Water transmission and reception method of underwater communication device utilizing the visible light and data signals using the same

本発明は可視光線を利用した水中通信装置及びこれを用いた水中通信方法に係り、より詳細には、データ伝送速度とセキュリティを改善した水中通信装置及びこれを用いた水中送・受信方法に関する。

ユビキタス技術の根幹になる無線通信技術における既存のサービスに加える新しいサービス導入による周波数の不足深化と、スマートフォン、タブレットＰＣ等のポータブルデジタル機器の性能向上による高画質・高精密なコンデンツ需要増加と、に対処するには、限定された周波数資源の規制による無線周波数通信技術を補完し高速・大容量のデータを伝送できる次世代無線通信技術が必要であり、この点から可視光線通信技術が台頭している。

可視光線通信技術は、自由空間光学（Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃｓ、ＦＳＯ）技術として、Ｌｉｎｅ−ｏｆ−Ｓｉｇｈｔ（ＬＯＳ、見通し線）上に設置された二つの機器間でデータを送受信するために自由空間を伝搬する光を利用する光通信技術として、目に見えない速度でＬＥＤを点滅させてデータを送る方式であり、一般に３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光波長を使ってデータ通信を行う。

一般的に、水中無線通信には、水中にいる魚類を確認する魚群探知機、海底及び岩石等の海中障害物の形状を調査する測深儀、軍事用として潜水艦等の船舶のスクリュー音を探知するソナー、又は、超短波レーダー等の短い超短波パルスを出して反射波によって船舶や障害物の存在位置を調査するアクティブソナーがある。 最近には超音波を利用して水中無線通信をする方法も開発されている。

一方、電波は、水中で散乱及び吸収される性質があるので、電波を利用した水中無線通信は多くの困難がある。 従って、水中では超音波を使って通信をすることが一般的である。

しかし、超音波は伝搬速度が遅いので伝達時間の遅延が大きく、且つ帯域幅が狭いのでデータの送信速度が低い。

図１は、従来の水中無線通信のための通信装置の斜視図である。

図１に示したように、特許文献１に開示された水中無線通信を遂行する通信装置１は、原信号を受けて超音波を変調した変調区間及び変調区間の前端又は後端に挿入された保護区間を含む送信用超音波信号を生成する変調器２２と、前記超音波信号を増幅する増幅器２１と、増幅された超音波信号を、水中チャンネルを利用して受信する超音波センサー１０と、前記水中チャンネルをコーディングするためのチャンネルコーディング部２４と、前記変調信号を元々の信号に復調するための復調器２３と、を含む。

前記従来技術は、水中で発生し得る多重経路による信号干渉を最小化して情報送信の効率性を高める方法及び装置を提供し、より詳しくは、水中無線通信で送信効率を改善できる水中環境を考慮し、情報送受信の間違いを削減し、情報を効率的に送信し、送受信の信頼度を向上できる水中通信装置及び方法を提供する。

しかしながら、前記従来技術による方法は、水中通信の際に、超音波の送信経路による干渉を最小化できるけれども、通信の帯域幅が狭くデータの送信速度が遅いという短所がある。

また、前記従来技術による装置は、超音波センサー及びチャンネルコーディング部のような高価の装備を使うので、具現化に多額の費用を要するという問題点がある。

また、前記従来技術による方法は、セキュリティが確保されない超音波通信方式が用いられるので盗聴が可能であるという問題点がある。

本発明は、前記のような従来の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ＬＥＤ可視光線を通じて水中で通信する装置を構成することによって、データの送信速度が速く、低コストで具現できる可視光線を利用した水中通信装置及びこれを利用した水中通信方法の提供にある。

本発明が解決しようとする課題を果たすために、本発明による可視光線を利用した水中通信装置は、水中でデータ信号を入力して電気信号に変換する入力手段（１００）と、前記電気信号の強さを調節する信号大きさ調節部（２１０）、ＬＥＤ照明を駆動するか、又は、照明信号を生成するＬＥＤ駆動部（２２０）、前記電気信号と前記照明信号を合わせて複合光信号を生成する信号合算部（２３０）、及び、前記複合光信号の波長を調節して水中へ前記可視光線信号を放出する可視光線発光部（２４０）を備える送信手段（２００）であって、前記ＬＥＤ駆動部（２２０）は、ＬＥＤ照明を駆動し、前記信号大きさ調節部が駆動されていることを確認すれば、ＬＥＤ照明の駆動を止めて自動的に照明信号を生成する自動モード、ＬＥＤ照明を常時駆動する照明モード、照明信号を常時生成する通信モード、及びＬＥＤ照明を駆動せず且つ照明信号を生成しないオフモードの中の何れか一つのモードで作動することを特徴とする送信手段（２００）と、水中で可視光線信号を認識して電気信号に変換する受信手段（３００）と、水中で前記電気信号をデータ信号に変換して出力する出力手段（４００）と、を含むことを特徴とする。

望ましくは、前記データ信号は、音声信号又はアナログ信号である。

望ましくは、前記入力手段（１００）は、マイク又はタッチパッドである。

望ましくは、前記出力手段（４００）は、ヘッドセット又はモニターである。

望ましくは、前記ＬＥＤ駆動部（２００）は、前記自動モード、前記照明モード、前記通信モード、前記オフモードの中から何れか一つのモードを選択することができるモード選択スィッチ（２２５）をさらに含む。

望ましくは、前記受信手段（３００）は、前記可視光線信号を認識する可視光線感光部（３１０）と、前記可視光線信号を増幅する増幅器（３２０）と、前記可視光線信号を前記電気信号に変換する復調部（３３０）と、前記電気信号をフィルタリングするフィルター部（３４０）と、を含むことを特徴とする。

望ましくは、前記可視光線感光部（３１０）は、フォトダイオードである。

本発明が解決しようとする課題を果たすために、本発明による前記可視光線を利用した水中通信装置（１０００）を用いた水中でデータ信号を送信する方法は、水中で前記ＬＥＤ駆動部（２２０）を自動モード又は通信モードに設定する段階（Ｓ０１）と、水中で前記ＬＥＤ駆動部（２２０）を自動モード又は通信モードに設定する段階（Ｓ０１）と、水中で前記データ信号を前記入力手段（１００）に入力して前記電気信号に変換する段階（Ｓ０２）と、前記電気信号の大きさを前記信号大きさ調節部（２１０）で調節する段階（Ｓ０３）と、前記ＬＥＤ駆動部（２２０）で照明信号を生成する段階（Ｓ０４）と、大きさ調節された前記電気信号と前記照明信号とを前記信号合算部（２３０）で合わせて前記複合光信号を生成する段階（Ｓ０５）と、前記複合光信号を前記可視光線発光部（２４０）で前記可視光線信号を変換して水中へ放出する段階（Ｓ０６）と、を含むことを特徴とする。

また、前記可視光線を利用した水中通信装置（１０００）を用いて水中でデータ信号を受信する方法は、前記可視光線発光部（２４０）から放出された前記可視光線信号を水中で前記可視光線感光部（３１０）が認識する段階（Ｓ０７）と、前記可視光線信号を前記増幅器（３２０）で増幅する段階（Ｓ０８）と、増幅された前記可視光線信号を前記復調部（３３０）で前記電気信号に変換する段階（Ｓ０９）と、前記電気信号を前記フィルター部（３４０）でフィルタリングする段階（Ｓ１０）と、フィルタリングされた前記電気信号を前記出力手段（４００）でデータ信号に変換して出力する段階（Ｓ１１）と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤ可視光線を利用して水中で通信することによって、データの送信速度が速い。

また、本発明は、別途の投資なしに親環境的照明であるＬＥＤを利用して水中で通信することによって、親環境的でありながら低コストで水中通信装置を具現できる。

また、本発明は、多くのモードでＬＥＤを制御しながら水中で通信することによって、照明信号の生成により通信が必要な状態を効率的に確認できる。

同時に、本発明は、ＬＥＤ可視光線を利用して水中で通信することによって、広帯域で通信が可能であり、セキュリティに優れる。

従来の水中無線通信のための通信装置の斜視図である。

本発明の可視光線を利用した水中通信装置の実施例を示す図面である。

本発明の可視光線を利用した水中通信装置のブロック構成図である。

本発明の可視光線を利用した水中通信装置の送信方法流れ図である。

本発明の可視光線を利用した水中通信装置の受信方法流れ図である。

以下、添付した例示図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

図２は本発明の可視光線を利用した水中通信装置の実施例であり、図３は本発明の可視光線を利用した水中通信装置のブロック構成図である。

図２に示したように、本発明の可視光線を利用した水中通信装置１０００は、入力手段１００と、送信手段２００と、受信手段３００と、出力手段４００とを含む。 一実施例として、本発明による可視光線を利用した水中通信装置１０００は、スキンスキューバ装備の酸素マスクに具備される入力手段１００と、前記酸素マスクに連結される送信手段２００と、前記スキンスキューバ装備の水中眼鏡の正面に連結される受信手段３００と、前記スキンスキューバ装備の両端に連結される出力手段４００とから構成され、各構成手段はこのように互いに連結できるが、他の多様な位置でも連結が可能である。

本発明の可視光線を利用した水中通信装置１０００は、水中で使えるように、入力手段１００、送信手段２００、受信手段３００及び出力手段４００は防水される。

図３に示したように、入力手段１００は、水中で伝達するデータ信号を受信して電気信号に変換する。

この時、前記データ信号は、水中で伝達する音声信号又はアナログ信号である。 しかしながら、ここに限定されず、多様な信号に適用が可能である。

同時に、入力手段１００は、外部から伝達する音声信号を入力して送信電気信号に変換するマイク、又は外部から伝達するアナログ信号を入力して送信電気信号に変換するタッチパッドである。 しかしながら、これに限定されず、多様な信号を入力する装置に適用できる。

送信手段２００は、信号大きさ調節部２１０と、ＬＥＤ駆動部２２０と、信号合算部２３０と、可視光線発光部２４０とを含んで成り立ち、各部についてより詳しく説明すれば、次のようである。

信号大きさ調節部２１０は、水中で入力手段１００から前記送信電気信号を受信して前記送信電気信号の強さを調節する。

また、ＬＥＤ駆動部２２０は、水中でＬＥＤ照明を駆動するか、又は、照明信号を生成する。

ここで、ＬＥＤ駆動部２２０がＬＥＤ照明を駆動するということは、水中でＬＥＤ駆動部２２０が白色でＬＥＤ照明を駆動して照明の役目を果たすことを意味し、ＬＥＤ駆動部２２０が照明信号を生成するということは、水中でＬＥＤ駆動部２２０が赤色で照明信号を生成して通信の役目を果たすことを意味する。

もちろん、これに限定されず、ＬＥＤ照明部２２０は、白色以外の多様な色でＬＥＤ照明を駆動でき、また、赤色以外の多様な色で照明信号を生成できる。

また、ＬＥＤ駆動部２２０は、ＬＥＤ照明を駆動し、前記信号大きさ調節部２１０が駆動されていることを確認すればＬＥＤ照明の駆動を止めて自動的に照明信号を生成する自動モード、常時ＬＥＤ照明を駆動する照明モード、常時照明信号を生成する通信モード、電源が消えるオフモードの中の何れか一つのモードで動作するように制御可能である。

また、ＬＥＤ駆動部２２０は、前記自動モード、前記照明モード、前記通信モード、前記オフモードの中から何れか一つのモードを選択するモード選択スィッチ２２５をさらに含み得る。

また、信号合算部２３０は水中で、信号大きさ調節部２１０から大きさが調節された前記送信電気信号と、ＬＥＤ駆動部２２０から前記照明信号と、を受信して、前記二つの信号を合わせて複合光信号を生成する。

同時に、可視光線発光部２４０は、前記複合光信号の波長を調節して水中へ可視光線信号を放出する。

ここで、前記複合光信号の波長を調節することは、複合光信号の波長を可視光線信号波長の帯域幅である３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ内に調節することを意味する。

受信手段３００は、可視光線感光部３１０と、増幅器３２０と、復調部３３０と、フィルター部３４０と、を含んで成り立ち、各部に対してより詳しく説明すれば、次のようである。

可視光線感光部３１０は水中で、可視光線発光部２４０から水中へ放出された前記可視光線信号を認識する。 この時、可視光線感光部３１０は例えば、フォトダイオードからなる。

また、増幅器３２０は水中で、可視光線感光部３１０から認識された前記可視光線信号を受信して前記可視光線信号を増幅する。

また、復調部３３０は水中で、増幅器３２０から増幅された前記可視光線信号を受信して前記可視光線信号を容易に出力できるように受信電気信号に変換する。

また、フィルター部３４０は、水中で復調部３３０から変換された前記受信電気信号を受信して水中送信過程で間違って受信した前記受信電気信号の誤った帯域幅をとり除く。

可視光線は、水中での送受信過程で受ける干渉が超音波に比べて比較的少ない。

これによって、本発明の可視光線を利用した水中通信装置１０００は、ＬＥＤ可視光線を利用して水中で通信することによって、広帯域で通信が可能であり、保安性に優れるという長所がある。

また、本発明は、ＬＥＤ可視光線を利用して水中で通信することによって、データ送信速度が高いという長所がある。

出力手段４００は水中で、受信手段３００のフィルター部３４０から前記受信電気信号を受信して音声信号又はアナログ信号を出力する。

同時に、出力手段４００は、前記受信電気信号を変換して音声信号に出力するマイク又は前記受信電気信号を変換してアナログ信号に出力するモニターであり得る。 しかしながら、これに限定されず、他の多様な信号を出力する装置にも適用可能である。

図４は本発明の可視光線を利用した水中通信装置の送信方法流れ図であり、図５は本発明の可視光線を利用した水中通信装置の受信方法流れ図である。 以下、本発明の可視光線を利用した水中通信装置のデータ信号を送信する方法と受信する方法についてより詳しく説明する。

図４に示したように、前記可視光線を利用した水中通信装置１０００が水中でデータ信号を送信する方法は、次のような各段階を含む。

最初に、モード選択スィッチ２２５を利用してＬＥＤ駆動部２２０を自動モード又は通信モードに設定する。 仮に照明モード又はオフモードに設定するとデータ信号を送信できなくなるので、ここでは自動モード又は通信モードに設定する。 ＬＥＤ駆動部２２０が自動モードに設定されるとＬＥＤ照明を駆動し、一方、通信モードに設定されると、照明信号を生成する。 これは図４に示した動作段階Ｓ０１にあたる。

また、水中で外部から入力されるデータ入力信号である音声信号又はアナログ信号を入力手段１００に入力する。 そしてこれを送信電気信号に変換して信号大きさ調節部２１０へ送る。 これは図４に示した動作段階Ｓ０２にあたる。

次に、入力手段１００から、変換して得られた前記送信電気信号を信号大きさ調節部２１０が受信する。 そして信号大きさ調節部２１０では前記送信電気信号の大きさを調節する。 これは図４に示した動作段階Ｓ０３にあたる。

次に、ＬＥＤ駆動部２２０で照明信号を生成する。 この時、ＬＥＤ駆動部２２０はＳ０１段階のモード設定によって、自動モードで信号大きさ調節部２１０が駆動されることを確認すれば、自動的にＬＥＤ駆動を停止して照明信号を生成し、通信モードでは照明信号を常に生成する。 これは図４に示した動作段階Ｓ０４にあたる。

続いて、信号大きさ調節部２１０から、大きさが調節された前記送信電気信号とＬＥＤ駆動部２２０で生成された前記照明信号が信号合算部２３０に入力され、信号合算部２３０は前記二つの信号を合わせて複合光信号を生成する。 これは図４に示した動作段階Ｓ０５にあたる。

次に、信号合算部２３０から生成された前記複合光信号を可視光線発光部２４０で３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの帯域幅を持つ可視光線信号に変換する。 そして可視光線発光部２４０は前記可視光線信号を水中へ放出する。 この時前記可視光線信号は例えば、基本波長Ｒ（６６０ｎｍ）、Ｇ（５３０ｎｍ）、Ｂ（４７０ｎｍ）を通じて放出される（ここでＲＧＢと言うのは、Ｒは赤色、Ｇは緑、Ｂは青色である色を定義する色モデル又は色表示方式を意味する）。 これは図４に示した動作段階Ｓ０６にあたる。

図５に示したように、前記可視光線を利用した水中通信装置１０００のデータ信号を受信する方法は、次のような段階を含む。

先に、可視光線発光部２４０から水中へ放出された前記可視光線信号を、可視光線感光部３１０が水中で認識する。 これは図５に示した動作段階Ｓ０７にあたる。

次に、Ｓ０７段階で、可視光線感光部３１０において認識された前記可視光線信号の強さが微弱な場合があるので、増幅器３２０は、前記認識された可視光線信号を受信して増幅する。 これは図５に示した動作段階Ｓ０８にあたる。

次に、増幅器３２０から増幅された前記可視光線信号を復調部３３０で受信電気信号に変換する。 これは図５に示した動作段階Ｓ０９にあたる。

次に、Ｓ０７段階で、可視光線感光部３１０により認識された前記可視光線信号に間違って受信した信号が存在し得るので、フィルター部３４０で間違って受信した部分をとり除くフィルタリングを行う。 これは図５に示した動作段階Ｓ１０にあたる。

最後に、フィルター部３４０で前記フィルタリングされた受信電気信号を、出力手段４００が水中でデータ信号である音声又はアナログ信号に変換して出力する。 これは図５に示した動作段階Ｓ１１にあたる。

これによって、本発明は、親環境的照明であるＬＥＤを利用して水中で通信することによって、親環境的且つ低コストの水中通信装置を具現できる。

なお、本発明は上述の実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正又は変更できるであろう。

１ 従来技術による水中通信装置 １０ 超音波センサー ２０ 通信装置 ３０ チャンネルコーディング部 １００ 入力手段 ２００ 送信手段 ２１０ 信号大きさ調節部 ２２０ ＬＥＤ駆動部 ２３０ 信号合算部 ２４０ 可視光線発光部 ３００ 受信手段 ３１０ 可視光線感光部 ３２０ 増幅器 ３３０ 復調部 ３４０ フィルター部 ４００ 出力手段１０００ 本発明の可視光線を利用した水中通信装置