자율형 수중 무인잠수정(AUV)은 조종사와의 지속적인 물리적 연결 없이도 항해, 점검, 측량 및 데이터 수집이 가능하지만, 통신은 수중 임무에서 가장 어려운 부분 중 하나로 남아 있습니다. AUV는 넓은 수중 영역을 이동할 수 있지만, 차량에 명령을 보내거나 센서 데이터, 이미지 및 비디오를 제어국으로 되돌려 보내는 것은 공중에서보다 수중에서 훨씬 더 어렵습니다.

장거리, 높은 대역폭, 낮은 지연 시간 및 강력한 환경 적응성을 동시에 제공하는 단일 통신 기술은 존재하지 않습니다. 따라서 실용적인 AUV 통신 시스템은 임무 거리, 수중 조건, 요구 데이터 속도 및 운영 아키텍처에 따라 다양한 전송 방법을 선택하거나 결합해야 합니다.

수중 데이터 전송이 왜 그렇게 어려운가?

무선 통신은 전자기파가 대기를 통해 효율적으로 전파될 수 있기 때문에 항공기, 무인 항공기 및 지상 이동 시스템에 매우 효과적입니다. 수중 조건은 근본적으로 다릅니다. 물은 전자기 에너지를 흡수하고 산란시켜, 기존의 장거리 무선 전송을 어렵게 만듭니다(특히 해수에서).

신호 성능은 염분, 수온 및 부유 입자의 변화에도 영향을 받습니다. 이러한 변수는 전파 특성을 변경하고 감쇠를 증가시켜 사용 가능한 통신 거리를 줄일 수 있습니다.

문제는 단순한 신호 손실에 국한되지 않습니다. 수중 신호는 수면, 해저 및 기타 구조물에 의해 반사, 굴절 및 산란될 수 있습니다. 따라서 동일한 신호의 여러 버전이 서로 다른 전파 경로를 통해 수신기에 도달할 수 있습니다.

이러한 다중 경로 환경은 왜곡, 간섭 및 도플러 효과를 유발할 수 있습니다. 조수, 파도, 해류 및 차량의 움직임은 AUV가 운용되는 동안 채널 조건을 더욱 변경할 수 있습니다. 결과적으로 특정 수중 조건에서 잘 작동하는 통신 링크는 수심, 차량 위치 또는 환경 조건이 변경될 때 다르게 작동할 수 있습니다.

유선 링크는 언제 적합한가?

케이블 기반 통신은 신뢰할 수 있는 수중 데이터 링크를 구축하는 가장 성숙한 방법 중 하나입니다. 차량 또는 수중 노드는 전기 또는 광케이블을 통해 수상 플랫폼이나 제어국에 연결될 수 있습니다. 가는 광섬유는 많은 양의 데이터를 일관된 성능으로 전송해야 할 때 특히 유용합니다.

유선 광 연결은 몇 가지 중요한 장점을 제공합니다. 높은 전송 대역폭, 안정적인 신호 품질 및 외부 전자기 간섭에 대한 강한 내성을 제공할 수 있습니다. 통신 채널이 물리적으로 제한되어 있기 때문에 비교적 제어된 데이터 경로도 제공합니다.

고해상도 카메라, 소나 데이터, 센서 정보 또는 기타 대역폭 집약적 페이로드를 포함하는 애플리케이션의 경우 광섬유 연결은 장거리 수중 음향 채널보다 훨씬 더 큰 데이터 용량을 제공할 수 있습니다.

주요 제한 사항은 기동성입니다. 수중 케이블은 인장력, 굽힘, 부식 및 장기 노화를 견뎌야 합니다. 케이블 길이는 차량의 운용 영역도 제한합니다. 테더는 추가적인 전개 및 회수 요구 사항을 만들 수 있으며, 차량이 넓은 영역이나 복잡한 수중 구조물 주변에서 운용될 때 관리가 어려워질 수 있습니다.

이러한 이유로 유선 통신은 통제된 운용 구역, 고정 수중 인프라, 지원 선박 주변의 점검 또는 제한 없는 차량 이동보다 높은 대역폭이 더 중요한 애플리케이션에 더 적합합니다.

청색광 광링크는 어디에 사용할 수 있는가?

수중 광통신은 상대적으로 짧은 거리에서 훨씬 더 높은 데이터 속도가 필요한 임무에 또 다른 접근 방식을 제공합니다. 청색광은 약 450 nm 파장이 다른 많은 광파장에 비해 수중에서 유용한 전송 특성을 제공할 수 있기 때문에 특히 중요합니다.

주요 장점은 대역폭입니다. 기존 음향 통신과 비교하여 수중 청색광 링크는 훨씬 더 높은 전송 속도를 지원할 수 있어 이미지, 센서 데이터 세트 및 기타 대용량 파일의 빠른 전송에 매력적입니다.

이 분야의 개발 목표는 적절한 조건에서 수중 광학 시스템이 약 100미터 거리에서 1 Gbit/s에 가까운 데이터 속도를 달성할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 이러한 수치는 광통신이 고속 수중 네트워킹에서 주목받는 이유를 설명하지만, 실제 성능은 수질, 정렬 및 시스템 설계에 크게 의존합니다.

광통신은 또한 엄격한 환경 요구 사항을 도입합니다. 송신기와 수신기는 일반적으로 깨끗한 광 경로와 적절한 정렬이 필요합니다. 부유 입자와 플랑크톤은 전송된 빛을 산란시켜 수신 신호 강도를 감소시킬 수 있습니다.

수면에서 오는 주변광과 수중 생물이 생성하는 빛도 광수신기에 영향을 미칠 수 있습니다. 탁한 물, 차량의 움직임 및 방향 변화는 장거리 광통신을 상당히 어렵게 만듭니다.

결과적으로 청색광 통신은 장거리 음향 통신의 직접적인 대체품보다는 고대역폭, 상대적 단거리 기술로 간주하는 것이 가장 좋습니다.

음향 통신이 여전히 필수적인 이유는 무엇인가?

음향 통신은 수중 무선 통신을 위한 가장 성숙한 방법 중 하나로 남아 있습니다. 기존의 무선 신호와 달리 음파는 관리 가능한 감쇠로 수중에서 비교적 먼 거리를 이동할 수 있으므로 음향 링크는 이동식 수중 플랫폼, 원격 수중 노드 및 수상 지원 시스템 간의 통신에 적합합니다.

운용 주파수, 환경 조건, 장비 설계 및 요구 데이터 속도에 따라 음향 통신은 수백 미터에서 수십 킬로미터에 이르는 거리를 커버할 수 있습니다. 이러한 거리 이점은 케이블에 의존할 수 없거나 짧은 광 경로를 유지할 수 없는 AUV 운용에서 음향 기술이 여전히 중요한 이유를 설명합니다.

절충점은 대역폭과 지연 시간입니다. 음향 감쇠는 일반적으로 주파수가 증가함에 따라 크게 증가합니다. 따라서 사용 가능한 거리와 주파수 간의 관계는 근본적인 설계 고려 사항이 됩니다. 매우 높은 음향 주파수에서는 감쇠가 심해질 수 있습니다. 예를 들어, 인용된 기술 비교에 따르면 약 10 MHz의 음향 신호는 미터당 30 dB에 가까운 감쇠를 경험할 수 있습니다.

결과적으로 장거리 음향 시스템은 낮은 주파수에서 작동하는 경향이 있지만, 낮은 주파수는 일반적으로 사용 가능한 통신 대역폭이 적음을 의미합니다.

소리는 전자기 신호나 광신호보다 수중에서 훨씬 느리게 전파됩니다. 따라서 장거리 음향 통신은 현저한 전파 지연을 도입합니다. 또한 해양 배경 잡음은 신호 대 잡음비를 낮출 수 있으며, 다중 경로 전파는 주파수 선택적 페이딩 및 심볼 간 간섭을 유발할 수 있습니다.

이러한 특성은 음향 채널이 일반적으로 명령, 상태 정보, 위치 관련 데이터, 원격 측정 및 선택된 센서 데이터에 더 적합하며, 대량의 실시간 고해상도 비디오를 지속적으로 전송하는 데는 적합하지 않음을 의미합니다.

기술을 어떻게 결합해야 하는가?

실용적인 수중 통신 솔루션은 반드시 이러한 기술 중 하나만을 선택할 필요는 없습니다. 많은 AUV 프로젝트에서 하이브리드 아키텍처는 운용 거리, 대역폭 및 신뢰성 간에 더 나은 균형을 제공할 수 있습니다.

한 가지 가능한 아키텍처는 수상 제어 플랫폼과 수중 통신국 간의 광섬유 연결을 사용합니다. 그런 다음 수중국은 음향 또는 광링크를 통해 AUV와 무선 통신합니다. 이는 수중 무선 경로의 길이를 줄이면서 차량이 연속 테더 없이 운용될 수 있도록 합니다.

또 다른 구성은 장거리 항해 중에는 음향 통신을 사용하고 차량이 도킹 스테이션이나 데이터 수집 지점에 접근할 때 광링크로 전환할 수 있습니다. 그런 다음 더 높은 대역폭의 광 채널을 통해 대용량 센서 파일을 전송할 수 있습니다.

따라서 통신 방법은 단순히 최대 전송 속도를 비교하는 것이 아니라 각 링크의 역할에 따라 선택되어야 합니다.

시스템 설계 시 고려해야 할 사항은 무엇인가?

AUV 통신 시스템은 단순히 가장 높은 광고 데이터 속도를 가진 기술을 선택하는 대신 임무 프로파일부터 시작해야 합니다. 거리, 데이터 양 및 환경 조건은 실제 성능에 더 큰 영향을 미치는 경우가 많습니다.

장거리 임무의 경우 안정적인 명령 및 원격 측정 채널을 유지하는 것이 대용량 파일을 지속적으로 전송하는 것보다 더 중요할 수 있습니다. 따라서 음향 링크는 주요 무선 통신 경로를 제공하고 데이터 집약적 정보는 차량 내부에 로컬 저장됩니다.

많은 이미지 및 센서 데이터 세트를 생성하는 검사, 매핑 또는 과학 임무의 경우 차량은 임무 중에 정보를 수집하고 나중에 단거리 광 또는 유선 연결을 통해 전송할 수 있습니다.

전개 전에 수중 조건도 평가해야 합니다. 염분, 온도, 부유 물질, 배경 잡음 및 차량 움직임은 모두 링크 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 맑고 잔잔한 물을 위해 개발된 통신 아키텍처는 연안 해역, 산업 항만 또는 강한 해류가 있는 지역에서 동일한 결과를 얻지 못할 수 있습니다.

계획 시 다음 설계 질문이 특히 유용합니다:

• AUV는 가장 가까운 통신 노드에서 얼마나 멀리 이동합니까?

• 임무는 지속적인 제어가 필요합니까, 아니면 주로 주기적인 상태 업데이트가 필요합니까?

• 차량은 얼마나 많은 센서, 이미지 또는 비디오 데이터를 생성합니까?

• 실시간 전송이 필요합니까, 아니면 대용량 파일을 선내에 저장할 수 있습니까?

• 예상되는 수질 및 배경 음향 잡음 수준은 어떻습니까?

• 수중 중계국이나 도킹 지점을 배치할 수 있습니까?

• 운용 지역에서 테더나 광섬유 연결 사용이 허용됩니까?

이러한 질문에 답하면 프로젝트가 거리, 데이터 속도, 기동성 또는 이들 모두의 조합을 우선시해야 하는지 결정하는 데 도움이 됩니다.

계층형 아키텍처는 더 큰 유연성을 제공합니다

수중 통신의 근본적인 과제는 거리와 대역폭을 동시에 최대화하기 어렵다는 것입니다. 유선 광섬유는 우수한 데이터 용량을 제공하지만 기동성을 제한합니다. 청색광 광통신은 고속 무선 전송을 제공하지만 상대적으로 짧은 거리와 적절한 광학 조건에서 가장 잘 작동합니다. 음향 통신은 훨씬 더 멀리 도달하지만 대역폭이 낮고 지연 시간이 더 큽니다.

따라서 많은 AUV 애플리케이션에서 가장 실용적인 접근 방식은 계층형 통신 시스템입니다. 장거리 음향 채널은 명령 및 원격 측정을 지원하고, 광 연결은 근거리에서 대용량 데이터 전송을 처리하며, 광섬유는 고정 수중 인프라를 수상 또는 육상 제어 네트워크에 연결할 수 있습니다.

이 아키텍처는 각 기술이 가장 적합한 작업을 수행할 수 있도록 하여 단일 수중 링크가 모든 요구 사항을 충족하도록 강요하지 않습니다. 수중 감지, 자율 항법 및 해저 인프라가 계속 발전함에 따라 이러한 유형의 하이브리드 통신 설계는 신뢰할 수 있고 확장 가능한 AUV 운용 네트워크를 구축하는 데 점점 더 중요해질 것입니다.

FAQ

통신 링크가 일시적으로 사용 불가능한 경우 AUV가 계속 작동할 수 있습니까?

예. 자율 차량은 통신이 일시적으로 중단될 때 미리 정의된 임무를 계속하도록 설계될 수 있습니다. 중요한 임무 데이터는 차량이 연결을 복구하거나 데이터 전송 지점에 도달할 때까지 선내에 유지될 수 있습니다.

AUV가 모든 센서 데이터를 지속적으로 전송해야 합니까?

반드시 그렇지는 않습니다. 지속적인 전송은 제한된 수중 채널에 불필요한 부담을 줄 수 있습니다. 일반적인 시스템 전략은 중요한 상태 및 제어 정보를 먼저 전송하고 더 큰 데이터 세트는 나중에 전송하기 위해 로컬에 저장하는 것입니다.

수중 중계국이 유용한 이유는 무엇입니까?

중계국은 통신 노드 간의 거리를 단축할 수 있습니다. AUV가 수상국과 하나의 긴 직접 연결을 유지하도록 강요하는 대신 네트워크는 통신을 여러 개의 짧은 링크로 분할하고 이를 더 높은 용량의 백본에 연결할 수 있습니다.

더 높은 통신 주파수가 항상 더 나은 AUV 성능을 제공합니까?

아닙니다. 더 높은 주파수는 추가 대역폭을 제공할 수 있지만 수중 감쇠는 주파수에 따라 크게 증가할 수 있습니다. 따라서 올바른 운용 주파수는 요구 데이터 용량과 전송 거리 및 환경 조건 간의 균형을 맞춰야 합니다.

수중 통신 네트워크를 배치하기 전에 무엇을 테스트해야 합니까?

현장 테스트는 운용 수심, 차량 움직임, 수질, 음향 잡음, 예상 통신 거리 및 수중 조건의 계절적 변화를 포함한 실제 임무 환경을 반영해야 합니다. 실험실 사양만으로는 변화하는 수중 채널을 완전히 나타낼 수 없습니다.