[국내논문]Jamming 환경에서 SFH 변조 방식에 따른 위성 통신 시스템의 BER 성능 분석 An Analysis on BER Performance of Satellite Communication System Classified by SFH-Modulation Method under Jamming원문보기
FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식은 군 통신 시스템에서 재밍(Jamming)에 의한 간섭을 줄이기 위해 사용된다. 하지만 사용되는 변조 방식의 종류, 재밍 신호의 특성에 따른 위성 통신 시스템의 BER 성능이 무선 채널 상태에 따라 어떤 성능 차이를 보이는지 분석되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 PBNJ(Partial-Band Noise Jamming)와 WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming)의 두 가지 재밍 환경에서 NC-MFSK(Non-Coherent M-ary Frequeency-Shift Keying), SDPSK(Symmetric Differential Phase-Shift Keying), GMSK (Gaussian filtered Minimum-Shift Keying)의 세 가지 변조 방식에 따른 위성 통신 시스템의 BER 성능 변화를 분석한다. 또한, 분석된 결과를 이용하여 전송 환경에 따른 최적의 전송 방식을 제안하도록 한다.
FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식은 군 통신 시스템에서 재밍(Jamming)에 의한 간섭을 줄이기 위해 사용된다. 하지만 사용되는 변조 방식의 종류, 재밍 신호의 특성에 따른 위성 통신 시스템의 BER 성능이 무선 채널 상태에 따라 어떤 성능 차이를 보이는지 분석되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 PBNJ(Partial-Band Noise Jamming)와 WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming)의 두 가지 재밍 환경에서 NC-MFSK(Non-Coherent M-ary Frequeency-Shift Keying), SDPSK(Symmetric Differential Phase-Shift Keying), GMSK (Gaussian filtered Minimum-Shift Keying)의 세 가지 변조 방식에 따른 위성 통신 시스템의 BER 성능 변화를 분석한다. 또한, 분석된 결과를 이용하여 전송 환경에 따른 최적의 전송 방식을 제안하도록 한다.
The FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), in which a transmitter changes its carrier frequency according to a certain hopping pattern, is widely used in the military communication system, since it is highly resistant to deliberate Jamming. However, the difference of BER performance of satellite c...
The FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), in which a transmitter changes its carrier frequency according to a certain hopping pattern, is widely used in the military communication system, since it is highly resistant to deliberate Jamming. However, the difference of BER performance of satellite communication system which using the different modulation scheme and Jamming model was not studied. Thus, in this paper, we consider PBNJ(Partial-Band Noise Jamming) and WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming) as Jamming models, and evaluate BER(Bit Error Rate) performances of NC-MFSK(Non-Coherent M-ary Frequency-Shift Keying), SDPSK(Symmetric Differential Phase-Shift Keying), and GMSK(Gaussian filtered Minimum-Shift Keying) modulation schemes. Based on the results, we suggest the best transmission method for each condition.
The FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), in which a transmitter changes its carrier frequency according to a certain hopping pattern, is widely used in the military communication system, since it is highly resistant to deliberate Jamming. However, the difference of BER performance of satellite communication system which using the different modulation scheme and Jamming model was not studied. Thus, in this paper, we consider PBNJ(Partial-Band Noise Jamming) and WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming) as Jamming models, and evaluate BER(Bit Error Rate) performances of NC-MFSK(Non-Coherent M-ary Frequency-Shift Keying), SDPSK(Symmetric Differential Phase-Shift Keying), and GMSK(Gaussian filtered Minimum-Shift Keying) modulation schemes. Based on the results, we suggest the best transmission method for each condition.
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문제 정의
위와 같은 이유로 SFH 방식은 무선 LAN, GSM 등에서 널리 사용되며, FFH 방식은 사용되는 곳이 매우 적다. 따라서 본 논문에서는 채널 접속 방식으로 SFH가 사용될 경우, 채널에 존재하는 재밍의 특성에 따라 통신 시스템의 BER 성능이 변조 방식의 변화에 따라서 어떻게 변화하는지 알아보도록 한다. 또한, 분석된 결과를 이용하여 채널 상태에 따른 최적의 변조 방식을 결정하도록 한다.
본 논문에서는 ρ값에 따른 BER 성능 변화를 살펴보며, 또한, 재밍과 변조 방식에 따른 성능 변화를 살펴보도록 한다.
본 논문에서는 SFH 시스템에서 변조 방식으로 각각 NC-MFSK와 SDPSK, GMSK가 사용될 경우의 BER 성능을 두 가지 재밍 환경에서 살펴보았다. 성능 분석 결과, 재밍 환경에서 ρ가 큰 경우 Eb/NJ가 클 때 유리하며, ρ가 작은 경우 Eb/NJ를 작게 설정하는 것이 유리하다.
가설 설정
본 논문에서는 그림 1과 같은 SFH 시스템을 가정한다. 입력된 데이터는 길쌈 부호화와 변조 과정을 차례로 거치게 되며, PN(Pseudo random Number) 시퀀스에 의해 주기적으로 랜덤하게 채널을 바꾸어 전송하게 된다.
입력된 데이터는 길쌈 부호화와 변조 과정을 차례로 거치게 되며, PN(Pseudo random Number) 시퀀스에 의해 주기적으로 랜덤하게 채널을 바꾸어 전송하게 된다. 무선 채널에서의 잡음은 AWGN(Additive White Gaussian Noise)과 재밍이 존재하는 것을 가정하였다. 재밍은 PBNJ(Partial-Band Noise Jamming)와 WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming)의 두 가지 모델을 사용하여 성능 분석을 수행하였다.
또한, 전송율은 256 kbps로 가정하였으며, ρ값은 각각 0.01, 0.1, 0.5, 1로 바꿔가며 성능 분석을 수행하였다.
제안 방법
군 위성 통신 시스템에서는 데이터 전송 성능 향상을 위해 NC-MFSK, SDPSK, GMSK와 같은 변조 방식에 대해 활발히 연구가 진행되어 왔다. 기존 연구에서는 제안된 변조 방식의 성능 평가를 위해 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에서 변조 방식에 따른 BER 성능을 분석하였다. 하지만 전술 통신 환경에서는 적군이 아군의 통신 교란을 위해 재밍 신호를 발생시킬 수 있으며, 이러한 재밍 신호가 존재할 경우 데이터 전송 신뢰성이 감소할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 채널 접속 방식으로 SFH가 사용될 경우, 채널에 존재하는 재밍의 특성에 따라 통신 시스템의 BER 성능이 변조 방식의 변화에 따라서 어떻게 변화하는지 알아보도록 한다. 또한, 분석된 결과를 이용하여 채널 상태에 따른 최적의 변조 방식을 결정하도록 한다.
무선 채널에서의 잡음은 AWGN(Additive White Gaussian Noise)과 재밍이 존재하는 것을 가정하였다. 재밍은 PBNJ(Partial-Band Noise Jamming)와 WPBJ(Worst case Partial-Band noise Jamming)의 두 가지 모델을 사용하여 성능 분석을 수행하였다. PBNJ에서 잡음 전력 J는 전체 대역 WSS 중 일부분인 WJ에 걸쳐 분포한다.
또한, 각 Eb/NJ에서 BER이 최대가 되는 ρ값, 즉 ρ*를 구하고, 이 값을 이용하여 WPBJ에서의 BER 성능 평가를 수행하였다.
채널 부호화를 사용하지 않는 SFH/GMSK가 1-bit 시차 검출과 함께 사용될 경우, SFH/GMSK의 이론적인 BER을 구하는 것은 매우 어렵다. 따라서 시뮬레이션을 통해 성능 평가를 수행하였으며, 시뮬레이션 환경은 SFH/NC-MFSK의 경우와 같게 설정하였다. 또한, GMSK는 기저대역 신호를 가우시안 필터에 통과시켜 전송 성능을 향상시키는 방식으로, 시뮬레이션을 위해 BT(Bandwidth Time product)라는 추가적인 파라미터가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 각 Eb/NJ 값에서 BER 성능이 가장 좋지 않을 때의 ρ값을 선택하였다.
데이터처리
위의 성능 분석 결과의 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션의 수행을 위한 파라미터 값은 표 2에 나타내었다. 또한, 전송율은 256 kbps로 가정하였으며, ρ값은 각각 0.
성능/효과
또한, ρ가 1인 전대역 잡음 재밍이 발생한 경우 4 dB 이하에서 BER이 가장 크게 나타났으며, ρ가 0.01일 경우 14 dB보다 클 때 BER이 가장 높게 나타났다.
그림 4의 결과로부터 시뮬레이션 결과와 수식을 통해 분석된 결과가 일치하는 것을 알 수 있다. 또한, WPBJ의 경우 AWGN과 비교하여 BER 성능이 나쁜 것을 확인할 수 있다.
위 결과로부터 Eb/NJ가 작을 때에는 ρ=1일 때 재밍에 의해 BER이 가장 높게 나타났으며, Eb/NJ가 클 때에는 ρ가 작을 때 BER이 가장 높게 나타났다.
성능 분석 결과, 재밍 환경에서 ρ가 큰 경우 Eb/NJ가 클 때 유리하며, ρ가 작은 경우 Eb/NJ를 작게 설정하는 것이 유리하다.
위 결과로부터 Eb/NJ가 작을 때에는 ρ=1일 때 재밍에 의해 BER이 가장 높게 나타났으며, Eb/NJ가 클 때에는 ρ가 작을 때 BER이 가장 높게 나타났다. 또한, BT가 커질수록 BER 성능이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이는 BT가 커질수록 심볼 주기가 커지기 때문이다.
후속연구
또한, Ⅲ장의 분석 결과에서 WPBJ에서 분석된 결과를 이용하면 위성 통신 시스템 설계 후 최악의 성능을 예측할 수 있어 변조 방식 및 파라미터 설계 시 참고 자료로 활용할 수 있을 것이다.
성능 분석 결과, 재밍 환경에서 ρ가 큰 경우 Eb/NJ가 클 때 유리하며, ρ가 작은 경우 Eb/NJ를 작게 설정하는 것이 유리하다. 위 결과를 활용하면 무선 통신 시스템 설계 시 재밍의 특성에 따라 데이터 전송 성능을 향상시키기 위한 최적의 변조 방식 및 파라미터 값을 결정할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FHSS 방식은 무엇이 있는가?
FHSS 방식은 주파수를 도약하는 주기에 따라 SFH(Slow Frequency Hopping) 방식과 FFH(Fast Frequency Hopping) 방식으로 나눌 수 있다. SFH 방식은 선택된 채널에서 하나 또는 다수의 데이터 비트를 전송한다.
FFH 방식이 SFH 방식에 비해 어떤 이점이 있는가?
또한, FFH 방식은 동기식 신호 검출이 어려우며, 구현하는데 비용이 많이 든다. 하지만 같은 확산처리이득에서는 SFH 방식에 비해 성능이 우수하다. 위와 같은 이유로 SFH 방식은 무선 LAN, GSM 등에서 널리 사용되며, FFH 방식은 사용되는 곳이 매우 적다.
군 위성 통신 시스템에서는 데이터 전송 성능 향상을 위해 무엇이 연구되었는가?
군 위성 통신 시스템에서는 데이터 전송 성능 향상을 위해 NC-MFSK, SDPSK, GMSK와 같은 변조 방식에 대해 활발히 연구가 진행되어 왔다. 기존 연구에서는 제안된 변조 방식의 성능 평가를 위해 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에서 변조 방식에 따른 BER 성능을 분석하였다.
참고문헌 (5)
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J. S. Lee, L. E. Miller, "Probability of error analyses of a differential phase shift keyed/frequency hopping spread spectrum communication system in the partial-band Jamming environments", Proc. IEEE Trans. on Communications, vol. COM-30, no. 5, pp. 943-952, May 1982.
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