I. 서 론
최근 해양자원 개발 및 수중 탐사 등의 효율적인 수중 임무 수행을 위한 민간 영역 혹은 국방 분야에서 수중음향통신에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 같은 관심을 바탕으로 국내외에서 많은 연구들이 진행되고 있으며, 1:1 수중통신만이 아니라 수중 네트워크를 구성하여 그 영역을 넓히는 연구들 또한 이루어지고 있다.
수중에서 전파는 급격한 감쇠 특성을 갖기 때문에 전달 거리가 매우 짧아 상대적으로 감쇠 손실이 낮은 음파를 이용하게 된다. 또한 수중에서는 해양 도파관 구조에 따라 해수면과 해저면 등의 경계면에 따라 다중경로 전달로 인한 지연이 발생하고 송수신 플랫폼의 이동성이나 해류로 인한 도플러 천이 및 확산 현상, 그 외에 다양한 원인의 잡음에 의하여 영향을 받아 수중 채널은 시간적이나 공간적으로 매우 복잡한 특성을 갖고 있다.[1]이러한 복잡한 채널 환경에서 수십~수백 km의 전달 거리를 갖는 장거리 수중음향통신에 대한 연구가 이루어지고 있다.
대표적인 장거리 수중음향통신과 관련한 연구를 살펴보면 50 km 거리에서 1.7 kHz의 반송(carrier) 주파수와 400 Hz의 대역폭을 사용하여 통신을 성공적으로 수행한 사례가 있고,[2] Liu et al.[3]은 550 km 거리에서 DD-SS(Double Differentially coded Spread Spectrum) 방식으로 수중음향통신 실험을 수행하였다. 이 때 송신기는 2 kn ~ 3 kn의 속도로 이동하였고, 수신기는 64개가 수평 배열을 이루면서 견인되었다. 전송률은 6.4 bps로 하여 4 % 이하의 비트 오류율을 얻은 것으로 발표되었다. Shimura et al.[4]은 600 km 사이에 송신기 1개와 18개의 배열 수신기를 구성하고 450 Hz ~ 550 Hz의 주파수 대역에서 16-QAM(Quadrate Amplitude Modulation) 신호를 보내는 해상실험을 수행하였다. 또한 국내 연구기관에서는 제주도 인근 해역의 30 km 거리에서 수중음향통신 실험을 수행하였다.[5]이처럼 국외에서는 수백 km의 전달 거리를 갖는 해상실험이 수행되고 있으나 국내의 경우에는 소요 비용 및 장비 등의 이유로 아직 그 정도에는 미치지 못하고 있다.
본 논문에서는 동해에서 하나의 송신기와 수직 배열 수신기를 사용하여 그동안 국내에서 수행된 어떠한 해상실험보다 먼 거리인 60 km 와 90 km 거리에서 BFSK(Binary Frequency Shift Keying)와 BCSK(Binary Chirp Shift Keying) 방식과 같은 주파수 변조 기법을 이용하여 통신을 수행한 해상실험 결과를 제시하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 해상실험에 사용된 장비와 전송을 위해 설계한 신호에 대해서 설명하고, 제 3장에서는 해상실험 환경과 실험 결과를 비부호화된 비트 오류율 관점에서 제시한다. 마지막으로 제 4장에서 결론을 맺는다.
II. 해상실험을 위한 셋업
2.1 실험 장비
해상실험을 위한 송신 프로젝터는 FFR(Free Flooded Ring) 형태인 Neptune사의 T161 모델을 사용하였고, 수신기는 자체 제작한 선 배열 센서들을 사용하였다. 송신기의 경우 1 kHz ~ 4 kHz의 주파수 대역을 사용가능하며, 1.8 kHz에서 약 145 dB re 1μPa/V의 최대 이득을 나타내는 특성을 갖고 있다.[6] 송신 신호는 100 kHz의 샘플링 주파수를 갖도록 하였다.
실험에 사용한 수신기는 약 40 m 정도의 길이를 가지며, 16개의 센서가 2.8 m 간격으로 배열을 이루고 있다. 이 수신 배열은 부이에 달려 해상에 투하되며, 수신 신호는 내장된 저장 장치에 16,384 Hz의 샘플링 주파수로 저장되었다.
2.2 전송 신호 설계
실험에는 BFSK와 BCSK 방식으로 주파수 변조된 신호를 사용하였으며, 각 신호는 각각 Figs. 1과 2의 블록도와 같은 과정으로 처리되었다.
BFSK 신호는 f0주파수(space frequency)와 f1주파수(mark frequency)를 사용하며 이진 수열 bi를 Eq. (1)의 관계를 사용하여 두 개의 심볼 가운데 하나를 선택한다. 따라서 심볼 주기가 T 초인 BFSK 신호 sf(t)는 다음과 같이 표현된다.
| $$s_f(t)=\left\{\begin{array}{l}s_0(t)=A\cos(2\pi f_0t),\;\;\;\;\;\;\;b_i=0,\\s_1(t)=A\cos(2\pi f_1t),\;\;\;\;\;\;\;b_i=1,\end{array}\right.$$ | (1) |
실험에서 프로젝터의 주파수 특성을 고려하여 f0 주파수는 1,887 Hz, f1 주파수는 1,913 Hz로 하였다. 수신부 처리에서는 대역통과필터를 사용하여 f0와 f1 주파수 성분을 각각 필터링한 뒤 포락선 검파기(envelope detector)를 통과한 신호는 다시 저역통과필터(low pass filter)를 통과 시켰다. 심볼 간격마다 각 주파수 성분의 크기 값을 비교하여 정보를 복구하는 비동기식 방식을 적용하였다. 정보 데이터의 길이는 114-bit이었고, 이 때 심볼의 전송률은 4 bps로 하였다.
BCSK 방식은 기본적으로 Eq. (2)와 같은 처프 신호를 사용하여 표현한다.
| $$s(t)=exp\lbrack j2\pi(f_0t+\frac k2t^2)\rbrack,$$ | (2) |
여기서 f0는 반송파 주파수이며, k는 처프율이다. Eq. (2)는 이진 정보를 표현하기 위해 다음과 같이 다시 나타낼 수 있다.
| $$s(t)=exp\lbrack j2\pi(f_{min}+\frac{f_{max}-f_{min}}Tt)\rbrack,$$ | (3) |
| $$s(t)=exp\lbrack j2\pi t(f_{max}+\frac{f_{min}-f_{max}}Tt)\rbrack,$$ | (4) |
fmin는 최소 주파수를 의미하고, fmax는 최대 주파수이다. Eq. (3)은 초기 주파수 fmin를 갖는 상향 주파수 변화를 갖는 신호를 표현하고, Eq. (4)는 초기 주파수 fmax를 갖는 하향 주파수 변화를 갖는 신호를 표현한다. 즉, BCSK 방식은 처프 신호에서 주파수 변화의 기울기 부호에 정보를 싣는 방식이다. 실수 형태로 처프 신호를 표현하기 위해 위의 식들은 다음과 같이 표현할 수 있다.
| $$\begin{array}{l}s_u(t)=Re\{s_u(t)\},\\s_d(t)=Re\{s_d(t)\},\end{array}$$ | (5) |
BCSK 방식은 이진 수열 bi을 이용하여 Eq. (5)의 처프 심볼 가운데 하나를 선택한다. 따라서 심볼 주기가 T인 BCSK 신호 sc(t)는 다음과 같이 표현된다.
| $$s_c(t)=\left\{\begin{array}{l}s_u(t),\;b_i=1\\s_d(t),\;b_i=0\end{array},\;nT\leq t\leq(n+1)T,\right.$$ | (6) |
Eq. (6)은 이진 값 “1”은 상향 주파수 변화를 갖는 처프 신호로 할당하고, 이진 값 “0”은 하향 주파수 변화를 갖는 처프 신호로 할당하는 것을 의미한다.[7],[8] 실험을 위한 설계에서 처프 신호의 fmin은 1,800 Hz으로 하였으며, fmax주파수는 2,000 Hz로 하였다. 나머지 데이터 길이와 전송률 등은 앞의 BFSK 방식과 같도록 설정하였다.
BCSK 신호는 수신된 후 먼저 대역통과필터를 통해 신호처리에 필요한 영역을 제외한 나머지 주파수 부분은 제거한 뒤 상향 주파수 변화를 갖는 처프와 하향 주파수 변화를 갖는 처프에 대해 각각 정합 필터와 저역통과필터링을 한 뒤 각각의 처프에 대한 출력을 비교하여 정보를 복구하였다. 생성된 신호는 아래의 Fig. 3와 같은 형태를 갖는다.
두 가지 변조 방식의 신호를 전송하기에 앞서 데이터 프레임의 시작점을 찾기 위해 m-sequence로 구성된 프리앰블을 삽입하였다. 이 m-sequence는 길이 511-bit를 사용하였으며, BPSK(Binary Phase Shift Keying) 방식으로 변조하였다.
III. 실험 환경 및 결과
3.1 실험 환경
장거리 수중음향통신 해상실험은 2018년 10월 중순경 포항 동방해역에서 수행되었으며, 실험 기간 동안 전반적인 기상 상태는 양호하였다. 실험에는 한국해양과학기술원의 이어도호가 활용되었는데 1척의 선박만을 활용하였기에 수신기는 부이를 이용하여 해상에 투하하고 고정한 후 송신을 위하여 선박이 해당 거리를 이동한 뒤 신호를 전송하였다. 송신기와 수신기 사이의 거리는 60 km와 90 km에서 각각 실험이 이루어졌다. 실험은 먼저 수신 배열 센서를 매단 부이를 투하한 뒤 고정하고, 전송 거리만큼 이동하여 정선한 후에 송신기를 투하하여 통신 신호를 전송하였다. 정선 후 각 위치에서 약 1시간 간격으로 같은 신호가 3회 반복 전송되었다. 실험이 진행된 해역의 수심은 약 1 km 이상으로써 송신기와 수신기 설치 지점 사이의 수심은 일정하지 않았다. 송신기는 수심 약 200 m 지점에 설치되었고, 수신기는 수심 약 180 m ~ 220 m 지점에 설치되었는데 자세한 형태는 Fig. 4와 같다.
90 km 거리를 이동한 지점에서 측정된 음속 구조는 Fig. 5와 같이 나타났으며, 60 km 거리에서 측정된 음속 구조는 약간의 음향 축 위치 변화를 제외하고는 비슷하였다. 채널응답특성은 Fig. 6와 같이 추정되었다. 채널응답특성을 추정하기 위해 선형 주파수 변조된 신호를 일정 시간동안 반복적으로 송수신하였다. 측정된 음속 구조로부터 수심 약 200 m ~ 300 m에서 음향 축이 형성된 것으로 보인다. 또한 채널응답특성에서는 기울기가 거의 나타나지 않아 도플러 천이 현상은 매우 약할 것으로 추정되었으나 송수신단 모두 해류에 의한 움직임이 있었기 때문에 작은 도플러 천이가 시간에 따라 지속적으로 변화한 것으로 판단된다.
3.2 실험결과
실험결과 전달 거리 60 km에서 BFSK 방식의 신호는 Fig. 7과 같은 스펙트로그램 결과가 나왔으며, f0와 f1 주파수가 육안으로도 명확하게 확인되었다. Fig. 7의 스펙트로그램에는 주기적인 순간 광대역 신호가 관찰되는데 이는 수신 배열 주변에 있던 돌고래의 클릭음으로 판단되었다. 데이터 복구 결과 모든 수신 채널에서의 비부호화된 비트 오류율은 0이 나와 모든 정보가 정확하게 복구되었다. 같은 거리에서 BCSK 방식의 신호는 Fig. 8와 같이 나타났으며, 1.8 kHz와 2 kHz 사이에서 선형적으로 변화하는 것이 스펙트로그램 상에서 나타났다. 이 경우에도 데이터 복구 결과 모든 수신 채널에서의 비부호화된 비트 오류율은 0으로 나타났다. 따라서 60 km 전송에서는 모든 경우에 대해 오류가 나타나지 않은 결과를 얻을 수 있었다.
전달 거리 90 km에서 BFSK 방식으로 전송한 신호의 스펙트로그램은 Fig. 9와 같이 나타나 60 km인 경우에 비해 배경잡음의 크기가 큰 것을 확인하였으며, 비부호화된 비트 오류율은 최소 0부터 최대 0.2018까지 채널마다 약간의 차이가 나타났으나 대부분 0.1 이하를 보였고, 평균 0.0197로 나타났다. BCSK 방식으로 전송한 신호의 스펙트로그램은 Fig. 10과 같았으며 관심 주파수 대역부근에 신호가 있는 것은 보이나 신호의 선형적인 변화는 확인이 어려웠다. 하지만 신호를 복구한 결과 가장 높은 비부호화된 비트 오류율이 0.0263이었고, 평균적으로 0.0007로 나타났다. 각 채널마다 비부호화된 비트 오류율에 대한 결과는 Figs. 11과 12에 나타내었다. 그림에서 세로축은 각 수신 채널의 순번을 의미하는데 1번 채널이 해수면에 가까운 위치이고, 16번 채널이 가장 깊이 배치된 채널이다. 각 거리별로 측정된 SNR(measured Signal- to-Noise Ratio)은 60 km에서 약 16 dB ~ 20 dB로 나타났으며, 90 km에서는 약 6 dB ~ 8 dB였다.
실험결과를 비교해 보면 BCSK 방식으로 전송된 신호가 BFSK 방식보다 나은 성능을 갖고 있는 것이 확인되었다. 이는 BCSK 방식이 BFSK 방식에 비해 광대역 전송 방식이기 때문이다. 이러한 대역폭의 차이에 의해 60 km 전송에서는 잘 드러나지 않았지만 90 km 전송에서는 성능의 차이가 발생하였다. 하지만 어떠한 방식이라도 평균 약 0.02 이하의 비부호화된 비트 오류율을 나타내 만약 전송 신뢰도 향상을 위한 채널 부호화 기법이 적용되는 경우 문헌[9]에 따라 이런 정도의 오류율은 모두 복구될 것으로 보인다. 또한 다수의 채널 출력 신호를 적절하게 빔 형성 기법이나 시역전 처리 등처럼 조합한다면 보다 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
IV. 결 론
본 논문에서는 2018년 10월 동해에서 수행된 장거리 수중음향통신 해상실험에 대한 결과를 제시하였다. 전달 거리 60 km와 90 km에서 실험을 수행한 결과 60 km에서는 비부호화된 비트 오류율이 0으로 나타났으며, 90 km에서는 약간의 오류가 존재하였지만 채널 부호화 기법의 적용으로 대부분 복구가 가능한 범위에 있다는 것을 확인하였다. 또한 BFSK와 BCSK 방식 중에는 광대역 특성을 갖는 BCSK 방식의 성능이 더 우수함을 확인하였다. 향후 100 km 이상의 장거리 수중음향통신에 대한 연구와 실험과 함께 낮은 신호 대 잡음비를 갖는 환경을 위한 전송 방식에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
