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수중 AWGN 채널에서의 파라메트릭 배열 통신 성능
Performance of Parametric Array Communication System in Underwater AWGN Channel 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.32 no.4, 2013년, pp.294 - 300  

이재일 (제주대학교 해양과학대학 해양정보시스템공학과) ,  이종현 (제주대학교 해양과학대학 해양정보시스템공학과) ,  배진호 (제주대학교 해양과학대학 해양정보시스템공학과) ,  팽동국 (제주대학교 해양과학대학 해양정보시스템공학과) ,  김원호 (국방과학연구소 제6기술연구본부)

초록
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본 논문에서는 간략화된 차 주파수의 신호대잡음비을 이용하여 수중 AWGN 환경하에서 파라메트릭 배열 통신 시스템의 성능을 비트오류확률과 MIMO 채널용량 관점에서 분석한 결과를 제시한다. 분석을 위해 사용된 차주파수의 신호대잡음비는 전달손실, 잡음준위 그리고 비선형성이 고려된 차 주파수의 음원준위로 계산된다. 1차 주파수 210 kHz와 190 kHz, 차 주파수 20 kHz, 트랜스듀서 직경 0.1 m, 잡음준위 50 dB, 요구되는 비트오류 확률을 $10^{-4}$으로 가정할 때, 담수 환경과 해수 환경에서의 1차 주파수 통신 거리 대비 파라메트릭 배열의 통신거리 이득을 각각 59.11 km와 5 km를 얻었다. 또한, 10 bps/Hz의 채널용량 조건을 위해 SISO 및 ($2{\times}2$) MIMO 파라메트릭 배열을 사용할 경우, 담수에서는 38.84 km와 46.38 km 거리이득을 해수에서는 3.88 km 4.381 km의 거리이득을 얻었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we present performance analysis results of parametric array communication system in terms of theoretical BER and channel capacity of MIMO in underwater AWGN channel by using simplified SNR of difference frequency. The SNR of the difference frequency is calculated by using transmission...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • [5] Prederson은 1차 주파수의 방사전력을 충격파가 발생되지 않는 포화 한계로 가정한 후 비선형 계수, 회절거리 그리고 차 주파수에 의한 흡음률을 고려하여 차 주파수의 음원준위를 계산하였다.[9] 본 논문에서 파라메트릭 배열 시스템의 통신 성능을 분석하기 위한 차 주파수의 SNR을 비선형성이 고려된 차 주파수의 음원준위와 전달 손실 그리고 잡음준위를 이용하여 계산한다. 이는 복잡한 비선형 모델식 또는 수치해석 기법보다 계산 비용을 줄일 수 있으며 시스템 설계비용을 감소시킨다.
  • 본 논문에서는 고지향성 파라메트릭 배열 신호가 복잡한 해양환경의 변화로 시간지연 확산이 발생될 때 이론적인 연구의 목적으로 MIMO 채널 용량을 계산하였다. Shannon의 방정식은 통신 시스템에서 최대 데이터 전송률이 제한된다는 것을 의미하며 식(9)와 같이 통신 시스템이 얻을 수 있는 성능의 이론적 상한선을 제시한다.
  • 본 논문에서는 비선형성이 고려된 차 주파수의 SNR을 이용하여 파라메트릭 배열기반 수중 통신 시스템의 이론적인 통신 성능분석 결과를 소개한다. 통신 성능분석을 위한 차 주파수의 SNR은 비선형성이 고려된 음원준위와 전달손실 그리고 잡음준위의 관계식으로 계산된다.

가설 설정

  • [5] Prederson은 1차 주파수의 방사전력을 충격파가 발생되지 않는 포화 한계로 가정한 후 비선형 계수, 회절거리 그리고 차 주파수에 의한 흡음률을 고려하여 차 주파수의 음원준위를 계산하였다.[9] 본 논문에서 파라메트릭 배열 시스템의 통신 성능을 분석하기 위한 차 주파수의 SNR을 비선형성이 고려된 차 주파수의 음원준위와 전달 손실 그리고 잡음준위를 이용하여 계산한다.
  • 담수 환경에서 차 주파수의 음압레벨 모의실험 환경 변수와 동일한 실험환경을 가정하여 통신 성능분석을 위한 모의실험을 수행하였다. 이때, 음속은 c0=1500 m/s, 비선형 계수는 β=3.
  • )을 모의실험 하여 Westervelt 비선형 모델과 비교하였다. 모의실험 환경 변수를 1차 주파수 f1=210 kHz, f2=190 kHz, 차 주파수 fd=20 kHz, 트랜스듀서 직경 10 cm 그리고 트랜스듀서의 음향학적 방사전력 W1=2.992 Watt, W2=3.3069 Watt로 가정하여 담수 환경과 해수 환경에서 차 주파수의 음압레벨을 모의실험 하였다. 담수 환경에서 수온 5℃와 수심 0 m를 가정할 때 차 주파수 흡음계수와 전 흡음계수는 각각 αd =1.
  • 또한, 최대 데이터 전송률의 한계를 확인 하기위해 통신채널은 서로 상호 독립적이라는 가정아래서 이상적인 MIMO 채널용량을 모의실험 하였다. 모의실험의 통신채널은 담수 환경과 해수 환경으로 가정하였다.
  • 본 논문에서는 파라메트릭 배열기반 디지털 통신 성능분석을 위해 차 주파수의 SNR을 비선형성이 고려된 차 주파수의 음원준위와 전달손실 그리고 천해 환경의 잡음준위 50 dB를 가정하여 계산하였다. 제시된 차 주파수의 SNR 계산은 비선형 모델 또는 수치해석 기법보다 적은 계산 비용으로 이론적인 성능을 계산 할 수 있으며 시스템 설계 비용을 감소시킬 수 있다.
  • 이때, 음속은 c0=1470 m/s, 비선형 계수는 β=3.8을 가정한다.
  • 이때, 음속은 c0=1500 m/s, 비선형 계수는 β=3.6을 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
파라메트릭 배열 연구는 어떤 연구들이 진행되었는가? 파라메트릭 배열 연구는 Westervelt에 의해 이론적인 개념 도입 이후 차 주파수의 비선형 모델 해석, 음파 전달 특성 분석과 신호처리 분야에서 다양한 연구들이 진행되어왔다.[1-8] Coates 연구진은 파라메트릭 배열 신호를 DPSK변조하여 수중 통신 실험을 수행하였다.
파라메트릭 배열 현상이란? 파라메트릭 배열 현상은 1차 주파수 f1과 f2를 동일한 방향으로 강하게 방사시킬 때 매질의 비선형 현상에 의해 1차 주파수이외에 차 주파수와 합 주파수 등 여러 배음현상이 발생되고 이중 차 주파수 성분을 의미한다. 여러 배음현상 중 고 주파수 성분은 주파수의 자승에 비례하는 감쇠효과로 급격히 소멸하고 상대적으로 낮은 차 주파수 성분만이 1차 주파수의 고지향 특성을 갖고 가장 원거리까지 전파된다.
다중경로에 강인한 송신 특성을 갖는 수중 통신시스템이 필요한 이유는? 한반도 주변의 해양 환경은 동해 외해를 제외하고 주로 수심 150 m 이하의 천해 환경으로 천해 통신 환경에서 해수면과 해저면에 반사되어 크기와 위상이 왜곡된 음향 신호는 통신 성능을 저하시킨다. 따라서 다중경로에 강인한 송신 특성을 갖는 수중 통신시스템이 필요하며 이러한 문제를 해결하기 위해 파라메트릭 배열을 이용한 전송방법이 연구되고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. R. F. W. Coates, M. Zheng and L. Wang "Technical Communications," IEEE J. Oceanic Eng. 21, 225-232 (1996). 

  2. B. K. Novikov, O. V. Rudenko and V. I. Timoshenko, Nonlinear Underwater Acoustics (The American Institute of Physic, New York, 1987). 

  3. P. J. Westervelt "Parametric Acoustic Array," J. Acoust. Soc. Am. 35, 535-537 (1963). 

  4. H. O. Berktay and D. J. Leahy "Farfield performance of parametric transmitters," J. Acoust. Soc. Am. 55, 539-546 (1974). 

  5. M. B. Moffett and R. H. Mellen "Model for parametric acoustic sources," J. Acoust. Soc. Am. 61, 325-337 (1977). 

  6. M. B. Moffett "Measurement of fundamental and second harmonic pressures in the field of a circular piston source," J. Acoust. Soc. Am. 65, 318-323 (1979). 

  7. W. S. Gan, J. Yang, K. S. Tan and M. H. Er "A Digital Beamsteerer for Difference Frequency in a Parametric Array," IEEE Transactions on A. S. and L. Processing 14, 1018-1025 (2006). 

  8. L. Kopp, D. Cano, E. Dubois, L. Wang, B. Smith and R. F. W. Coates, "Potential Performance of Parametric Communications," IEEE J. Oceanic Eng. 25, 282-295 (2000). 

  9. T. B. Pederson, "A Parametric SONAR Performance Calculator," J. Phys. Colloque. 40, 137-139 (1979). 

  10. X. Lurtont, An Introduction to Underwater Acoustics Principles and Applications (2nd edition, Springer, 2010). 

  11. F. H. Fisher and V. P. Simmons, "Sound absorption in sea water," J. Acoust. Soc. Am. 62, 558-564 (1977). 

  12. Peter H. Dahl, James H. Miller, Douglas H. Cato, Rex K. Andrew, "Underwater Ambient Noise," Acoustics Today 3. 23-33 (2007). 

  13. R. T. Beyer, "Parameter of Nonlinearity in Fluids," J. Acoust. Soc. Am. 32, 719-721 (1960). 

  14. M. J. Kim, Analog and Digital Communication Theory (Life & Power Press, 2007). 

  15. J. G. Proakis, M. Salehi, G. Bauch, Contemporary Communication Systems (Thomson Brooks/cole, 2004). 

  16. Y. S. Cho, J. K. Kim, W. Y. Yang, MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB (Hongreung Science Publishing, 2008). 

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