KR102254601B1 - 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

선박에 구성되는 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치가 개시된다. 이 선박 통신 장치는 제 1 타 선박과의 통신을 위한 일체로 형성된 다수의 지향성 안테나들을 포함하는 제 1 접속 모듈, 제 2 타 선박과의 통신을 위한 무지향성 안테나를 포함하는 제 2 접속 모듈, 및 제 1 접속 모듈 및 제 2 접속 모듈과 이더넷 인터페이스를 통해 연결되는 브리지를 포함한다.

Description

멀티홉 릴레이 선박 통신 장치{Apparatus for multi-hop relay maritime communication}
무선 통신 장치, 특히 해상용 무선 통신 장치가 개시된다.
해상통신은 매우 오래된 통신이지만, 해상에서 유무선 통신 인프라를 구축하는 것은 어렵기 때문에 육상 통신에 비해 상대적으로 진화가 느리게 진행되고 있는 실정이다. 그러나 최근 통신기술의 급격한 발전에 따라 해상통신도 기술 현대화가 진행되고 있다. 최근 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO) 주도하에 전자적 방법에 의해 선박과 육상의 해상정보를 수집, 통합, 교환, 표현, 및 분석을 제공함으로써, 해상에서의 안전과 보안 및 해양환경을 보호하고자 하는 e-Navigation 정책이 국제적으로 추진되어 4S(Ship to Ship, Ship to Shore) 통신의 중요성이 부각되고 있다.
해상 선박의 경우 대부분 VHF 통신 장치를 탑재하고 있으나, 간단한 문자메시지 전송을 제외하고는 음성 위주의 아날로그 통신에 의존하고 있으며, 원양을 항해하는 선박들은 저속이면서도 고가인 위성통신에 의존하는 상황이다. 심지어 선박의 대부분을 차지하는 소형 어선의 경우 많은 어선들이 최소한의 안전을 보장할 수 있는 통신 장치도 없이 생명을 담보로 조업에 임하고 있는 상황이다. 많은 선박들이 연안 근처에서 운항하지만 해상용 광대역 디지털 통신망이 없기 때문에 육상으로부터 다양한 서비스를 제공받기가 어렵다. 또한 기존의 휴대전화망 등 육상 통신망을 활용하고 있으나 통신범위에 한계가 있으며 여러 지역을 항해하는 선박에서 활용하기에는 문제가 있기 때문에 활성화하기 어려운 상황이다.
최근에는 해상통신 현대화를 위한 연구로 ITU-R M. 1842-1 기반 해상 디지털 VHF 무선통신 시스템 개발에 대한 연구와 지상의 이동통신 기술인 WiMAX MMR(Mobile Multi-hop Relay) 기술이나 무선랜(Wireless LAN) 기술을 해상에 적용한 연구 등이 있다. 이와 같이 음성 위주의 아날로그 통신에 의존하던 해상통신이 디지털 데이터 통신으로 현대화가 진행되고 있다.
새로운 해상용 광대역 무선통신 인프라를 위한 기술로 위성통신, 기존의 해상통신, 지상통신이 있을 수 있다. 근원적으로 위성통신의 경우 가격을 낮추기가 힘들며, 기존의 해상통신은 속도를 높이기 힘들다. UHF(Ultra High Frequency)/SHF 대역을 사용하는 지상통신 기술은 통달거리에 대한 문제가 있지만, 멀티홉 릴레이 기술과 고성능 AMP 개발 및 지향성 안테나를 이용하는 등의 기술로 통달거리 확장이 가능하다.
지상의 광대역 무선통신 기술을 해상에 적용함에 있어 지상에서와 같이 UHF 대역 이상의 주파수 대역을 사용하는 경우 해상에서 사용하고 있는 MF, HF, VHF 대역 주파수에 비해 전파 통달거리가 짧다는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해서 전방향 안테나(Omni-directional antenna)를 사용하는 대신 지향성 안테나(Directional antenna)를 사용함으로써 전자 통달거리를 늘리는 동시에 주파수에 대한 공간 재사용 이득을 높이는 방법을 생각해볼 수 있다. 그러나 지향성 안테나는 특정 방향으로만 전파를 강하게 방사하거나 그 방향으로부터의 전파에 대하여 감도가 높아지는 특성을 가지기 때문에, 지상의 장거리 통신에서 고정국간 P2P(Point-to-Point) 통신에는 사용되고 있으나 해상의 이동중인 선박들 간에 P2MP(Point-to-Multipoint) 통신에는 적합하지 못하다.
국내등록특허공보 제10-0574881호 (2006년 4월 21일)
본 발명은 고정된 통신 인프라를 구축하기 힘든 해상 환경에서 이동하는 선박 간의 통신거리를 확장하기 위한 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치는 제 1 타 선박과의 통신을 위한 일체로 형성된 다수의 지향성 안테나들을 포함하는 제 1 접속 모듈, 제 2 타 선박과의 통신을 위한 무지향성 안테나를 포함하는 제 2 접속 모듈, 및 제 1 접속 모듈 및 제 2 접속 모듈과 이더넷 인터페이스를 통해 연결되는 브리지를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에서 제 1 접속 모듈의 다수의 지향성 안테나들은 전방위 커버를 위해 일정 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에서 제 1 접속 모듈은 다수의 지향성 안테나들과 일체로 형성되는 무지향성 안테나를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에서 제 1 접속 모듈은 스테이션용이며, 제 2 접속 모듈은 액세스 포인트용일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에서 지상의 통신망에 접속하며, 이더넷 인터페이스를 통해 브리지와 연결되는 제 3 접속 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에 의하면, 고정된 통신 인프라를 구축하기 힘든 해상 환경에서 선박 간의 통신거리를 확장할 수 있다.
또한, 해상 환경에서 광대역 무선 이동통신 서비스를 제공하기 위한 추가적인 인프라 구축과 운용 비용이 요구되지 않으므로, 운용비용을 절감할 수 있다.
또한, 지상의 무선통신을 해상으로 확장해서 사용할 수 있으므로, 위성통신 사용에 비해 선박의 통신비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 앙각의 차이에 따른 통신 불능 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치의 블록도이다.
도 2는 지향성 안테나들을 예시한 도면이다.
도 3은 지향성 안테나들을 가진 선박들 간의 통신 상태를 예시한 도면이다.
도 4는 지향성 안테나들을 가진 선박들 간의 P2MP 통신 상태를 예시한 도면이다.
도 5는 지향성 안테나들을 가진 선박들과 무지향성 안테나를 가진 선박 간의 P2MP 통신 상태를 예시한 도면이다.
도 6은 선박 간 멀티홉 릴레이 통신 상태를 예시한 도면이다.
도 7은 선박 간의 앙각의 차이에 따른 통신 상태를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치를 예시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 해상 무선 통신 네트워크 구성을 예시한 도면이다.
도 11은 브리지와 접속 모듈과의 이더넷 인터페이스 및 IP 할당을 예시한 도면이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치(1000)는 제 1 접속 모듈(100), 제 2 접속 모듈(200), 제 3 접속 모듈(300), 제 4 접속 모듈(400) 및 브리지(500)를 포함할 수 있다.
제 1 접속 모듈(100)은 지상방향 접속모듈(Lnadward Access Module, LAM)로서, WLAN 스테이션일 수 있다. 제 1 접속 모듈(100)은 상위 선박과의 통신을 수행할 수 있다. 또한, 제 1 접속 모듈(100)은 WiFi 통신 모듈일 수 있다.
제 2 접속 모듈(200)은 해상방향 접속모듈(Seaward Access Module, SAM)로서, WLAN 액세스 포인트일 수 있다. 제 2 접속 모듈(200)은 하위 선박과의 통신을 수행할 수 있다. 또한, 제 2 접속 모듈(200)은 WiFi 통신 모듈일 수 있다.
제 3 접속 모듈(300)은 지상접속모듈(Terrestrial Access Module, TAM)로서, LTE 모듈이나 WCDMA 모듈 등일 수 있다. 제 3 접속 모듈(300)은 지상의 통신망, 예를 들어 WCDMA 또는 LTE 망과 직접 통신 연결하는 역할을 한다. 또한, 제 3 접속 모듈(300)은 복수의 LTE/WCDMA 통신 모듈로 구성될 수 있다.
제 4 접속 모듈(400)은 선내망 접속모듈(Intra-ship Access Module, IAM)로서, 선내 이더넷(Intra-ship Ethernet)일 수 있다. 장거리 통신을 위해, 제 1 접속 모듈(100) 내지 제 3 접속 모듈(300)은 최대한 높은 위치에 설치될 수 있다.
제 1 접속 모듈(100)은 지상 방향에 위치한 선박(이하에서는 이를 ‘상위 선박’이라 한다)과의 통신 접속을 위한 모듈로서, 다수의 지향성 안테나(110)들과 지향성 안테나용 모뎀(120)들을 포함할 수 있다. 이 다수의 지향성 안테나(110)들은 일체로 형성될 수 있으며, 전방위 커버를 위해 일정 간격으로 배치될 수 있다. 또한 제 1 접속 모듈(100)은 지향성 안테나(110)들과 일체로 형성되는 무지향성 안테나(130)와 무지향성 안테나용 모뎀(140)을 더 포함할 수 있다. 제 2 접속 모듈(200)은 해상 방향에 위치한 선박(이하에서는 이를 ‘하위 선박’이라 한다)과의 통신 접속을 위한 모듈로서, 무지향성 안테나(210)와 무지향성 안테나용 모뎀(220)을 포함할 수 있다.
브리지(500)는 상술한 접속 모듈들과 함께 선박에 설치되어 해상 통신국을 구성한다. 브리지(500)는 선박의 통신실 또는 선교에 설치될 수 있으며, 제 1 접속 모듈(100), 제 2 접속 모듈(200), 제 3 접속 모듈(300) 및 제 4 접속 모듈(400)과 이더넷 인터페이스를 통하여 연결될 수 있다.
또한 제 3 접속 모듈(300)과 제 2 접속 모듈(200) 간 그리고 제3 접속 모듈(300)과 제 4 접속 모듈(400) 간의 상하향 링크는 이종망으로 라우팅되며, 제 2 접속 모듈(200)과 제 1 접속 모듈(100) 간 그리고 제 1 접속 모듈(100)과 제 4 접속 모듈(400) 간의 상하향 링크는 동종망 브리징 또는 라우팅된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 브리지(500)는 접속 모듈들(100, 200, 300, 400)과의 인터페이스를 위해 4개의 이더넷 인터페이스(eth0 ~ eth3)를 가질 수 있다.
도 11은 브리지와 접속 모듈과의 이더넷 인터페이스 및 IP 할당을 보인다. 모든 해상 통신국들은 브리지가 운용 서버로부터 private IP(Class A, 10.x.x.x)를 할당받아 해상 통신국의 대표 IP로 사용하고, 브리지와 연결된 접속 모듈 및 브리지의 내부 이더넷 인터페이스들에는 고정된 private IP(Class C)를 할당해서 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 브리지(500)는 접속 모듈용 인터페이스(510)와 브리지 모듈(520)을 포함할 수 있다. 접속 모듈용 인터페이스(510)는 복수의 이더넷 인터페이스(eth0, eth1, eth2, eth3)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 접속 모듈(100)은 eth1과 연결되고, 제 2 접속 모듈(200)은 eth2에 연결되고, 제 3 접속 모듈(300)은 eth0과 연결되며, 제 4 접속 모듈(400)은 eth3과 연결될 수 있다. 브리지 모듈(520)은 접속 모듈들에 대한 제어 및 정보수집 기능, 이종망 및 동종망 브리지 기능, 해상 채널 관리 기능 등을 수행할 수 있다. 추가적으로, DHCP Relay Agent, NAT, SNMP Manager 기능도 수행할 수 있다. 나아가 브리지(500)는 설정정보변경, 상태정보조회, 관리자계정 등을 위한 사용자 인터페이스(530)와 설정정보와 상태정보 등을 저장하는 데이터베이스(540)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 지향성 안테나들을 예시한 도면이다. 지향성 안테나의 방위각은 90도일 수 있다. 지향성 안테나의 방위각이 90도일 경우, 360도 전방위를 커버하기 위해 4개의 지향성 안테나(110)를 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 일정한 간격으로 배치할 수 있다. 지향성 안테나별 모뎀(120)은 도 2의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 일체로 형성될 수 있다.
도 3은 지향성 안테나들을 가진 선박들 간의 통신 상태를 예시한 도면이다. 도 3의 (a)에서, 선박 2는 안테나 방향을 선박 1에 일치시켰으나, 선박 1의 안테나 방향이 틀어짐으로써 통신이 이루어질 수 없다. 그러나 도 3의 (b)와 같이, 선박 1이 안테나 방향을 선박 2와 일치시키면 통신이 가능해진다. 즉, 선박 1의 안테나 방향과 선박 2의 안테나 방향이 서로 다른 선박에 일치시켰을 때, 선박 1과 선박 2는 통신을 수행할 수 있다.
도 4는 지향성 안테나들을 가진 선박들 간의 P2MP(Point-to-Multipoint) 통신 상태를 예시한 도면이다. 선박 1과 선박 3은 안테나 방향을 일치시켜 통신 가능한 상태이다. 그러나 선박 1과 선박 2는 안테나 방향이 일치하지 않아 통신이 불가한 상태이다. 이를 위해, 선박 1이 선박 2 방향으로 안테나를 일치시키면 선박 1과 선박 2는 통신이 가능해지나, 선박 1과 선박 3이 통신할 수 없게 된다.
도 5는 지향성 안테나들을 가진 선박들과 무지향성 안테나를 가진 선박 간의 P2MP 통신 상태를 예시한 도면이다. 선박 1에는 무지향성 안테나가 설치되어 있으며, 선박 2와 선박 3에는 다수의 지향성 안테나들이 설치되어 있다. 선박 1은 무지향성 안테나를 사용함으로써 통달거리가 다소 짧아지기는 하나, 선박 2와 선박 3과의 P2MP 통신이 가능해진다.
도 6은 선박 간 멀티홉 릴레이 통신 상태를 예시한 도면이다. 선박 1과 선박 2 및 선박 3에는 제 1 접속 모듈(100)과 제 2 접속 모듈(200) 및 이들을 연결하는 브리지(500)를 포함하는 선박 통신 장치(해상 통신국)가 설치되어 있다. 제 1 접속 모듈(100)은 멀티홉 릴레이 통신에서 상위 선박으로의 접속을 위한 다수의 지향성 안테나 조합 구성을 포함하고, 제 2 접속 모듈(200)은 멀티홉 릴레이 통신에서 다수의 하위 선박들의 접속을 위한 무지향성 안테나 조합 구성을 포함한다. 선박 1과 선박 2는 각각 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 통해 통신이 이루어진다. 그리고 선박 2와 선박 3은 각각 무지향성 안테나와 지향성 안테나를 통해 통신이 이루어진다. 이에 따라, 멀티홉 릴레이 통신이 가능해진다.
도 7은 선박 간의 앙각의 차이에 따른 통신 상태를 예시한 도면이다. 도 7의 (a)에 도시된 선박 1과 선박 2에 설치된 선박 통신 장치는 도 6의 경우와 동일한 것으로서, 도 7의 (a)는 선박 1과 선박 2의 앙각의 차이에 의해 통신이 불가함을 나타낸다. 송수신 안테나의 앙각의 차이는 선박운동(rolling, pitching)과 해수면으로부터 설치된 안테나의 높이 차에 따라 발생하며, 선박 간 통신에서는 선박이 근접할수록 앙각이 신호품질에 더 큰 영향을 준다. 도 7의 (b)는 앙각 문제 해결책을 나타낸 것으로서, 제 1 접속 모듈(100)의 다수의 지향성 안테나 조합 구성에 앙각이 지향성 안테나보다 큰 무지향성 안테나를 추가 설치한다. 앙각 문제는 주로 선박이 근접한 경우에 발생하므로, 통달거리와 관계없이 무지향성 안테나로 해결할 수 있다. 참고로, 도 7의 (b)에서는 선박 2의 제 1 접속 모듈(100)에만 다수의 지향성 안테나 조합 구성에 무지향성 안테나를 추가한 것으로 나타내었으나, 선박 1의 제 1 접속 모듈(100) 역시 선박 2의 제 1 접속 모듈(100)과 동일할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치를 예시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 선박 통신 장치는 제 1 접속 모듈(100)과 제 2 접속 모듈(200)과 제 3 접속 모듈(300)과 제 4 접속 모듈(400) 및 이 접속 모듈들과 이더넷 인터페이스를 통해 연결되는 브리지(500)를 포함할 수 있다. 그리고 제 1 접속 모듈(100)의 안테나는 지향성 안테나(110)들과 무지향성 안테나(130)로 구성될 수 있으며, 제 2 접속 모듈(200)의 안테나는 무지향성 안테나(210)로 구성될 수 있다.
도 9 및 도 10은 해상 무선 통신 네트워크 구성을 예시한 도면이다. 도면부호 910과 920, 930과 940은 다중링크(multi-link) 연결을 보인다. 도면부호 910과 920은 액티브-스탠바이(Active-Standby) 연결로 부모가 동일한 연결이다. 선박 4의 다수의 지향성 안테나 조합에서 선박 1에 2개의 지향성 안테나가 연결 가능한 상황으로서, 910 연결은 현재 액티브 상태의 연결이고 920 연결을 스탠바이 연결로 선박의 이동, 회전에 따라 안테나 방향이 바뀌는 경우 빠르게 스위칭 가능하게 한다. 930과 940은 액티브-액티브 연결로 부모가 다른 연결이다. 선박 6의 다수의 지향성 안테나 조합에서 선박 2와 선박 3에 2개의 지향성 안테나가 연결 가능한 상황으로서, 모두 액티브 상태로 연결한다. 이와 같은 액티브-액티브 연결을 네트워크 트래픽에 대한 로드 밸런싱(Load Balancing)을 통해서 부하를 분산하고 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
도 9에서 선박 1과 선박 2 및 선박 3은 육상 베이스(Base)에 가까운 위치에 있어 육상 베이스에 직접 연결해서 지상의 인터넷망에 접속하고, 선박 4와 선박 5 및 선박 6은 다른 선박의 중계를 통해 지상의 인터넷망에 접속한다. 육상 베이스와 선박 간 통신 방식과 선박과 선박 간 통신 방식을 다르게 구성할 수 있다. 그리고 육상 베이스 1과 육상 베이스 2는 다른 통신 방식을 가질 수 있다. 예를 들어, 육상 베이스 1은 LTE 기지국이고, 육상 베이스 2는 무선랜(WLAN) AP일 수 있으며, 선박과 선박 간 통신은 무선랜을 사용할 수 있다. 도 10은 이 같은 네트워크 구성의 예를 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 제 1 접속 모듈(LAM) 110 : 지향성 안테나들
120 : 모뎀들 130 : 무지향성 안테나
140 : 모뎀 200 : 제 2 접속 모듈(SAM)
210 : 무지향성 안테나 220 : 모뎀
300 : 제 3 접속 모듈(TAM) 400 : 제 4 접속 모듈(IAM)
500 : 브리지 510 : 이더넷 인터페이스
520 : 브리지 모듈 530 : 사용자 인터페이스
540 : 데이터베이스

Claims (5)

  1. 선박에 구성되는 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치에 있어서,
    지상 방향에 위치한 상위 선박과의 통신 접속을 위한 일체로 형성된 다수의 지향성 안테나들을 포함하는 제 1 접속 모듈;
    해상 방향에 위치한 하위 선박과의 통신 접속을 위한 무지향성 안테나를 포함하는 제 2 접속 모듈; 및
    제 1 접속 모듈 및 제 2 접속 모듈과 이더넷 인터페이스를 통해 연결되는 브리지를 포함하되,
    상기 제 1 접속 모듈은 다수의 지향성 안테나들이 일정 간격으로 배치되어 일체로 형성되고, 상기 다수의 지향성 안테나들 보다 앙각이 큰 무지향성 안테나를 더 포함하되,
    상기 브리지는
    복수의 이더넷 인터페이스를 포함하는 접속 모듈용 인터페이스와 상기 접속 모듈들에 대한 제어 및 정보수집 기능, 이종망 및 동종망 브리지 기능, 해상 채널 관리 기능을 수행하는 브리지 모듈을 포함하고,
    액티브-스탠바이(Active-Standby) 연결로 부모가 동일한 연결인 경우로, 다수의 지향성 안테나 조합에서 부모 선박인 제1 선박에 2개의 지향성 안테나가 연결 가능한 상황인 경우 다수의 지향성 안테나 중 임의의 지향성 안테나를 상기 제1 선박과 액티브 상태로 연결되고, 다른 임의의 지향성 안테나의 경우 스탠바이 상태로 연결하며, 선박의 이동, 회전에 따라 안테나 방향이 바뀌는 경우 빠르게 스위칭 가능하고, 액티브-액티브 연결로 부모가 다른 연결인 경우, 다수의 지향성 안테나 조합에서 부모가 다른 제2 선박과 제3 선박에 각각의 지향성 안테나를 모두 각각 액티브 상태로 연결하고, 상기 액티브-액티브 연결을 네트워크 트래픽에 대한 로드 밸런싱(Load Balancing)을 통해서 부하를 분산하고 전송 속도를 향상시키는 것인
    멀티홉 릴레이 선박 통신 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 접속 모듈은 스테이션용이며, 제 2 접속 모듈은 액세스 포인트용인 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    지상의 통신망에 접속하며, 이더넷 인터페이스를 통해 브리지와 연결되는 제 3 접속 모듈;
    을 더 포함하는 멀티홉 릴레이 선박 통신 장치.
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