[논문]수중통신에서 고속 데이터 전송을 위한 다중반송파 기법 연구

한정우; 김기만; 손윤준

doi:10.5394/kinpr.2010.34.3.181

수중통신에서 고속 데이터 전송을 위한 다중반송파 기법 연구
A Study on Multi-carrier Technique for High-speed Data Transmission in Underwater Communication 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.34 no.3 = no.149, 2010년, pp.181 - 187

한정우 (한국해양대학교 대학원) , 김기만 (한국해양대학교 전파공학과) , 손윤준 (국방기술품질원)

초록
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수중무선통신 시스템의 성능은 수중채널의 특성에 영향을 받으며, 특히 잔향 및 다중경로(Multi-path)로 인한 지연확산은 데이터 전송 시 인접심벌간의 간섭(Inter Symbol Interference : ISI)를 발생시켜 통신의 성능을 저하시킨다. 본 논문에서는 잔향 및 다중경로로 인한 인접 심벌간의 간섭에 강한 성능을 나타내는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기법을 이용하여 수중에서 고속 데이터 전송의 적용성을 검토하였다. 실제 수중 채널을 모의하는 모델을 사용하여 수중에서 통신 성능을 확인하였다. 그 결과 1000m의 거리에서 단일 반송파의 경우 BER이 $2{\times}10^{-1}$ 이였으며, 다중 반송파의 경우 BER이 $8{\times}10^{-2}$이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of underwater wireless communication system is influenced on channel characteristic. Especially, a delay spread cause by reverberation and multi-path happen the ISI (Inter Symbol Interference) and reduces the communication performance. In this paper, we study the application of high speed data transmission in underwater to use the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technique for robust the reverberation and multi-path. we confirm the performance of communication in underwater to use the model for actually underwater channel simulation model. As a result, we acquired the BER of modulation techniques. The BER of single carrier is $2{\times}10^{-1}$ and BER of multi carrier is $8{\times}10^{-2}$ in 1000m.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수중통신의 성능을 저하시키는 오차 유발 요인 중 하나인 다중경로로 인한 인접 심벌간의 간섭을 극복하기 위한 방법으로 OFDM 방식의 통신 기법을 수중채널 모델에 적용하여 성능을 확인하였다. 모의실험 결과 단일 반송파 방식인 QPSK에 비해 다중 반송파 방식인 OFDM이 수중통신에서 성능 저해요소 중 하나인 다중경로에 강한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

가설 설정

보호구간은 부반송파의 1/2과 1/4일 경우로 설정하였으며, 데이터 전송속도는 5 kbps로 설정하였다. 또한 SNR은 30 dB로 설정하였으며, 수신시 동기는 완벽하다고 가정하였다. 이때 채널 코딩이나 등화기(equalizer)와 같은 기법들은 적용하지 않았다.
또한 반송파 주파수는 12 kHz로 설정하였으며, 샘플링 주파수는 192 kHz로 설정하였다. 또한, 해수면 및 해저면이 평탄하다 가정하였다. 이러한 파라미터들을 기초로 음파 전달 모델을 이용하여 모의 수중 채널의 임펄스 응답을 계산하였으며, 이를 이 용하여 수중 채널에서의 고속데이터 전송 시 OFDM의 성능을 평가하였다.
모의실험을 위한 모의 수중 채널의 환경은 수심 100 m, 송신기 수심 50 m, 수신기 수심 20 m, 그리고 송신기와 수신기 사이의 거리는 1000m로 가정하였으며, 송·수신기 사이의 음속은 등속인 1500m/s로 설정하였다.
본 논문에서 모의실험에 사용한 수중채널 환경은 다중경로 문제를 감안하여 천해 영역으로 가정하였으며, 그 파라미터는 Fig. 9와 같다. C_w는 water sound speed, ρ_w 는 water density, C_b는 bottom sound speed, ρ_b 는 bottom density, α_b 는 bottom attenuation 을 나타낸다.

제안 방법

모의실험에 비해 실제 수조실험의 경우 공간적인 한계 및 실험장비의 한계 등으로 인해 수조 실험에 사용한 데이터는 모의실험 소스 데이터의 1/4크기인 25×25 크기의 흑백 이미지 파일로 하였다. OFDM 전송 방식은 QPSK 변조를 사용하고, 부반송파의 개수는 128개로 하였으며, 이중 100개의 부반송파만 정보를 가지고 나머지는 가상 부반송파로 두었다. 또한 공간의 한계로 인해 발생하는 신호의 지연시간을 고려해서 보호구간을 부반송파의 절반으로 설정하였으며, 반송 주파수는 실험에 사용된 센서의 제원에 따라 12 kHz로 하였으며, 샘플링 주파수는 192kHz,이다.
수신부에서는 센서를 통해 수신된 데이터를 아날로그 필터와 A/D 컨버터를 거쳐 디지털 데이터로 변환한 후 기저대역으로 Down conversion 하였다. 다음으로 보호구간인 CP를 제거한 다음 FFT를 수행한 후 QPSK 복조를 하여 신호를 복원하였다. 수신 신호를 복조하기 위해 신호의 검출 및 시간 동기는 송신하는 신호의 앞부분에 훈련 심벌을 삽입하여 검출 및 동기를 맞추었으며, 이때 사용된 훈련 심벌은 IEEE 802.
OFDM 전송 방식은 QPSK 변조를 사용하고, 부반송파의 개수는 128개로 하였으며, 이중 100개의 부반송파만 정보를 가지고 나머지는 가상 부반송파로 두었다. 또한 공간의 한계로 인해 발생하는 신호의 지연시간을 고려해서 보호구간을 부반송파의 절반으로 설정하였으며, 반송 주파수는 실험에 사용된 센서의 제원에 따라 12 kHz로 하였으며, 샘플링 주파수는 192kHz,이다. 데이터 전송속도는 100 bps, SNR은 20dB로 설정하였다.
본 논문에서는 다중경로로 인한 인접 심벌간의 간섭을 받는 수중 채널에서의 데이터 전송을 위해 OFDM 방식의 통신 시스템을 고려하였으며, 수중 채널 모델을 이용해 영상 데이터 전송 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 다중 반송파를 사용하는 OFDM의 성능을 평가하기 위해 동일한 수중채널 모델에서 단일 반송파를 사용하는 QPSK를 모의실험을 해서 각각의 성능을 비교하였다. 영상 데이터는 50 * 50, 8 bit 그레이 스케일 데이터 이며, 수중 통신에서 전송 방식은 QPSK 변조를 이용하고, 부반송파의 개수는 512개로 하였으며, 이중 400개의 부반송파만 정보를 가지고 나머지는 가상 부반송파로 두었다.
영상 데이터는 50 * 50, 8 bit 그레이 스케일 데이터 이며, 수중 통신에서 전송 방식은 QPSK 변조를 이용하고, 부반송파의 개수는 512개로 하였으며, 이중 400개의 부반송파만 정보를 가지고 나머지는 가상 부반송파로 두었다. 보호구간은 부반송파의 1/2과 1/4일 경우로 설정하였으며, 데이터 전송속도는 5 kbps로 설정하였다. 또한 SNR은 30 dB로 설정하였으며, 수신시 동기는 완벽하다고 가정하였다.
본 논문에서는 다중경로로 인한 인접 심벌간의 간섭을 받는 수중 채널에서의 데이터 전송을 위해 OFDM 방식의 통신 시스템을 고려하였으며, 수중 채널 모델을 이용해 영상 데이터 전송 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 다중 반송파를 사용하는 OFDM의 성능을 평가하기 위해 동일한 수중채널 모델에서 단일 반송파를 사용하는 QPSK를 모의실험을 해서 각각의 성능을 비교하였다.
다음으로 보호구간인 CP를 제거한 다음 FFT를 수행한 후 QPSK 복조를 하여 신호를 복원하였다. 수신 신호를 복조하기 위해 신호의 검출 및 시간 동기는 송신하는 신호의 앞부분에 훈련 심벌을 삽입하여 검출 및 동기를 맞추었으며, 이때 사용된 훈련 심벌은 IEEE 802.11a의 WLAN(Wireless LAN)에 사용되는 훈련 심벌을 사용하였다. 훈련 심벌은 짧은 훈련 심벌(Short training symbol)과 긴 훈련 심벌(Long training symbol)로 구성된다.
이렇게 생성된 OFDM 심벌을 반송파 주파수인 12 kHz로 Up conversion 하여 D/A 컨버터를 이용하여 센서를 통해 송신하였다. 수신부에서는 센서를 통해 수신된 데이터를 아날로그 필터와 A/D 컨버터를 거쳐 디지털 데이터로 변환한 후 기저대역으로 Down conversion 하였다. 다음으로 보호구간인 CP를 제거한 다음 FFT를 수행한 후 QPSK 복조를 하여 신호를 복원하였다.
수조의 신호지연 및 다중경로의 특성을 파악하기위해 아주 짧은 short pulse인 burst 신호를 송신한 뒤 수신한 신호를 이용하여 수조의 채널특성을 분석하였다. Fig.
수중에서 OFDM 시스템의 실제 적용성 및 성능을 검증하기 위하여 수조를 이용하여 실험을 수행하였다. 모의실험에 비해 실제 수조실험의 경우 공간적인 한계 및 실험장비의 한계 등으로 인해 수조 실험에 사용한 데이터는 모의실험 소스 데이터의 1/4크기인 25×25 크기의 흑백 이미지 파일로 하였다.
실험 과정은 Binary bit로 변환된 이미지 파일을 QPSK 심벌로 변환한 후 IFFT를 수행하여 각각의 부반송파로 변조시켰다. 이후 Cyclic Prefix 기법을 이용하여 보호구간을 삽입한 후 OFDM 심벌을 만들었다.
또한, 해수면 및 해저면이 평탄하다 가정하였다. 이러한 파라미터들을 기초로 음파 전달 모델을 이용하여 모의 수중 채널의 임펄스 응답을 계산하였으며, 이를 이 용하여 수중 채널에서의 고속데이터 전송 시 OFDM의 성능을 평가하였다. Fig.
이후 Cyclic Prefix 기법을 이용하여 보호구간을 삽입한 후 OFDM 심벌을 만들었다. 이렇게 생성된 OFDM 심벌을 반송파 주파수인 12 kHz로 Up conversion 하여 D/A 컨버터를 이용하여 센서를 통해 송신하였다. 수신부에서는 센서를 통해 수신된 데이터를 아날로그 필터와 A/D 컨버터를 거쳐 디지털 데이터로 변환한 후 기저대역으로 Down conversion 하였다.
이에 본 논문에서는 새로운 방법을 제시하기 보다는 수중 채널에서 다중경로로 인해 발생되는 인접 심벌간의 간섭을 피하기 위해 디지털 변조 기법 중 다중경로에 강한 성능을 나타내는 OFDM 기법의 적용성 확인 및 기존 단일 반송파 기법과 성능을 비교하기 위하여 수중 채널 모델을 이용하여 성능을 모의실험 하였으며, 실제 수조 실험을 통해 결과를 분석하였다.
실험 과정은 Binary bit로 변환된 이미지 파일을 QPSK 심벌로 변환한 후 IFFT를 수행하여 각각의 부반송파로 변조시켰다. 이후 Cyclic Prefix 기법을 이용하여 보호구간을 삽입한 후 OFDM 심벌을 만들었다. 이렇게 생성된 OFDM 심벌을 반송파 주파수인 12 kHz로 Up conversion 하여 D/A 컨버터를 이용하여 센서를 통해 송신하였다.

대상 데이터

모의실험에 비해 실제 수조실험의 경우 공간적인 한계 및 실험장비의 한계 등으로 인해 수조 실험에 사용한 데이터는 모의실험 소스 데이터의 1/4크기인 25×25 크기의 흑백 이미지 파일로 하였다.
또한 다중 반송파를 사용하는 OFDM의 성능을 평가하기 위해 동일한 수중채널 모델에서 단일 반송파를 사용하는 QPSK를 모의실험을 해서 각각의 성능을 비교하였다. 영상 데이터는 50 * 50, 8 bit 그레이 스케일 데이터 이며, 수중 통신에서 전송 방식은 QPSK 변조를 이용하고, 부반송파의 개수는 512개로 하였으며, 이중 400개의 부반송파만 정보를 가지고 나머지는 가상 부반송파로 두었다. 보호구간은 부반송파의 1/2과 1/4일 경우로 설정하였으며, 데이터 전송속도는 5 kbps로 설정하였다.

이론/모형

이러한 채널 특성의 시공간적인 변화는 디지털 수중 통신에서 송신하는 인접 심벌간의 상호간섭 (Inter-Symbol Interference : ISI)을 발생시켜 통신 시스템의 성능을 저하시킨다. 이러한 수중 통신 채널의 특성 때문에 과거에는 FSK(Frequency shift keying) 등과 같은 비동기 위상 (non-coherent) 변조기법을 이용하여 수중 통신 시스템을 구현하였다(Daniel et al, 2000). 그러나 미국 WHOI(Woods Hole Oceanographic Institution)에서 PSK (Phase Shift Keying) 기법을 이용한 수중 통신의 결과를 발표한 이후로 PSK나 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등과 같은 동기위상 (phase-coherent) 디지털 변조 기법을 활용한 수중 통신 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다.

성능/효과

결과적으로 다중 반송파를 사용할 경우 단일 반송파에 비해 에러 데이터가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 다중 반송파의 경우 단일 반송파에 비해 향상된 성능을 보여주었으나, 보호구간이 지연확산보다 짧은 경우 Fig.
결과적으로 다중 반송파를 사용할 경우 단일 반송파에 비해 에러 데이터가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 다중 반송파의 경우 단일 반송파에 비해 향상된 성능을 보여주었으나, 보호구간이 지연확산보다 짧은 경우 Fig. 11에서 보여주는 것처럼 인접 심벌간의 간섭 현상으로 인해 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 수중통신의 성능을 저하시키는 오차 유발 요인 중 하나인 다중경로로 인한 인접 심벌간의 간섭을 극복하기 위한 방법으로 OFDM 방식의 통신 기법을 수중채널 모델에 적용하여 성능을 확인하였다. 모의실험 결과 단일 반송파 방식인 QPSK에 비해 다중 반송파 방식인 OFDM이 수중통신에서 성능 저해요소 중 하나인 다중경로에 강한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 수조 실험을 통해서 도 실제 성능을 확인할 수 있었다.
실험결과 다중 반송파를 사용한 OFDM의 경우 단일 반송파를 사용한 QPSK에 비해 통신성능이 향상되어 에러 데이터가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 OFDM의 특징으로 인해 고속 전송 시 발생하는 인접 심벌간의 간섭 문제를 해결하므로 단일반송파 방식인 QPSK에 비해 향상된 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 연구 내용으로는 채널 추정과 등화기의 적용, 채널 추정을 이용하여 보호구간을 가변하는 적응형 보호구간에 관한 연구가 필요하다. 아울러 수조 환경의 수중 통신 채널이 아닌 실제 천해 환경에서의 다양한 실험이 이루어져야 할 것이다.
향후 연구 내용으로는 채널 추정과 등화기의 적용, 채널 추정을 이용하여 보호구간을 가변하는 적응형 보호구간에 관한 연구가 필요하다. 아울러 수조 환경의 수중 통신 채널이 아닌 실제 천해 환경에서의 다양한 실험이 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OFDM 전송기법의 장점은 무엇입니까?	OFDM 전송기법은 다중 반송파 방식이므로 주파수 선택적 페이딩 채널을 비선택적 페이딩채널로 근사화시켜 처리할 수 있으므로 임의의 주파수 선택적 채널을 flat 페이딩 부채널의 합으로 표현 가능하다. 또한 전송 심벌의 길이가 원래 심벌의 주기에 비해 병렬화 하여 모인 데이터의 수만큼 길어지게 되어 고속 전송 시 발생하는 인접 심벌간의 간섭(ISI)의 문제도 해결할 수 있다 (Bahai et al, 2004; Nee et al, 2000). 기존의 다중 반송파 방식인 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing : FDM) 시스템에서는 각 주파수 대역이 중첩되지 않게 하기 위해 각각의 부반송파 사이에 일정한 보호구간(Guard Band)을 설정하였으나 대역폭의 사용 효율이 저하되었다.
	수중 환경에서 전송 손실은 감쇄와 기하학적 확산으로 나눌 수 있는데 각각은 무엇을 의미합니까?	수중 환경에서 전송 손실은 크게 감쇄 (attenuation)와 기하학적 확산 (geometric spreading)으로 나눌 수 있다. 전자는 주로 음향에너지가 열에너지로 변화하는데서 발생하는 것으로 거리와 주파수에 따라 증가한다. 후자는 파면 (wavefront)의 퍼짐에 의해 생겨나는 손실이며, 천해의 경우 Cylindrical spreading이 대양에서는 Spherical spreading이 발생한다. 이는 주파수와 독립적으로 거리에 따라 증가한다.
	일반적으로 음파의 속도는 공기, 수중 및 해저에서 어떠합니까?	일반적으로 음파의 속도는 공기 중에서는 340m/s, 수중에서는 1450 - 1540 m/s, 해저에서는 1500 - 2500 m/s로 알려져 있다. 수중 환경에서 음파 신호는 수심, 수온, 전송거리, 해수면의 변화, 해저면의 상태 등으로 인해 다양하며 복잡한 특성을 가진다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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Li, B., Zhou, S., Stojanovic, M., Freitag, L., and Willet, P.(2007), "Non- uniform Doppler compensation for Zero-padded OFDM over fast-varying underwater acoustic channels," IEEE Oceans Conf.
Lee, O. H., Son, Y. J., and Kim, K. M. (2002), "Underwater acoustic communications using channel estimation," IEEE Oceanic Eng. Conf., vol.3, pp.2453-2456.
Nee, R. V. and Prasad, R.(2000), OFDM for wireless multi-media communications, Artech House.
Suzuki, M., and Sasaki, T.(1992), "Digital acoustic image transmission system for deep sea research submersible," IEEE Oceanic Eng. Conf., pp.567-570.
Stojanovic, M.(2008), "OFDM for underwater acoustic communications: Adaptive synchronization and sparse channel estimation,” in Proc. of Intl. Conf. on Acoustics, Speech and Signal Proc.

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