[논문]수중 센서네트워크 구현을 위한 단일 반송파 디지털 변조기법의 실험적 고찰

김세영; 한정우; 김기만

doi:10.6109/jkiice.2011.15.1.033

수중 센서네트워크 구현을 위한 단일 반송파 디지털 변조기법의 실험적 고찰
Experimental Results of Single Carrier Digital Modulation for Underwater Sensor Networks 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.15 no.1, 2011년, pp.33 - 40

김세영 (한국해양대학교 전파공학과) , 한정우 (한국해양대학교 전파공학과) , 김기만 (한국해양대학교 전파공학과)

초록
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본 논문에서는 단일 반송파 기반의 디지털 변조 기법들의 성능을 수중 통신 실험을 통하여 분석하였다. 통신 실험은 실제 해상에서 수행되었으며 적용된 변조기법은 위상 비동기 방식인 ASK, FSK와 위상 동기 방식의 QPSK이다. 통신 성능을 평가하기 위해 이미지 파일을 600bps~3Kbps의 전송률을 가지는 신호로 변조하여 전송하였다. 수신된 신호를 복조하여 BER을 추정한 결과 ASK와 FSK의 경우 보상 알고리즘 없이 $10^{-3}{\sim}10^{-4}$의 오차율을 나타내었고, QPSK의 경우 선형 등화기를 이용하여 $10^{-4}$의 오차율을 가지는 통신이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, underwater acoustic communication experiment was carried out to test a performance of single carrier digital modulation schemes. The communication experiment was performed at real sea and tested modulation schemes are ASK, FSK with non-coherent detection and QPSK with coherent detection. A modulated image data was transmitted with data rates of 600bps~3Kbps. From the results of BER of the demodulated signal, ASK and FSK show the achievable BER of $10^{-3}{\sim}10^{-4}$ without compensation techniques and QPSK show that of $10^{-4}$ with linear equalizer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

각각의 성상도를 분석한 결과 진폭에 의한 왜곡보다는 위상 불일치에 의한 왜곡의 효과가 큰 것을 확인하였다. 따라서 선형 등화기를 적용하여 비트 오율을 보정하고자 하였다. 적용된 등화기의 적응 알고리즘은 LMS(Least Mean Square)으로 정하였고, 8개의 Tab을 가지며 Step-size는 0.
본 논문에서는 수중 센서네트워크 구현에 있어 센서 노드들간의 효율적인 통신기법을 선정하기 위하여 단일 반송파 기반의 디지털 변조기법들의 성능을 해상 실험을 통하여 분석하였다. 실험은 송·수신기간 거리 20m, 평균 수심 약 5m의 환경에서 수행 되었고 변조기법으로는 ASK, FSK, QPSK를 사용하여 이미지 데이터를 전송하고 복조를 통해 복구된 이미지와 BER추정을 이용하여 성능을 평가하였다.
여러가지 디지털 통신기법들 중에서 수중 센서네트워크 구현에 효율적인 통신기법을 선정하는 것이 중요 하며 이를 위해 본 논문에서는 단일 반송파 기반의 디지털 변조기법에 대한 통신 성능을 해상실험을 통해 분석하였다. 고려된 변조기법은 위상 비동기방식의 ASK, FSK와 위상 동기방식의 QPSK이며 20m의 근거리에서 이미지 데이터를 600 bps~3 Kbps의 전송률을 가지는 변조신호로 전송하여 복조된 결과를 확인하였다.

제안 방법

소스신호로 100*71 pixel (56,800 Bits)의 크기를 가지는 이미지 신호를 전송하였다. ASK와 QPSK는 데이터 전송률을 1 Kbps, 3 Kbps로 BFSK는 600 bps, 1 Kbps로 각각 설정하였다. 반송파의 주파수는 24 KHz로 하였으며, BFSK의 경우 16, 24 KHz의 두 가지 반송 주파수로 신호를 변조하였다.
여러가지 디지털 통신기법들 중에서 수중 센서네트워크 구현에 효율적인 통신기법을 선정하는 것이 중요 하며 이를 위해 본 논문에서는 단일 반송파 기반의 디지털 변조기법에 대한 통신 성능을 해상실험을 통해 분석하였다. 고려된 변조기법은 위상 비동기방식의 ASK, FSK와 위상 동기방식의 QPSK이며 20m의 근거리에서 이미지 데이터를 600 bps~3 Kbps의 전송률을 가지는 변조신호로 전송하여 복조된 결과를 확인하였다.
ASK 수신단에는 비동기 방식의 포락선 검출기가 적용 되었다. 반송파 주파수를 중심 주파수로 가지는 대역 필터에 통과된 수신신호 파형의 포락선 변화를 검출한다. 최종적인 정보신호는 포락선 검출된 신호를 표본화하여 비트 판정과정을 거쳐서 복구하게 된다.
ASK와 QPSK는 데이터 전송률을 1 Kbps, 3 Kbps로 BFSK는 600 bps, 1 Kbps로 각각 설정하였다. 반송파의 주파수는 24 KHz로 하였으며, BFSK의 경우 16, 24 KHz의 두 가지 반송 주파수로 신호를 변조하였다. 수신단 A/D 변환기의 샘플링 주파수는 192 KHz로 설정하였다.
본 논문에서는 2장에서 설명한 디지털 변조기법들을 적용하여 실제 해상에서 수중통신 실험을 수행하였다. 실험은 한국해양대 앞바다에서 수행 되었으며 실험 해역과 송·수신단에 사용된 장비들을 그림 5에 나타내었다.
특히 다중경로 현상이 심한 수중환경에서 ASK 신호를 전송할 경우 심볼간 간섭이 일어나 비트오류를 증가 시킬 수 있으므로 그림 1과 같이 신호를 구성하였다. 비트구간인 T_b의 40%에 해당하는 길이만큼 변조신호를 전송하고 나머지 60% 길이만큼의 보호 구간(guard time)을 삽입함으로써 이전 심볼의 진폭에 의한 간섭을 줄이고자 하였다.
FSK 변조기법은 정보 비트에 따라서 반송파의 중심 주파수를 변화시켜 신호를 전송하는 방식으로 ASK에 비해 진폭왜곡에 강인한 장점을 가진다. 수신단에서는 ASK와 동일하게 비동기 방식의 포락선 검출기를 적용하였고, 반송 주파수를 분리하기 위하여 1 KHz의 대역을 가지는 두 개의 대역통과 필터를 사용하였다.
D/A 컨버터를 거친 전송 신호는 파워 앰프를 통해 증폭되고 수중채널에서 전파되어 송신기에 수신된다. 수신단에서는 아날로그 대역 통과 필터를 거친 수신신호를 A/D 변환 후 복조 알고리즘을 적용하여 정보 데이터를 복구하였다.
실험은 송·수신기간 거리 20m, 평균 수심 약 5m의 환경에서 수행 되었고 변조기법으로는 ASK, FSK, QPSK를 사용하여 이미지 데이터를 전송하고 복조를 통해 복구된 이미지와 BER추정을 이용하여 성능을 평가하였다.
정보 데이터를 전송하기에 앞서 송·수신단 사이의 채널특성을 파악하기 위하여 짧은 구간의 burst 신호를 이용하여 임펄스 응답을 측정하였다.

대상 데이터

01로 설정하였다. Training 신호로는 500 Symbol (1000 bits)의 길이를 가지는 랜덤 데이터열을 사용하였다.
소스신호로 100*71 pixel (56,800 Bits)의 크기를 가지는 이미지 신호를 전송하였다. ASK와 QPSK는 데이터 전송률을 1 Kbps, 3 Kbps로 BFSK는 600 bps, 1 Kbps로 각각 설정하였다.
송신센서로는 ITC-1001 모델을 사용하였고, 수신기센서는 B&K-8103 모델을 사용하였다.
실험은 한국해양대 앞바다에서 수행 되었으며 실험 해역과 송·수신단에 사용된 장비들을 그림 5에 나타내었다.

이론/모형

본 논문에서 적용한 횡단선 적응 등화기의 구조를 그림 4에 나타내었다. 등화기는 L개의 탭을 가지며 적응 알고리즘의 최적 해를 구하는 여러 방법들 중 본 논문에서는 상대적으로 구현이 간단하고 계산량이 적은 LMS(Least Mean Square)알고리즘을 사용하여 탭 계수를 갱신하였다[11].
따라서 선형 등화기를 적용하여 비트 오율을 보정하고자 하였다. 적용된 등화기의 적응 알고리즘은 LMS(Least Mean Square)으로 정하였고, 8개의 Tab을 가지며 Step-size는 0.01로 설정하였다. Training 신호로는 500 Symbol (1000 bits)의 길이를 가지는 랜덤 데이터열을 사용하였다.

성능/효과

ASK와 FSK의 경우 600 bps~3 Kbps의 전송률로 BER 추정치는 약 10^-3~10^-4이내로 나타났으며, QPSK의 경우에는 선형 등화기법을 적용하여 1 Kbps, 3 Kbps의 전송률로 BER 약 10^-3~10^-4의 오차율을 가지는 통신이 가능함을 확인하였다. 신호의 전송률에 따른 하드웨어적인 문제점을 분석하였고 영향을 최소화하기 위해 샘플링 주파수의 조정 및 전송신호의 패킷 구성등의 해결방안을 고려해야 할 것으로 판단된다.
3 Kbps의 경우에도 1 Kbps의 결과보다는 상대적으로 약하지만 뒷부분의 데이터들이 왜곡된 결과를 확인 할 수 있다. 각각의 성상도를 분석한 결과 진폭에 의한 왜곡보다는 위상 불일치에 의한 왜곡의 효과가 큰 것을 확인하였다. 따라서 선형 등화기를 적용하여 비트 오율을 보정하고자 하였다.
이미지의 왜곡된 부분이 보정된 결과를 확인 할 수 있고, 성상도 상에서 위상왜곡으로 인해 틀어진 형태가 개선되었음을 확인 할 수 있다. 등화 기법을 적용한 후 BER을 추정한 결과 1 Kbps의 경우 1.93*10^-4(11 / 56,800), 3 Kbps의 경우 2.82*10^-4(16 / 56,800)으로 확인 되었다.
원인을 분석한 결과 전체 전송신호 구간 중 뒷부분에 대부분의 오차가 집중되어 있는데, 이는 실험에 사용된 A/D컨버터의 하드웨어적인 문제로 추정된다. 사용된 A/D 컨버터에서 지원하는 최대 샘플링 주파수는 192 KHz이며, 최대 주파수로 신호의 수신시간이 증가할 경우 뒷단의 신호샘플들이 일부 누락되어 신호의 위상동 기가 불일치하는 결과를 확인하였다. ASK와 FSK의 경우에는 비동기 복조 방식을 사용하였기 때문에 신호 뒷단에서 신호 샘플이 일부 누락되어도 성능에 큰 차이 없이 복조가 가능하였지만 동기 방식을 사용하는 QPSK의 경우에는 그림 10에서도 알 수 있듯이 신호의 수신시간 (데이터 전송률)에 따라 성능이 크게 영향을 받는다.
그림 12는 선형 등화기법을 QPSK 복조에 적용한 결과와 성상도를 나타낸다. 이미지의 왜곡된 부분이 보정된 결과를 확인 할 수 있고, 성상도 상에서 위상왜곡으로 인해 틀어진 형태가 개선되었음을 확인 할 수 있다. 등화 기법을 적용한 후 BER을 추정한 결과 1 Kbps의 경우 1.
이상의 실험 결과를 통하여 ASK와 FSK의 경우 20 m의 근거리에서 특별한 오차보상 알고리즘 없이 600 bps~ 3 Kbps의 전송률로 BER 약 10^-3~10^-4 이내의 오차율을 가지는 통신이 가능함을 확인하였다. QPSK의 경우에는 LMS 알고리즘 기반의 선형 등화기를 적용하여 1 Kbps, 3 Kbps의 전송률로 10^-3~10^-4의 오차율을 가지는 통신성능을 나타내었다.
이론적으로는 같은 실험조건에서 데이터의 전송률이 높을수록 오차율이 나빠지지만 기 제시된 실험 결과들은 그 반대의 결과들을 나타내고 있다. 즉 보상 알고리즘을 적용하지 않았을 경우 세 가지 변조기법 모두 데이터율이 높을수록 BER이 향상된 결과를 나타내고 있다. 원인을 분석한 결과 전체 전송신호 구간 중 뒷부분에 대부분의 오차가 집중되어 있는데, 이는 실험에 사용된 A/D컨버터의 하드웨어적인 문제로 추정된다.

후속연구

의 오차율을 가지는 통신이 가능함을 확인하였다. 신호의 전송률에 따른 하드웨어적인 문제점을 분석하였고 영향을 최소화하기 위해 샘플링 주파수의 조정 및 전송신호의 패킷 구성등의 해결방안을 고려해야 할 것으로 판단된다.
향후 통신거리와 데이터 전송률을 증가시키고 QAM 및 DPSK등의 변조기법에 대한 통신 성능분석이 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 센서네트워크를 구성하는 센서 노드의 역할은 무엇인가?	수중 센서네트워크를 구성하는 센서 노드들은 목적에 따라 각종 데이터를 수집하여 인접 또는 상위 노드로 전송하는 역할을 하며 이를 위해 기본적인 센싱 기능과 통신기능을 가지고 있어야 한다. 해양은 범위가 매우 넓기 때문에 원거리의 통신을 고려해야 하고 이미지 및 영상데이터에 대한 수요가 늘고 있기 때문에 고용량의 데이터를 실시간으로 전송 할 수 있는 통신 기법이 요구된다.
	음파에 영향을 많이 미치는 요소는 무엇인가?	해양은 매질의 특성상 전달손실 및 감쇠효과등의 장해요소로 인해 육상통신에 사용되는 전파를 이용하여 통신을 수행하기 매우 어려운 환경이다. 따라서 수중에 서는 전파대신 10KHz 이상의 음파를 사용하여 통신을 수행하는데 음파는 고주파 손실이 커서 대역이 제한되어 있으며 배경잡음의 영향을 많이 받는다. 또한, 음파는 다중경로 전달 현상과 도플러 현상, 낮은 신호대 잡음비를 가지므로 이를 극복하기 위한 다양한 신호처리 기법 들이 연구되었다[1-2].
	해양에서 음파를 사용하여 통신을 수행하는 이유는 무엇인가?	해양은 매질의 특성상 전달손실 및 감쇠효과등의 장해요소로 인해 육상통신에 사용되는 전파를 이용하여 통신을 수행하기 매우 어려운 환경이다. 따라서 수중에 서는 전파대신 10KHz 이상의 음파를 사용하여 통신을 수행하는데 음파는 고주파 손실이 커서 대역이 제한되어 있으며 배경잡음의 영향을 많이 받는다.

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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손근영, 노용주 윤종락, "수중 데이터 통신 시스템개발 -변조방식의 성능 분석," 한국음향학회 학술발표대회논문집, 19 (2(s)), 345-348, Nov. 1998.
B. Sklar, "Digital Communications: Fundamentals and Applications,'' Prentice Hall; 2 edition (January 21, 2001).
김현수, 최동현, 서종필, 정재학, 김성일, "동해 연근해에서 위상 추정기를 갖는 적응형 등화기의 실험적 성능 검증," 한국음향학회지, 제29권, 제4호, pp. 229-236, 2010.

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