[논문]저속 주파수 도약 방식 위성 데이터링크에서 송수신 신호중첩 및 주파수 다이버시티 적용

김기근; 이민우; 임재성

doi:10.7840/kics.2011.36a.11.924

저속 주파수 도약 방식 위성 데이터링크에서 송수신 신호중첩 및 주파수 다이버시티 적용
A Slow Frequency Hopping Transmission Method using Carrier Superpositioning and Frequency Diversity for the Satellite Datalink 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.36 no.11A, 2011년, pp.924 - 932

김기근 (국방과학연구소) , 이민우 (아주대학교 NCW학과) , 임재성 (아주대학교 국방전술네트워크)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주파수 도약방식에서는 적용이 어려운 송수신 중첩통신 방식을 DSM형 중계기를 사용하는 위성 데이터링크에 적용하고 항재밍 성능 개선을 위해 잔여 주파수 자원을 주파수 다이버시티에 활용하는 방안을 제안 한다. 시뮬레이션을 통해 제안한 방식에 대한 항재밍 성능과 탐지회피 성능을 분석하였다. 항재밍 성능 분석 결과, 주파수 다이버시티 적용으로 데이터 통신시 18.5dB의 처리이득을 얻을 수 있으며, 500MHz 도약 방식에서 통신단말형태의 재머에 대해 4.8Mbps의 데이터 전송이 가능함을 확인하였다. 또한, 주파수 중첩에 의해 주파수 자원을 최대 2배까지 재사용 가능하며, 데이터 속도를 추정 할 수 있는 D&M 검출기를 대상으로 중첩을 하지 않았을 때 보다 2.5dB LPI 성능이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a possibility of usage of carrier superpositioning scheme for a specific slow frequency hopping(SFH) transmission method for the satellite data link in which all of hopping carriers have to be synchronized to DSM transponder of our previous work and usage of frequency diversity in the saved frequency to overcome the SFH disadvantage against jammer. We have analyzed anti-jamming performance and LPI performance and confirmed that the proposed scheme can support data service with 18.5dB processing gain against the worst case partial band jamming and give 2.5dB gain in the LPI performance against D&M detector which can estimate the data rate of unknown signals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DSM (Demux, Selective CH switch, and Mux) 面형 중계기를 사용하는 저속 주파수 도약 전송방식의 경우 위성에 송수신 신호가 동기를 이루기 때문에 송수신 신호 중첩통신이 적용 가능함을 확인하였다. 그리고 중첩통신 적용에 의한 여유 주파수에 송신 신호를 다시 보냄으로써 주파수 다이버시티 효과를 얻는 방안을 제안한다.
본 논문에서는 이러한 송수신 중첩통신 방식을 DSM형 중계기를 사용하는 저속 주파수 도약방식에 적용하는 것을 제안한다. 이 중계기에서는 위성을 중심으로 주파수 도약 동기를 맞추기 때문에 도약 홉 내에 송수신 신호를 중첩 시킬 수 있다.

가설 설정

86을 W%은 甲의 10%로 설정하였다 .그리고 중첩인 경우 신호의 주파수와 지연이 완전히 일치하는 경우는 있을 수 없으므로 지터를 심벌의 25% 로 주파수 차는 심벌속도의 0.0002%로 가정하였다. 분석결과 Ph를 낮추면 낮은 신호대 잡음비로도 검출할 확률이 높아지며, WR보다는 높은 신호대 잡음 비에서 데이터 속도를 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.
얻었다. 이때 E*=0.0 이로 설정하였으며, 도약 신호를 지속적으로 관찰하여 WR 검출기가 신호 대역폭은 유추하여 전송속도의 0.5, 0.86, 1.0의 비율로 여파기 대역폭 W를 설정하였다고 가정하였다. 그리고 T 도 상대적인 비교이어서 48심벌 주기로 하였다.
이때 재밍된 슬롯이 있더라도 같은 정보를 갖는 다른 슬롯에서 이를 복원가능하며, 이때 같은 정보를 갖는 신호가 있기 때문에 전력의 변화 등을 이용하여 재밍의 유무를 알 수 있다고 가정한다. 이러한 신호 중첩을 이용한 주파수 다이버시티를 적용하면 위성의 주파수 자원을 최소화 하면서 고속 영상급 데이터를항재밍 능력을 제공하면서 전송할 수 있다.
분대역 환경에서 구할 수 있다. 이때 항재밍 성능 위주로 분석하기 위해 송수신신호 중첩신호에서 수신 신호를 복원하는 손실은 없는 것으로 가정한다. 그리고 LDPC (丿=3, £7=192, N°=38, M=143.

제안 방법

또한 송신한 신호는 수신단말 뿐만 아니라 송신 단말도 수신할 수 있다는 위성통신의 특징을 이용하여 송수신 중첩통신기술 (PCMA(Paired Carrier Multiple Access) 또는 CIC (Carrier in C*] arrier)) 개발되었다 송수신 중첩통신은 Denkberg가 제안한 이래 많은 연구가 진행되었다户 Ichikawa는 송신된 데이터를 지연시킨 후 변조하여 위상, 이득 등을 맞추는 방식으로 제거하려는 기준 신호를 만드는 방법을 제안하였다尸 Kobashi는 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 와 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 변조 방식에서 중첩신호를 복조후 검파한 신호를 다시 변조하여 송신기준신호를 만드는 방법으로 신호의 round trip 지연 측정이 필요 없는 기법의 중첩통신 방안을 제안하였다戸 Jayasim曲a는 비선형 중계기로 왜곡된 신호에서 적용방안을 제안하였다.回 He는 수신된 신호에서 송신신호를 추정하기 위한 파일롯을 사용하여 Hub-Spoke에 적용할 수 있는 기법을 제안하였다.的 그리고 Agne는 CIC를 미 군사위성을 이용하여 MPSK (Multiple PSK) 변조방식을 사용하여 주파수 재사용 가능성을 실험으로 입증하였다.
回 He는 수신된 신호에서 송신신호를 추정하기 위한 파일롯을 사용하여 Hub-Spoke에 적용할 수 있는 기법을 제안하였다.的 그리고 Agne는 CIC를 미 군사위성을 이용하여 MPSK (Multiple PSK) 변조방식을 사용하여 주파수 재사용 가능성을 실험으로 입증하였다.回 그리고 Rossetto는 이를 PNC (Physical Layer Network Coding)의 하나로 해석하여 기존의 수동중계기를 사용하는 신호레벨의 PNC와 능동중계기를 사용하는 비트 레벨의 PNC의 성능을 비교하였다卩1
이때 항재밍 성능 위주로 분석하기 위해 송수신신호 중첩신호에서 수신 신호를 복원하는 손실은 없는 것으로 가정한다. 그리고 LDPC (丿=3, £7=192, N°=38, M=143.93, n=1008, Rate=l/2), RS(n=31, k=15)를 적용하여 BER 성능을 분석하여 그림 7과 같이 GMSK 변조와 LDPC/RS 코딩을 한 웨이브폼(기존)과 비교하였다.
확인하였다. 그리고 중첩통신 적용에 의한 여유 주파수에 송신 신호를 다시 보냄으로써 주파수 다이버시티 효과를 얻는 방안을 제안한다. 이로써 주파 수자원의 추가 사용 없이 저속 주파수 도약의 한계를 극복할 수 있다.
다음 장에서는 기존 제안한 위성통신용 데이터링크웨이브 폼을 사용하여 본 논문에서 제안한 방식에 대한 항재밍 성능과 저피탐 성능을 분석한다.
보여준다. 본 논문에서는 이러한 평가를 위해 확산 신호의 경우는 chip 속도를 검출하거나 저속도약하는 신호의 경우는 심벌속도를 검출할 수 있는 Delay and Multiply(D&M)을 사용한 LPI 성능을 비교 분석하였다円坷 d&M의 구성도는 그림 12와 같아서 WR과 다른 점은 신호 주기 T 동안 지연시킨 후 원 신호와 곱하여 협대역 여파기(대역폭 晌을 거친 신호를 가지고 판정한다. 일정의 상관기로 이때 T를 조정하여 최대의 상관값이 나오는 경우로 심벌 주기를 추정하는 것이다.
본 논문에서는 제안방식과 기존 방식을 비교하기 위하여 실제 신호와 잡음의 환경에서 LPI 검출기가 정확한 T로 설정하였을 때 기존방식과 제안방식의 발생된 K값을 /侦를 가변하면서 설정된 Pr에 따라 정확하게 신호의 전환이 일어나는 지를 추정하는 지를 분석하여 그림 13과 같이 已를 구하였다. 이때 称는 데이터 속도의 0.
수신된 신호를 신호가 있을 것으로 예상되는 대역폭 (W)을 갖는 여파기로 거른 후 주기 T동안의 에너지를 측정한 후 기준치 (〃)와 비교하여 신호 유무를 추정한다. 이러한 수신기는 AWGN 환경에서 주어진 입력 SNR로 가장 큰 출력 SNR을 만든다는 점에서 최적의 검출구조로 알려져 있다.
그러므로 기존의 PTP나 Hub-Spoke 방식에 적용된 중첩통신 방식이 적용될 수 있다. 이 방식을 사용하면 위성의 주파수 자원을 최대 2배까지 사용할 수 있다 그러나 저속주파수 도약시 재밍을 당하면 슬롯내 전체 심벌에 에러가 생길 수 있으므로 이를 극복하기 위해 남게된 주파수 자원을 활용하여 주파수 다이버시티를 적용하여 같은 신호를 2번 보내는 것을 제안한다.
이러한 성능개선을 효과를 DSM 중계기를 적용한 실제 환경에서 분석하였다 이때 도약대역폭을 500MHz, 채널대역폭은 양방향으로 전술형 영상정보서비스가 가능한 108kbps (LET (Link-16 Enhanced Throughput) Message type 3기준)를 가정하여, 사용자가 10인 경우에 대해 부분대역 재머 환경에서 BER 성능을 분석하여 그림 8과 같이 다이버시티를 적용하지 않은 경우(기존)와 비교하였다.
이러한 저속주파수 도약의 제한사항을 극복하고자 주파수 중첩전송을 하고 남은 주파수로 같은 신호를 송신하는 주파수 다이버시티 전송 방식을 제안한다. 송수신 신호 중첩에서 주파수 다이버시티의 스펙트럼은 그림 5와 같은 예가 가능하다.
제안하는 주파수 중첩방식은 이러한 중계기 구조에서 슬롯내의 동기용 심벌로 전송된 신호의 지연과 신호 왜곡을 추정한 후 중첩된 신호에서 송신 신호를 제거하는 것이다. 이러한 절차는 매 홉마다 이루어지며, 이때 망제어기에서 각 통신단말에 같은 도약 시퀀스 정보를 할당하며, 패킷 통신을 하기 때문에 수신 패킷의 송신 주소가 다를 수 있다.
제안하는 중첩통신에서의 주파수 다이버시티 전송방식을 기존 제안 위성 데이터링크에 적용하여 부분 대역 재밍 환경에서의 항재밍 성능 개선을 분석하였다. 그리고 제안하는 주파수 중첩통신으로 인해 부가적으로 LPI (Low Probability of Interception) 성능도 개선됨을 보이기 위해 에너지 검출기와 데이터 속도검출기의 경우에 대해 LPI 와 LPD (Low Probability of Detection) 성능을 비교 분석하였다.

데이터처리

그리고 제안하는 주파수 중첩통신으로 인해 부가적으로 LPI (Low Probability of Interception) 성능도 개선됨을 보이기 위해 에너지 검출기와 데이터 속도검출기의 경우에 대해 LPI 와 LPD (Low Probability of Detection) 성능을 비교 분석하였다.
이 식을 이용하여 시뮬레이션을 통해 주파수 중첩을 하지 않는 방식 (기존 방식과 주파수 중첩을 한 제안 방식간의 LPD 성능을 분석하여 그림 11과 같은 결과를 얻었다. 이때 E*=0.
제안한 방식에 대해 항재밍 성능과 탐지회피 성능을 분석하였다. 항재밍 분석결과 DSM형 중계기와 기존 제안 전송방식에 주파수 다이버시티를 적용하여 1&54B의 처리이득으로 데이터 통신이 가능하며, 500MHz 도약하는 경우에는 위성단말과 같은 규모의 재머의 경우에는 전송속도를 4.

성능/효과

8Mbps까지 전송이 가능함을 확인하였다. 또한 재머가 도약대역폭의 2%는 재밍을 해야 하므로 CW성 재밍과 비교하면 재밍 신호 발생의 어려움을 야기할 수 있음을 확인하였다 주파수 중첩에 의해 군 위성통신에서 중요한 요소로 부가적으로 얻을 수 있는 LPI 성능은 데이터 속도를 추정할 수 있는 D&M 검출기를 대상으로 하여 중첩을 하지 않았을 때보다 2.5dB의 탐지회피 능력이 개선됨을 확인하였다.
0002%로 가정하였다. 분석결과 Ph를 낮추면 낮은 신호대 잡음비로도 검출할 확률이 높아지며, WR보다는 높은 신호대 잡음 비에서 데이터 속도를 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 제안방식은 신호대 잡음비가 lldB이상이어야 데이터 속도를 90% 이상의 확률로 검출할 수 있는 반면 기존의 방식은 약 8.
분석결과 기존 방식은 (가 0.02에서 1E-3의 BER 을 지원하지 못하지만 제안 방식은 18.5dB의 비트 에너지 대 재머잡음 전력밀도비에서 1E-6의 데이터 통신이 가능한 BER을 지원할 수 있는 것을 알 수 있었다 이때 기존방식에서 신호전력을 약 2dB 높이면 데이터통신이 가능할 것으로 보이나 재머가 P를 낮추어 재머 전력 밀도를 높이면 쉽게 통신을 방해할 수 있다. 이러한 결과는 우리가 제시한 논문可의 처리이득이 p가 0.
분석결과 두 방식 모두 신호가 잡음레벨과 크게 차이가 나지 않는 지역에서 검출이 가능하였으나 기존방식이 약 1.5 〜2dB LPD 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 제안 방식은 신호를 2배 더 송신하기 때문인 것으로 해석된다.
분석결과 주어진 조건에서는 신호대 재머 전력비가 약 -16.5dB에서도 데이터 통신이 가능하여 기존의 방식으로는 음성서비스도 못하는 경우에 대비해 많은 성능 개선결과를 보인다. 제안한 방식의 경우 같은 규모의 재머의 경우에는 전송속도를 4.
어렵게 하는 이점이 예상된다. 이를 확인하는 방법으로 신호 정보탐지는 신호 유무로 트래픽 상황을 유추하려는 시도에 대응하는 LPD와 신호의 심벌 속도 변조 방식, 도약속도, 도약 슬롯 수등 신호특징을 검출하여 다음 단계인 감청이 가능할 수 있도록 시도하는 것에 대응하는 LPI가 있을 수 있다.
분석결과 Ph를 낮추면 낮은 신호대 잡음비로도 검출할 확률이 높아지며, WR보다는 높은 신호대 잡음 비에서 데이터 속도를 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 제안방식은 신호대 잡음비가 lldB이상이어야 데이터 속도를 90% 이상의 확률로 검출할 수 있는 반면 기존의 방식은 약 8.5dB 이상이어야 같은 조건으로 검출이 71능하다. 즉 신호를 중첩시키면 신호에너지가 2.
분석하였다. 항재밍 분석결과 DSM형 중계기와 기존 제안 전송방식에 주파수 다이버시티를 적용하여 1&54B의 처리이득으로 데이터 통신이 가능하며, 500MHz 도약하는 경우에는 위성단말과 같은 규모의 재머의 경우에는 전송속도를 4.8Mbps까지 전송이 가능함을 확인하였다. 또한 재머가 도약대역폭의 2%는 재밍을 해야 하므로 CW성 재밍과 비교하면 재밍 신호 발생의 어려움을 야기할 수 있음을 확인하였다 주파수 중첩에 의해 군 위성통신에서 중요한 요소로 부가적으로 얻을 수 있는 LPI 성능은 데이터 속도를 추정할 수 있는 D&M 검출기를 대상으로 하여 중첩을 하지 않았을 때보다 2.

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상세보기
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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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