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수중음향데이터통신시스템구현및천해역실험결과 박종원 임용곤 최영철 김승근 변성훈 김시문한국해양연구원해양시스템안전연구소해양시스템기술연구본부 An implementation and it's real-sea test of an underwater acoustic data communication system Jong-won Park, Yong-kon Lim, Young-chol Choi, Seung-geun Kim, Sung-Hun Byun and Sea-moon Kim *Ocean Exploration System Research Division, MOERI/KORDI, Daejon, Korea KEY WORDS: Underwater acoustic data communication system 수중음향데이터통신시스템, Underwater communication 수중통신, Adaptive equializer 적응등화기, Beam-formming 빔형성기, Real-sea test 실해역시험 ABSTRACT: In this paper, we present an implementation and it's real-sea test of an underwater acoustic data communication system, which allows the system to reduce complexity and increase robustness in time variant underwater environments. For easy adaptation to complicated and time-varying environments of the ocean, all-digital transmitter and receiver systems were implemented. For frame synchronization the CAZAC sequence was used, and QPSK modulation/ demodulation method with carrier frequency of 25kHz and a bandwidth of 5kHz were applied to generate 10kbps transmission rate including overhead. To improve transmission quality, we used several techniques and algorithms such as adaptive beamforming, adaptive equalizer, and convolution coding/viterbi decoding. For the verification of the system performance, measurement of BER has been done in a very shallow water with depth of 4m at JangMok, Geoje. During the experiment, image data were successfully transmitted up to about 4.2km. 1. 서론최근들어, 석유 천연가스와같은에너지자원고갈에대비하기위해서해저에존재하고있는미래에너지자원 ( 망간단괴, 가스수화물등 ) 에대한연구가활발히진행되고있으며, 6,000m 수심이상의심해에대륙판의비틀림에의해자연적으로생성되는열수분출구주변의광산자원과서식하고있는고대생물및희귀한생물종에대한유전자연구가전세계적으로활발히추진되고있다. 또한, 해난사고에의해좌초된대형선박에대한조사및회수작업, 해저케이블포설및관리, 기뢰제거용자율무인잠수정 (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) 등의수중에서의탐사및작업에대한수요가끊임없이증가하고있다. 나아가수중초음파통신에기반한네트워크구축을통한실시간해양환경모니터링에대한연구가선진외국을중심으로진행되고있다 ( 박종원, 2006). 1.1 수중데이터통신분류수중에서사용되는통신은크게전원과신호케이블이포함되어있는테더 (Tether) 케이블과광케이블에의한유선통신과초음파를이용한무선통신으로구분할수있다. 수중에서유선통신은높은전송속도를가지고먼거리의데이터전송이가능하제1저자박종원연락처 : 대전광역시유성우체국사서함 23호 042-868-7534 poetwon@moeri.re.kr 다는장점을가지고있으나, 먼거리의케이블에걸리는해류및고압의영향으로수중에서의연구및작업을하는데이동성의한계를갖는단점이존재한다. 그리고수중에서의무선통신은배터리를내장한시스템에탑재되어사용되며이동성이확보되는장점을가지고있으나, 낮은전송속도와짧은전송거리의한계를갖는다는단점을갖고있다. 1.2 수중데이터통신을위한초음파특성일반적인통신매체로서많이사용되고있는광파 (Optic Wave) 나전자파는수중에서거리에따른급격한신호감쇠현상 (Xavier Lurton, 2002) 을갖고있어, 전송거리가수백 m의범위이상에서사용할수있는범용의수중통신에있어초음파가유일한통신전달매체로서사용되고있다. 수중에서초음파는전송거리와주파수특성간에반비례의관계를가지고있어주파수가높을수록전송거리가짧아지고, 주파수가낮을수록전송거리가길어진다. 한편, 통신시스템의전송속도는사용되는주파수의대역폭에비례하여증가되는특성을갖고있다. 따라서먼거리전송을위해서는낮은주파수를사용하여야하지만이경우에전송속도는낮아지게되어수중에서의데이터통신효율이나빠지고, 높은전송속도를얻기위해서높은주파수를사용하게되면전송거리가짧아지는특성을가지고있다 (Xavier Lurton, 2002). 전송거리에따라제한되는주파수특성을가지고높은전송속도를얻기위해서는중심주파수를중심으로수중에서초음파신

호를발생하고수신하기위해사용되는초음파센서가넓은주파수대역폭을갖고있어야하는데, 실제적으로위상과크기가모두균일한넓은주파수대역폭을갖는초음파센서설계가매우어렵기때문에일반적인수중음향통신시스템은낮은전송속도를갖는특징을가지고있다. 또한, 부유물과파동에의해서음파의산란 (Scattering) 현상, 파도의부서짐과선박의프로펠러에의한배경잡음, 해류의이동에따른도플러 (Doppler) 현상, 음파의반사로인한다중경로 (Multi-path) 현상등은수중에서초음파를이용한통신의열악한환경조건으로작용하며, 수중에서의음속의비균질적인특성으로인해초음파가수신위치에따라서전달되지않는지역 (Shadow Zone, 음파음영구역 ) 이존재한다는특징을갖고있다. 본논문에서는수중초음파를이용한데이터통신시스템의개발동향, 수중음향데이터통신시스템의설계 구현과실해역시험결과를소개하고있다. 2. 수중음향데이터통신시스템의개발현황과비교 일반적인수중음향통신시스템은다중경로의영향이적은수직채널에서연속통신방식을사용하여낮은전송속도와짧은전송거리의특성을가지고있으며, Fig. 1은참고문헌 (Ian F. Akyildiz et al., 2005) 에서제시하는현재까지변조기법에따른수중음향데이터통신시스템의개발현황을보여주고있다. 그림에서보여주는변조기법은 FSK (Freqeuncy Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), DPSK(Differential PSK), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 이있다. Fig. 1 Evolution of modulation technique in an underwater acoustic data communication system Fig. 2는현재수중음향데이터통신시스템으로가장많이사용되고있는대표적제작사인 Benthos사 (Benthos web) 와 LinkQuest사 (LinkQuest web) 의대표적모델에대한기본특성과, 본논문에서소개하고자하는새로운수중음향데이터통신시스템의기본특성비교를보여주고있다. Benthos 와 Link Quest 제작사는 MFSK(Multiple FSK)/PSK 변조방식을사용하고있으나, 개발된시스템은 QPSK (Quadrature PSK) 방식을사용하여실해역시험에서최초로성공하였다. Fig. 2 Performance comparison of underwater acoustic communication system QPSK 변복조방식은제한된주파수대역폭을갖을때주파수효율이우수한변복조방식이나, 수중에서초음파센서의고유특성 ( 위상변화시에빠르게대처하지못하는특성 ) 으로인해그동안사용되지않았다. 그러나 QPSK 변조방식을사용할수있는광대역초음파센서를제작하고디지털신호처리기법을통해서그한계를극복하였으며, 구현된시스템을실해역시험을통해서검증하였다. 또한, 제품화되어판매되고있는대부분의수중음향데이터통신시스템은다중경로의영향이거의없는깊은수심을갖는수직채널에서사용되고있으며, 전송거리 1-2km의거리에서약 10kbps 전송속도를가지고있음을알수있다. 3. 수중음향데이터통신시스템설계 Fig. 3은본논문에서설계한수중음향데이터통신시스템의구성도를보여준다. 그림에서데이터는수중영상의샘플을채취하여디지털화된영상정보 (8bit Gray level, 132*100) 를사용하였으며, 주파수효율이우수한 QPSK 변복조방식, 프레임기반동기방식, 적응등화기, 빔형성기, 부호화기법및 Block Interleaving 등의신호처리기법을사용하여설계하였다. 수중음향통신채널은수중에서초음파의전달속도 ( 약 1500m/s) 가느리기때문에수중에서의통신오류가발생을하였을경우에데이터재전송이어려운환경을가지고있다. 따라서본논문에서는 1/2 convolutional 부호화기법및 Viterbi 기법을이용하여통신오류가발생하더라도부호화된데이터를이용하여데이터복구가가능하도록설계하였으며, 부호화된신호중에서연속적인신호가계속전송되는경우에대하여반송파의 Phase Lock을잃어버리는현상을막기위하여혼화기 (Scrambler) 기법을도입하였다. 또한, 실제수중음향통신채널은시간에따라서변화하는다중경로전파특성으로인해서발생되는페이딩 (Fading) 현상에의해서 SNR( 신호대잡음비 : Signal to Noise Ratio) 가매우작아지는경우에오류가연속적으로발생하게되는데, 본논문에서는오류가시간영역에서독립적으로발생하도록데이터를분산시키는방법인 Block Interleaving 방식을사용하여설계하였다. 해저면과표면의반사로인한다중경로는수중에서의초음파통신에가장크게전송성능에영향을주는요인으로서, 다중경

132*100 8bit Gray Image data ½ Convolution coding Block Interleaving Cazac_m code Training sequence Image Data TDM MUX Pulse Shaping Filter QPSK modulation D/A TRANSMITTER RECEIVER ~ 8ch A/D 132*100 8bit Gray Image data Decision & Deinterleaving Viterbi decoder Adaptive Equalizer Adaptive Beamformer LPF & Downsampling QPSK demodulation DPLL Frame Sync Fig. 3 Block diagram for DSP based underwater acoustic data communication system 로를상쇄하기위하여적응등화기 (Adaptive Equalizer) 와광대역빔형성기 (Beamformming) 과같은디지털신호처리기법이필요하다. 수중음향데이터통신에서는반송주파수 ( 수십 khz) 에비해높은대역폭 ( 수 khz) 을갖고있어일반적으로사용되는협대역빔형성기에서는상대대역폭이증가할수록성능이저하되는특성을가지고있다 ( 한국해양연구원, 2002). 따라서본논문에서는수중음향데이터통신을위해서는광대역빔형성기구조를사용하였다. 빔형성기신호처리기법은다중경로를갖는수신신호에대해서공간적인필터링을함으로다중경로의영향을상쇄하는기법이며, 적응등화기는빔형성기를거쳐수신된다중경로를제거하는기법으로사용된다. 최근에는수중음향데이터통신시스템에적응등화기와빔형성기를함께사용되는구조를채택하고있으며 (Jong-won Park et al., 2005) 본논문에서도 Fig. 3과같이혼합구조를갖는시스템으로설계하였다. 수중음향에서의데이터통신은주로배터리를내장하는형태의운용이대부분이기때문에연속적인데이터전송방식이아닌버스트 (Burst) 데이터전송방식을사용하는것이매우효과적이며, 본논문에서는 Barker 코드와 CAZAC Sequence를사용한데이터도움 (Data-Aided) 방식에의한프레임동기방식을사용하여설계하였다 (Seung-geun Kim et al., 2005). 그리고한정된주파수대역폭의효율을극대화하기위해서 QPSK 변복조방식을적용하였으며, I채널과 Q채널에반송주파수로천이하는과정에서계산량을줄이기위해서 Look-up table 방식의 QPSK 시스템으로설계하였다 (Jong-won Park et al., 2005). 4. 수중음향데이터통신시스템의구현및실해역시험결과 설계되어진알고리듬에대한성능검증을하기위해서 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서기반의수중음향데이터통신시스템을구현하였으며, Fig. 3의초음파센서와증폭기를제외한모든알고리듬을 DSP 상에서구현하는 All Digital 수중음향데이터통신시스템을구현 제작하였다. All Digital 수중음향데이터통신시스템으로구현할수있는근본적인원리는사용하는반송주파수 (25kHz) 가크지않아서, 신호프레임을 DSP 프로세서속도와 ADC(Analog to Digital Converter) 의표본화속도에맞추어설계하였기때문이다. 이는전송거리나채널환경이많이변화하는수중환경에서모든알고리듬을 All 디지털화하여구현함으로써, 설계된알고리듬의성능보완 변경이용이하고개발시간을단축시키고향후원칩화하여제품화하는데용이한장점을가지게되었다. 프레임동기를위해서카작 (CAZAC) 신호열을사용하였는데, 구현된수중음향데이터통신시스템은 QPSK 변복조방식을사용하고있기때문에 I 채널과 Q 채널로프레임이입력되어진다. Fig. 4는 CAZAC 신호열을이용한프레임구조를보여준다. 0.1sec Cazac I sequence Training sequence Frame Image Data Fig. 4 Frame structure using CAZAC sequences Waste 32 13 82 352 8 13 구현된시스템은한프레임을전송하는데 100ms가소요되도록프레임을설계하였고, 한프레임은 Fig. 5에서알수있듯이헤더 (Header) 를포함하여총 500비트로구성되어있어 1초에 5k bit를전송할수있게된다. 본시스템은 QPSK 변복조방식을사용하고있기때문에 I 채널과 Q 채널을합하게되면총 10k bit의전송효율을갖는프레임을가지게된다. 130*100 8비트 Gray 영상이부호화를거치면서 2배의데이터로늘어나서총

211,200 비트를차지하게되고, 한프레임에순수전송가능한데이터는 352비트이므로 300 프레임 (30초) 을통해서하나의영상을전송할수있는사양을보이고있음을알수있다. 이는영상압축을하지않은순수한영상데이터를전송하는경우의전송속도를보이고있으며, 일반적인 JPEG 영상압축방식을사용한다면약 30배의압축비일경우 ( 한국해양연구원, 2002) 에는 1초에영상한프레임을보낼수있는성능을의미한다. Fig. 5는최종구현된 DSP 프로세서기반의수중음향데이터통신시스템의사진을보여주며, 송신부와수신부로구성되는단방향데이터통신시스템으로제작되었다. Fig. 6은송신측수중음향데이터통신시스템의 GUI(Graphic User Interface) 화면을보여주며, 왼쪽그림상단에전송하고자하는영상을표시하고우측화면에개발된시스템의 D/A 출력, 신호대역폭, 신호스펙트럼, 필터출력등의계측정보를실시간으로표시한다. Fig. 7은수신측수중음향데이터통신시스템의 GUI 화면을보여주며, 수신된신호의 A/D 신호및스펙트럼, 필터출력, 빔형성기성상도및수신영상을보여준다. Fig. 7 GUI of an underwater acoustic receiver Fig. 8 Graphical position of real-sea test in Jang-Mok, GeoJae for an underwater acoustic communication system Fig. 5 Photos of underwater acoustic data communication system 실해역실험에사용된초음파센서는 25KHz의중심주파수와 5KHz의대역폭을가지며, 송신은 140배 (43dB) 의증폭기와단일센서로구성되어있으며, 수신은만배 (80dB) 의증폭비를갖는증폭기와 8개의선형배열센서로구성되어있다. Fig. 8과같이 4.2km의거리, 수심약 4m에서 CAZAC 신호열기반의프레임구조를갖는영상데이터를전송하였을때, Table 1과같은전송성능을계측하였다. 표에서 BER은 Bit Error Rate로서 1 10-3 은 1000비트를보낼때 1 비트의에러가발생한다는의미를갖으며, 총 5차에걸쳐전송하였을때평균 4.12 10-3 의 BER을갖고있음을알수있었다. Table 1 Real-sea test results(ber characteristics) of an underwater acoustic communication system Fig. 6 GUI of an underwater acoustic transmitter Fig. 5와같이제작된수중음향데이터통신시스템의성능검증을위해서거제도장목연안에서실해역시험을수행하였으며, Fig. 8은실해역시험의송신기와수신기위치를표시하고있다. 송신기와수신기사이의거리는약 4.2km로수심 3m-5m 의천해역에서시험을수행하였다. 1차 2차 3차 4차 5차 BER ( 10-3 ) 3.89 7.11 5.57 2.78 1.24 프레임동기를위해서바커코드와 CAZAC 신호열을모두사 용하여시험을수행하였으나, 실제실해역에서는 CAZAC 신호 열기반의프레임동기가잘검출되고있음을실험과정에서확

인할수있었다. Fig 9는표의 1의결과에서평균값에가장가까운 1차전송시의수신된영상을보여준다. Fig. 9 Receiving image data at 1st real-sea test 5. 결론본논문에서는수중에서초음파를이용한데이터통신시스템에대한설계 구현및실해역에서의성능시험결과를보여준다. 수중에서초음파를이용한데이터통신시스템을설계할때의고려해야할내용과극복하기위한디지털신호처리기법을제안하였으며, 설계된수중음향데이터통신시스템을실해역시험을통해서, 다중경로의영향이큰천해수평채널환경에서 4km 전송거리에서최초로 10kbps의전송속도로데이터를성공적으로전송하였음을소개하였다. 또한, 프레임동기방식, Look-up Table 방식의 QPSK 변복조기법, 적응등화기와빔형성혼합구조등을최초로적용하여, 실해역시험을통해서성능검증을보여주었다. 구현된수중음향데이터통신시스템은다중경로의영향이거의없는수직채널과심해에서의실험을고려해본다면, 1km 거리에서 42kbps의전송성능에해당되는것으로서이는세계적으로도매우우수한성능에해당된다. 향후, 보다정확한성능검증을위해서는총 5차례가아닌보다많은실험을하고, 천해역에서의수평채널에서뿐만아니라심해에서수직채널에서의실해역시험을수행하여보다객관적인성능검증을수행할계획이다. 또한, 새로개발된동기화기법과디지털신호처리방식을사용하여수중무선네트워크구축을위해서필요한새로운양방향수중음향통신시스템에대한연구를진행할계획이다. 참고문헌박종원, 수중음향버스트통신을위한프레임동기연구, 아주대학교박사학위논문, 2006.2 박종원외, 초음파를이용한수중버스트전송에서높은과샘플율기반 QPSK 수신기의프레임동기방안,, 한국음향학회지 24권 8호, pp.462-468, 2005.11 한국해양연구원, 초음파를이용한수중영상정보전송기술개발 1단계보고서, 산업자원부, 2002.10 Benthos Inc., www.benthos.com Ian F. Akyildiz et al. "Underwater acoustic sensor networks : research challenges," Elsevier Ad Hoc Networks 3, pp.257-279, 2005 Jong-won Park et al., A Digital Acoustic Transceiver for Underwater Acoustic Communication," 한국음향학회논문집 24권 3E호, pp.109-114, 2005.9 LinkQuest Inc., www.link-quest.com Seung-geun Kim et al., Joint Phase and Frequency Offset Estimator for Short Burst MPSK Transmission with Preamble,", 한국음향학회논문집제24권 4E호, 2005.12 Seung-geun Kim et al., Phase Tracking Loop Parameter Computing Algorithm in the Underwater QPSK Transmission," ISOPE2005, vol.2, pp.336-341, 2005.6 Xavier Lurton, An Introduction to Underwater Acoutics, Springer, Dec. 2002 후 기 본연구결과는해양수산부의 수중무선통신시스템개발 과제, 한국해양연구원의 수중 3차원퓨전영상생성 탐지및전송기술개발 과제에서수행된연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다.