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문제 정의
- 본 논문에서는 지상국과 달 탐사선 사이의 통신 환경 요소에 따른 요구조건을 분석하고 CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)에서 고려하고 있는 채널 부호화 및 변조 기법을 적용하여 달 탐사 통신 시스템의 기저대역 프로토타입을 설계한다. 설계의 유연성과 심우주 통신 플랫폼에 따른 시스템의 가변 운용을 고려하여 DSP 기반의 프로토타입으로 구현한다.
제안 방법
- DSP 프로토타입의 전체 상위 구조를 설계하고 각 상위 블록의 기능을 수행하는 세부모듈을 구현한다. 상위 블록에서부터 하위 블록까지의 계층 구조 설계를 통해 전체 프로토타입 시스템의 통일성을 유지하고 각 모듈을 효율적으로 연동시킨다.
- DSP를 이용하여 구현된 통신 시스템의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 성능을 검증하였다. 변조 기법과 터보 부호율에 따른 비트 오류 확률 그래프를 도출함으로써 구현된 통신 시스템의 핵심 모듈인 변복조, 채널 부호화 및 복호화 모듈 알고리즘의 작동을 확인한다.
- NASA 심우주 네트워크의 고속 전송 속도 기준인 52Mbps에서부터 100, 200Mbps로 전송 속도를 증가시킬 경우 수신 Eb/N0를 계산하였다. 고속 전송을 위해 OQPSK 변조 기법을 고려할 경우 비트 오류 확률 10-5을 만족하기 위해 9.
- 지상국과 달 사이의 거리차로 인한 미약 신호의 오류 확인 및 정정을 위하여 CRC 부호와 터보 부호를 적용하였으며 고속 전송을 위한 변조 기법으로 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK 기법을 세부 모듈로 구현하였다. 그리고 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 구현된 프로토타입의 정상 작동 여부 확인 및 성능 검증을 수행하였다.
- 우선 임의의 데이터 비트를 생성한 후 부호화와 변조 기법을 적용하여 송신하고 Eb/N0값에 따라 잡음을 더한다. 그리고 수신기에서 복원되는 신호를 데이터 비트와 비교하여 비트 오류 확률을 계산한다. 컴퓨터 시뮬레이션과 DSP는 내부 연산 처리 과정 및 하드웨어적 요인으로 인해 비트 오류 확률에서 미세한 차이가 발생할 수 있으므로 둘의 결과가 비슷한 곡선을 그리며 동일 지점으로 수렴하는 것을 확인한다.
- 프로토타입 구현을 위해 여러 분야에서 검증된 성능과 효율적인 소프트웨어 설계 환경을 제공하는 TI C6416 DSP를 사용한다[3]. 달까지의 물리적 거리로 인해 발생하는 신호 감쇠로 인한 성능 저하를 보상하기 위해 낮은 부호율의 터보 부호를 적용하며, 고속 전송을 위한 변조 기법으로는 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK를 적용한다. 구현된 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교 분석한다.
- 데이터의 고속 전송을 위한 변조 기법으로 CCSDS에서 제안된 OQPSK, 8PSK 기법을 각각의 세부 모듈로 구현한다. 8PSK 이상의 고차 변조 방식으로 디지탈 위성방송에서 쓰이고 있으며, CCSDS Experimental Specification에서도 고려되고 있는 4+12 APSK 모듈을 추가 적용한다[11].
- 4 dB 이상의 이득 요소가 추가되어야 목표 성능을 만족할 수 있다. 목표 성능을 만족하기 위한 방안으로 채널 부호화 기법의 적용을 고려할 수 있으며 높은 부호화 이득을 얻기 위해 터보 부호기를 DSP 프로토타입 설계에 적용한다. 부호율 1/2인 터보 부호화를 고려했을 때의 링크 계산 결과는 표 5와 같다.
- DSP를 이용하여 구현된 통신 시스템의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 성능을 검증하였다. 변조 기법과 터보 부호율에 따른 비트 오류 확률 그래프를 도출함으로써 구현된 통신 시스템의 핵심 모듈인 변복조, 채널 부호화 및 복호화 모듈 알고리즘의 작동을 확인한다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 MATLAB을 이용해 작성된 지상국과 달 탐사선 간의 링크레벨 시뮬레이터를 통하여 도출했으며 동작 알고리즘 및 링크 채널 파라미터를 DSP 프로토타입과 동일하게 설정하였다.
- 컴퓨터 시뮬레이션과 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 비교한 그래프에서 결과가 거의 동일함을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제안된 DSP 프로토타입에서는 1Mbyte의 내장 메모리와 16Mbyte의 SDRAM 메모리를 사용하며 1GHz의 클럭을 갖는 고정 소수점 프로세서를 이용하여 신호처리가 이루어진다. 전체적인 성능을 살펴보면 DSP와 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서 미세한 성능 차이가 나타난다.
- 본 논문에서는 지상국, 채널, 달 탐사선의 기준 모델을 통하여 달 탐사 통신 시스템의 요구조건을 분석하고 DSP 프로토타입의 상위 구조를 설계하였으며 심우주 통신을 위한 국제 표준을 고려하여 각 핵심 모듈의 알고리즘을 구현하였다. 지상국과 달 사이의 거리차로 인한 미약 신호의 오류 확인 및 정정을 위하여 CRC 부호와 터보 부호를 적용하였으며 고속 전송을 위한 변조 기법으로 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK 기법을 세부 모듈로 구현하였다.
- 설계된 상위 구조를 바탕으로 각 세부 모듈의 동작 알고리즘을 구현한다. CRC 부호화 모듈에서 각 프레임마다 CRC 오류 검출 비트가 추가되고 수신단에서는 송신단과 동일한 CRC 생성 다항식을 이용해 전송 오류를 검출한다.
- 본 논문에서는 지상국과 달 탐사선 사이의 통신 환경 요소에 따른 요구조건을 분석하고 CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)에서 고려하고 있는 채널 부호화 및 변조 기법을 적용하여 달 탐사 통신 시스템의 기저대역 프로토타입을 설계한다. 설계의 유연성과 심우주 통신 플랫폼에 따른 시스템의 가변 운용을 고려하여 DSP 기반의 프로토타입으로 구현한다. 프로토타입 구현을 위해 여러 분야에서 검증된 성능과 효율적인 소프트웨어 설계 환경을 제공하는 TI C6416 DSP를 사용한다[3].
- 지상국과 달 탐사선간의 통신링크를 분석하기 위해서는 우주 통신 환경 요소를 먼저 고려해야 한다. 이를 위하여 CCSDS의 관련 국제 권고사양을 검토하여야 하며, 이를 통해 도출된 세부 요구사항을 바탕으로 지상국, 달 탐사선간의 하향링크 설계에 영향을 주는 요소들을 고려하여 달탐사선, 채널, 지상국 모델을 각각 설정한다.
- 본 논문에서는 지상국, 채널, 달 탐사선의 기준 모델을 통하여 달 탐사 통신 시스템의 요구조건을 분석하고 DSP 프로토타입의 상위 구조를 설계하였으며 심우주 통신을 위한 국제 표준을 고려하여 각 핵심 모듈의 알고리즘을 구현하였다. 지상국과 달 사이의 거리차로 인한 미약 신호의 오류 확인 및 정정을 위하여 CRC 부호와 터보 부호를 적용하였으며 고속 전송을 위한 변조 기법으로 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK 기법을 세부 모듈로 구현하였다. 그리고 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 구현된 프로토타입의 정상 작동 여부 확인 및 성능 검증을 수행하였다.
- 변조 기법과 터보 부호율에 따른 비트 오류 확률 그래프를 도출함으로써 구현된 통신 시스템의 핵심 모듈인 변복조, 채널 부호화 및 복호화 모듈 알고리즘의 작동을 확인한다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 MATLAB을 이용해 작성된 지상국과 달 탐사선 간의 링크레벨 시뮬레이터를 통하여 도출했으며 동작 알고리즘 및 링크 채널 파라미터를 DSP 프로토타입과 동일하게 설정하였다. 비트 오류 확률 도출과정은 다음과 같다.
데이터처리
- 달까지의 물리적 거리로 인해 발생하는 신호 감쇠로 인한 성능 저하를 보상하기 위해 낮은 부호율의 터보 부호를 적용하며, 고속 전송을 위한 변조 기법으로는 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK를 적용한다. 구현된 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교 분석한다.
이론/모형
- 각 데이터 비트에 대한 콘볼루션 부호기들은 검사 비트를 발생 시키고 puncturing 시킴으로써 통신 환경 및 플랫폼에 따라 1/2, 1/3, 1/4, 1/6의 부호율을 갖는 터보 부호를 생성한다. 터보 부호의 복호화는 반복 복호를 사용하여 연판정을 하며, 연판정의 통계적인 측정은 LLR값을 이용한다.
- 설계의 유연성과 심우주 통신 플랫폼에 따른 시스템의 가변 운용을 고려하여 DSP 기반의 프로토타입으로 구현한다. 프로토타입 구현을 위해 여러 분야에서 검증된 성능과 효율적인 소프트웨어 설계 환경을 제공하는 TI C6416 DSP를 사용한다[3]. 달까지의 물리적 거리로 인해 발생하는 신호 감쇠로 인한 성능 저하를 보상하기 위해 낮은 부호율의 터보 부호를 적용하며, 고속 전송을 위한 변조 기법으로는 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK를 적용한다.
성능/효과
- 값을 나타내었다. 본 절에서 도출된 결과에 의하면 비트 오류 확률 10-5을 만족시키기 위한 Eb/N0값은 터보 부호화를 적용하였을 경우 OQPSK 0.7~1.8 dB, 8PSK 1.8~3.8 dB, 4+12 APSK 2.6~4.3 dB인 것을 알 수 있고 이는 고속 전송을 위한 요구조건을 만족하는 결과임을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서 제안된 DSP 프로토타입에서는 1Mbyte의 내장 메모리와 16Mbyte의 SDRAM 메모리를 사용하며 1GHz의 클럭을 갖는 고정 소수점 프로세서를 이용하여 신호처리가 이루어진다. 전체적인 성능을 살펴보면 DSP와 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서 미세한 성능 차이가 나타난다. 이는 고정 소수점 방식을 사용하는 DSP 프로토타입에서는 컴퓨터 시뮬레이션에 비해 상대적으로 제한된 비트수를 이용하여 송수신 과정을 모델링하기 때문이며 DSP 프로토타입에서 사용된 랜덤 발생기, 가우시안 잡음 발생기 함수 등에서 차이가 발생할 수 있다.
- 컴퓨터 시뮬레이션과 DSP 프로토타입의 비트 오류 확률을 비교한 그래프에서 결과가 거의 동일함을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제안된 DSP 프로토타입에서는 1Mbyte의 내장 메모리와 16Mbyte의 SDRAM 메모리를 사용하며 1GHz의 클럭을 갖는 고정 소수점 프로세서를 이용하여 신호처리가 이루어진다.
- 그리고 수신기에서 복원되는 신호를 데이터 비트와 비교하여 비트 오류 확률을 계산한다. 컴퓨터 시뮬레이션과 DSP는 내부 연산 처리 과정 및 하드웨어적 요인으로 인해 비트 오류 확률에서 미세한 차이가 발생할 수 있으므로 둘의 결과가 비슷한 곡선을 그리며 동일 지점으로 수렴하는 것을 확인한다.
- 표 4에 나타난 결과에 의하면 X, Ku 대역에서는 전송속도 52Mbps일 경우 목표 성능을 만족하지만 전송속도가 증가하게 되면 2~6 dB 가량의 이득이 요구되며 Ka 대역에서는 6.4 dB 이상의 이득 요소가 추가되어야 목표 성능을 만족할 수 있다. 목표 성능을 만족하기 위한 방안으로 채널 부호화 기법의 적용을 고려할 수 있으며 높은 부호화 이득을 얻기 위해 터보 부호기를 DSP 프로토타입 설계에 적용한다.
후속연구
- 지상국과 달 탐사선 간의 데이터 전송을 위한 DSP 기반 프로토타입 구현은 달 탐사 통신 시스템 개발의 기초 단계가 될 뿐만 아니라 더 나아가 심우주 통신 네트워크를 위한 기저대역 프로세서 개발의 바탕이 될 수 있을 것이다.
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