Performance of Underwater Communication in Low Salinity Layer at the Western Sea of Jeju

The sound speed of seawater can be calculated by the empirical formula as a function of temperature, salinity and pressure. It is little affected by salinity because the average salinity is 34 psu and varies within a few psu seasonally and spatially in the ocean. Recently, low-salinity water of 24 psu flows into the western sea area of Jeju Island due to the flood of the Yangtze River in China during summer, affecting sound speed profile. In this paper, it was analyzed how environmental changes affected to the underwater communication - the sound speed of low-salinity water was calculated, and the communication channel was estimated by the simulated acoustic rays while the transmitting and receiving depth and the range were varied with and without the low-salinity layer. And The BER (Bit error rate) was calculated by BPSK(Binary phase shift key) modulation and the effects of the low-salinity water on the BER was investigated. The sound speed profile was changed to have positive slope by the low-salinity layer at the sub-surface up to 20 m of depth, forming acoustic wave propagation channel at the sub-surface resulting in the decrease of most of the BER Consequently, this paper suggests that it is important to consider changes of the ocean environment for correctly analyzing the underwater communication and the detection capability.

제주도 서부 해역의 저염수층을 고려한 수중통신 성능

해양에서의 음속은 수온, 염분, 압력에 의한 실험식으로 계산되며 해양에서의 평균 염분은 약 34 psu (practical salinity unit)로 수성이나 수평 거리에 따른 변화가 대부분 수 psu 이하이기 때문에 음속에 크게 영향을 마치지 못한다. 그러나 최근 여름철에 중국 양쯔강 범람에 의해서 24 psu 정도의 저염수가 제주 서부 해역으로 유입되는 사례가 발생하고 있으며 이 저염수는 음속에 영향을 미친다. 본 논문에서는 이러한 환경 변화가 수중통신에 미치는 영향을 분석하였다. 즉, 저염수로 인한 음속구조의 변화를 계산하였고, 저염수층 내에서 송수선 수심과 전달거리를 바꿔가며 음파 전달 경로를 모의하여 통신 채널을 추정하였으며, BPSK(Binary phase shift key) 변조방식을 이용하여 비트 오류율을 계산하였다. 동일한 실험 조건하에 저염수가 없는 경우의 성능을 비교하여, 저염수가 통신 성능에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 분석하였다. 저염수는 수심 약 20m까지의 표층부에서 음속의 기울기를 양의 기울기로 변화시켜 음과 채널을 형성하였고, 표층부에서 대부분의 송수신 신호의 비트 오류율을 감소시키는 경향을 확인하였다. 본 논문의 저염수에 의한 수중 통신 성능에 미치는 영향을 분석한 결과는 정확한 해양 통신 및 탐지 성능분석을 하기 위해서는 해양환경의 변화를 고려하는 것이 매우 중요하다는 것을 시사한다.