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전자공학회지 - 대한전자공학회

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한글제목(Korean Title) [특집] 수중 무선광통신 기술동향 Underwater Wireless Optical Communication
영문제목(English Title)
저자(Author) 권동승                             
원문수록처(Citation) VOL 45 NO. 05 PP. 0049 ~ 0056 (2018. 05)
한글내용
(Korean Abstract)
최근 수중에서 군사적 전략 감시, 오염 모니터링, 석유 제어 및 관리, 연안 탐사, 기후변화 감시 등 해양 연구가 중요해짐에 따라 증가될 수중 무인이동체 혹은 디바이스로부터 정보 전송을 위해 높은 대역폭과 높은 용량을 갖는 초고속 저지연 수중 무선통신시스템이 필요하게 되었다. 즉 최근 수중 무인 이동체와 센서는 높은 대역폭과 실시간성의 실시간 비디오, 환경 및 보안 데이터 등 중요한 데이터를 수집하기 위해 설치되고 있다. 따라서 낮은 전력 소모로 장시간 동안 신뢰할 수 있는 수중 모니터링과 감시 응용 (환경 모니터링, 수온과 pH 등 데이터 수집, 유류와 가스의 모니터링과 안전)을 지원하기 위한 새로운 수중 무선통신이 필요하다[1]. 육상에서의 자원 고갈로 해저 자원 개발, 해양으로 방사능 유출 감시와 바다에서 발생하는 지진과 이로 인한 쓰나미 조기 발견, 지구 온난화 대책 수립 등을 위해 해양 환경의 지속적 관측 및 탐사, 서해 냉수대, 담수화 감시 등 수자원 관리와 서해 조석 전선(Tidal Front: 조석이 강한 연안역에서 조석에 의한 혼합 해역과 외양 수역 사이에서 큰 수온 차이를 보이는 전선) 등을 위해 수중에서 장시간 관측을 위한 기술이 필요하다. 이를 위해 선진국에서는 수중 센싱, 모니터링 등으로 취득한 정보의 효율적 전송을 위한 수중 사물통신(IoUT: Internet of Underwater Thing)을 위한 SUNRISE 프로젝트, 인터넷을 통한 실시간 수중 관측정보 공유를 위한 비영리단체인 OCEAN Networks Canada가 지엽적으로 진행 중이다. 육상에서 최근에 통신 음영지역 해소를 위한 디지털 고속도로화 프로젝트로 구글의 Loon, 페이스북의 Aquila 등이 진행 중이다. 그러나 지구의 70%를 차지하는 수중에서 디지털 고속도로를 위한 수중 사물인터넷을 위한 통신기술은 연구조차 초기단계이다. 수중에서 정보 전송을 위한 수중 음향통신에 대한 연구개발은 오랫동안 진행되었지만, 음파 대역의 전송 대역폭 제한, 수중에서 다양한 전파전파 환경으로 인한 긴 다중파 지연확산 등 문제로 수 십Kbps 전송속도라는 기술적 한계가 수중 무선통신의 활성화에 걸림돌이 되어왔다. 전송 대역폭 확대를 위해 RF 주파수 대역을 이용한 수중 무선통신은 수Mbps로 전송속도를 증대시킬 수 있지만 통달거리가 수 m정도인 단점으로 수중 무선통신으로 적용 개발이 적었다. RF통신의 전송속도는 사용되는 주파수와 수중 조건과 환경에 따라 변화되는 투자율, 유전율, 도전율, 그리고 볼륨 전하 밀도에 의존한다[1]. 한편 국외에서는 전송속도 측면에서는 수중 RF 무선통신보다 높고, 통달거리측면에서는 수중 RF 무선통신보다 10배 이상 크지만 수중 음향통신보다는 매우 근거리이고, 저전력과 낮은 복잡도를 갖는 수중 무선광통신에 대한 연구개발이 진행되어 왔다[5]. 그러나, 육상과 우주 환경에서 연구개발된 무선광통신을 수중환경에서 신뢰할 수 있는 수중 무선광통신으로 개발하기 위해서 극복해야 할 기술적 이슈가 있다. 예를 들면, 낮은 연안 바다부터 심해 혹은 대양까지 수중 환경의 다양한 물리화학적인 생물학 현상으로 발생되는 야기되는 수중 광전파 특성에 철저한 이해가 우선 필요하고, 이를 극복하는 방안에 대한 다양한 방안을 확보가 필요하다. 수중에서 수십 Mbps급 전송속도를 제공하기 위한 수중 무선광통신 기술은 국외에서 대학 중심으로 학술적인 연구가 진행 중이며, 미국의 소나다인사가 제품으로 개발된 것도 있다[2]. 수중 무선광통신의 전송거리·전송속도 개선을 위해 수중 투과력이 좋은 대역에서 Laser기반으로 다양한 변조 방식 등에 대한 연구가 진행 중이며, 담수에서 ~10 m, ~1Gbps급 전송 성능이 보고되고 있다. 이 논문에서는 다양한 광 전파현상으로 인한 수중 무선 광 링크의 전송속도의 신뢰도와 실현 가능성을 이해하고, 수중 광 무선통신에 국한된 채널 특징, 변조 방식, 코딩기술, 다양한 잡음과 연구개발 동향을 소개하였다.
영문내용
(English Abstract)
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