[논문]시역전 수중 디지털 통신 성능 분석

김현수; 권양수; 이일신; 정재학; 김성일

doi:10.7776/ask.2009.28.3.213

[국내논문] 시역전 수중 디지털 통신 성능 분석
Analysis of Time Reversal Transmission Performance for Underwater Communications 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.28 no.3, 2009년, pp.213 - 221

김현수 (인하대학교 전자공학부) , 권양수 (인하대학교 전자공학부) , 이일신 (인하대학교 전자공학부) , 정재학 (인하대학교 전자공학부) , 김성일 (국방과학연구소)

초록
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수중 시역전 통신기법은 복잡한 수중채널환경에서 정합장 처리를 통해 수신단의 구조가 간단하면서 전송성능을 높이기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔으나 디지털 시역전 통신을 하기 위한 전송변수에 대한 연구가 부족하다. 본 논문은 수중시역전 채널과 전송방식을 분석하여 시역전 통신이 공간 다이버서티 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 그리고 디지털 시역전 전송 시 전송심볼간의 간섭을 회피하여 최적의 성능을 얻을 수 있는 통신변수인 심볼 구간, 프레임의 길이 및 전송 프로토콜에 대한 설계방법을 제안한다. 전산모의실험을 통해 제안된 설계변수를 이용한 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보였다. 또한 보다 많은 트랜스듀서를 사용할수록 시역전 효과에 의해 부정합 신호경로의 개수와 크기가 줄어 ISI의 효과가 감소함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The time reversal mirror (TRM) method for underwater communications has been developed to improve transmission performance with low complexity. However, digital communication parameters for TRM have not been researched deeply. This paper demonstrates that the TRM scheme obtains spatial diversity gain similar to multiple antennas, and proposes design methodologies of symbol interval, frame duration and transmission protocol for time reversal mirror transmission. Simulation results show that spatial diversity gain is achieved and the effect of ISI decreases as the number of transducer increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 시역전 수중 통신 기법에 디지털 통신기법을 적용하면 같은 환경에서 보다 효과적으로 신호를 전송할 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 시역전 통신 시 고려해야 할 전송변수인 심볼 구간, 프레임의 길이, 시역전 채널에서 시변환경에 따르는 전송방식에 대한 설계방법을 제안한다. 그리고 전산모의 실험을 통해 성능을 분석하여 제안된 방법을 이용한 데이터 전송 시 공간 다이버서티 이득을 얻음을 보였다.
이러한 지연구간은 연속적인 신호 전송시 인접 심볼간 간섭 (ISI; intersymbol interference)을 야기하고 통신링크의 수신복호 성능 열화를 가져온다. 그러므로 본 절에서는 ISI가 가져오는 SNR의 성능열화에 대해 분석하고 이를 극복할 수 있는 심볼구간 설계에 대해 제안한다.
이러한 지연구간은 연속적인 신호 전송시 인접 심볼간 간섭 (ISI; intersymbol interference)을 야기하고 통신링크의 수신복호 성능 열화를 가져온다. 그러므로 본 절에서는 ISI가 가져오는 SNR의 성능열화에 대해 분석하고 이를 극복할 수 있는 심볼구간 설계에 대해 제안한다.
본 논문은 수중환경에서 시역전 통신을 위해 수중음향 채널을 분석하여 공간 다이버서티 이득을 얻을 수 있음을 보이고, 디지털 통신 변수인 심볼 구간, 프레임의 길이 및 전송 프로토콜에 대한 설계방법을 제안하였다. 전산모의실험을 통해 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보이고, 제안된 설계변수를 이용한 간섭효과의 개선된 성능변화를 보였다.

제안 방법

그림 12, 13은 각각 해수면과 평균 깊이 42 m에 위치한 트랜스듀서에서 시 역전 전송기 법 적용시 제안된 변수 설계를 통해 이상적으로 ISI가 일어나지 않는 조건에서 실험을 한 결과이다. PS에 도달하는 모든 ray의 전력 합을 정규화시켜 신호의 전력으로 설정하고 부가적으로 더해진 가우시안 잡음과의 전력비로서 SNR을 산정하였다. 전송 신호는 BPSK이며 트랜스듀서의 개수를 각각 1개, 3개, 10개로 늘려 실험하였다.
그림 12, 13은 각각 해수면과 평균 깊이 42 m에 위치한 트랜스듀서에서 시 역전 전송기 법 적용시 제안된 변수 설계를 통해 이상적으로 ISI가 일어나지 않는 조건에서 실험을 한 결과이다. PS에 도달하는 모든 ray의 전력 합을 정규화시켜 신호의 전력으로 설정하고 부가적으로 더해진 가우시안 잡음과의 전력비로서 SNR을 산정하였다. 전송 신호는 BPSK이며 트랜스듀서의 개수를 각각 1개, 3개, 10개로 늘려 실험하였다.
그러나 시역전 수중 통신 기법에 디지털 통신기법을 적용하면 같은 환경에서 보다 효과적으로 신호를 전송할 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 시역전 통신 시 고려해야 할 전송변수인 심볼 구간, 프레임의 길이, 시역전 채널에서 시변환경에 따르는 전송방식에 대한 설계방법을 제안한다. 그리고 전산모의 실험을 통해 성능을 분석하여 제안된 방법을 이용한 데이터 전송 시 공간 다이버서티 이득을 얻음을 보였다.
T_s는 전송 심볼의 구간이며 T_c는 coherence time을 나타낸다. 데이터 시퀀스는 n개의 전송 심볼로 이루어지며 실제 데이터가 전송되는 구간이고 coherence time 길이 이내로 설계한다.
5 kHz에 대역폭 400 Hz를 사용하였다. 본 논문의 전산모의실험에서는 시역전 집속구의 기보다는 전송신호의 검출에 대한 결과를 보기 위해 채널 응답의 크기는 정규화된 전력을 사용한다.
본 논문의 전산모의실험에서는 시역전 집속구의 크기보다는 전송신호의 검출에 대한 결과를 보기 위해 채널 응답의 크기는 정규화된 전력을 사용한다.
본 장에서는 수중채널을 모델링하여 시역전 채널응답 특성을 분석하고, 제안된 파라메타로 설계된 전송신호 심볼 구간과 프레임 구간을 갖는 신호 전송시 얻을 수 있는 비트 오류율 (BER)을 보였다. 그리고 고속전송을 위해 심볼구간을 τ_rms보다 작게 설계할 때 나타나는 ISI의 영향에 대해서 BER을 보였다.
본 장에서는 수중채널을 모델링하여 시역전 채널응답 특성을 분석하고, 제안된 파라메타로 설계된 전송신호 심볼 구간과 프레임 구간을 갖는 신호 전송시 얻을 수 있는 비트 오류율 (BER)을 보였다. 그리고 고속전송을 위해 심볼구간을 τ_rms보다 작게 설계할 때 나타나는 ISI의 영향에 대해서 BER을 보였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2 장에서 수중 음향 채널 환경, 제 3 장에서 시역전 기법을 설명하고, 제 4장에서 시 역전 수중통신 변수 설계방법을 제안한다. 제 5 장에서 전산모의 실험을 통한 시역전 전송 기법의 전송성능을 분석하고, 마지막 6장에서 결론을 맺는다.

대상 데이터

PS에 도달하는 모든 ray의 전력 합을 정규화시켜 신호의 전력으로 설정하고 부가적으로 더해진 가우시안 잡음과의 전력비로서 SNR을 산정하였다. 전송 신호는 BPSK이며 트랜스듀서의 개수를 각각 1개, 3개, 10개로 늘려 실험하였다. 트랜스듀서의 수를 증가시킬 때 BER 곡선의 기울기가 급해짐을 알 수 있다.
시역전 배열은 각각 2 m의 수직간격을 갖는 트랜스듀서로 구성된다. 전송신호는 중심주파수 3.5 kHz에 대역폭 400 Hz를 사용하였다. 본 논문의 전산모의실험에서는 시역전 집속구의 기보다는 전송신호의 검출에 대한 결과를 보기 위해 채널 응답의 크기는 정규화된 전력을 사용한다.
시역전 배열은 각각 2 m의 수직간격을 갖는 트랜스듀서로 구성된다. 전송신호는 중심주파수 3.5 kHz에 대역폭 400 Hz를 사용하였다. 본 논문의 전산모의실험에서는 시역전 집속구의 기보다는 전송신호의 검출에 대한 결과를 보기 위해 채널 응답의 크기는 정규화된 전력을 사용한다.

이론/모형

본 논문에서는 신호 대 다중경로 개념과 함께 다중경로 특성의 정량적인 평가가 가능한 전달손실 모델 중 음선이론 기반의 BELLHOP 모델을 사용한다. BELLHOP 모델은 음원으로부터 전파되는 고유음선 파두의 파동경로를 추적하기 때문에 육상에서의 디지털 통신기법을 수중에 적용하는 데 용이하다.
BELLHOP 모델은 음원으로부터 전파되는 고유음선 파두의 파동경로를 추적하기 때문에 육상에서의 디지털 통신기법을 수중에 적용하는 데 용이하다. 실효성 있는 전산모의실험을 위해 참고문헌 [21]의 한국해역 중 실측된 서해 인근의 여름철 평균 음속분포 및 해저 면 반사계수를 BELLHOP 모델에 적용한다. 그리고 2-way 전달경로에서 해수 유동 및 해수면 반사에 의한 신호의 상반성 왜곡은 정규분포로 모델링하여 적용한다.

성능/효과

그림 5는 ISI가 발생할 경우 12 dB의 SNR에서 ρ값에 따른 SNR_ISI과 시 역전 전송의 비트오류율 그래프이다. P값이 증가할수록 SNR_ISI이 감소하고 비트오류율 성능이 저하됨을 알 수 있다.
그러므로 본 논문에서는 시역전 통신 시 고려해야 할 전송변수인 심볼 구간, 프레임의 길이, 시역전 채널에서 시변환경에 따르는 전송방식에 대한 설계방법을 제안한다. 그리고 전산모의 실험을 통해 성능을 분석하여 제안된 방법을 이용한 데이터 전송 시 공간 다이버서티 이득을 얻음을 보였다.
그러므로 본 논문에서는 시역전 통신 시 고려해야 할 전송변수인 심볼 구간, 프레임의 길이, 시역전 채널에서 시변환경에 따르는 전송방식에 대한 설계방법을 제안한다. 그리고 전산모의 실험을 통해 성능을 분석하여 제안된 방법을 이용한 데이터 전송 시 공간 다이버서티 이득을 얻음을 보였다.
전산모의실험을 통해 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보이고, 제안된 설계변수를 이용한 간섭효과의 개선된 성능변화를 보였다. 또한 보다 많은 트랜스듀서를 사용할수록 정합되는 경로수가 증가하여 ISI의 영향이 감소함을 보였다.
그림 11, 12의 ★는 시역전 방식을 적용하지 않은 경우의 BER 성능 비교를 위해 등화기법을 사용한 l-way 전송 성능을 나타내었다. 이는 10^-2의 BER에서 충분한 다이버서티를 얻는 시역전 방식 (AWGN)의 BER 곡선과 약 7 dB의 성능 차이를 보인다. 그리고 ▽는 채널 상에 단일경로의 고유음선만 존재할 경우 시역전 전송방식의 BER 성능이다.
그리고 ▽는 채널 상에 단일경로의 고유음선만 존재할 경우 시역전 전송방식의 BER 성능이다. 이는 등화기법을 사용한 1-way 전송성능보다 좋지 않은 성능을 보이며, 공간 다이버서티가 없으므로 SNR 증가에 따라 BER 성능이 선형적으로 감소한다.
본 논문은 수중환경에서 시역전 통신을 위해 수중음향 채널을 분석하여 공간 다이버서티 이득을 얻을 수 있음을 보이고, 디지털 통신 변수인 심볼 구간, 프레임의 길이 및 전송 프로토콜에 대한 설계방법을 제안하였다. 전산모의실험을 통해 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보이고, 제안된 설계변수를 이용한 간섭효과의 개선된 성능변화를 보였다. 또한 보다 많은 트랜스듀서를 사용할수록 정합되는 경로수가 증가하여 ISI의 영향이 감소함을 보였다.
본 논문은 수중환경에서 시역전 통신을 위해 수중음향 채널을 분석하여 공간 다이버서티 이득을 얻을 수 있음을 보이고, 디지털 통신 변수인 심볼 구간, 프레임의 길이 및 전송 프로토콜에 대한 설계방법을 제안하였다. 전산모의실험을 통해 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보이고, 제안된 설계변수를 이용한 간섭효과의 개선된 성능변화를 보였다. 또한 보다 많은 트랜스듀서를 사용할수록 정합되는 경로수가 증가하여 ISI의 영향이 감소함을 보였다.
그림 9는 42 m 깊이의 하나의 시역전 트랜스듀서에 도달하는 단일방향 채널응답이다. 채널응답의 각각의 성분들은 도달하는 고유음선을 의미하며 상대적으로 해수면 부근의 트랜스듀서에 도달하는 고유음선 수보다 42 m 깊이에서의 수가 많았다. 채널응답의 지연구간은 2장에서 언급한 바와 같이 전자파에 비해 상대적으로 느린 음파속도로 인해 약 0.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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