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문제 정의
- 본 연구에서는 수온의 변화, 경사면 기울기의 변화 송신 주파수를 변화시켜 PSK 기반의 변조방식에 대한 효율성을 분석하였다. PSK 변조는 BPSK (Binary PSK)에 비해 주파수 효율성이 높은 QPSK (Quadrature PSK)와 QPSK의 주파수 공유 대역폭과 같은 몇 가지 문제점을 해결하기 위한 MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian MSK) 로 비교 실험하였다.
- 본 연구에서는 수온의 변화, 경사면 기울기의 변화 송신 주파수를 변화시켜 PSK 기반의 변조방식에 대한 효율성을 분석하였다. PSK 변조는 BPSK (Binary PSK)에 비해 주파수 효율성이 높은 QPSK (Quadrature PSK)와 QPSK의 주파수 공유 대역폭과 같은 몇 가지 문제점을 해결하기 위한 MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian MSK) 로 비교 실험하였다.
가설 설정
- 경사면의 기울기 변화는 그림 (8)과 같이 경사각 10도에 대하여 정방향과 역방향을 실험흐]였다. 송/수신기는 동일수심 40m에 있으며, 등음을 가정하였다.
제안 방법
- BPSK 기반의 변조방식은 여러 가지가 있으나 본 논문에서는 BPSK, QPSK, GMSK, MSK 방식에 대한 실험만을 하였다.
- BPSK 기반의 변조방식은 여러 가지가 있으나 본 논문에서는 BPSK, QPSK, GMSK, MSK 방식에 대한 실험만을 하였다.
- 본 연구에서는 수온의 변화, 경사면 기울기의 변화 송신 주파수를 변화시켜 PSK 기반의 변조방식에 대한 효율성을 분석하였다. PSK 변조는 BPSK (Binary PSK)에 비해 주파수 효율성이 높은 QPSK (Quadrature PSK)와 QPSK의 주파수 공유 대역폭과 같은 몇 가지 문제점을 해결하기 위한 MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian MSK) 로 비교 실험하였다. 또한 실험결과로 도출된 BER의 분석을 통해 S/N의 범위를 분석하고, 수중에서 채널용량과 BER의 조율로 실제 통신 시 변조방법이 미치는 영향을 산출하였다.
- 본 연구에서는 수온의 변화, 경사면 기울기의 변화 송신 주파수를 변화시켜 PSK 기반의 변조방식에 대한 효율성을 분석하였다. PSK 변조는 BPSK (Binary PSK)에 비해 주파수 효율성이 높은 QPSK (Quadrature PSK)와 QPSK의 주파수 공유 대역폭과 같은 몇 가지 문제점을 해결하기 위한 MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian MSK) 로 비교 실험하였다. 또한 실험결과로 도출된 BER의 분석을 통해 S/N의 범위를 분석하고, 수중에서 채널용량과 BER의 조율로 실제 통신 시 변조방법이 미치는 영향을 산출하였다.
- PSK 변조는 BPSK (Binary PSK)에 비해 주파수 효율성이 높은 QPSK (Quadrature PSK)와 QPSK의 주파수 공유 대역폭과 같은 몇 가지 문제점을 해결하기 위한 MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian MSK) 로 비교 실험하였다. 또한 실험결과로 도출된 BER의 분석을 통해 S/N의 범위를 분석하고, 수중에서 채널용량과 BER의 조율로 실제 통신 시 변조방법이 미치는 영향을 산출하였다.
- 앞서 변조방식에 따른 BER 모의실험 결과는 각 환경 변 수들에 대한 디지털 변조방식 효율이다. 모의실험결과의검증을 위하여 남해 일부지역의 지형과 음속의 실측 데이터로 채널환경을 모의하여 변조방식별 BER을 실험하였고,변조방식이 통신에 미치는 영향을 검토하기 위하여 변조방식별 영상자료 전송시 전송시간과 전송거리를 산출하였다 채널환경은 부산근해 남방 15km구간을 모의하였고, 수온은 변화가 심한 8월 KODC (Korea Oceangraphic Data Center) 실측 데이터를 입력하였다 또한 송수신 위치는 수심 40m로 하였다. 실험결과는 그림 (15)과 같다.
- 앞서 변조방식에 따른 BER 모의실험 결과는 각 환경 변 수들에 대한 디지털 변조방식 효율이다. 모의실험결과의검증을 위하여 남해 일부지역의 지형과 음속의 실측 데이터로 채널환경을 모의하여 변조방식별 BER을 실험하였고,변조방식이 통신에 미치는 영향을 검토하기 위하여 변조방식별 영상자료 전송시 전송시간과 전송거리를 산출하였다 채널환경은 부산근해 남방 15km구간을 모의하였고, 수온은 변화가 심한 8월 KODC (Korea Oceangraphic Data Center) 실측 데이터를 입력하였다 또한 송수신 위치는 수심 40m로 하였다. 실험결과는 그림 (15)과 같다.
- 모의실험은 천해 (수심 100m) 환경을 모사하였고, 송신기 및 수신기가 1km 이격하여 동일 수심 (40M) 에 있으며 구간 내에서 등 음속 (1510m/sec) 가정 하에 고유음선 (Eigen ray)의 BER을 산출하였다 기타, 평균파고는 1ft, 해저면 재질은 모래로 하여 彳街 의 값은 2.4로 주파수는 2000Hz로 고정하였다.
- 모의실험은 천해 (수심 100m) 환경을 모사하였고, 송신기 및 수신기가 1km 이격하여 동일 수심 (40M)에 있으며 구간 내에서 등 음속 (1510m/sec) 가정 하에 고유음선 (Eigen ray)의 BER을 산출하였다 기타, 평균파고는 1ft, 해저면 재질은 모래로 하여 Z2/Z1 의 값은 2.4로 주파수는 2000Hz로 고정하였다.
- 변조방식별 BER이 통신에 미치는 영향을 평가하기 위하여 대역폭 효율이 유사한 QPSK와 GMSK의 두 가지 경우에 한하여 통신에서 변조방식이 미치는 영향을 채널용량과 사용 주파수의 상관관계로 평가하였다. 채널용량은 이진신호를 가정할 때 식 (11) 같이 정의된다 [11].
- 변조방식별 BER이 통신에 미치는 영향을 평가하기 위하여 대역폭 효율이 유사한 QPSK와 GMSK의 두 가지 경우에 한하여 통신에서 변조방식이 미치는 영향을 채널용량과 사용 주파수의 상관관계로 평가하였다. 채널용량은 이진신호를 가정할 때 식 (11) 같이 정의된다 [11].
- 상기 모의 실험은 음속이 등속이며, 해저면이 수평을 이 루고, 주파수는 2000Hz를 사용한다는 가정하에서 실행되었으므로, 수중환경에 대한 변화를 알아보기 위하여 음속해저지형 그리고 주파수를 변화시키면서 실험하였다.
- 상기 모의 실험은 음속이 등속이며, 해저면이 수평을 이 루고, 주파수는 2000Hz를 사용한다는 가정하에서 실행되었으므로, 수중환경에 대한 변화를 알아보기 위하여 음속해저지형 그리고 주파수를 변화시키면서 실험하였다.
- 상기 실험결과를 바탕으로 환경변화에 의해 정량화된 BER 값의 변화를 알아보기 위하여 QPSK 변조방식을 환경변수에 따라 BER 값을 산출하였다. 그림 (13)는 수온, 주파수 및 해저면의 변화에 따른 QPSK의 BER 값이다.
- 수중통신 시 통신 매체에 따라 요구되는 BER이 다르며, 일반적으로 음성에서는 10-2과 10-3사이, 데이터 전송시에는 10-5과 10-6사이의 BER이 요구되지만 데이터의 손실이 많은 수중 특성을 고려하여, SN旧을 35dB 이하로 그리고 BER을 10-2~10-3로 고정하였을 때 변조방식별 실제 수중 통신의 영향을 분석하였다.
- 수중통신 시 통신 매체에 따라 요구되는 BER이 다르며, 일반적으로 음성에서는 IO”과 10-3사이, 데이터 전송 시에는 과 1并사이의 BER이 요구되지만 데이터의 손실이 많은 수중 특성을 고려하여, SN旧을 35dB 이하로 그리고 BER을1(湼~10-3 로 고정하였을 때 변조방식별 실제 수중통신의 영향을 분석하였다.
- 위의 두 가지 변조방식이 통신에서의 정량화된 차이를 검토하기 위하여 거리와 SN^을 변화시키며 실험하였다.우선 거리는 식 (6)에 따라 전달손실 (1L)을 증가시키고 전달손실의 증가는 SN旧을 감소시켜 채널용량이 작아지게 된다.
- 위의 두 가지 변조방식이 통신에서의 정량화된 차이를 검토하기 위하여 거리와 SNe을 변화시키며 실험하였다.
- 표 (1)에서 세 번째 (No. 3)의 고유 음선만이 해표면 반사나 해저면 반사 없이 수신되어 가장 먼저 수신되었으며 손실도 가장 적다 이 음선을 기준으로 나머지 음선들의 도달 시간차와 전달손실의 차를 산출하여 PSK기반의 변조방식에 대한 BER을 계산하였다.
- 표 (1)에서 세 번째 (No. 3)의 고유 음선만이 해표면 반사나 해저면 반사 없이 수신되어 가장 먼저 수신되었으며 손실도 가장 적다 이 음선을 기준으로 나머지 음선들의 도달 시간차와 전달손실의 차를 산출하여 PSK기반의 변조방식에 대한 BER을 계산하였다.
대상 데이터
- 앞서 변조방식에 따른 BER 모의실험 결과는 각 환경 변 수들에 대한 디지털 변조방식 효율이다. 모의실험결과의검증을 위하여 남해 일부지역의 지형과 음속의 실측 데이터로 채널환경을 모의하여 변조방식별 BER을 실험하였고,변조방식이 통신에 미치는 영향을 검토하기 위하여 변조방식별 영상자료 전송시 전송시간과 전송거리를 산출하였다 채널환경은 부산근해 남방 15km구간을 모의하였고, 수온은 변화가 심한 8월 KODC (Korea Oceangraphic Data Center) 실측 데이터를 입력하였다 또한 송수신 위치는 수심 40m로 하였다. 실험결과는 그림 (15)과 같다.
이론/모형
- 다중경로 전송환경에서 수신기는 직접파와 직접파보다 늦게 들어오는 지연파를 수신하게 되는데 상대적인 지연시간과 신호레벨 값을 이용한 레일리 페이딩 채널의 흐름도는 그림 [1]과 같이 표현된다. 입력변수인 음파의 상대적인 지연시간과 신호레벨은 Ray-Tracing 이론을 적용하여 산출하였으며 신호레벨의 계산은 수신되는 Ray간 전달손실(TL)의 차로 계산하였다.
- 다중경로 전송환경에서 수신기는 직접파와 직접파보다 늦게 들어오는 지연파를 수신하게 되는데 상대적인 지연시간과 신호레벨 값을 이용한 레일리 페이딩 채널의 흐름도는 그림 [1]과 같이 표현된다. 입력변수인 음파의 상대적인 지연시간과 신호레벨은 Ray-Tracing 이론을 적용하여 산출하였으며 신호레벨의 계산은 수신되는 Ray간 전달손실(TL)의 차로 계산하였다.
성능/효과
- 본 논문에서는 PSK 계열의 주파수 변조방식에 따른 수 중통신의 효율을 비교하였고 결과는 BPSK, QPSK, MSK가 GMSK보다 효율이 높음을 확인하였다. 그리고 음속 해 저면 기울기, 주파수의 세 가지 변수를 변화시킨 결과 주파수의 변화에서만 주파수의 크기에 따른 전체적인 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 본 논문에서는 PSK 계열의 주파수 변조방식에 따른 수 중통신의 효율을 비교하였고 결과는 BPSK, QPSK, MSK가 GMSK보다 효율이 높음을 확인하였다. 그리고 음속 해 저면 기울기, 주파수의 세 가지 변수를 변화시킨 결과 주파수의 변화에서만 주파수의 크기에 따른 전체적인 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 또한 주파수의 변화는 고유음선의 전달손실을 변화시키나 BER 특성은 변하지 않았다. 다만 환경변수에 따른 QPSK 변조방식의 BER 특성에서 주파수의 변화는 상대적으로 직접파에 비해 간접파의 전달손실을 크게 하여 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 또한 주파수의 변화는 고유음선의 전달손실을 변화시키나 BER 특성은 변하지 않았다. 다만 환경변수에 따른 QPSK 변조방식의 BER 특성에서 주파수의 변화는 상대적으로 직접파에 비해 간접파의 전달손실을 크게 하여 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 또한 공통적으로 PSK 변조방식 중 BPSK, MSK, QPSK는 거의 일정한 값을 보이고 있으며, GMSK만 약 5dB 정도의 나쁘게 산출되고 있음을 확인할 수 있다. 그림 (16)에서BPSK, MSK, QPSK는 BER 10-2에서 SNR을 약 25dB 정도를 요구하고, GMSK는 30dB을 요구하며, 10-3에서는BPSK, MSK, QPSK가 약 35dB을 요구하고 GMSK는 약40dB 정도를 요구한다.
- 또한 공통적으로 PSK 변조방식 중 BPSK, MSK, QPSK는 거의 일정한 값을 보이고 있으며, GMSK만 약 5dB 정도의 나쁘게 산출되고 있음을 확인할 수 있다. 그림 (16)에서BPSK, MSK, QPSK는 BER 10-2에서 SNR을 약 25dB 정도를 요구하고, GMSK는 30dB을 요구하며, 10-3에서는BPSK, MSK, QPSK가 약 35dB을 요구하고 GMSK는 약40dB 정도를 요구한다.
- 또한 변조방식별 차이를 정량화하기 위하여 음성통신과 3X105 픽셀 (픽셀당 정보량 4bit)의 영상전송을 모의한 결과 음성통신 시 약 8Km 의 차이를 나타냈으며, 15Km 거리영상전송은 10-2의 낮은 BER에서 약 7초의 이득이 발생함을 확인하였다.
- 또한 변조방식별 차이를 정량화하기 위하여 음성통신과 3X106 픽셀 (픽셀당 정보량 4bit)의 영상전송을 모의한 결과 음성통신 시 약 8Kni 의 차이를 나타냈으며, 15Km 거리 영상전송은 IO”의 낮은 BER에서 약 7초의 이득이 발생함을 확인하였다.
- 또한 주파수의 크기는 식 (ID에 따라 채널용량에 영향을 미치게 되는데 약 7KHz어서 채널용량은 최대값을 갖게 되고, 그 이하에서는 다시 작아지게 된다. 그림 (16)과 그림 (17)에서 QPSK는 10-2이상의 BER에서 SNR25dB 이상을 요구하므로 약 8KHz 이하의 주파수를 사용할 수 있으나, GMSK는 30dB 이상을 요구하므로 5KHz 이하의 주파수를 사용할 수 있다 또한 채널용량은 QPSK가 60Kbps 이상의 채널용량 확보가 가능하며, GMSK는 45Kbps 정도의 채널용량 확보가 가능함을 알 수 있다.
- 본 논문에서는 PSK 계열의 주파수 변조방식에 따른 수 중통신의 효율을 비교하였고 결과는 BPSK, QPSK, MSK가 GMSK보다 효율이 높음을 확인하였다. 그리고 음속 해 저면 기울기, 주파수의 세 가지 변수를 변화시킨 결과 주파수의 변화에서만 주파수의 크기에 따른 전체적인 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 본 논문에서는 PSK 계열의 주파수 변조방식에 따른 수 중통신의 효율을 비교하였고 결과는 BPSK, QPSK, MSK가 GMSK보다 효율이 높음을 확인하였다. 그리고 음속 해 저면 기울기, 주파수의 세 가지 변수를 변화시킨 결과 주파수의 변화에서만 주파수의 크기에 따른 전체적인 BER이 향상되는 것을 확인하였다.
- 실험결과에서 BERO] 1(湼인 경우 SN旧은 BPSK, QPSK, MSK가 거의 동일하게 약 15dB 정도이며, GMSK는 약 20dB로 가장 낮게 나타난다.
- 실험결과에서 BER이 10-2인 경우 SN旧은 BPSK, QPSK,MSK가 거의 동일하게 약 15dB 정도이며, GMSK는 약 20dB로 가장 낮게 나타난다. 또한 BER이 10-3 인 경우에도 각각 25dB와 30dB로 5dB정도의 차이를 보이고 있다.
- 위 결과를 검증하기 위해 부산 남방 근해의 채널 환경을 묘사하여 실험한 결과 전체적인 BERe 낮게 나왔으나, BPSK, QPSK, MSK와 GMSK는 상대적인 BER이 같게 산출되었다.
- 위 결과를 검증하기 위해 부산 남방 근해의 채널환경을묘사하여 실험한 결과 전체적인 BER은 낮게 나왔으나, BPSK, QPSK, MSK와 GMSK는 상대적인 BER이 같게 산출되었다.
- 위 결과를 요약하면 수중에서 PSK 기반의 변조방식별 효율 (BER)은 GMSK를 제외하고 나머지 BPSK, QPSK,応K에서 유사하게 나타나며, BPSK, QPSK, MSK의 BER이 10-2~10-3의경우에 GMSK 보다 약 5dB 정도 높다.
후속연구
- 그러나 상기 실험은 모의된 환경에서의 제한된 변수에 의한 실험으로 수중음향 채널에서의 다중경로에 의한 잔향과 도플러 확산 등에 의한 영향은 충분히 고려하지 않았다 추후 연구로는 수중통신 환경요소를 더욱 정밀하게 반영한모델을 구축하여, 수중체 이동시의 영향과 여러 가지 통신기법의 반영을 통한 수중 네트워크 구성에 관한 연구를 계속할 예정이다.
- 그러나 상기 실험은 모의된 환경에서의 제한된 변수에 의한 실험으로 수중음향 채널에서의 다중경로에 의한 잔향과 도플러 확산 등에 의한 영향은 충분히 고려하지 않았다 추후 연구로는 수중통신 환경요소를 더욱 정밀하게 반영한모델을 구축하여, 수중체 이동시의 영향과 여러 가지 통신기법의 반영을 통한 수중 네트워크 구성에 관한 연구를 계속할 예정이다.
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