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가설 설정
- 시역전 통신 시 BER 측면에서 성능 향상을 보이는 것[14]을 시뮬레이션 하기 위하여 시역전기법으로 다중 경로 성분의 에너지와 직접파가 모두 통일성 있게 더해질 때의 BER과 직접파 만을 사용할 때의 BER을 비교하였다. 시뮬레이션에서는 단일 송신기와 수신기가 사용되는 SISO 환경을 가정하였으며, 변조기법으로는 BPSK를 사용하였다. BPSK의 BER은 식(12), (13)와 같이 표현된다.
제안 방법
- 또한, 해수면 생성에 일정한 상관 시간(correlation time)을 변수로 갖는 가우시안 파워 스펙트럼[11]을 사용하여 상관 시간을 기준으로 시간에 따라 변화하는 해수면을 생성한다.[12] 생성된 시변 해수면에 대한 해수면 산란 계수를 KA(Kirchhoff Approximation)[11,13]을 이용하여 구하게 되면, 시간에 따라서 변동하는 산란 계수를 구할 수 있게 되고, 이 값을 신호 응답 강도의 변동성으로 모델링하였다.
- 본 장에서는 실측 데이터와 본 연구진의 모델링 기법으로 생성한 채널 모델을 기준으로 시역전 기법을 적용하고, BER 시뮬레이션을 진행한다. 또한 시역전 통신에서 중요한 파라메터인 채널 상관도 (channel correlation)[1]를 구한다. 송신기와 수신기 사이의 채널 응답을 h(t,τ)라고 하면 시각 t에서 시역전 신호는 식(11)으로 표현할 수 있다.
- 실측 데이터와 시뮬레이션으로부터 해수면 산란 성분의 크기 시 변동성을 나타내는 도플러 파워 스펙트럼을 구하였으며 이를 비교하였다. 또한 해수면 해석 방법을 기반으로 실측 데이터로 해수면 반사 성분의 도플러 파워 스펙트럼으로부터 상관 길이를 적용하여 시간의 변동성을 고려할 수 있는 방법을 제시함으로써, 시역전 통신 시스템 시뮬레이션에서 특히 필요로 하는 시 변동성 특성, 상관도 그리고 많은 샘플 생성이 가능한 빠른 속도의 채널 시뮬레이션 방법과 같은 요구를 충족시켰다. 또한 풍속과 같은 측정 가능한 물리적 환경 파라미터를 이용한 채널 생성이란 측면에서 많은 장점을 보유하고 있으며, 향후 다양한 시나리오에 대응될 수 있는 수중 채널 모델 제시를 위하여 보다 많은 실측 데이터를 반영하면 양질의 채널 데이터를 제공할 수 있을 것이라 기대한다.
- 또한, 해상에서 수중 음향 실험을 실시하여 해수면 반사 성분을 측정 후 도플러 파워 스펙트럼을 구하였으며, 모델링에 사용된 산란 계수의 파워 스펙트럼과 비교하였다. 마지막으로 시뮬레이션으로부터 얻어진 채널 응답에 시역전 기법을 적용하여 다중 경로 성분의 에너지를 통일성(coherent)있게 더하고, 비트에러율 시뮬레이션을 수행하였다.
- PM(Pierson-Moskowitz)[10] 해수면 스펙트럼을 사용하면 생성되는 해수면은 풍속에 따라 파고, 형태 등이 변화한다. 또한, 해수면 생성에 일정한 상관 시간(correlation time)을 변수로 갖는 가우시안 파워 스펙트럼[11]을 사용하여 상관 시간을 기준으로 시간에 따라 변화하는 해수면을 생성한다.[12] 생성된 시변 해수면에 대한 해수면 산란 계수를 KA(Kirchhoff Approximation)[11,13]을 이용하여 구하게 되면, 시간에 따라서 변동하는 산란 계수를 구할 수 있게 되고, 이 값을 신호 응답 강도의 변동성으로 모델링하였다.
- 또한, 해상에서 수중 음향 실험을 실시하여 해수면 반사 성분을 측정 후 도플러 파워 스펙트럼을 구하였으며, 모델링에 사용된 산란 계수의 파워 스펙트럼과 비교하였다. 마지막으로 시뮬레이션으로부터 얻어진 채널 응답에 시역전 기법을 적용하여 다중 경로 성분의 에너지를 통일성(coherent)있게 더하고, 비트에러율 시뮬레이션을 수행하였다.
- 식(3)에서 k(rad/s)는 각 주파수(angular frequency)이고, l은 해수면 산란 성분의 상관 시간을 의미한다. 본 연구진은 실측 데이터로부터 복원된 채널 응답 데이터로부터 해수면 산란 성분의 도플러 파워 스펙트럼을 구하고, 실측 데이터에 대응되는 최적의 해수면 산란 성분 상관 시간을 시뮬레이션으로부터 추정하였다. 시뮬레이션 결과와 실측 데이터를 Fig.
- 본 연구진은 음선 추적 시뮬레이션을 채널의 평균 응답으로서 한 번의 시뮬레이션만 수행하되, 해수면의 효과로 인한 각 다중 경로 성분의 신호 응답 강도 변동성을 독립적으로 생성하게 하는 방법을 제안한다. PM(Pierson-Moskowitz)[10] 해수면 스펙트럼을 사용하면 생성되는 해수면은 풍속에 따라 파고, 형태 등이 변화한다.
- 본 장에서는 실측 데이터와 본 연구진의 모델링 기법으로 생성한 채널 모델을 기준으로 시역전 기법을 적용하고, BER 시뮬레이션을 진행한다. 또한 시역전 통신에서 중요한 파라메터인 채널 상관도 (channel correlation)[1]를 구한다.
- 해수 면에 여러 번 산란되는 경로 성분의 경우, 산란 지점이 멀리 떨어져 있으면 확률적으로 독립이므로 곱으로 표현한다. 산란 계수의 곱으로 경로 성분의 평균 파워가 변하지 않도록 모든 산란계수는 각 rms 파워로 정규화 하였다. Fig.
- 위 식에서 ∗ 는 τ 영역에서의 합성곱(convolution) 을 의미하며 h* 는 h의 복소수 공액(complex conjugation) 을 의미한다. 시역전 통신 시 BER 측면에서 성능 향상을 보이는 것[14]을 시뮬레이션 하기 위하여 시역전기법으로 다중 경로 성분의 에너지와 직접파가 모두 통일성 있게 더해질 때의 BER과 직접파 만을 사용할 때의 BER을 비교하였다. 시뮬레이션에서는 단일 송신기와 수신기가 사용되는 SISO 환경을 가정하였으며, 변조기법으로는 BPSK를 사용하였다.
- 5의 값으로 평균 실측 데이터인 4 m/s를 사용하였다. 실측 데이터와 시뮬레이션으로부터 해수면 산란 성분의 크기 시 변동성을 나타내는 도플러 파워 스펙트럼을 구하였으며 이를 비교하였다. 또한 해수면 해석 방법을 기반으로 실측 데이터로 해수면 반사 성분의 도플러 파워 스펙트럼으로부터 상관 길이를 적용하여 시간의 변동성을 고려할 수 있는 방법을 제시함으로써, 시역전 통신 시스템 시뮬레이션에서 특히 필요로 하는 시 변동성 특성, 상관도 그리고 많은 샘플 생성이 가능한 빠른 속도의 채널 시뮬레이션 방법과 같은 요구를 충족시켰다.
- 실측 실험으로부터 추정된 해수면 산란 성분의 상관 시간은 l = 5인 가우시안 파워 스펙트럼으로 모델링 되었다. 식(3)에서 상관 시간 l인 가우시안 파워 스펙트럼은, l초 후의 상관 계수가 e-1이 되므로, 위 실험 결과에서 해수면 산란 성분은 5초 이후의 상관 도가 약 e-1 ≈ 0.
- 지금까지 수중 음파 수동 시역전 통신 시스템 시뮬레이션을 위한 해수면 변동성을 고려한 벨홉 기반의 통계적 채널 생성 방법론을 제시하였다. 해수면 산란 계수 해석은 KA 방식을 사용하였으며, MoM과 비교하였다.
대상 데이터
- 수심 20 m 부터 40 m 까지 형성된 수온약층을 피하여 송신기 2개를 각각 40 m와 70 m에 위치시켰다. 본 논문에서는 송신기가 40 m인 경우의 데이터를 사용하였다. 실험에 사용된 신호의 중심 주파수는 16 kHz 이며 대역폭은 4 kHz인 m-sequence를 사용하였다.
- 본 연구진은 해수면에 산란된 음파 신호를 WSSUS 모델의 산란 함수로 표현할 때, 도플러 파워 스펙트럼 특성을 파악하기 위하여 2011년 실측 실험을 수행하였으며 실험 개요를 Fig. 2에 나타내었다.
- 본 논문에서는 송신기가 40 m인 경우의 데이터를 사용하였다. 실험에 사용된 신호의 중심 주파수는 16 kHz 이며 대역폭은 4 kHz인 m-sequence를 사용하였다. Fig.
데이터처리
- 입사각과 산란각은 Θi와 Θs로 표현하였으며, #와 #는 각각 x 축과 z축의 단위벡터이다. KA 방식의 산란 시뮬레이션의 검증을 위해서 보다 정확한 수치방법인 MoM 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
- 지금까지 수중 음파 수동 시역전 통신 시스템 시뮬레이션을 위한 해수면 변동성을 고려한 벨홉 기반의 통계적 채널 생성 방법론을 제시하였다. 해수면 산란 계수 해석은 KA 방식을 사용하였으며, MoM과 비교하였다. Pierson-Moskowitz 파워 스펙트럼을 사용하였으며, 풍속 U19.
이론/모형
- 해수면 산란 계수 해석은 KA 방식을 사용하였으며, MoM과 비교하였다. Pierson-Moskowitz 파워 스펙트럼을 사용하였으며, 풍속 U19.5의 값으로 평균 실측 데이터인 4 m/s를 사용하였다. 실측 데이터와 시뮬레이션으로부터 해수면 산란 성분의 크기 시 변동성을 나타내는 도플러 파워 스펙트럼을 구하였으며 이를 비교하였다.
- 본 장에서는 해수면 산란 성분 크기의 통계적인 모델링을 위한 시뮬레이션의 배경 이론을 설명한다. 본 논문에서는 1D 해수면을 이용하여 시뮬레이션을 진행한다.
- 5이다. 본 논문에서는 BELLHOP 모델을 사용하여 평균 채널 임펄스 응답을 생성한다. 일정한 시간 간격으로 해수면 f(x;mΔt)을 생성하고, 각각의 해수면 경계에 대해서 고유음선이 해수면과 이루는 입사각과 산란각 정보를 BELLHOP으로부터 받는다.
- 풍속에 따른 해수면 특성은 널리 알려진 PM (Pierson-Moskowitz) 해수면 파워 스펙트럼을 사용하였다.[10,11]
- 해수면 산란 성분의 크기 변동성을 모델링 하기 위하여 MoM[11,12]과 KA[11,13]기반의 거친 표면 산란(rough surface scattering) 이론을 적용한다. MoM이란 선형편 미분방정식의 경계조건문제를 푸는 수치해석 방법이다.
성능/효과
- 13은 풍속을 4 m/s로 고정시키고 상관 시간을 변화시켰을 때 채널의 상관계수를 나타낸 것이다. 동일한 파고를 갖는 해수면에서 상관 시간을 감소시킬수록, 해수면이 빠르게 변화하므로 채널의 상관도가 빠르게 감소하는 것으로 판단된다. Fig.
후속연구
- 또한 해수면 해석 방법을 기반으로 실측 데이터로 해수면 반사 성분의 도플러 파워 스펙트럼으로부터 상관 길이를 적용하여 시간의 변동성을 고려할 수 있는 방법을 제시함으로써, 시역전 통신 시스템 시뮬레이션에서 특히 필요로 하는 시 변동성 특성, 상관도 그리고 많은 샘플 생성이 가능한 빠른 속도의 채널 시뮬레이션 방법과 같은 요구를 충족시켰다. 또한 풍속과 같은 측정 가능한 물리적 환경 파라미터를 이용한 채널 생성이란 측면에서 많은 장점을 보유하고 있으며, 향후 다양한 시나리오에 대응될 수 있는 수중 채널 모델 제시를 위하여 보다 많은 실측 데이터를 반영하면 양질의 채널 데이터를 제공할 수 있을 것이라 기대한다.
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