KR102185969B1 - Method for underwater network using magnetic induction communication system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법에 관한 것으로, 복수의 이동형 중계 노드 및 자기장 통신 서버를 포함하는 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법에 있어서, 상기 자기장 통신 서버는 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 위치 정보를 획득하는 단계, 상기 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리 정보를 이용하여 중계에 필요한 N(N은 1 이상의 자연수)개의 이동형 중계 노드를 선택하는 단계, 상기 N 개의 이동형 중계 노드의 위치를 설정하고, 설정된 위치로 상기 N 개의 이동형 중계 노드를 이동시키며, 상기 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 코일 축을 정렬시키는 단계, 그리고 상기 송신 노드는 상기 선택된 이동형 중계 노드를 통해 상기 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전파 지연시간이 단축되는 장점이 있고 저렴한 비용으로 네트워크를 구축할 수 있는 자기장 통신에서 도파로 전송 방식을 취득하여 장거리 및 고속 전송을 안정적으로 제공할 수 있다.
또한, 도파로 전송 방식과 자기장 측위 기술로 얻은 위치 정보를 융합하여 이동형 중계 노드를 효과적으로 이용함으로써, 자기장 통신의 성능을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to an underwater network method using a magnetic field communication system, in the underwater network method using a magnetic field communication system including a plurality of mobile relay nodes and a magnetic field communication server, wherein the magnetic field communication server comprises a transmitting node, a receiving node, and a plurality of Obtaining location information of the mobile relay node of, selecting N (N is a natural number of 1 or more) mobile relay nodes required for relay using distance information between the transmitting node and the receiving node, the N mobile relay Setting the position of the node, moving the N mobile relay nodes to the set position, aligning the coil axes of the transmitting node, the receiving node, and the plurality of mobile relay nodes, and the transmitting node comprises the selected mobile relay node. And transmitting the data to the receiving node through.
According to the present invention, it is possible to stably provide long-distance and high-speed transmission by acquiring a waveguide transmission method in magnetic field communication in which a propagation delay time is shortened and a network can be constructed at low cost.
In addition, by effectively using a mobile relay node by fusing the position information obtained by the waveguide transmission method and the magnetic field positioning technology, the performance of magnetic field communication can be improved.
Description
본 발명은 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수중 환경에서 이동형 중계 노드를 통해 수중 네트워크를 형성하고 수중 장거리 고속 전송 기술을 제공하는 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an underwater network method using a magnetic field communication system, and more particularly, to an underwater network method using a magnetic field communication system that forms an underwater network through a mobile relay node in an underwater environment and provides a high-speed underwater transmission technology. will be.
자기장 통신 기술은 자기장 영역을 이용한 무선 통신 시스템으로 금속, 수중, 지중, 건물 붕괴 장해 등 극한 환경에서 시간 변화에 따라 생성되는 자기장을 이용하여 정보를 전송하는 기술이다. 자기장 통신 기술은 지반 침하를 감시하거나 지반의 움직임 감시와 같은 지반 상태를 모니터링 하거나 수도관, 하수도관, 전력관, 통신관, 가스관, 송유관등과 같이 지중 시설물의 누수나 파손 등을 모니터링하고, 건물 및 교량의 균열이나 진동 등의 상태를 모니터링 할 수 있어, 차세대 무선통신 시스템으로 적합하다. Magnetic field communication technology is a wireless communication system using a magnetic field, and is a technology that transmits information using a magnetic field generated according to time changes in extreme environments such as metal, underwater, underground, and building collapse. Magnetic field communication technology monitors ground conditions such as ground subsidence or ground motion monitoring, or monitors leakage or damage of underground facilities such as water pipes, sewer pipes, power pipes, communication pipes, gas pipes, oil pipes, etc. It is suitable as a next-generation wireless communication system because it can monitor conditions such as cracks and vibrations.
특히, 일반적인 수중 네트워크인 광(Optical), 전자기파(Electromagnetic), 음향(Acoustic)을 이용한 데이터 전송기법과 비교하였을 때, 자기장 통신 기술은 수중 네트워크를 위한 데이터 전송 방법 중에서 가장 적합한 통신 기술이다. In particular, when compared to data transmission techniques using optical, electromagnetic, and acoustic data, which are general underwater networks, magnetic field communication technology is the most suitable communication technology among data transmission methods for underwater networks.
수중 환경에서 자기장 통신 기술은 자기장 통신의 전파 속도는 음향의 전파 속도보다 빠르며, 전파 지연시간이 단축되는 장점이 있으며, 자기장 신호는 광 신호처럼 눈에 보이거나 음향 신호처럼 귀에 들리는 것이 아니며, 전자기파와 동일한 특성을 지니고 있기 때문에 수중에서 보안 및 군사적인 목적으로 사용 가능하다. 또한, 자기 유도 코일은 이동이 용이한 조그마한 수중 로봇이나 잠수정에 탐재할 수 있으며, 다른 수중 통신 기술의 안테나보다 매우 저렴하기 때문에 큰 규모의 수중 센서 네트워크를 경제성 있게 구축할 수 있다.In the underwater environment, magnetic field communication technology has the advantage that the propagation speed of magnetic field communication is faster than the propagation speed of sound, and the propagation delay time is shortened, and the magnetic field signal is not visible like an optical signal or audible to the ear like an acoustic signal. Because they have the same characteristics, they can be used underwater for security and military purposes. In addition, the magnetic induction coil can be detected in a small underwater robot or submersible that is easy to move, and because it is much cheaper than antennas of other underwater communication technologies, a large-scale underwater sensor network can be constructed economically.
한편, 수중 자기장 통신은 다중경로 페이딩 및 채널의 왜곡보다 전파 경로 손실의 영향을 많이 받게 된다. 자기장 통신의 경로 손실은 에너지가 실제적으로 손실되는 것이 아니라 송신단에서 수신단으로 충분히 전달되지 못해서 발생되기 때문에 전송 거리가 멀어지면 송수신 전력이 모두 감소한다. Meanwhile, underwater magnetic field communication is more affected by propagation path loss than multipath fading and channel distortion. The path loss of magnetic field communication is not actually lost energy, but is caused by not being sufficiently transmitted from the transmitting end to the receiving end. Therefore, when the transmission distance increases, both transmit and receive power decrease.
즉, 수중 자기장 시스템이 수중에서 발생되는 현상을 정확하게 파악하여 지상에 있는 관제소까지 대용량의 정보를 신속하고 정확하게 전송하기 위해서는 송신단에서 수신단으로의 전송 거리를 확장시키면서 데이터 전송의 신뢰성을 향상시키는 기술이 요구된다. In other words, in order for the underwater magnetic field system to accurately grasp the phenomenon occurring in the water and to transmit large amounts of information quickly and accurately to the control station on the ground, a technology that improves the reliability of data transmission while extending the transmission distance from the transmitting end to the receiving end is required. do.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 국내등록특허 제 10-1192414호(2012.10.17 공고)에 개시되어 있다.The technology behind the present invention is disclosed in Korean Patent No. 10-1192414 (announced on October 17, 2012).
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수중 환경에서 이동형 수중 센서를 통해 수중 네트워크를 형성하고 수중 장거리 고속 전송 기술을 제공하는 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an underwater network method using a magnetic field communication system that forms an underwater network through a mobile underwater sensor in an underwater environment and provides a high-speed underwater transmission technology.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 이동형 중계 노드 및 자기장 통신 서버를 포함하는 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법에 있어서, 상기 자기장 통신 서버는 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 위치 정보를 획득하는 단계, 상기 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리 정보를 이용하여 중계에 필요한 N(N은 1 이상의 자연수)개의 이동형 중계 노드를 선택하는 단계, 상기 N 개의 이동형 중계 노드의 위치를 설정하고, 설정된 위치로 상기 N 개의 이동형 중계 노드를 이동시키며, 상기 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 코일 축을 정렬시키는 단계, 그리고 상기 송신 노드는 상기 선택된 이동형 중계 노드를 통해 상기 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving such a technical problem, in an underwater network method using a magnetic field communication system including a plurality of mobile relay nodes and a magnetic field communication server, the magnetic field communication server includes a transmitting node, a receiving node, and a plurality of Acquiring location information of a mobile relay node, selecting N (N is a natural number of 1 or more) mobile relay nodes required for relay using distance information between the transmitting node and the receiving node, the N mobile relay nodes Setting the position of, moving the N mobile relay nodes to the set position, aligning the coil axes of the transmitting node, the receiving node, and the plurality of mobile relay nodes, and the transmitting node through the selected mobile relay node And transmitting data to the receiving node.
상기 위치 정보를 획득하는 단계는, 상기 수신 노드 및 송신 노드의 절대 위치 좌표와 상기 수신 노드 및 송신 노드의 코일 X축, 코일 Y축, 코일 Z축 값을 이용하여 상기 복수의 이동형 중계 노드의 위치를 획득할 수 있다. The obtaining of the location information includes: the location of the plurality of mobile relay nodes using absolute position coordinates of the receiving node and the transmitting node and coil X-axis, coil Y-axis, and coil Z-axis values of the receiving node and the transmitting node. Can be obtained.
상기 송신 노드가 자기장 통신을 수행하면, 상기 자기장 통신 서버는 각각의 인접하는 노드 간에 수신 신호의 세기와 자기장 왜곡에 대한 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고 상기 피드백 정보를 고려하여 각 노드는 코일 축을 보정하는 단계를 더 포함한다. When the transmitting node performs magnetic field communication, the magnetic field communication server receives feedback information about the strength of a received signal and magnetic field distortion between each adjacent node, and each node corrects the coil axis in consideration of the feedback information. It further includes the step of.
상기 코일 축을 보정하는 단계는, 각 노드들이 위치하는 수중의 유속에 따른 코일의 가속도 및 회전 방향을 이용하여 각 노드의 코일 축을 보정할 수 있다. In the step of correcting the coil axis, the coil axis of each node may be corrected by using the acceleration and rotation direction of the coil according to the flow velocity in water where each node is located.
상기 복수의 이동형 중계 노드는, 상기 도출된 위치로 이동하거나 각 노드의 코일의 축을 보정한 후, 인접한 노드로부터 생성된 자기장을 통해 코일 안테나의 전류가 유도되면, 유도된 전류에서 탐색 과정을 거쳐 세기가 가장 큰 신호를 선택하고, 선택된 가장 큰 신호를 선택된 다른 이동형 중계 노드 또는 수신 노드로 전달할 수 있다. The plurality of movable relay nodes, after moving to the derived position or correcting the axis of the coil of each node, and when the current of the coil antenna is induced through a magnetic field generated from an adjacent node, the induced current undergoes a search process to increase the intensity. The largest signal is selected, and the selected largest signal may be transmitted to another selected mobile relay node or a receiving node.
본 발명에 따르면, 전파 지연시간이 단축되는 장점이 있고 저렴한 비용으로 네트워크를 구축할 수 있는 자기장 통신에서 도파로 전송 방식을 취득하여 장거리 및 고속 전송을 안정적으로 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to stably provide long-distance and high-speed transmission by acquiring a waveguide transmission method in magnetic field communication in which a propagation delay time is shortened and a network can be constructed at low cost.
또한, 도파로 전송 방식과 자기장 측위 기술로 얻은 위치 정보를 융합하여 이동형 중계 노드를 효과적으로 이용함으로써, 자기장 통신의 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, by effectively using the mobile relay node by fusing the position information obtained by the waveguide transmission method and the magnetic field positioning technology, the performance of magnetic field communication can be improved.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 포함하는 수중 네트워크 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 자기장 측위 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 간섭 환경에서의 노드의 코일의 회전과 자기장 도파로 전송 기법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram showing a structure of an underwater network including a mobile relay node according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a magnetic field communication system using a mobile relay node according to an embodiment of the present invention.
3 is a flow chart illustrating an underwater network method using a magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a three-dimensional magnetic field positioning technology according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a method of transmitting a magnetic field using a mobile relay node according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram for describing a method of rotating a coil of a node and transmitting a magnetic waveguide in a magnetic field interference environment according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention.
이하에서는 도 1 및 도 2를 이용하여 본 발명의 실시예에서 제안하는 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 통신 시스템의 수중 네트워크에 대해서 설명한다. Hereinafter, an underwater network of a magnetic field communication system using a mobile relay node proposed in an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 포함하는 수중 네트워크 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram showing a structure of an underwater network including a mobile relay node according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a magnetic field communication system using a mobile relay node according to an embodiment of the present invention.
도 1에서와 같이, 수중 환경에서 센서를 통해 수중 정보를 수집하면, 자기장 수직 링크(Magnetic vertical link)를 통해 관제소(Surface station)까지 전송한다. 그리고 관제소(Surface station)는 해면에 표류하고 있는 선박(Surface sink)이나 지상의 관제소(Onshore sink) 그리고 위성(Satellite)과 통신을 통해 수중 정보를 공유할 수 있다. As shown in FIG. 1, when underwater information is collected through a sensor in an underwater environment, it is transmitted to a surface station through a magnetic vertical link. In addition, a surface station can share underwater information through communication with a surface sink, an onshore sink, and a satellite floating on the sea level.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템은 수중에 위치하는 센서들이 수중에서 발생되는 현상에 대한 정보를 정확하게 파악하여 수집하면, 센서에서부터 지상에 있는 관제소(Surface station)까지 대용량의 데이터를 정확하고 빠르게 전송하기 위해서 중계 노드를 이용한 자기장 통신을 수행한다. That is, in the magnetic field communication system according to the embodiment of the present invention, if sensors located underwater accurately grasp and collect information on phenomena occurring underwater, large amounts of data are accurately collected from sensors to a surface station on the ground. And in order to transmit quickly, it performs magnetic field communication using a relay node.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템은 송신 노드와 수신 노드의 거리에 대응하여 이동형 중계 노드를 선택하고, 배열하여 데이터를 전송함에 있어, 수중에서의 이동형 중계 노드의 위치를 정확하게 파악하기 위해 고정밀 자기장 측위 기술을 이용한다. In addition, in the magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention, in selecting and arranging the mobile relay node corresponding to the distance between the transmitting node and the receiving node and transmitting data, accurately grasping the location of the mobile relay node in the water. It uses high-precision magnetic field positioning technology for this.
도 2에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템은 자기장 측위 기술을 이용하여 복수의 이동형 중계 노드의 각 위치를 획득하고, 획득된 위치 정보를 이용하여 복수의 이동형 중계 노드를 정렬하고, 송신노드, 복수의 이동형 중계 노드 및 수신 노드간에 자기장 통신을 수행한다. 2, the magnetic field communication system according to the embodiment of the present invention acquires each position of a plurality of mobile relay nodes using a magnetic field positioning technology, and aligns the plurality of mobile relay nodes using the obtained location information. , A transmitting node, a plurality of mobile relay nodes, and a receiving node perform magnetic field communication.
수중 환경에서의 노드는 물살과 수온 및 수압의 변화에 의해 다양한 영향을 받기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템은 복수의 이동형 중계 노드의 위치 정보를 획득하기 위해서는 수중 환경에서 강인한 자기유도 방식 기반의 고정밀 위치 추정 기법을 활용한다. Since nodes in an underwater environment are affected by various changes in current, water temperature, and water pressure, the magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention provides strong magnetic induction in the underwater environment in order to obtain location information of a plurality of mobile relay nodes. Method-based high-precision position estimation method is used.
즉, 본 발명의 실시예에서는 위치정보 융합 기반의 장거리 고속 전송이 가능하도록 복수의 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 통신 기술과 고정밀 자기장 측위 기술을 서로 유기적이면서 상호보완적으로 통합하여 기술 완성도가 높은 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법을 제안한다.That is, in the embodiment of the present invention, magnetic field communication technology using a plurality of mobile relay nodes and high-precision magnetic field positioning technology are organically and complementarily integrated with each other to enable high-speed, long-distance transmission based on location information fusion. We propose an underwater network method using the system.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드 및 자기장 통신 서버를 포함하는 자기장 통신 시스템의 수중 네트워크 방법에 대해서 상세하게 설명한다. Hereinafter, an underwater network method of a magnetic field communication system including a mobile relay node and a magnetic field communication server according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템을 이용한 수중 네트워크 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 자기장 측위 기술을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동형 중계 노드를 이용한 자기장 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a flow chart illustrating an underwater network method using a magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram for explaining a three-dimensional magnetic field positioning technology according to an embodiment of the present invention. 5 is a diagram illustrating a method of transmitting a magnetic field using a mobile relay node according to an embodiment of the present invention.
먼저, 이하에서는 자기장 통신 서버는 송신 노드, 수신 노드 및 이동형 중계 노드와 통신을 수행하며, 각 노드들은 개별적으로 식별이 가능한 ID를 가지고 있다. First, hereinafter, the magnetic field communication server communicates with a transmitting node, a receiving node, and a mobile relay node, and each node has an ID that can be individually identified.
여기서, 송신 노드와 수신 노드는 절대적인 위치 정보를 알고 있는 노드이며, 이동형 중계 노드는 이동이 가능한 수중 로봇이나 잠수정에 부착될 수 있고, 이동이 자유로운 별도의 센서 노드로 나타낼 수 있다. Here, the transmitting node and the receiving node are nodes that know absolute location information, and the mobile relay node may be attached to a movable underwater robot or submersible, and may be represented as separate sensor nodes free of movement.
도 3에 도시한 바와 같이, 자기장 통신 서버는 송신 노드(100), 수신 노드(300) 및 복수의 이동형 중계 노드(200)의 위치 정보를 획득한다(S310). As shown in FIG. 3, the magnetic field communication server acquires location information of the
여기서, 송신 노드(100)와 수신 노드(300)는 절대 위치 정보를 가지고 있는 노드이기 때문에, 자기장 통신 서버는 송신 노드(100) 및 수신 노드(300)의 절대 위치 좌표를 이용하여 3차원 자기장 측위 기술을 통해 복수의 이동형 중계 노드(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. Here, since the transmitting
즉, 자기장 통신 서버는 수신 노드 및 송신 노드의 절대 위치 좌표와 상기 수신 노드 및 송신 노드의 코일 X축, 코일 Y축, 코일 Z축 값을 이용하여 복수의 이동형 중계 노드의 위치를 획득한다. That is, the magnetic field communication server acquires the positions of a plurality of mobile relay nodes by using the absolute position coordinates of the receiving node and the transmitting node and the coil X-axis, coil Y-axis, and coil Z-axis values of the receiving node and the transmitting node.
도 4에서와 같이, 자기장 통신 서버는 절대 위치 좌표를 기준으로 코일 X축(Coil X)의 α, 코일 Y축(Coil Y)의 β, 코일 Z축(Coil Z)의 Y 값을 통해 이동형 중계 노드의 위치(Xr, Yr, Zr)을 획득하고, 절대 위치 좌표와의 거리(d)를 추정할 수 있다. As shown in Figure 4, the magnetic field communication server is a mobile relay through the α of the coil X axis (Coil X), β of the coil Y axis (Coil Y), and Y values of the coil Z axis (Coil Z) based on the absolute position coordinates. The location of the node (X r , Y r , Z r ) can be obtained, and the distance (d) from the absolute position coordinate can be estimated.
다음으로 자기장 통신 서버는 송신 노드(100)와 수신 노드(300) 사이의 거리 정보를 이용하여 중계에 필요한 N(N은 1 이상의 자연수)개의 이동형 중계 노드를 선택한다(S320). Next, the magnetic field communication server selects N (N is a natural number of 1 or more) mobile relay nodes required for relay by using distance information between the
자기장 통신 서버는 송신 노드(100)와 수신 노드(300)의 절대 위치 좌표를 이용하여 거리를 추정하고, 추정된 거리에 대응하여 가장 효율적인 자기장 통신을 수행할 수 있는 이동형 중계 노드의 개수(N)를 선택한다. 그리고 자기장 통신 서버는 이동형 중계 노드의 위치 정보를 이용하여 송신 노드(100)와 수신 노드(300)에 가장 근접한 위치에 있으면서 자기장 통신을 수행하지 않는 N개의 이동형 중계 노드를 선택할 수 있다. The magnetic field communication server estimates the distance using the absolute position coordinates of the
다음으로 자기장 통신 서버는 N 개의 이동형 중계 노드(200)의 위치를 설정하고, 설정된 위치로 N 개의 이동형 중계 노드(200)를 이동시키며, 송신 노드(100), 수신 노드(100) 및 복수의 이동형 중계 노드(200)의 축을 정렬시킨다(S330). Next, the magnetic field communication server sets the positions of the N
자기장 통신 서버는 도파로 전송(릴레이 전송)을 수행하기 위한 이동형 중계 노드(200)의 위치를 설정하고, 선택된 각각의 이동형 중계 노드(200)를 각 중복되지 않는 위치로 이동시킬 수 있다. 이때, 자기장 통신 서버는 자기장 직접 통신을 수행하는 다른 통신 라인과 상호 간섭을 일으키지 않도록 N개의 이동형 중계 노드의 위치를 도출하고 도출된 위치로 설정할 수 있다. The magnetic field communication server may set the location of the
그리고 자기장 통신 서버는 이동형 중계 노드(200)가 설정된 위치로 이동하면, 이동형 중계 노드(200)의 코일의 축과 송신 노드(100) 및 수신 노드(300)의 코일 축을 정렬 시킬 수 있다. In addition, when the
다음으로, 송신 노드(100)는 선택된 N개의 이동형 중계 노드(200)를 통해 수신 노드(300)로 데이터를 전송한다(S340). Next, the transmitting
이때, 송신 노드(100)는 장착된 센서들로부터 수집된 수중 정보를 전송에 적합한 디지털 신호로 변환하고, 채널 환경에 따라 선택된 기법을 이용하여 변환된 디지털 신호를 변조한다. At this time, the
그리고 송신 노드(100)는 변조된 신호를 교류 전류에 실려 송신 노드(100)의 코일 안테나를 통과시키면서 자기장을 생성한다. 이때, 송신 노드(100)의 자기장 영역 내에 있는 이동형 중계 노드(200)의 코일 안테나로 전류를 유도하여 변조된 신호를 전달한다. In addition, the transmitting
또한, 복수의 이동형 중계 노드(200)는 도출된 위치로 이동하거나 각 노드의 코일의 축을 보정한 후, 인접한 노드로부터 생성된 자기장을 통해 코일 안테나의 전류가 유도되면, 유도된 전류에서 탐색 과정을 거쳐 세기가 가장 큰 신호를 선택한다. 그리고 복수의 이동형 중계 노드(200)는 선택된 가장 큰 신호를 선택된 다른 이동형 중계 노드(200) 또는 수신 노드(300)로 전달할 수 있다. In addition, the plurality of
한편, 자기장 통신 시스템은 수신 노드(100)과 송신 노드(300)간의 거리 정보에 따라 이동형 중계 노드를 선택하지 않고 직접 통신을 수행하도록 할 수 있다. Meanwhile, the magnetic field communication system may perform direct communication without selecting a mobile relay node according to distance information between the receiving
즉, 도 5의 (a)와 같이, 자기장 통신 시스템은 송신 노드(Sensor node with MI transceiver: 100)간의 직접 통신을 수행하거나 송신 노드(100)와 수신 노드(Root node with MI transceiver and connection to aboveground device: 300)간의 직접 통신을 수행하거나 도 5의 (b)와 같이, 자기장 통신 시스템은 송신 노드(100)와 수신 노드(300) 사이에 복수의 이동형 중계 노드(MI relay: 200)를 이용하여 통신을 수행할 수 있다.That is, as shown in (a) of FIG. 5, the magnetic field communication system performs direct communication between a transmitter node (Sensor node with MI transceiver) 100 or a root node with MI transceiver and connection to aboveground node. The magnetic field communication system uses a plurality of mobile relay nodes (MI relays 200) between the transmitting
그리고 자기장 통신 시스템은 송신 노드(100)와 수신 노드(300)간의 거리 정보 이외에도 수중 환경의 조건을 고려하여 송신 노드(100)와 수신 노드(300)간 직접 통신을 수행하거나 이동형 중계 노드(200)를 이용하는 도파로 통신을 수행하도록 변경 및 설정이 가능하다. In addition, in addition to distance information between the transmitting
한편, 송신 노드(100)가 자기장 통신을 수행하면, 자기장 통신 서버는 각각의 인접하는 노드 간에 수신 신호의 세기와 자기장 왜곡에 대한 피드백 정보를 수신할 수 있다. 그리고 피드백 정보를 고려하여 송신 노드(100), 복수의 이동형 중계 노드(200) 및 수신 노드(300)는 각각의 코일 축을 보정할 수 있다. Meanwhile, when the transmitting
이때, 송신 노드(100), 복수의 이동형 중계 노드(200) 및 수신 노드(300)는 각 노드들이 위치하는 수중의 유속에 따른 코일의 가속도 및 회전 방향을 이용하여 각 노드의 코일 축을 보정할 수 있다. At this time, the transmitting
이하에서는 도 6을 이용하여 자기장 간섭 환경에서의 노드의 코일 축의 변화에 대해서 설명한다. Hereinafter, a change in the coil axis of a node in a magnetic field interference environment will be described with reference to FIG. 6.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 간섭 환경에서의 노드의 코일의 회전과 자기장 도파로 전송 기법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for describing a method of rotating a coil of a node and transmitting a magnetic waveguide in a magnetic field interference environment according to an embodiment of the present invention.
도 6의 (a)는 노드의 코일의 회전과 분극 각도를 나타낸 예시도이고, 도 6의 (b)는 자기장 간섭 환경에서 이동형 중계 노드의 축의 변화에 따른 간섭이 발생한 상황을 나타낸 예시도이다. FIG. 6A is an exemplary diagram showing the rotation and polarization angle of a coil of a node, and FIG. 6B is an exemplary diagram illustrating a situation in which interference occurs according to a change of an axis of a mobile relay node in a magnetic field interference environment.
수중 환경에서 자기장 통신 시스템의 각 노드는 지상에서와는 달리 물의 흐름에 의해 이동 및 회전이 계속 이루어지는데 회전 가속도는 유속에 비례하고 회전 방향은 유속 방향의 영향을 받는다. 수중에서 노드의 코일 안테나의 이동 및 회전이 발생하면 코일 안테나의 동축 성질이 파괴되며 안테나의 방향에 따라 경로 손실이 크게 변화하기 때문에 자기장 통신 성능이 심각한 영향을 받게 된다.In an underwater environment, each node of the magnetic field communication system continues to move and rotate by the flow of water unlike on the ground. The rotational acceleration is proportional to the flow velocity and the rotation direction is affected by the flow velocity direction. When the node's coil antenna moves or rotates underwater, the coaxial properties of the coil antenna are destroyed, and the path loss varies greatly depending on the direction of the antenna, so the magnetic field communication performance is seriously affected.
도 6의 (a) 왼쪽 그림을 보면 송신 노드(Transmitter Coil)의 자기장 방향이 수신 노드(Receiver Coil)의 자기장 방향과 이어져 있어 자기장 통신이 원활하게 수행되지만, 도 6의 (a) 오른쪽 그림을 보면, 송신 노드(Transmitter Coil) 및 수신 노드(Receiver Coil)의 코일 축(Coil axis)이 회전되어 자기장 방향(Magnetic field)이 어긋나 있는 것을 확인할 수 있다. In the figure on the left (a) of FIG. 6, the magnetic field direction of the transmitter coil is connected to the magnetic field direction of the receiver node, so magnetic field communication is smoothly performed. , It can be seen that the coil axis of the transmitting node (Transmitter Coil) and the receiving node (Receiver coil) is rotated so that the magnetic field direction (Magnetic field) is shifted.
도 6의 (b)는 본 발명에서 제안하는 이동형 중계 노드(200: Relay Coil)을 이용한 도파로 전송에서 도 6의 (a)와 같이 코일의 축이 회전하여 자기장 통신 시스템의 성능의 저하되는 상황을 나타낸 것이다. 도 6의 (b)를 보면, 송신 노드(100: TX Coil)에서 복수의 이동형 중계 노드(200: Relay Coil)을 거쳐 수신 노드(300: RX Coil)로 데이터를 전송하는 도중, 두번째와 세번째의 이동형 중계 노드(200: Relay Coil)의 코일 축이 회전하여 간섭(Interference)이 발생한 것을 확인할 수 있다. 6(b) shows a situation in which the performance of the magnetic field communication system is degraded by rotating the axis of the coil as shown in FIG. 6(a) in waveguide transmission using a mobile relay node 200 (Relay Coil) proposed in the present invention. Is shown. Referring to (b) of FIG. 6, in the middle of transmitting data from a transmitting node 100 (TX Coil) to a receiving node 300 (RX Coil) through a plurality of mobile relay nodes 200: It can be seen that the coil axis of the
이와 같은 상황을 극복하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 자기장 통신 시스템은 수신 신호의 세기가 임계값 이상으로 감소하거나 자기장 왜곡에 대한 상황을 감지하면, 해당 노드의 코일 축을 보정하여 정상적인 자기장 통신을 수행하도록 하기 위해서 피드백 정보를 활용할 수 있다. In order to overcome such a situation, the magnetic field communication system according to the embodiment of the present invention performs normal magnetic field communication by correcting the coil axis of the corresponding node when the intensity of the received signal decreases above a threshold value or detects a situation of magnetic field distortion. You can use the feedback information to do it.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 전파 지연시간이 단축되는 장점이 있고 저렴한 비용으로 네트워크를 구축할 수 있는 자기장 통신에서 도파로 전송 방식을 취득하여 장거리 및 고속 전송을 안정적으로 제공할 수 있다. As described above, according to an embodiment of the present invention, it is possible to stably provide long-distance and high-speed transmission by acquiring a waveguide transmission method in magnetic field communication, which has the advantage of shortening the propagation delay time and allows a network to be constructed at low cost.
또한, 도파로 전송 방식과 자기장 측위 기술로 얻은 위치 정보를 융합하여 이동형 중계 노드를 효과적으로 이용함으로써, 자기장 통신의 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, by effectively using the mobile relay node by fusing the position information obtained by the waveguide transmission method and the magnetic field positioning technology, the performance of magnetic field communication can be improved.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 송신 노드 200: 이동형 중계 노드
300: 수신 노드 100: sending node 200: mobile relay node
300: receiving node
Claims (5)
상기 자기장 통신 서버는 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 위치 정보를 획득하는 단계,
상기 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리 정보를 이용하여 중계에 필요한 N(N은 1 이상의 자연수)개의 이동형 중계 노드를 선택하는 단계,
상기 N 개의 이동형 중계 노드의 위치를 설정하고, 설정된 위치로 상기 N 개의 이동형 중계 노드를 이동시키며, 상기 송신 노드, 수신 노드 및 복수의 이동형 중계 노드의 코일 축을 정렬시키는 단계, 그리고
상기 송신 노드는 상기 선택된 이동형 중계 노드를 통해 상기 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 수중 네트워크 방법. In the underwater network method using a magnetic field communication system including a plurality of mobile relay nodes and a magnetic field communication server,
The magnetic field communication server obtaining location information of a transmitting node, a receiving node, and a plurality of mobile relay nodes,
Selecting N (N is a natural number of 1 or more) mobile relay nodes required for relay using distance information between the transmitting node and the receiving node,
Setting the positions of the N mobile relay nodes, moving the N mobile relay nodes to the set positions, and aligning the coil axes of the transmitting node, the receiving node, and the plurality of mobile relay nodes, and
And the transmitting node transmitting data to the receiving node through the selected mobile relay node.
상기 위치 정보를 획득하는 단계는,
상기 수신 노드 및 송신 노드의 절대 위치 좌표와 상기 수신 노드 및 송신 노드의 코일 X축, 코일 Y축, 코일 Z축 값을 이용하여 상기 복수의 이동형 중계 노드의 위치를 획득하는 수중 네트워크 방법. The method of claim 1,
The step of obtaining the location information,
An underwater network method of acquiring the positions of the plurality of mobile relay nodes by using the absolute position coordinates of the receiving node and the transmitting node and values of the coil X axis, the coil Y axis, and the coil Z axis of the receiving node and the transmitting node.
상기 송신 노드가 자기장 통신을 수행하면, 상기 자기장 통신 서버는 각각의 인접하는 노드 간에 수신 신호의 세기와 자기장 왜곡에 대한 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고
상기 피드백 정보를 고려하여 각 노드는 코일 축을 보정하는 단계를 더 포함하는 수중 네트워크 방법. The method of claim 2,
When the transmitting node performs magnetic field communication, the magnetic field communication server receives feedback information on the strength of a received signal and magnetic field distortion between each adjacent node, and
In consideration of the feedback information, each node further comprises the step of calibrating the coil axis.
상기 코일 축을 보정하는 단계는,
각 노드들이 위치하는 수중의 유속에 따른 코일의 가속도 및 회전 방향을 이용하여 각 노드의 코일 축을 보정하는 수중 네트워크 방법. The method of claim 3,
Compensating the coil axis,
Underwater network method for correcting the coil axis of each node using the acceleration and rotation direction of the coil according to the flow velocity in the water where each node is located.
상기 복수의 이동형 중계 노드는,
도출된 위치로 이동하거나 각 노드의 코일의 축을 보정한 후, 인접한 노드로부터 생성된 자기장을 통해 코일 안테나의 전류가 유도되면, 유도된 전류에서 탐색 과정을 거쳐 세기가 가장 큰 신호를 선택하고, 선택된 가장 큰 신호를 선택된 다른 이동형 중계 노드 또는 수신 노드로 전달하는 수중 네트워크 방법.The method of claim 4,
The plurality of mobile relay nodes,
After moving to the derived position or correcting the axis of the coil of each node, when the current of the coil antenna is induced through the magnetic field generated from the adjacent node, the signal with the highest intensity is selected through a search process from the induced current, and the selected Underwater network method that delivers the largest signal to another selected mobile relay node or receiving node.
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