선박은 내부 공간 및 자재가 금속으로 둘러 쌓여있는 특성상 전파가 쉽게 통과하지 못하며 항해 시 해상파에 의해 병진운동과 회전운동, 선체에 강한 충격을 받아 진동이 일어나는 슬래밍(Slamming) 및 유체의 자유 표면이 요동치는 슬로싱(Sloshing) 등이 발생한다. 이러한 선박의 특성 및 환경상 육상에서처럼 정밀하고 신속한 측위가 쉽지 않음으로 선박에 적합한 측위 기술을 선택하고 특성조사를 통해 실제로 육상에서처럼 측위에 아무런 문제가 없는지 혹은 무선 센서네트워크 망 구축에도 문제가 없는지 등을 파악하고자 하였다.

Figure 1은 본 연구의 대상 선박인 경상대학교 새바다호의 전경으로 본 과제의 적용대상 선박인 연안여객선과 구조적으로 유사한 실내 광장형 공간, 객실, 기관실, 주통로 등을 중심으로 특성조사를 실시하였다. 주요 제원은 Table 2에 나타냈으며 특성조사는 안벽에 계류된 상태에서 주기관은 정지하고 육상전기만 사용하여 e-Zigbee 기반의 무선 측위 기술을 적용한 태그 및 엑세스포인트의 특성조사를 실시하였다.

Figure 1: 
Saebada for full-scale ship

Paik et al. [6]은 지그비를 이용한 무선센스네트워크를 선박에 적용한 결과와 육상의 테스트베드 결과 값을 비교하여 각종 센싱 데이터들이 잘 인지하고 있음을 확인하였으나 선박 특성에 따른 페이딩 효과 등으로 인해 전송률 감소 및 측위에 어려움이 여전히 남아있음을 언급하였다.

본 연구는 선박의 특성을 정확히 파악하기 위해 기존 연구 및 새바다호의 일반배치도 사전 검토를 통해 측위에 적합한 엑세스포인트의 위치 및 개수를 예상하여 불필요한 조사 횟수를 줄이고자 하였다. 또한 선내 측위 음영지역을 해소하기 위해 선내 주요 구획별로 엑세스포인트를 설치하고 두 송수신기 간의 패킷(packet)에 따른 신호강도(RSSI, Received signal strength indication)를 측정하여 특성조사를 실시하였다.

실험의 신뢰성 및 정확성을 높이고자 세 개의 태그를 사용하고 정확한 측정값을 얻기 위해 약 7회 측정된 값의 평균을 사용하였다. 특성 조사는 본 과제의 대상 선박이 연안여객선임을 감안하여 승객이 가장 많이 머무는 공간과 이동경로를 고려하여 식당 및 강의실 등의 실내 광장형 공간, 실내 객실공간, 실외 선상, 기관실, 복도, 층계 등 크게 6개 구획으로 나눠 실시하였으며 Figure 2의 왼쪽은 e-Zigbee 무선 측위 기술을 적용한 태그, 오른쪽이 엑세스포인트이다.

Figure 2: 
Tag of wireless sensor and AP

태그와 엑세스포인트의 거리 및 인식각도 따른 송수신의 강도차이를 인식률로 표현하였으며 Figure 3에 실험 환경을 도식화한 것이다. 태그 유형별로 엑세스포인트 안테나의 인식각도를 10°씩 변경하면서 0°에서부터 90°까지 측정하였으며 세 개의 태그를 사용함으로 태그 자체의 신뢰성과 실험결과의 정확성을 확보하고자 하였다. 실험은 상갑판(Upper deck)의 주 통로에서 수행되었으며 e-Zigbee의 인식거리를 고려하여 우선적으로 1m, 3m, 4m로 설정하여 각각의 거리에서 인식률을 조사하였다. 엑세스포인트는 주 통로 문 위에 설치하였으며 태그유형은 목걸이형(Necklace type), 카드형(Card type), 손목부착형(Adhere to wrist type), 발목부착형(Adhere to ankle type) 등 총 4가지 유형에 대해 특성조사를 실시하였다.

Figure 3: 
Test for Acceptance rate

신호 세기는 육상에서 측정할 때와 같은 동일한 세기로서 범위는 40~90dBm으로 정하였으며 40~50dBm일 경우를 매우 강함으로 하여 10dBm 단위로 증가할 때마다 매우 강함, 강함, 보통, 약함, 매우 약함 등 총 5단계로 정하였다. Figure 4 ~ Figure 7은 태그 종류별 인식률을 나타낸 것으로 전반적으로 모든 유형에서 신호의 세기가 우수하였다. 태그 신호 세기 뿐만 아니라 휴대성 및 태그를 인지하여 소지하고 다니기에 적합한 유형인지를 판단하여 태그의 유형을 정하고자 하였다.

Figure 4: 
Acceptance rate for necklace type

Figure 5: 
Acceptance rate for adhere to wrist type

Figure 6: 
Acceptance rate for card type

Figure 7: 
Acceptance rate for adhere to ankle type

목걸이형은 태그를 목에 걸었을 시 태그가 사람 가슴에 위치할 것으로 보고 측정하였으며 다른 태그들에 비해 인식각도와 거리에서 신호의 세기가 우수하였다. 또한, 소지하고 다니기에 편리하며 다른 태그들에 비해 태그를 지니고 있는지 손쉽게 인지할 수 있다. 실제로 미아 찾기나 노인 찾기 산업 등에서 많이 사용되고 있는 태그의 유형이다.

손목부착형의 태그 위치는 차렷 자세로 가정 하에 실험을 실시하였다. 신호의 세기는 1m 거리에서 인식각이 0°일 때를 제외하고 양호하다. 인식각 70°일　때 신호의 강도가 떨어진 것은 실험대상자의 움직임으로 인해 엑세스포인트와 태그간의 각도가 일정하지 않고 잦은 변화로 인해 원활한 송수신이 이루어지지 않았음으로 분석된다. 이를 통해 태그 위치 변동에 의해 인식각 변화가 크거나 잦으면 송수신의 강도가 떨어지는 것으로 분석된다.

카드형 태그는 보통 바지 주머니에 넣고 다닌다는 가정 하에 손수건으로 태그를 감싸 바지 주머니 위치에 태그를 두고 조사하였으며 전반적으로 신호의 세기가 우수하였다. 그러나 동복 등의 두꺼운 재질의 옷일 경우에도 송수신에 문제가 없는지, 태그를 꾸준히 소지하고 다니기에 적합한 지 실험 및 분석이 필요하다.

발목형 태그 역시 전반적으로 신호의 세기가 우수하였으나 손목부착형과 마찬가지로 태그의 위치 변동이 잦은 발목에 위치하며 다른 태그들의 유형에 비해 휴대 및 편리함이 떨어진다는 단점이 있다.

태그유형별 신호세기는 사실상 모두 우수하였으나 휴대성 및 태그를 인지하여 계속 지니고 다니기에 적합한 유형으로 목걸이형 태그를 선정하였고 실제로도 미아 및 노인 찾기 서비스 등에 많이 사용되고 있다.

따라서, 성인 남성 평균키인 1.7m에 해당하는 위치에서 태그를 두고 주요 구획별에 적합한 특성조사를 진행하였다.

전송률이란 태그와 엑세스포인트 간의 데이터 이전 평균 속도로 실험 장소는 승객들이 많이 머무는 광장형 공간인 선내객실, 식당 및 강의실을 선정하였으며 이동통로인 복도에서도 실험을 실시하였다.

Figure 8과 Figure 9는 6인실과 10인실의 선내 객실에서의 전송률을 나타낸 것으로 두 선내객실의 공통점은 나무로 만들어진 2층 침대와 철 서랍장이 있으며 입구의 문 표면은 부드러운 재질의 재료로 구성되어 있고 창문이 없는 밀폐된 공간으로 구성되어 있다는 점이다.

Figure 8: 
Transfer rate for six-bed in a Bedroom

Figure 9: 
Transfer rate for ten-bed in a Bedroom

6인실은 약 3평으로 침대 중앙 천정 위치에 엑세스포인트를 설치하고 엑세스포인트에서 가장 먼 곳에 태그를 세로방향으로 2.4m, 대각선 방향으로 2.7m, 가로 방향으로 2m 지점에 고정한 후 하나의 태그가 아닌 세개의 태그를 이용하여 태그와 실험 결과에 대한 정확성 및 신뢰성을 높이고자 하였다.

10인실은 약 4평으로 입구에서 2.7m 떨어진 지점의 천장에 엑세스포인트를 설치하고 엑세스포인트에서 가장 먼 곳에 태그를 세로, 가로, 대각선 방향으로 2.8m, 2.5m, 2.4m 지점에 고정한 후 마찬가지로 3개의 태그에 대해 전송률 측정을 통해 실험 결과의 정확성을 높였다.

두 객실 모두 전송률이 60%이하인 경우에는 엑세스포인트 위치를 변경하여 측정하기로 하였으나 신호의 세기가 매우 우수하였다. 이러한 실험을 통해 약 4평 정도의 2층 나무침대와 철 서랍장이 장애물로 있는 밀폐된 공간에서 해당 거리에 따른 신호세기가 우수하여 엑세스포인트 하나 만으로도 측위의 세기에 아무런 문제가 없음을 알 수 있었다.

실내 광장형 공간인 식당 및 강의실은 모두 낮은 책상들이 설치되어 있었으며 문의 표면은 부드러운 재질의 재료로 구성되어있다. 약 51㎡로 16평인 2nd 갑판 선수부에 있는 강의실은 엑세스포인트의 위치를 크게 문 입구와 정중앙 천정으로 나누어 3개의 태그에 대한 전송률을 측정하고 비교해보았다.

Figure 10 그래프는 강의실 문 입구 천장에 엑세스포인트를 설치한 경우로 가장 먼 대각선 지점인 약 8.7m와 세로방향의 모서리 지점인 6.3m에 태그를 설치하였다. 두 지점 모두 전송률의 세기는 양호하나 송수신간의 거리가 멀수록 전송률이 떨어지는 것을 확인하였다.

Figure 10: 
Transfer rate for classroom

Figure 11 그래프는 정중앙 천장에 엑세스포인트를 설치한 경우로 중앙에서 4개의 모서리지점인 각각 4.5m, 4.2m, 4.3m, 3.8m의 거리에 태그를 설치하여 전송률을 확인하였다.

Figure 11: 
Transfer rate for classroom

두 그래프를 비교한 결과 입구보다는 중앙 천장에 설치하는 것이 전송률의 세기가 우수하였으며 측위 범위도 넓게 가져갈 수 있음을 확인할 수 있었다.

Figure 12는 이동통로에서의 전송률을 나타낸 그래프로서 거리에 따른 영향을 알아보고자 인식각은 40°로 고정하고 본 과제의 적용대상인 연안여객선과 유사한 구획 배치와 크기를 지닌 경상대학교 실습선의 주통로에서 실시하였다. 주통로의 길이는 연안여객선의 특성, 기존연구 및 문헌 등을 조사를 통해 15m 이내로 선정하였고 1m 간격으로 인식각 40°에 대한 전송률을 측정하였으며 인식각 변화에 따른 전송률 조사가 이루어지지 않아 태그 인식률 조사 중 인식률이 양호한 40°를 선택하였다. 측정 결과 가시선(LOS, Line of sight), 즉 두 송수신기간의 직선거리에 장애물이 없는 경우 대부분의 거리에서 신호의 세기가 우수하였으나 15m에서는 신호의 세기가 다소 약해짐으로 그 이상의 거리에 대한 추가적인 실험을 통해 최소한의 엑세스포인트 개수 및 위치를 파악해야 할 것으로 분석된다.

Figure 12: 
Transfer rate for main passage way

Figure 13은 주 통로 끝 상단에 엑세스포인트를 설치 한 후 외각 개방공간의 정면과 측면 방향으로 1m 간격으로 멀어지면서 철문 투과에 따른 신호세기를 측정하였으며 투과율이 100% 미만인 곳에서 실험을 종료하였다.

Figure 13: 
Test on Transmittance in upper deck and door of main passage way

Figure 14에서 보듯이 주갑판의 정면에서 태그의 신호는 1m까지는 양호하나 2m 이상이 되면 세기가 떨어진다. 그러나 주갑판의 철문을 닫으면 2~5m에서의 신호가 80~90dBm으로 매우 약하다.

Figure 14: 
Transmittance on upper deck and door of main passage way

측면의 경우는 주갑판의 철문이 개폐 여부에 상관없이 가시거리에 따른 영향으로 인해 태그의 신호세기가 약하게 잡혀 측위 정확성이 낮은 것으로 분석된다.

Figure 15는 층계간 수직통로 사이에서의 투과율 조사를 한 것으로 상갑판(Upper deck)과 2nd 갑판사이에 계단이 설치되어 있으며 층계간 거리는 수직방향으로 3.3m이다. 2nd 갑판에 있는 열린 문을 중심으로 선실 안쪽에 엑세스포인트를 설치하고 상갑판에서 정면과 측면 방향으로 태그를 0.5m 씩 이동하며 개폐를 반복하며 투과율을 알아보았다.

Figure 15: 
Transmittance test on upper deck and 2^nd deck

Figure 16의 그래프는 상갑판과 2nd 갑판의 문을 모두 열었을 때 정면에서의 투과율 값이다. 거리가 멀어질수록 세기가 약해짐을 알 수 있으며 태그 1의 3m 지점에서는 신호의 세기가 다시 좋아진다. 하지만 이 신호의 세기는 다른 구획에 설치된 엑세스포인트와의 송수신을 통한 측정값으로 분석된다.

Figure 16: 
Transmittance to front on upper deck and 2^nd deck

상갑판의 철문을 닫았을 시에는 0.5m 떨어진 곳에서만 신호세기가 잡혔으며 2nd 갑판의 문까지 닫았을 시 모든 거리에서 신호의 세기가 매우 약하거나 잡히지 않아 측위의 정확성이 높지 않음으로 분석되었다.

Figure 17의 그래프는 상갑판과 2nd 갑판의 문을 모두 열었을 때 측면에서의 투과율 값으로 신호가 미세하기 잡혔으나 세기가 약해 원활한 측위에는 문제가 있음으로 분석된다.

Figure 17: 
Transmittance to side on upper deck and 2^nd deck

상갑판의 철문을 닫은 경우에는 0.5m 떨어진 곳에서만 미세하게 신호의 세기가 잡힘을 알 수 있었으며 2nd 갑판의 문도 같이 닫은 경우에는 모든 거리에서 신호의 세기가 잡히지 않았다.

층계간 특성조사를 통해 철문의 개폐여부를 떠나 원활한 신호세기가 나오지 않았으며 층계간에는 엑세스포인트 위치를 수정하거나 개수를 늘려야하는 것으로 분석되었다.

다음은 여러 가지 장비들로 인해 복잡한 구조를 가진 기관실에서 전자파의 회절에 따른 전송률을 조사하였다. 태그의 위치는 MCS(Monitoring and Control System) Room의 양쪽 바깥 문 앞과 기관실 정중앙제어판에 설치하였고 엑세스포인트는 남자 성인의 평균키를 고려하여 1.7m 높이 이상에서 좌현 및 우현에 각각 2개를 설치하였다. 엑세스포인트간의 간격은 직선거리로 최소 6m 정도 떨어진 지점에 설치하였고 전송률이 60%이하면 엑세스포인트의 위치를 변경하며 특성조사를 실시하였다.

Figure 18은 회절에 따른 전송율을 나타낸 것으로 좌현에 엑세스포인트 1,2 및 태그 2를 설치하였고 우현에는 엑세스포인트 3,4 및 태그 3을 설치하였다. 태그1은 기관실 정중앙 제어판에 설치하여 특성 조사를 실시하였다. 기관실은 주기관 및 배관 등의 철로 구성된 장비들이 많아 신호를 측정하기가 엑세스포인트간 거리가 6m 이상 떨어진 지점에서 신호의 세기 측정이 가능한 위치를 찾고자 하였다. 좌현에 있는 태그의 경우 우현에 있는 엑세스포인트의 신호를 잡기가 어려워 시야확보가 가능한 위치로 수정하였으며 이를 바탕으로 테스트베드를 구축하였다.

Figure 18: 
Diffraction rate on engine room