제한된 구조물 내 분자 통신 링크: 금속 파이프 네트워크에서 Zigbee 대비 성능 분석

초록

본 논문은 금속 파이프와 같은 폐쇄형 구조물에서 전통적인 EM 기반 무선 센서(Zigbee)가 겪는 전파 손실 문제를 극복하기 위해, 분자 확산 기반 통신 링크를 설계·실험하였다. 실험 결과, 파이프의 길이와 굴곡 수에 따라 전파 손실은 급격히 증가하지만, 분자 신호는 주로 지연 시간 확산(Delay Spread)에 의해 성능이 좌우된다. 특히 굴곡이 늘어날수록 분자 신호의 지연 확산이 크게 증가하지만, 전파 손실보다 안정적인 데이터 전송이 가능함을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 두 가지 전송 매체, 즉 2.4 GHz 대역의 Zigbee 무선 모듈과 알코올 분자를 이용한 OOK(On‑Off‑Keying) 기반 분자 통신 시스템을 동일한 금속 파이프 네트워크에 배치하여 비교 실험을 수행하였다. 실험 환경은 금속 탱크 두 개를 연결하는 철제 파이프(직선, L‑형, Z‑형, U‑형)로 구성되었으며, 파이프 길이와 굴곡 수를 변수로 설정하였다. 전파 손실은 수신 전력(dBm)으로 측정했으며, 분자 신호는 펄스 응답의 피크‑3 dB 포인트 차이(τ)로 정의된 지연 시간 확산을 사용하였다.

분자 확산 모델은 Fokker‑Planck 방정식의 해인
\