone system, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 50, no. 2, pp. 73-81, 2013. [8] Davidson Peters, Voice over IP Fundamentals: A systematic Approach to understanding the basics of Voice over IP, Cisco Press, 2000. [9] H. J. Oh, An Encryption Technique to Prevent Eavesdroppingof VoIP in Heterogeneous Communication Networks, Ph.D. Dissertation, Computer Engineering, Hongik University, Korea, 2013. [10] B. Douskails, IP Telechony : The Integration of Robust VoIP Service, Prentice-Hall PTR, 2000. [11] Y. M. Shin and H. J Bae, Advanced unified com- 한국마린엔지니어링학회지제 39 권제 7 호 (2015. 9) 752
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