[논문]부분 대역 재밍 환경에서 SFH(Slow Frequency Hopping) 위성 통신 방식을 사용하는 A-NED(Adaptive NED) 알고리즘 항재밍 성능 분석

김성호; 신관호; 김희중; 김영재

부분 대역 재밍 환경에서 SFH(Slow Frequency Hopping) 위성 통신 방식을 사용하는 A-NED(Adaptive NED) 알고리즘 항재밍 성능 분석
A Study of Anti-Jamming Performance using A-NED(Adaptive NED) Algorithm of SFH(Slow Frequency Hopping) Satellite Communication Systems in PBNJ 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.1, 2010년, pp.30 - 35

김성호 (삼성탈레스 종합연구소) , 신관호 (국방과학연구소) , 김희중 (국방기술품질원) , 김영재 (삼성탈레스 종합연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

As of today, Frequency Hopping techniques are widely used for over-channel interference and anti-jamming communication systems. In this paper, analysis the performance of robustness on the focus of some general jamming channel. In FH/SS systems, usually SFH(Slow Frequency Hopping) and FFH(Fast Frequency Hopping) are took up on many special communication systems, the SFH, FFH are also combined with a channel diversity algorithm likes NED(Normalized Envelop Detection), EGC(Equal Gain Combines) and Clipped Combines to overcome jammer's attack. This paper propose Adaptive-NED and shows A-NED will be worked well than the others in the some general jamming environments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 주파수 도약 방식으로 대역확산 하는 시스템에서 기존 Diversity Combine 방식 중에서 성능이 뛰어나다는 NED(Normalized Envelope Detection) 알고리즘을 사용하는 기존 시스템의 항재밍 성능을 분석하고 나아가 수신된 NED 심볼의 재밍 충돌 여부를 판별하는 JSD(Jammed Signal Discriminator)를 사용하여 재밍된 신호를 제거하는 Adaptive-NED 알고리즘을 적용한 제안된 시스템의 항재밍 성능을 분석한다.

가설 설정

JSD에서 정해진 PE%이상의 패턴이 불일치하는 경우 jammed packet으로 판정, 해당 수신된 주파수내의 심볼들을 Accumulator 내에 누적하지 않는 A_NED를 사용한다. 만약 Diversity Combine이 2회인 경우 NED=2에서 수신된 심볼들이 모두 재머에 맞는 경우 두 수신된 심볼을 합하여 판단하는 것으로 가정한다. 이를 통해 나온 성능을 기존 NED와 비교 분석 한다.

제안 방법

Diversity Combines의 값이 커질수록 항재밍 성능은 보완할 수 있지만 전송 효율(DC loss, 전송속도, 대역 효율)을 고려할 때 가장 많이 사용하는 N=4인 경우에 대해 NED와 ANED 성능을 Fig. 9에서 ρ값을 변경해가면서 비교해 보았다.(참고로 ρ=0.
SFH시스템에 NED와 같은 Diversity Combine 알고리즘을 적용하기 위해서 FFH시스템에서 이루어지는 Diversity Combine을 방식의 일부를 살펴본다.
주파수 도약 시스템에서는 일반적인 고정 주파수 통신 시스템과 달리 도약 시퀀스 검색을 통한 도약 동기 획득 시나리오를 진행 하게 되는데 이와 관련된 과정은 시뮬레이션에서 생략하기로 한다. 결국 도약 동기가 일치 한다는 가정 아래에서 SFH 시 매 주파수 마다 수신되는 다수의 심볼들에 대해 frame별 재 동기과정을 진행하기 위해 필요한 preamble 구간은 전체 k=100 symbols/frame 중에서 n=30symbols의 이라고 정의 하였으며 이를 채널에 전송하고 수신된 값을 JPD에서 preamble 구간 내 3%, 20%, 40%이상 에러인 경우에 대해 partial band jammer 환경에서 Eb/J0관점에서 BER 성능을 분석하여 보았다.
제안된 시스템에서는 수신시 동기 획득을 위한 Preamble 구간을 Jammed Packet Discrimination(이하 JPD)구간으로 잡고 이 부분에 대한 에러율을 검사한 뒤 NED Accumulator에 누적 여부를 결정한다. 기존의 수동적 NED 방식의 경우 N회 diversity시 N/2회 이상 충돌이 나는 경우 복원이 어려운 문제점이 있고 이를 jammed packet 판별 과정을 통해 개선하면 재밍 당하지 않은 심볼들에 대한 NED 누적이 확률적으로 높아짐으로써 N개의 diversity symbols 중 정상적인 심볼들 중 하나만 이라도 재밍을 피하기만 한다면 복조 확률을 굉장히 높일 수 있다.

데이터처리

만약 Diversity Combine이 2회인 경우 NED=2에서 수신된 심볼들이 모두 재머에 맞는 경우 두 수신된 심볼을 합하여 판단하는 것으로 가정한다. 이를 통해 나온 성능을 기존 NED와 비교 분석 한다.

성능/효과

항재밍 waveform에서 가장 많이 사용하던 NED 알고리즘의 경우 ρ값이 낮고 출력이 높은 재밍 환경에서 diversity combines 횟수의 증가 없이는 성능 개선이 어려운 단점이 존재 하였으며 이를 개선하기 위해 제안된 A-NED 알고리즘은 기존 NED에 비해 같은 충돌 확률을 가지지만 보다 높은 항재밍 성능을 보여 주었으며 시뮬레이션 결과에서 나타난 바와 같이 SFH 시스템의 A-NED가 4이상 되는 경우 BER 성능이 월등히 개선되는 것을 볼 수 있다.

후속연구

앞으로 A-NED 알고리즘에 큰 영향을 미치는 JPD 결정 알고리즘의 보다 깊은 연구와 개선을 통해 실제 항재밍 waveform 설계에 현실적이고 효과적으로 적용 될 수 있을 것으로 기대 된다. 이외에도 다양한 jamming 채널과 결합된 낮은 Eb/N0 조건에서의 성능 분석을 추후 진행 할 예정이다.
앞으로 A-NED 알고리즘에 큰 영향을 미치는 JPD 결정 알고리즘의 보다 깊은 연구와 개선을 통해 실제 항재밍 waveform 설계에 현실적이고 효과적으로 적용 될 수 있을 것으로 기대 된다. 이외에도 다양한 jamming 채널과 결합된 낮은 Eb/N0 조건에서의 성능 분석을 추후 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 도약 방식의 통신 방법에는 어떤 방식들이 있는가?	주파수 도약 방식의 통신 방법은 기 알려진 바와 같이 하나의 주파수에 여러 심볼을 전송하는 SFH 방식과 하나의 심볼을 여러 주파수로 전송하는 FFH 방식으로 나누어진다. 이를 Fig.
	SFH 시스템에서 재밍 신호와 충돌하는 경우 한 번에 다수의 심볼이 오염되는 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?	하지만 이러한 단점도 몇 가지 하드웨어적인 부담(다수의 심볼 저장을 위한 큰 메모리, 고속의 NED 연산을 위한 신호처리 등)을 극복하고 NED 알고리즘을 SFH시스템에 적용하게 되는 경우 항재밍 성능은 FFH 시스템과 크게 달라지지 않는다.
	현재까지 개발된 시스템에서 SFH 방식보다 FFH시스템을 더 선호하는 이유는 무엇인가?	1에서 나타내고 있다. 현재 까지 개발된 시스템에서는 항재밍 측변에서 한번 재밍 당했을 때 Loss되는 심볼의 수가 SFH에 비해 상대적으로 적은 FFH시스템을 선호해 왔으며, 재밍의 위협으로부터 생존성을 극대화하기 위해 상대적으로 높은 오율에서 통신이 가능한 음성위주의 저속 데이터 전송을 고려한 네트워크의 설계가 이루어 졌다. 이런 통신 시스템들은 주로 non-coherent detection이 가능한 M-ary FSK 방식의 변복조를 채택하고 FFH전송을 통해 Diversity Combine을 수행하여 항재밍 성능이 최대화 될 수 있도록 구현되고 있다[2].

참고문헌 (4)

BERNARD SKLAR, "Digital Communications", Prentice Hall, Section 12.4, pp. 738-745, 2001.
John G. Proakis, "Digital Communications", MacGraw Hill, Section 12.3, pp. 807-813.
Gulliver, T. A., "The Performance of Diversity Combining for Fast Frequency Hopped NCMFSK in Rayleigh Fading", Military Communications Conference, 1992. MILCOM '92, Conference Record. 'Communications - Fusing Command, Control and Intelligence', IEEE, Vol. 2, pp. 452-457, 11-14 Oct. 1992
K. S. Gong, "Performance of Diversity Combining Techniques for FH/MFSK in Worst Case Partial Band and Multi-Tone Jamming", Proc. IEEE Milcom, Vol. SAC-4, pp. 216-233, Mar 1986.

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