I. 서 론

현재 통신 기술은 육상 통신망에서 해상 및 해양 기반 인프라 기반 네트워크로 그 주 무대가 이동하고 있다. 육상의 사물인터넷(IoT) 기반의 연결성에만 중 심을 두고 있지만, 사물의 연결 범위는 수중으로 확장 되면 새로운 수중 사물인터넷(IoUT)에 초점이 맞춰질 수 있는 것이다. IoUT의 목표는 스마트하고 상호 연 결된 수중 기반 기기 및 장비의 전 세계 네트워크를 구축해 바다와 하천 및 호수를 디지털 방식으로 연결 하는데 있다^[1]. 스마트 양식 기술 발전을 위한 수중 생 태 모니터링, 수중 로봇을 이용한 해저 탐지 및 임무 수행 등 수중에서의 다양한 해양 데이터를 실시간 수 집관한 기술이 요구되고 있다. 또한 잠수함 탐지와 식 별, 바닷물의 해류·수온·염도·조류·속도 등의 해양 정 보를 얻어 국방, 어업, 재난 분야에 활용할 수 있다. 미국과 유럽 등의 국가에서는 수중통신을 활용한 기 술이 연구되고 있다^[2]. 수중 통신 방식으로는 무선 주 파수(RF), 광학 및 음향을 사용한다^[3]. 본 논문에서는 분산형 수중 관측 제어망은 셀로라 기반 통신 네트워 크는 육상서버-해상 부이-수중 기지국-수중 센서노드 로 구성된다. 해상부이는 수중 기지국과 수중 음향 통 신을 통해 수중 기지국을 제어하고, 수중 기지국은 자 신의 구역에 포함되는 수중 센서노드의 채널 접속을 제어하고, 이수중 센서노드로 부터 수신한 데이터를 저장하고 처리하며, 처리된 데이터를 송신 장치를 통 해 해상 부이로 전달한다. 전달된 데이터는 해상부이 에 설치된 육상망(LTE라우터, LTE.CatM1,위성)을 통해 육상망 스위칭을 통해 최적의 통신환경을 찾아 데이터를 육상서버로 전송한다. 수중 센서노드들의 경 우 해상 부이와 통신을 통해 송신된 데이터를 중계하 는 역할을 수행이 가능하다. 수중 센서노드들은 수중 기지국을 중심으로 셀을 형성하여 한 구역에서 고정 되거나, 여러 구역들로 구성된 수중 센서노드들로 고 정되어 설정된 임무를 수중에서 수행하고 관련 데이 터를 생성하여 수중기지국-수상부이-수중센서노드를 통해 육상서버로 송신가능하다. 본 논문에서는 full- duplex FDD 방식의 중앙집중형 수중음향통신 네트워 크를 가정하고 설계하였으며 하나의 수중기지국과 다 수 개의 수중센서노드로 구성된다고 가정한다^[4].

그림 (Fig). 1.

분산형 수중 관측․제어망 개발 구조도 (Underwater Monitoring and Control Networks in theStructural Perspectives)

주파수에 따른 신호 감쇠율 고려하여 그림 2의 각 링크의 최대 커버리지는 그림 2와 같이 DL=5km, UL0=5km, UL1=3km, UL2=2km, UL3=1km로 설정 하였다. 상향링크의대역이 하향링크에 비해 많은 이유 는 대부분 수중에서 센서를 이용하여 측정된 데이터 를 육상으로 전달해야 하는 서비스가 대부분이므로 하향링크는 수중센서노드의 설정 및 제어 정보가 대 부분이고 상향링크는 센싱정보이다. 상향링크 UL0의 경우 1km이내에서 고속 통신을 하기 위해서10khz의 대역폭을 특별히 할당하였다.

그림 (Fig.) 2.

수중통신 주파수대역 분할 (Underwater communication frequency band division)

본 논문에서는 2021년 8월 부산 광안리 해역에서 5 일간 실해역에서 수중 기지국에서 음향통신을 통해 수중 센서노드에서 수집된 수중 오염센서 데이터(방 사능 오염센서)를 수중기지국을 통합되어 해상 통신 에 최적화된 해상-육상다중망(LTE Cat.M1, LTE라우 터, 위성)을 해상 통신 환경에 따라 최적 스위칭 통해 해상-육상통신을 통해 육상서버(AWS)에 실시간으로 연동을 할 수 있는 시스템을 구현하였다. 실시간으로 데이터를 육상 아마존 서버와 연계하여 인터넷을 통 해 실시간으로 관측이 가능한 시스템을 구현하였다.

II. OFDM 기반 수중통신 모뎀

2.1 수중 OFDM 시스템 구조

수중통신 모뎀의 시스템 구조는 크게 3가지로 구성 된다. OFDM 변복조를 수행하기 위한 소프트웨어 플 랫폼, 샘플링 레이트 및 주파수를 변환하기 위한 하드 웨어 모듈, 시스템 입출력을 위한 AD/DA로 구성되었 다. Xilinx사에서 제공하는 Zynq 프로세서는 PS/PL 영역으로 구분되며, PS영역은 ARM 기반의 DSP로 사용될 수 있고, PL 영역은 하드웨어를 자유롭게 재 구성이 가능한 FPGA로 사용된다. 본 논문에서는 그 림 3에서 같이 PS 영역에 소프트웨어 플랫폼을, PL 영역에 하드웨어 모듈과 AD/DA를 위한직렬 인터페 이스로 시스템을 구현하였다. 송신기는 MAC 프로세 서에서 전송된 데이터 패킷을 물리계층 프레임으로 변환 후 채널 부호화기 및 인터리빙을 거쳐 OFDM 신호로 변조 후 Zynq AXI 버스를 통해 PL영역으로 전송하게 된다. 수신기는 PL영역에서 기저대역 신호 로 변환된 신호가 수신되며, 처음에는 초기 동기화를 수행 후 반송파 주파수 오프셋을 추정하여 보상한다. OFDM 심볼에 전송되는 파일럿 심볼을 활용하여 주 파수영역 채널을 추정하고 보상한다. 최종적으로 채널 복호방식으로는 터보코드(Turbo Code),컨벌류션 (Convolutional code)코드 2가지 방식으로 오류 정정 을 수행후, MAC 프로세서에 전달하게 된다. MAC에 서는 수신된 데이터의 SNR,CIR등 다양한 통신환경 파라미터를 사용해 통해 모뎀의 송신, 수신 파워 및 통신 파라미터를 결정해주고, 수중통신 환경에 따른 링크적응형 송수신이 가능하도록 해준다^[2]. PL(FPGA) 영역에서는 수중 통신망 중 수중기지제어 국과 수중기지국 간 통신을 위한 하드웨어 모듈을 구 현하였다. 수중 음향 통신 시스템의 OFDM 변조된 신 호를 이용하여, 업 컨버터는 OFDM 변조된 신호를 1 M로 샘플링 레이트를 높이며, 반대로 다운 컨버터는 500 Kbps로 샘플링 된 전송 대역 신호를 베이스밴드 대역 신호로 낮추면서 링크에 따라 5 Kbps 또는 10 Kbps로 샘플링 레이트를 낮추는 것을 확인하였다. 샘 플링 레이트 업 컨버터(Sampling rate up converter) 는 베이스밴드(Baseband) 신호를 반송 주파수(carrier frequency) 대역으로 올리기 전에 샘플링 레이트를 높 여주는 블록으로, Cascaded integrator-comb(CIC) 필터 기반 인터폴레이터(interpolator)와 보상(compensation) 필터, 그리고 하프 밴드(half-band) 필터로 구성된다. 주파수 업 컨버터(frequency up converter)는 베이스 밴드 신호를 반송 주파수 대역으로 변환하는 블록이 다^[5].

그림 (Fig.) 3.

수중통신 모뎀 OFDM 블럭도 (Underwater communication modem OFDM block diagram)

주파수 업 컨버터(frequency up converter)는 베이 스밴드 신호를 반송 주파수 대역으로 변환하는 블록 이다. DAC에서 1 Mbps로 데이터를 변환 하므로 반 송 주파수 대역의 반송 신호 값을 1 us 간격으로 샘플 링 하여, 1/4 주기만 저장하였다.

주파수다운 컨버터(Frequency down converter)는 반송 주파수 대역의 신호를 베이스 밴드 대역으로 변 환하는 블록이다. ADC에서 500 Kbps로 데이터를 변 환하므로 반송 주파수 대역의 반송 신호 값을 2 us 간 격으로 샘플링 하여, 1/4 주기만 저장하였다.

샘플링 레이트 다운 컨버터(Sampling rate down converter)는 베이스 밴드의 데이터 레이트로 샘플링 레이트를 낮추는 블록으로, CIC 필터기반 및 보상 필 터, 그리고 하프 밴드 필터로 구성하였다. 송신부의 DAC는 모든 링크의 신호에 대하여 1 Mbps로 샘플링 한다. 수신부의 ADC는 모든 링크의 신호에 대하여 500 Kbps로 샘플링 한다. 구현에 사용된 AD/DA는 아래 표 1과 같이 상용화 보드를 사용하였으며, SPI 인터페이스를 통해 데이터를 얻을 수 있기 때문에 Zynq 보드의 PL영역에 SPI 인터페이스가 추가되었 다.

2.2 사용된 디지털 보드

그림 4는 Trenz사의 TEBF0808(확장보드)을 레퍼 런스로 수중통신 시스템 하드웨어를 설계하고 메인 cpu는 Zynq_UltraScale+를 사용한다. Trenz에서 제공 하는 Vivado Reference를 기반으로 FPGA 설계를 진 행한다. 개발된 보드의 주요 특징 및 기능을 살펴보면 다음과 같다^[9].

MPSoC: ZYNQ UltraScale+ ZU9EG 900 pin package Memory

- 64-Bit DDR4, 8 GByte maximum

- Dual SPI boot Flash in parallel, 512 MByte maximum User I/O

- 65 x PS MIOs, 48 x PL HD GPIOs, 156 x PL HP GPIOs (3 banks)

- Serial transceivers: 4 x GTR + 16 x GTH

- Transceiver clocks inputs and out

그림 (Fig.) 4.

수중기지국 보드 (앞. ZYNQ칩 뒤. DAC/ADC) (Underwater base station board front. ZYNQ chip behind. DAC/ADC))

그림 5는 센서 모뎀 검증용 보드는 다음과 같이 구 성된다. 센서 모뎀 검증 보드는 ADC/DAC를 내장하 고 있으며, AMP와 연결된다. 센서 모뎀 검증 보드의 메인 모듈은 Zynq와 하드웨어 로직을 포함한 Trenz 사의 TE0715 모듈을 사용한다. 센서 모뎀 검증 보드 에는 32비트 내장 AP를 지니고 있으나, 모뎀SW를 구 동하기에 성능이 부족하면 외부에 AP를 추가로 결합 할 수 있는 확장성을 제공한다. 모듈 블록은 TE0715 모듈을 장착할 수 있는 캐리어 블록으로 구성되며, 모 듈의 I/O 포트 및 펌웨어 프로그래밍을 위한 JTAG 포트를 제어하기 위한 CPLD로 구성된다. 수중센서 송신부는 최대 송신 출력이 40 Vpp이므로 수신대역 허용 입력 전력을 -130 dBV를 만족할 수 있도록 해 야 한다. 또한, 고출력 증폭기에 의해 발생하는 수신 주파수 대역의 잡음 전력에 의한 수신 성능이 저하되 지 않도록 주파수 필터의 기능을 포함한다.

그림 (Fig.) 5.

수중센서노드 보드 (좌. ZYNQ칩 우. DAC/ADC) (Underwater sensor node board (left. ZYNQ chip right. DAC/ADC))

III. 실해역 실험

본 논문에서 제안하는 시스템은 그림 6과 같이 해 상부이와 수중기지국 1대가 서로 통신하고, 수중기지 국 1대가 센서노드 1대와 서로 통신한다. 각 센서노드 에는 수온 측정을 위한 환경오염센서 와CTD센서가 장착되어있으며 해상환경데이터를 수집하여 해당 수 중기지국에 송신하고, 수중기지국에서는 데이터를 종 합하여 해상부이로 전송 한다. 해상부이에서는 육상 통신을 이용하여 AWS(Amazon Web Server)에서 데 이터를 확인할 수 있다. 그림 6의 해상부이는 해수면 에 설치하였으며, 기지국을 중심으로 센서노드를 수중 에 설치하였다.

그림 (Fig.) 6.

부산 실해역 실험 지역 및 실험 방법 (Real sea area and test method)

그림 7은 2021년 8월 23일부터 27일까지 부산광역 시 광안리 해역에서 진행된 실해역 포인트를 나타낸다.

그림 (Fig.) 7.

부산 실해역 실험 구조도 (Structural diagram of the Busan Silhae region experimen)

사용된 수중통신용 모뎀이다. 아래쪽에는 수중 송 수신용 아날로그 보드가 장착 되어있으며, 아날로그보 드에는 AMP,필터기능이 있는 아날로드 보드이다. 위 쪽에는 디지털보드가 장착되어 보드에서 신호를 생성 해 아날로그보드를 전송 된다. 소형 센서노드로 센서 노드를 소형화시켜 송수신이 가능한 센서노드 통신 모뎀이다.

그림 (Fig.) 8.

수중통신 모뎀 (a:해상부이, b:수중기지국, c:센서노드) (Underwater communication modem (a: marine buoy, b: underwater base station, c: sensor node)

그림 9는 수중기지국기구, 센서노드 위쪽에 수중통 신용 센서인 송신용 트랜스듀서, 수신용 하이드로폰이 장착되어있으며, 내부에는 통신시스템과 배터리가 장 착되어있다.

그림 (Fig.) 9.

수중구조물 (좌. 센서노드, 우. 수중기지국) (Underwater structure (L. Sensor node, R. Underwater base station)

위의 그림 10은 센서노드에는 CTD,DO 해양 오염 센서(방사능센서)가 장착되며, 25A 배터리가 내장된 배터리 하우징과 전원 보드, 센서노드 모뎀이 장착된 모뎀 하우징이 지그에 장착된다. 크레인을 통하여 수 중기지국 및 센서노드를 해저면 까지 내린 뒤, 송수신 센서를 통해서 송수신을 수행하게 된다. 센서노드의 경우 위쪽에 환경센서와 수중 통신용 송수신 센서가 장착되었다. 수중기지국에는 송수신용 통신센서가 위 쪽에 장착되어있다.

그림 (Fig.) 10.

수중 센서노드 구조물 (해양 오염센서) (Underwater sensor node structure (marine pollution sensor))

그림 11의 좌측사진의 경우 해상부이(수중통신 모 뎀, 육상 모뎀)사진이며, 우측사진은 해상부이 설치 작 업사진이다. 해상부이에는 55A 배터리가 내장된 배터 리를 50w 솔라패널로 충전되며, 수중하우징에는 보 드, 수신 모뎀이 장착된 모뎀 하우징이 지그에 장착된 다. 해상부이 위쪽에는 해상-육상 스위칭 모뎀을 해상 부이 장착한했다. 해상부이 아래쪽에는 수중-해상부이 모뎀이 장착되어 수중에서 수집된 데이터를 RS232시 리얼 통신으로 해상부이 위쪽에 모뎀 하우징에 해상- 육상 스위칭모뎀으로 전송하게 된다.해상부에 설치된 육상 통신망 스위칭 시스템은 그림 13에서 같이 해상- 육상간 스위칭 모뎀에서 LTE Cat.M1과 위성으로 시 리얼 통신을 통해 수중데이터를 전송한다. LTE라우터 의 경우 이더넷통신(UTP)을 통해 데이터를 전송하는 방식으로 육상 스위칭 모뎀에 구현되어 있다.

그림 (Fig.) 11.

해상부이 및 해상부이 설치 작업 (marine buoy and offshore buoy installation wor)

초기에는 LTE Cat.M1을 선택해서 통신을 진행하 며, 통신환경에 따라 LTE라우터와 위성통신망을 사용 한다. 최적의 육상통신 방식을 사용하기 위해 3가지 방식의 모뎀의 각각의 통신환경에 따라 LTE Cat.M1, LTE라우터,위성 중 통신환경이 좋은 통신모뎀으로 스 위칭 되어 육상으로 수중환경 데이터를 AWS서버로 전송한다. 또한 수중환경데이터를 전송할 경우 시간, GPS위치를 추가해서 데이터를 전송하게 된다.

그림 (Fig.) 12.

수중-육상 스위칭 모뎀 시스템 구조도 (Schematic diagram of underwater -land switching modem system)

그림 (Fig.) 13.

수중-육상 스위칭 모뎀 (Underwater-Land Switching Modem)

그림 (Fig.) 14.

위치표시 부이 장비 (positioning buoy equipment)

그림 14는 위치표시 부이는 GPS위치 보고 체계로 GPS 데이터 수집 및 파싱 GPS 데이터를 수집후 GPS 데이터의 패킷화 및 파싱 주기 보고를 데이터 생성후 구현모뎀 OS로부터 IMEI 정보 수집후 설정되어있는 시간에 맞게 AWS 서버에 보고가 되는 시스템이다.

그림 (Fig.) 15.

크레인을 사용한 부이,수중 기지국,센서노드 설치 작업 (Buoy, underwater base station, and sensor node installation work using a crane)

위의 그림 15는 광안리 해역에서 수중센서노들 설 치하는 사진이다. 해상크레인을 사용해 해상부이 (35°07’39.4N, 129°09’59.4E) 설치후 해상부이와 1.2Km떨이진 수중에 기지국(35°07’10.85N, 129°09’ 24.09E) 이며, 센서노드도 수중에 기지국과 650m 떨 어진 지역에 센서노드(35°07’14.49N, 129°08’59.6 E) 에 설치를 하였다.

IV. 결 론

본 논문에서는 실해역 실험은 8월 23일부터 8월 27 일까지 부산광역시 남구 용호만 해역 인근 해역에서 진행되었다. 호서대에서 개발한 수중통신 모뎀을 수중 기지국 구조물에 장착하였으며, 수중기지국 구조물을 수심 30m에 위치한 해저면에 설치하였다. 호서대학교 개발한 수중 통신 모뎀에 수중 오염센서(방사능센서) 가 장착되어 있는 수중 센서구조물을 수심30m에 설 치하였다. 수중통신을 통한 센서데이터를 해상부이-수 중 기지국-센서노드 간 연결되어 있으며, 해상 부이에 서는 육상망과 스위칭모뎀(LTE Cat.M1, LTE라우터, 위성)을 통해 AWS육상서버로 전송되어 과정을 거쳐 전달된 해양 정보를 확인하기 위해 AWS아마존 서버 를 구축하였다. 구축한 Web 서버를 통해 PC와 스마 트폰으로 접속하여 실시간 해양 정보를 확인이 가능 하다 그림 15는 살해역 실험이 진행된 부산광역시 남 구 용호만의 포인트 위치를 나타낸다. 수중기지국과 센서노드 설치를 위해 GPS 장비를 사용하여 각 실험 장소마다 확인 후 설치를 진행하였으며, 설치 후 기록 을 통해 설치위치를 정확히 측정 위치 비교하여 설치 하였다.

그림 17은 2021년 8월 부산 광안리 해역에서 3일 간 실해역에서 수집된 수중 오염 데이터를 육상모뎀 에서 전송받은 데이터 기반으로 실시간으로 수중오염 센서 데이터를 육상의 아마존 Web 서버를 통해 PC와 스마트폰으로 접속하여 실간으로 데이터를 확인 가능 하며, 오염도에 따른 문자 알림서비스가 가능한 수중 모니터링시스템을 구축하였다. 또한 GPS정보를 통해 오염지역의 위치를 구글 지도로 위치를 표시해주고 있다.

논문에서는 2021년 8월 부산 광안리 해안에서 8월 23일에 설치를 시작해 5일간 실험후 28일 오전에 실 험을 종료하였다. 실해역에서 수집된 수중 오염(방사 능센서) 및 수온데이터를 수중통신을 통해 10분 주기 로 측정된 해양오염센서(수중방사선) 및 수온데이터 가 해상 부이에 수집후, 해상-육상 통신모뎀을 통해 수중통신 데이터를 AWS까지 전송을 통해 74%의 성 공률로 전송됨을 확인했으며, 실해역에서 수중-해상- 육상 통해 안정적으로 전송이 가능했다. 향후 연구에 서는 해상에서 필요한 해양 데이터(수온, 염도, 파고, 음속 등)데이터를 실시간으로 수집 후 기상청, 해양조 사원에서 사용이 가능하도록 데이터 센터를 구축 예 정이다.

그림 (Fig.) 16.

실해역에서 수집된 데이터의 시각화 웹페이지 화면 (Visualization web page screen of data collected in real water)

그림 (Fig.) 17.

AWS에 실해역에서 수집된 데이터 값 (Data values collected from real waters in AWS)