전기전자/정보통신

NTT 기술저널_2023.6 특집 요약

비지상계 네트워크에 대한 연구개발
초 커버리지 확장(Extreme Coverage Extension)을 실현

NTT에서는 기존의 지상 네트워크뿐만 아니라, 우주 통합 컴퓨팅 네트워크 및 수중 음향 기술을 통해 수상 및 수중으로 통신 커버리지 공간을 확장하는 연구개발을 시행하고 있다. 본 특집에서는 각 연구소에서 개발하고 있는 기술에 대해 소개한다.

목차

1. 완전 원격 무선 제어형 수중 드론을 실현하는 수중 음향 통신 기술
NTT미래네트워크연구소에서 개발하고 있는 수중 음향 통신 기술과 이 기술을 이용해 실현한 세계 최초의 완전 원격 무선 제어형 수중 드론에 대해 소개한다.

2. Beyond 5G/6G를 향한 다층형 비지상계 네트워크(Non-Terrestrial Network, NTN)
Beyond 5G/6G 시대의 초 커버리지 모바일 서비스를 실현하기 위해 HAPS(성층권 통신), 저궤도, 정지궤도까지 시야에 넣은 수직 방향의 다층형 NTN에 대해 소개한다.

3. 초광역 대기∙해양 관측을 위한 해양관측기기의 위치 제어 기술
NTT우주환경에너지연구소가 개발하고 있는 지구 규모에서의 해양에 대한 상시 및 실시간, 그리고 광역 및 고밀도의 직접 관측을 실현하는 초광역 대기∙해양 관측 기술과 그 핵심 중 하나인 관측기기의 위치 제어 기술에 대해 소개한다.

특집
완전 원격 무선 제어형 수중 드론을 실현하는 수중 음향 통신 기술

6G에서는 하늘, 바다, 우주와 같은 지금까지 이동통신 시스템이 도달하지 못했던 영역으로의 초 커버리지 확장이 기대되고 있다. 바다에서의 초 커버리지 확장을 실현하기 위해 NTT미래네트워크연구소는 안정된 장거리 통신이 가능한 음향 통신에 착안해 고속화, 장거리화, 안정화를 추진하고 있다.

이번 특집에서는 NTT미래네트워크연구소의 수중 음향 통신 기술과 이 기술을 이용해 실현한 세계 최초의 완전 원격 무선 제어형 수중 드론에 대해 소개한다.

■ 초 커버리지 확장에 있어서의 수중 무선 통신의 수요
2030년대의 실현을 목표로 연구개발이 추진되고 있는 6G에서는 지상에서의 이동통신 시스템의 고도화뿐만 아니라, 지금까지 이동통신이 도달하지 못한 영역이었던 하늘과 바다, 우주를 포함해 통신 영역을 확장하는 초 커버리지 확장을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그 중에서도 바다는 해저 자원 개발이나 항만 설비 공사 등 산업 분야에 있어서 통신을 활용한 효율화가 요구되고 있는 반면, 지금까지 무선 통신 이용이 어려웠던 영역이었다.

지상의 무선 통신에서는 전파가 널리 이용되고 있지만 수중에서는 그 감쇠가 커 지상과 같은 방법으로는 사용할 수 없다. 낮은 주파수의 전자파를 사용하는 저주파 전자계 통신이 실용화되고 있지만, 그 전송 거리 및 속도는 매우 한정되어 있다.

수중에서도 유효한 무선 통신 방법으로는 음파나 가시광을 이용한 통신이 있다. 음파를 이용한 음향 통신은 전자계 통신과 비교해 높은 주파수대를 이용할 수 있고, 장거리 전송도 가능하다. 하지만 이용 가능한 주파수의 폭은 지상의 무선 통신에 비해 크게 좁다.

실용화되고 있는 음향 통신 기술의 통신 속도는 수 십 kbit/s로, 센서 데이터 전송 등에서의 이용에 한정된 성능이다. 한편, 가시광을 사용하는 광무선 통신은 이용 가능한 주파수의 폭이 넓기 때문에 음향 통신에 비해 고속 통신이 가능하다. 그러나 해수의 탁함이나 태양광 간섭의 영향을 받기 때문에 고속 전송이 가능한 통신 거리가 한정되어 있다는 문제가 있다.

이처럼 수중에서는 자유도가 높은 무선 통신 이용이 어렵다는 점에서 자원 탐사에 사용되는 무인 탐사선이나 항만 공사에서 사용되는 수중 중장비 등은 해상의 지원 선박과 유선 케이블을 통한 접속으로 원격 제어가 실시되고 있다.

이때, 케이블을 감아 올리는 등의 작업을 위한 설비 및 인력에 비용이 소요되며, 케이블이 조류에 떠내려갈 수 있어 작업의 효율화와 안전성에도 해결해야 할 과제가 있다.

최근에는 보다 쉽게 취급할 수 있는 소형 수중 드론도 등장해 항만 시설이나 어업 설비 점검과 같은 케이스에서 지금까지 다이버가 담당해왔던 작업을 대체하는 움직임도 나오고 있다. 하지만, 이것도 케이블이 필요해 작업의 성력화(省力化)와 자율화에 장애가 되고 있다.

이와 같이 수중에서의 유선 통신이 유연한 기기 이용의 장애가 되고 있는 가운데, 수중 드론과 같은 수중 기기 시장의 확대와 함께 케이블 사용이 줄어들면서 실시간으로 정밀한 영상 전송을 실현할 수 있는 Mbit/s 급의 무선 통신 기술에 대한 수요가 커지고 있다.

NTT미래네트워크연구소는 이용 환경에 대한 의존도가 낮고 안정적으로 장거리 통신이 가능한 음향 통신에 착안해 수중으로의 초 커버리지 확장을 실현하기 위해 수중 음향 통신 기술의 고도화와 장거리화, 안정화를 추진하고 있다.

■ 수중 음향 통신 기술
수중 음향 통신 기술은 바닷속 특유의 환경이나 음파의 성질로 인해 빠르고 안정적인 전송이 어렵다는 특징이 있다. 특히 고속화를 방해하는 요인은 음파가 해면이나 해저, 또는 안벽(岸壁) 등에 의해 반사됨으로써 발생한다. 지연파로 인한 문제이다.

수중에서 송신된 음파는 직접파이거나 다양한 경로를 거친 지연파로서 수신기에 도달하고, 이것들이 합성된 수신 신호에는 파형의 변형이 발생하게 된다. 이러한 수신 신호를 복조(復調)해 통신을 성립시키기 위해서는 파형 변형을 추정해서 역(逆)특성을 통해 광학 보상을 할 필요가 있다.

수중 음향 통신에서는 음파의 전반(傳搬) 속도가 약 1,500m/s로, 지상 무선과 비교해 20만배 저속이기 때문에 경로 별로 크게 다른 전반 지연이 발생. 또한 해면이나 통신 장치가 탑재된 선박은 흔들리기 때문에 각각의 경로에서 서로 다른 도플러 효과가 나온다.

이로 인해 전반 경로가 빠르고 복잡한 변동을 보이게 된다. 이 때문에 지상 무선 통신에서 이용되고 있는 변형에 대한 광학 보상 기술에서는 이 전반 경로 변동에 대응할 수 없다.

또한 음향 통신의 안정성을 저해하는 요인으로 환경 잡음의 영향을 들 수 있다. 환경 잡음 중에서도 해양 생물이 내보내는 잡음의 영향이 크며, 특히 문제가 되는 것은 일본뿐만 아니라 전세계 얕은 해역에 널리 서식하고 있는 딱총새우가 내보내는 잡음이다.

딱총새우는 위협 등을 위해 빈번하게 파열음을 내며, 수중에서도 그 소리를 들을 수 있을 정도라고 한다. 이러한 크고 빈번하게 발생되는 소리가 음향 통신 신호에 중첩되어 수신될 경우, 음향 통신의 안정성이 저해된다.

이러한 문제에 대해 NTT미래네트워크연구소는 고속화를 실현하는 시공간등화(時空間等化)기술과 안정화를 실현하는 환경잡음 내성향상기술 등을 고안했다. 시공간등화기술에서는 해면 반사 등에 의해 발생하는 지연파를 제거하고 직접파만을 추출함으로써 전반 경로가 일정한 기간을 늘리고, 전반 경로의 추정 및 광학 보상 성능을 향상시켜 고속화를 가능하게 한다.

지연파 제거는 복수의 안테나로 수신한 신호를 이용해 필터 처리로 지연파의 도달 방향에 널(Null, 방향성 저하)를 형성한다. 즉, 공간적으로 지연파를 억제함으로써 실현하는 것이다. 환경잡음 내성향상기술에서는 딱총새우 등에 의한 큰 음량의 잡음이 순간적으로 중첩되는 것을 고려해 시공간등화 제어와 오류 정정을 시행함으로써 잡음 환경 하에서도 안정적인 전송이 가능해진다.

NTT미래네트워크연구소는 시공간등화기술 및 환경잡음 내성향상기술 등을 통해 Mbit/s 급의 수중 음향 통신이 실현된다는 것을 실제 해역 실험에서 검증하고 있다. 예를 들어, 시공간등화기술과 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 전송을 결합함으로써 거리 18m에서 5Mbit/s 등의 고속 전송에 성공했다.

또한 환경잡음 내성향상기술과 멀티캐리어 대역 분할 송신 기술을 도입함으로써 거리 300m에 있어 1Mbit/s 이상의 전송 실현 가능성을 확인했다. 통신 성능이 Mbit/s 급까지 향상될 경우, SD화질(640X480px, 30fps)의 스트리밍 전송 트랙픽을 수용할 수 있게 된다. 정밀한 수중 영상 전송을 실현함으로써 기존의 음향 통신 기술과 비교해 유스케이스를 큰 폭으로 넓힐 수 있다.

■ 완전 원격 무선 제어형 수중 드론
Mbit/s 급 고속 통신이 가능한 음향 통신 기술을 통해 개척할 수 있는 유스케이스 중 하나로, 완전 무선으로 원격 제어가 가능한 수중 드론을 생각할 수 있다.

NTT는 NTT미래네트워크연구소의 음향 통신 기술이 도입된 음향 통신 장치를 수중 드론에 적용해 세계 최초의 완전 원격 무선 제어형 수중 드론(이하, 무선형 수중 드론)을 실현했다. 개발한 이 무선형 수중 드론의 본체 하부에는 음향 통신 장치와 앰프(Amplifier)류를 수밀(水密) 케이스에 격납한 음향 통신 유닛이 접속되어 있다.

또한, 드론 상부에는 음향 신호의 송신에 사용되는 송파기(送波機)가 4개 소자, 수신에 사용되는 수파기(受波機) 4개 소자가 부착되어 있다. 이 밖에도 음향 통신 유닛에 에너지를 공급하는 배터리와 부력 조절용 부력재가 수중 드론 본체 주위에 배치되어 있다.

음향 통신을 통해 케이블이 없는 상태에서도 드론의 원격 조작 및 영상 전송이 가능해지며, 수중에서 2시간 이상 연속으로 동작할 수 있게 된다.

■ 무선형 수중 드론의 필드 실증실험
수중 설비 점검을 상정해 항만 환경에 있어서의 무선형 수중 드론의 유효성을 실증하는 것을 목표로, 시즈오카(靜岡) 시의 시미즈(清水) 항 주변 해역에 위치한 해양 실증 필드에서 실증실험이 실시되었다.

설비 점검 대상으로 상정한 쇠파이프를 실증 필드에 설치했고, 필드에 계류된 선박 위에 수중 드론의 원격 무선 제어에 필요한 장치들이 설치된 컨트롤 센터를 마련했다. 케이블 없이 조작 가능한 무선형 수중 드론의 특징을 활용해 컨트롤 센터에서 영상을 보면서 무선형 수중 드론을 무선으로 조종하는 것이 가능한지에 대해 검증을 실시했다.

수중 드론의 원격 무선 제어에서는 쌍방향으로 음향 통신이 실시되었다. 수중 드론에서 선박 위의 컨트롤 센터로의 상향 통신에서는 영상이나 자세에 대한 데이터를 전송. 실증실험에서 사용된 파라미터(매개변수)의 스루풋 성능은 164kbit/s로, 640X420 px, 10fps의 영상을 컨트롤 센터의 수중 드론 제어용 PC에 표시할 수 있다는 사실을 확인했다.

또한, 무선형 수중 드론을 물 밖으로 끌어올릴 때에 다이버의 기포로 인해 음파가 차단되는 경우를 제외하고 복조 실패가 발생하지 않고 안정된 상향 통신이 가능하다는 것도 확인할 수 있었다. 컨트롤 센터에서 무선형 수중 드론으로의 하향 통신은 컨트롤러 조작에 의한 제어 명령을 전송한다.

스루풋 성능은 13kbit/s로, 컨트롤 센터의 PC에 표시된 영상을 보면서 컨트롤러로 제어해 무선형 수중 드론의 자유로운 이동이 가능하다는 것을 확인했다.

영상을 보면서 쇠파이프의 형태를 1개씩 확인하는 등의 기본 동작에 대한 실증뿐만 아니라, 쇠파이프 피해 선박의 밑을 빠져 나와 이동하는 등, 케이블이 있으면 불가능한 동작에도 도전해 원격 무선 제어만이 가능한 높은 자유도의 조종이 가능하다는 것을 실증했다.

또한, 이번 실증실험에서는 음향 통신의 적용 대상이 소형이기 때문에 음향 통신 장치 등이 탑재되는 공간 및 무게가 한정적이라는 점과 수중의 영상 전송에 필요한 통신 대역이 150kbit/s 전후라는 점을 고려해 음향 통신 장치 등은 성능을 최소화한 구성으로 탑재했으며, 통신 속도보다 높은 안정성을 우선한 설정으로 동작시켰다.

■ 앞으로의 전개
NTT는 수중 드론의 완전 원격 무선 제어 외에도 다양한 유스케이스에서 수중 무선 통신 이용을 가능하게 하는 초 커버리지 확장 실현을 목표로, 수중 음향 통신의 한층 더 높은 고속화와 장거리화, 안정화를 추진하고 있다. 또한, 수중 음향 통신 기술의 다양한 유스케이스에 대해 NTT그룹 및 파트너 기업과 함께 실용화를 위한 연구개발을 가속화하고 있다.

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