Ⅰ. 서론

초고속 열차인 하이퍼튜브 (Hypertube)^[1]와 같이 금속으로 구성된 차폐 환경에서 내외부 간 무선통신을 실현하고자 할 때, 전자파 (Electromagnetic Wave)를 이용하는 기존 무선통신은 적용에 큰 제약을 받게 된다. 금속 구조물은 전자기파를 흡수하거나 반사하는 특성을 지니고 있어, 신호 감쇄와 굴절 현상을 유발하며 이로 인해 통신 성능이 저하된다. 특히, 금속 구조물의 높은 도전율과 반사 특성은 전파의 에너지 손실과 스펙트럼을 왜곡시켜 통신 자체가 불가능해지는 경우가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 극복하기 위한 기술인 자기 유도(Magnetic Induction; MI) 통신은 송신기와 수신기 코일 간의 상호 인덕턴스 (Mutual Inductance) 효과를 활용한 통신 방식이다^[2]. MI 통신 방식은 송신기 코일 안테나에서 전류가 생성한 자기장을 통해 신호가 전달된다. MI 통신은 자기장의 물리적 특성으로 인해 다양한 매질을 통과하더라도 전파 왜곡과 경로 손실 영향이 적은 장점이 있어, 안정적이고 원활한 통신 성능을 제공한다^[3].

본 논문에서는 MI 통신 시스템을 기반으로, 금속 매질로 구성되어 원활한 무선통신이 불가한 차폐 환경에서 내외부 간의 원활한 데이터 전송이 가능한 결과를 제시한다. MI 통신 시스템을 구성하기 위해, 코일 안테나를 직접 제작하였고, USRP (Universal Software Radio Peripheral)와 GNU Radio 소프트웨어 기반의 소프트웨어 정의 라디오 (Software Defined Radio; SDR) 시스템^[2,4]을 설계 및 구현하였다. 금속 차폐 환경 내외부에서 실제 통신 실험을 통해 비트오율 (Bit Error Rate; BER) 성능 결과를 제시한다.

Ⅱ. 실험 환경 및 연구 방법

MI 기반 통신은 신호 전파 과정에서 주로 도전율 (Conductivity)의 영향을 받기 때문에, 기존 무선통신 기술이 한계를 보이는 수중, 지하, 파이프라인 등 복잡 한 환경에서도 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하다[5]. 이러한 환경에서 MI 통신의 주된 감쇄 요인은 경로 손 실 (Path Loss)이며, 주요 잡음 요인은 열잡음 (Thermal Noise)이다. MI 통신 시스템의 일반적인 경로 손실은 식 (1)와 같이 정의된다.

여기서, P_t 와 P_r는 각각 송신기와 수신기에서의 전력 을 의미한다.

금속 차폐 환경 내외부 간의 신호 전송과 같이 물체 의 투과를 고려할 때, 표면에서 깊어질수록 자기장의 전파 강도가 감소하고 동작 주파수가 높아질수록 감쇄 가 더욱 증가한다. 따라서 이러한 상황에서 MI 통신은 낮은 동작 주파수를 사용하는 것이 유리하다. 이 현상을 표피 효과 (Skin Effect) δ의 역수 (Inverse of Depth)로 다음과 같이 표현할 수 있다^[6].

여기서, Δ는 신호가 물질 내부로 침투할 수 있는 깊이를 나타내며, f는 동작 주파수, μ는 자기장의 영향을 받는 정도, σ는 통신 환경에 따른 전도도를 의미한다. 이러 한 요인들로 인해 발생하는 신호 감쇄는 손실로 간주되 며, 식 (3)과 같이 표현된다.

여기서, r은 신호의 매질 내부 전파 거리를 나타낸다.

구리선으로 제작된 코일 안테나는 구리선 자체의 저 항을 고려해야 하며, 이는 MI 통신 시스템에서 열잡음 이 주요한 잡음 요소임을 의미한다. 열잡음의 전력은 다음 식 (4)과 같이 표현된다.

여기서, K_B는 볼츠만 상수이고, T는 환경 온도를 나타낸다. 따라서 송신 전력을 P_t dBm이라고할때, 신호대잡음비 (Signal-to-Noise Ratio; SNR)는 식 (5)로 나타낼 수 있다.

송신기 및 수신기 각 코일 안테나 간 각도와 그에 따른 자기장의 방향은 상호 인덕턴스에 큰 영향을 미치며, 이러한 현상을 편광화 (Polarization)라고 한다^[7]. 그림 1과 같이 송신기와 수신기 코일이 평행하게 배치된 상태에서 두 코일의 중심이 정확히 일치한 경우, 상호 인덕턴스는 최대값을 갖게 된다.

그림 1.

송수신 코일 안테나에 의해 형성되는 자기장 방향

MI 시스템에서는 주로 코일 안테나와 콘덴서를 같이 사용하는 경우가 많다. 그러나 이 방식은 공진 회로의 주파수 민감도가 높아, 인덕턴스와 온도 변화와 같은 외부 환경 요인에 의해 공명 주파수가 변동될 수 있으므로 성능 저하가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 환경 변화에 대한 민감도를 줄이고 스펙트럼 왜곡을 최소화하여 대역폭을 확대하였다. 또한 시스템의 구조를 단순화하여 설계와 구현의 용이성을 높였고, 콘덴서의 유전체 손실 등으로 인해 발생하는 에너지 손실을 방지하고자 콘덴서를 제거하였다.

MI 통신 실험을 위해 반경 0.5mm의 구리선을 100회 감아 직경 29cm의 송신 및 수신 코일 안테나를 직접 제작하였다. LC미터와 멀티미터를 사용해 측정한 결과, 각 코일 안테나의 저항은 8.6Ω이고, 인덕턴스는 3.251mH이다. 또한, 각 코일에는 2개의 핀이 존재해 1W 증폭기와 먼저 연결한 후, SMAP(M)- SMAP(M) 커넥터를 통해 납땜해 USRP에 그림 2 (a)와 같이 연결 하였다. 또한, 도터보드 (Daughter-board)와 마더보드 (Mother-board)가 내장된 Ettus Research사의 USRP N210 모델을 하드웨어 플랫폼으로 사용했다^[2,4]. 이 시 스템은 GNU Radio 3.7 버전을 기반으로 설계되었으 며, PC를 활용하여 채널 추정, 동기화, 변조 및 복조를 포함한 다양한 신호 처리 작업을 소프트웨어적으로 제 어할 수 있다. 이를 통해 하드웨어와 소프트웨어 간의 유연한 연동이 가능하며, 다양한 실험 환경에 쉽게 적용 할 수 있다. 마더보드는 PC와 이더넷을 통해 연결되어 데이터의 실시간 전송을 지원하며, FPGA (Field Programmable Gate Array)를 활용해 데이터 전송률 변화 및 타이밍을 관리한다. 도터보드는 IF (Intermediate Frequency) 신호를 RF (Radio Frequency) 신호로 변환하거나 반대로 RF 신호를 IF 신호로 변환하는 역할을 수행하며, 주파수 신호의 처리 및 변환을 관리한다.

그림 2 (b)는 두께 0.4cm의 금속판을 사용해 차폐된 환경을 구성한 모습이다. 완전한 차폐 상태를 유지하기 위해 금속 덮개와 본체 사이에 구리 테이프를 부착하여 완전 밀봉 후 실험을 진행하였다.

그림 2.

(a) 1W 증폭기가 장착된 코일 안테나 형상, (b) 구 축된 금속 차폐 환경

Ⅲ. 실측 결과 및 결론

실험을 위해, 신호 전송 시 중심 주파수는 2kHz, 변 조 방식으로는 BPSK (Binary Phase Shift Keying)을 사용하였다. 그림 3은 송수신 코일 안테나 간 거리에 따른 수신 전력의 이론적 시뮬레이션 결과와 비차폐 환 경 및 금속 차폐 환경에서의 실측값을 비교한 결과이다. 이를 위해, 송수신 코일 안테나 간 거리를 5cm씩 증가 시키며 거리별 수신 전력 변화 결과를 측정하였다. 비차 폐 환경에서의 수신 전력 변화는 시뮬레이션 결과와 유사한 신호 감쇄 추이를 보인다. 반면, 금속 차폐 환경에서의 수신 전력 변화는 비차폐 환경보다 상대적으로 매우 낮은 수신 전력 결과를 나타낸다. 그러나, 그림 3의 결과는 전자파 통신은 극복하기 어려운 금속 차폐 환경에 대하여도 자기장을 통한 무선 신호 전송이 가능하다는 사실을 보여준다.

그림 3의 금속 차폐 환경에서의 실제 전송 결과를 그림 4에서 BER 성능으로 도시한다. 금속 차폐 환경에서 원활한 통신 여부를 수치적으로 확인하기 위해, 송수신 코일 안테나 간 거리를 2cm 간격으로 늘리며 BER 결과를 측정하였다. 측정 결과, 전송률은 1.6kbps로 나타났으며, 10cm~20cm 구간은 안정적이고 낮은 BER결과를 보이며 원활한 통신이 가능함을 보이지만, 20cm~25cm 구간부터는 불안정한 통신 성능을 보여, 통신이 불가능한 범위에 근접했음을 의미한다.

그림 3.

코일 안테나 간 거리에 따른 수신 전력 변화

그림 4.

금속 차폐 환경에서 MI 무선통신 시스템의 BER 성능

본 논문에서 제안한 MI 기반 자기장 통신 시스템은 전자파 통신이 불가능한 금속 차폐 환경에서도 안정적 인 통신이 가능함을 확인하였다. 이 시스템은 고주파 무선통신에 비해 상대적으로 낮은 데이터 전송률을 보 이지만, 차폐된 환경에서 신호 투과 성능을 입증하였다. 따라서 이는 하이퍼튜브가 운용되는 금속 차폐 환경의 내외부 간에도 중요 제어 신호 등에 대한 무선통신이 가능할 수 있음을 실험적으로 보여주는 결과라 할 수 있다. 향후, 더욱 정교한 안테나 설계를 통해 안테나 이득을 향상시키고, 신호 품질 향상 및 페이로드 성능을 개선하는 연구 및 QPSK, QAM 등 보다 고차원의 변조 방식을 적용하여 데이터 전송률을 개선하고, 차폐 환경 에서의 통신 신뢰도를 더욱 향상시키는 연구를 병행할 예정이다.