소프트웨어 정의 광음향 네트워크 아키텍처를 통한 언더워터 사물인터넷

본 논문은 수중 사물인터넷(IoUT) 시대에 도래할 수 있는 핵심 인프라로서, 광통신(OWC)과 음향통신(UAC)의 장점을 결합한 하이브리드 ‘광음향 네트워크(UOAN)’를 제안한다. 먼저 서론에서는 현재 5G 기반 지상 IoT와 달리 수중 환경이 전파 전송을 거의 불가능하게 만들고, 기존 음향 통신은 저속·고지연, 광통신은 짧은 전송 거리와 빔 정렬 문제를 안고 있음을 지적한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 광‑음향 복합 구조를 계층적으로 설계하고, 이를 소프트웨어 정의 네트워킹(SDUN)과 네트워크 기능 가상화(NFV)로 제어·관리한다는 전반적인 비전을 제시한다. 두 번째 섹션에서는 UOAN의 물리적 배치를 인프라형, 애드혹형, 혼합형으로 구분하고, 각 형태에 맞는 옵티컬 베이스 스테이션(OBS)과 음향 액세스 포인트(AAP)의 역할을 상세히 설명한다. OBS는 구형 다면체 구조로 전방위 광 전송을 수행하고, 수중 섬유 혹은 수평·수직 광 링크(H‑Haul, V‑Haul)로 서로 연결된다. AAP는 저전력 음향 모듈을 탑재해 장거리 제어 신호와 초기 네트워크 형성을 담당한다. 이러한 인프라는 해상 부표, 조류 터빈, 태양광 등 다양한 재생 에너지와 결합해 지속 가능한 전원 공급을 구현한다. 중간 계층인 미들웨어는 다양한 프로토콜과 인터페이스를 추상화해 상위 응용 계층이 물리·네트워크 세부 사항에 구애받지 않도록 한다. 서비스 지향 아키텍처(SOA)를 채택해 라우팅, 전송, 위치추적, 에너지 관리, 보안·프라이버시 기능을 모듈화하고, 표준 API를 통해 SDUN 컨트롤러와 NFV MANO가 동적으로 자원을 할당·재구성할 수 있게 한다. 네트워크 계층에서는 멀티홉 라우팅, 기회주의 라우팅(OR), 지리 기반 라우팅 등을 논의한다. 특히 광학 링크는 지향성이 강해 정확한 위치 정보와 빔 정렬이 필수이므로, 다면체 노드 설계와 빔폭 조절을 통해 연결성을 강화한다. 시뮬레이션에서는 50노드, 500 m³ 환경에서 면 수를 늘릴수록 평균 종단‑대역폭이 0.1 Mbps 이상으로 유지되는 확률이 크게 상승함을 보여준다. 이는 빔 정렬 오류와 수중 흐름에 의한 손실을 다중 면이 보완한다는 점을 입증한다. PHY·MAC 계층에서는 소프트웨어 정의 OpenFlow 기반의 동적 전환 메커니즘을 제시한다. 환경 변화에 따라 음향·광학 프론트엔드를 선택하고, 변조·코딩·전송 전력·다중접속 방식을 실시간 조정한다. CDMA·NOMA·WDM을 결합한 비정통 다중접속 기법은 제한된 대역폭을 효율적으로 활용하고, 다중 사용자 간 간섭을 최소화한다. 마지막으로 NFV와 SDUN을 통합한 관리·오케스트레이션 구조를 제시한다. 중앙 컨트롤러는 해저 데이터 센터(UDC)에서 실행되며, 조류 터빈·태양광 등 재생 에너지로 구동된다. MANO는 가상 네트워크 슬라이스를 생성해 고대역폭 영상 스트리밍, 저전력 환경 모니터링, 전술 감시 등 다양한 서비스 요구에 맞게 물리 자원을 할당한다. 이를 통해 기존 전용 하드웨어 기반 수중 네트워크가 갖는 확장성·유연성·운영 비용 문제를 근본적으로 해결한다. 결론에서는 제안된 소프트웨어 정의 광음향 네트워크가 수중 환경의 가변성, 에너지 제약, 비용 문제를 동시에 해소하며, IoUT와 기존 지상 IoT 간의 원활한 연동을 가능하게 하는 미래형 인프라임을 강조한다. 향후 연구 과제로는 실험적 프로토타입 구축, 보안 강화, 대규모 시뮬레이션 및 표준화 작업이 제시된다.