UUV–USV 협력 미션을 위한 광–음향 하이브리드 수중 무선 통신시스템 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, cooperative operations between unmanned underwater vehicles (UUVs) and unmanned surface vehicles (USVs) have gained significant attention in various maritime applications such as ocean surveillance, underwater infrastructure inspection, and autonomous exploration. These missions require a reliable and real-time communication infrastructure that can autonomously adapt to the highly dynamic and three-dimensional marine environment. Conventional underwater acoustic communication offers long-range capability but suffers from low data rates and high latency. On the other hand, underwater wireless optical communication (UWOC) enables high-speed and low-latency transmission but is limited by short range and the need for precise optical beam alignment.
To address these limitations, this paper proposes AquaLink, a hybrid underwater wireless communication system that integrates optical and acoustic communication technologies. Based on this system, a cooperative UUV–USV communication architecture is designed and implemented, and its performance is evaluated through both tank and open-sea experiments. AquaLink consists of five core hardware modules: (1) optical modem, (2) acoustic modem, (3) underwater environmental sensing system, (4) optical beam tracking and alignment system, and (5) integrated control system. The optical modem incorporates a high-power LD array transmitter and a SiPM-based high-sensitivity receiver, while the acoustic modem utilizes a BPSK modulation scheme for robust long-range communication.
The system performs real-time optical beam alignment using relative position information derived from USBL and AHRS data, combined with received optical power measurements. Environmental sensing modules monitor turbidity, illumination, and depth to predict channel conditions and determine the feasibility of optical communication. An FSM-based adaptive communication control algorithm dynamically switches between optical and acoustic modes by evaluating real-time channel quality metrics such as SNR, PER, and received power. Moreover, an asymmetric communication protocol is implemented, allowing the UUV to uplink sensor and video data at high speeds, while the USV transmits control and command data with high reliability.
The performance of the AquaLink system is validated in two experimental settings. In a controlled tank environment, quantitative measurements were conducted to evaluate BER, optical alignment accuracy, and communication throughput under varying turbidity and range conditions. In open-sea field tests, cooperative communication scenarios involving both stationary and mobile UUV–USV configurations were performed to assess link stability, mode switching delay, and directional robustness. The proposed system demonstrated superior performance over single-mode systems, achieving a 92% packet success rate, 1.6-second average mode switching latency, and over 93% alignment stability, even during mobile operations.
This study successfully implements a practical underwater hybrid communication architecture capable of adapting to diverse and challenging marine conditions. The proposed AquaLink platform is expected to serve as a foundational technology for future applications in autonomous maritime collaboration, persistent underwater exploration, naval surveillance, and ocean resource monitoring.

국문 초록 (Abstract)

최근 해양 감시, 수중 구조물 검사, 자율 해양 탐사 등 다양한 응용 분야에서 수중무인로봇(UUV)과 무인수상선(USV) 간의 협력 운용이 활발히 연구되고 있다. 이러한 협력 미션은 수중과 수상 간의 실시간, 고신뢰성 통신 인프라를 전제로 하며, 특히 동적 환경 변화에 능동적으로 적응할 수 있는 통신 시스템의 구현이 핵심 과제로 부상하고 있다. 기존 수중 통신 기술 중 하나인 음향통신은 장거리 전송이 가능하다는 장점을 갖지만, 낮은 전송 속도와 높은 지연(latency)으로 인해 실시간성 확보에 한계가 있으며, 광통신은 고속 데이터 전송과 저지연 특성이 장점이지만 전송 거리의 제한과 광축 정렬의 민감성으로 인해 활용에 제약이 있다.
본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 광통신과 음향통신의 장점을 융합한 광–음향 하이브리드 수중 무선통신 시스템인 AquaLink를 제안하고, 이를 기반으로 한 UUV–USV 협력 통신체계를 설계 및 구현하였으며, 수조 및 실해역에서의 성능 검증을 통해 그 실효성을 입증하였다. AquaLink는 광통신 모뎀, 음향통신 모뎀, 수중 환경 센서시스템, 광축 추적 및 정렬 시스템, 통합 제어시스템 등 5개의 핵심 하드웨어 모듈로 구성되며, 고출력 LD 송신기 및 SiPM 수신기를 활용한 광통신 시스템과, BPSK 기반 장거리 음향통신 모뎀을 하나의 플랫폼에 통합하였다.
본 시스템은 USBL 및 AHRS 기반의 상대 위치정보와 수신 광파워 정보를 융합하여 2축 또는 3축 광축 정렬을 실시간으로 수행하며, 탁도·조도·수심 측정값을 기반으로 링크 상태를 예측하고, 통신 가능성을 판단하여 광–음향 간 통신모드를 자율적으로 전환한다. 이를 위해 개발된 통신모드 전환 알고리즘은 FSM(Finite State Machine) 기반의 구조로 설계되었으며, 실시간 채널 품질(SNR, PER, 수신파워 등)을 종합적으로 평가하여 링크 유지 및 전환 여부를 결정한다. 또한, 플랫폼 간 비대칭 통신 특성을 반영하여 UUV는 영상 및 센서 데이터를 고속 업링크하고, USV는 명령 및 제어 신호를 저속이지만 안정적으로 전송할 수 있도록 비동기 구조를 구현하였다.
AquaLink 시스템의 성능 검증은 실내 수조 환경에서의 정량 평가와 실해역 실험을 통해 이루어졌다. 수조 실험에서는 다양한 거리 및 탁도 조건에서 광통신 링크의 BER, 수신파워, 정렬 정밀도를 측정하였고, 해상 실험에서는 정박 및 이동 상태에서의 하이브리드 통신 운용 시나리오를 적용하여 통신 거리, 모드 전환 시간, 링크 유지율 등의 항목을 평가하였다. 실험 결과, 광–음향 하이브리드 시스템은 기존의 단일 모드 대비 높은 링크 안정성(92%), 짧은 전환 지연 시간(1.6초), 광축 정렬 유지율(93.5%)을 달성하였으며, 특히 이동 중에도 안정적인 광통신 링크 유지가 가능함을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구는 수중 환경의 가변성과 제한 조건을 고려한 실시간 적응형 통신 시스템을 실용적 수준에서 구현하였다는 데에 의의가 있으며, 향후 해양 자율 협력 시스템, 장기 수중 탐사, 해양 국방 감시 체계 등 다양한 응용 분야에서의 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract ⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목표 및 범위 3
• 1.2.1 광-음향 하이브리드 통신시스템 개발 3
• 1.2.2 UUV-USV 협력 통신체계 구축 및 성능 검증 4
• 1.3 논문 구성 5
• 2. 수중 무선통신 및 관련 연구 6
• 2.1 수중 무선통신 기술 개요 6
• 2.1.1 음향통신 채널특성 및 변조방식 7
• 2.1.2 광통신의 채널특성 및 변조방식 10
• 2.1.3 전자기파 기반 수중통신 특성 17
• 2.2 수중 하이브리드 통신 기술 동향 18
• 2.2.1 광-음향 하이브리드 통신 연구 18
• 2.2.2 UUV 및 USV 적용 하이브리드 통신 연구 19
• 3. AquaLink(Adaptive Quality-Link) 시스템 23
• 3.1 AquaLink(Adaptive Quality-Link) 시스템 개요 23
• 3.1.1 AquaLink 하이브리드 통신시스템 23
• 3.1.2 AquaLink 시스템 전체 구성 23
• 3.2 AquaLink 시스템 상세설계 24
• 3.2.1 광통신 모뎀 24
• 3.2.2 음향통신 모뎀 27
• 3.2.3 수중 환경 측정시스템 29
• 3.2.4 광축 추적 및 정렬시스템 33
• 3.2.5 통합 제어시스템 36
• 4. UUV-USV 협력 기반 통신시스템 구축 43
• 4.1 UUV-USV 협력 통신체계 구축 43
• 4.1.1 데이터 수집용 UUV 시스템 45
• 4.1.2 통신 중계용 USV 시스템 48
• 4.1.3 UUV-USV 관제 시스템 51
• 4.2 UUV-USV 협력기반 알고리즘 개발 53
• 4.2.1 링크 상태 측정 및 예측 알고리즘 53
• 4.2.2 실시간 통신모드 전환 알고리즘 55
• 5. 실험 방법 및 성능 평가 58
• 5.1 광통신 및 음향통신 단일모드 실험 58
• 5.1.1 광통신 단일모드 실험 58
• 5.1.2 음향통신 단일모드 실험 66
• 5.1.3 단일모드 실험 결과 분석 68
• 5.2 UUV-USV 협력 하이브리드 모드 실험 70
• 5.2.1 고정 플랫폼간 하이브리드 모드 실험 70
• 5.2.2 이동 플랫폼간 하이브리드 모드 실험 72
• 5.2.3 하이브리드 모드 실험 결과 분석 74
• 5.3 실험 결과 비교 및 종합 분석 75
• 6. 결론 및 향후 연구 77
• 6.1 연구 요약 77
• 6.2 연구 기여 및 한계 78
• 6.3 향후 연구 방향 79
• 참고문헌 81
• 국문초록 86