본 논문에서는 낮은 이득의 안테나를 갖는 해양 이동 단말을 위한 Ka 대역 해양 위성 통신 시스템 설계 즉, 물리계층 변조 및 부호화 방식 그리고 송신단 구조를 제안한다. Ka 대역을 활용하는 기존 DVB-S2 (digital video broadcasting - satellite - second generation) 서비스에 영향을 주지 않으면서, 같은 시간 같은 대역을 이용하여 저속의 위성 통신 서비스를 제공하기 위해서 광대역 확산 전송 방식을 사용하였다. 이런 초광대역 전송 방식은 간섭 영향뿐만 아니라, 이동형 해양 단말의 낮은 안테나 이득을 보상하는 역할도 한다. 그래서 변조 방식에 따라 36 dB 또는 39 dB의 확산 이득과 적응형 반복 전송을 통하여 Ka 대역의 경로 손실 및 강우 감쇄를 극복한다. 그리고 짧은 데이터 길이에도 성능 열화를 최소화하기 위하여 터보부호화 방식을 사용한다. 이를 통하여 DVB-S2 시스템에 영향을 주지 않으면서 동시에 저속의 데이터 통신을 수행할 수 있는 해양 위성 통신 시스템을 제안하다.
본 논문에서는 낮은 이득의 안테나를 갖는 해양 이동 단말을 위한 Ka 대역 해양 위성 통신 시스템 설계 즉, 물리계층 변조 및 부호화 방식 그리고 송신단 구조를 제안한다. Ka 대역을 활용하는 기존 DVB-S2 (digital video broadcasting - satellite - second generation) 서비스에 영향을 주지 않으면서, 같은 시간 같은 대역을 이용하여 저속의 위성 통신 서비스를 제공하기 위해서 광대역 확산 전송 방식을 사용하였다. 이런 초광대역 전송 방식은 간섭 영향뿐만 아니라, 이동형 해양 단말의 낮은 안테나 이득을 보상하는 역할도 한다. 그래서 변조 방식에 따라 36 dB 또는 39 dB의 확산 이득과 적응형 반복 전송을 통하여 Ka 대역의 경로 손실 및 강우 감쇄를 극복한다. 그리고 짧은 데이터 길이에도 성능 열화를 최소화하기 위하여 터보부호화 방식을 사용한다. 이를 통하여 DVB-S2 시스템에 영향을 주지 않으면서 동시에 저속의 데이터 통신을 수행할 수 있는 해양 위성 통신 시스템을 제안하다.
In this paper, the Ka-band maritime satellite communication systems for mobile terminals are proposed. The design includes the link budget analysis, determination of modulation and coding schemes and the overall structure of a transmitter. To avoid the harmful effects on the existing DVB-S2 services...
In this paper, the Ka-band maritime satellite communication systems for mobile terminals are proposed. The design includes the link budget analysis, determination of modulation and coding schemes and the overall structure of a transmitter. To avoid the harmful effects on the existing DVB-S2 services, the proposed maritime satellite system using the same spectrum with DVB-S2 at the same time employs the very wideband spreading transmission. Additionally, omni-directional low-gain antennas should be equipped in a mobile terminal to reduce the system cost. These two considerations limit the maximum transmission rate of the proposed system. Due to the limitations, the proposed system includes 36 dB or 39 dB spreading gain depending on the modulation scheme and a link-adaptive repetition method depending on the level of rain attenuation. To support short packets with minimal performance loss, the turbo code used in 3GPP instead of LDPC(low density parity check code) is adopted. By combining them, the overall structure of low-rate maritime satellite communication system is designed.
In this paper, the Ka-band maritime satellite communication systems for mobile terminals are proposed. The design includes the link budget analysis, determination of modulation and coding schemes and the overall structure of a transmitter. To avoid the harmful effects on the existing DVB-S2 services, the proposed maritime satellite system using the same spectrum with DVB-S2 at the same time employs the very wideband spreading transmission. Additionally, omni-directional low-gain antennas should be equipped in a mobile terminal to reduce the system cost. These two considerations limit the maximum transmission rate of the proposed system. Due to the limitations, the proposed system includes 36 dB or 39 dB spreading gain depending on the modulation scheme and a link-adaptive repetition method depending on the level of rain attenuation. To support short packets with minimal performance loss, the turbo code used in 3GPP instead of LDPC(low density parity check code) is adopted. By combining them, the overall structure of low-rate maritime satellite communication system is designed.
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문제 정의
Omnitracks의 경우, 해양 단말이 아닌 대륙을 횡단하는 화물 트럭 등과 중심국 사이의 간단한 메시지 전달을 위한 목적으로 하기 때문에 본 논문의 목적인 저속 해양 위성 통신과 유사한 서비스를 제공한다고 할 수 있다.
그리고 해양 이동 단말의 경우, 위성을 향해 방향성 빔을 맞추고, 해양 이동 환경에서 계속 위성을 추적하면서 고 안테나 이득을 얻는 것은 기술적으로나 경제적으로 문제가 많다. 그래서 안테나 이득이 낮아 전송 속도가 느리더라도 패치 안테나 형태의 무지향성 안테나를 사용하여 빔추적 복잡도 및 경제성 문제를 해결하고자 한다.
본 논문에서는 중심국에서 위성을 거쳐 단말 데이터를 전송하는 경우를 고려하도록 한다. 따라서 중심국에서 위성까지의 상향 링크와 위성에서 단말로 가는 하향 링크의 링크 버짓을 각각 계산해 보자.
본 논문에서는 선박과 같은 해양 이동 단말과 육지의 중심국 사이의 정보 교환을 위한 해양 위성 통신 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 링크 버짓 계산을 통하여 전송률을 예측하고, 해당 전송률을 달성하기 위한 송신단 변조 및 부호화 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 이와 같은 기존 저속 위성 통신 시스템의 개념을 도입하여, 해양 위성 통신을 제안한다. 국내 천리안 위성을 기반으로 기존 DVB-S2 서비스에 영향을 주지 않으면서, 고가의 빔추적 지향성 안테나 대신 저가의 무지향성 안테나를 갖는 단말을 위한 저속 해양 위성 통신 시스템의 기본 설계를 제시한다.
위성 통신 시스템의 경우, 중심국에서 전송한 신호를 선박 등과 같은 이동 해양 단말 사이에 위성이 있어 중계 역할을 수행한다. 본 논문에서는 중심국에서 위성을 거쳐 단말 데이터를 전송하는 경우를 고려하도록 한다. 따라서 중심국에서 위성까지의 상향 링크와 위성에서 단말로 가는 하향 링크의 링크 버짓을 각각 계산해 보자.
가설 설정
- 동기 및 채널 추정 오류는 없다고 가정함.
DVB-S2 서비스를 위해 사용하고 있는 위성 및 주파수 대역을 기존 서비스에 영향을 미치지 않는 범위에서 사용한다는 underlay방식의 인지 통신 기법을 활용하였다. 그리고 단말에서 저가의 패치 형태의 무지향성 안테나를 사용한다는 가정하여 시스템을 설계하였다. 그 결과, 수kbps의 낮은 전송률이기는 하지만, 위 요구 조건을 충족하는 시스템을 설계하였다.
그리고 상향 링크와 하향 링크의 경로 손실은 각각 205 dB와 203 dB라고 가정하였다. 이와 더불어 위성 통신에서 중요한 고려 사항인 강우 감쇄는 최대 상향 링크인 30 GHz 대역에서는 20.
그리고 중심국과 위성 그리고 단말의 제원은 표 1과 같이 주어진다고 가정하였다. 중심국과 위성의 경우는 높은 안테나 이득을 갖는 지향성 안테나를 갖지만, 단말의 안테나 이득은 단일 패치 안테나를 가정하였다.
그리고 반송파 주파수는 상향링크가 30 GHz, 하향 링크가 20 GHz이다. 본 논문에서는 가용한 위성으로 천리안 위성을 고려하고 있다.
그리고 중심국과 위성 그리고 단말의 제원은 표 1과 같이 주어진다고 가정하였다. 중심국과 위성의 경우는 높은 안테나 이득을 갖는 지향성 안테나를 갖지만, 단말의 안테나 이득은 단일 패치 안테나를 가정하였다. 그리고 전송률 증대를 위해서 해양 이동 단말에서 다중 안테나 기술을 활용하는 경우도 고려하였다.
표 3에서 요구되는 Eb/N0인 1.5dB는 1/3 부호율을 갖는 3GPP의 병렬 터보 부호와 BPSK 변조를 사용했을 때를 가정하였다.
제안 방법
본 논문에서는 이와 같은 기존 저속 위성 통신 시스템의 개념을 도입하여, 해양 위성 통신을 제안한다. 국내 천리안 위성을 기반으로 기존 DVB-S2 서비스에 영향을 주지 않으면서, 고가의 빔추적 지향성 안테나 대신 저가의 무지향성 안테나를 갖는 단말을 위한 저속 해양 위성 통신 시스템의 기본 설계를 제시한다. 국내 위성 통신 시스템에서의 다양한 시스템 제원과 위 제약 사항들을 기반으로 링크 버짓 (Link Budget) 계산을 통하여 지원 가능한 전송률을 예측하고, 그 전송률을 달성하기 위해 대역 환산 (Spread Spectrum) 방식과 간단한 적응 변조를 위한 반복 전송 기법을 활용하였다.
그리고 단말에서 저가의 패치 형태의 무지향성 안테나를 사용한다는 가정하여 시스템을 설계하였다. 그 결과, 수kbps의 낮은 전송률이기는 하지만, 위 요구 조건을 충족하는 시스템을 설계하였다. 해양 위성 통신의 주 응용 분야가 기상 정보, 위치 정보 등의 간단한 서비스라고 가정하면 추가적인 주파수 및 위성의 확보 없이, 저가의 단말기로 통신 서비스를 받을 수 있다는 점에서 의미 있는 접근이 될 것이라 사료된다.
그리고 패킷 길이가 짧은 응용 서비스의 특성을 고려하여 채널 부호화 방식도 터보 부호를 사용한다. 그리고 동기 변조 (Coherent Modulation) 및 차등 변조 (Differential Modulation) 방식을 모두 설계하여 상황에 따라서 선택할 수 있도록 설계하였다.
DVB-S2의 경우는 해당 대역에서 현재 서비스가 되고 있기 때문에 채널 사용에 대한 우선권이 있다고 할 수 있다. 그리고 이와 같은 방송 서비스 신호는 채널을 항상 점유하고 있기 때문에 제안하는 새로운 해양 위성 통신 시스템은 DVB-S2 서비스에 영향을 주지 않는 underlay 형태로 신호를 전송해야 한다. 즉, 아주 높은 확산 이득 (Spreading Gain)을 갖는 대역 확산 방식을 사용한다.
그리고 전송률 증대를 위해서 해양 이동 단말에서 다중 안테나 기술을 활용하는 경우도 고려하였다.
그리고 제안한 해양 위성 통신 시스템에서 사용하는 BPSK 변조와 1/3 터보 부호의 성능을 확인하기 위하여 아래와 같은 환경에서 모의 실험을 진행하였다.
그래서 일반적인 경우의 수신 신호 대 잡음비는 –40 dB보다 10 dB 높은 –30 dB 수준이 될 것이다. 그리고 채널 추정 및 동기 오류에 따른 다양한 구현상의 마진을 포함하여 36 dB는 모든 전송 모드에 공통적으로 적용되는 확산 이득 보상하고, 상황에 따라서 적응 변조를 적용하여 강우 감쇄가 작을 때는 기본적인 36 dB 확산만을 이용하여 높은 전송률로 전송하고, 강우 감쇄 정도에 따라서 2배 또는 4배 반복 전송 기법을 활용하여 전송률을 1/2, 1/4로 낮추어 강우 감쇄를 상쇄하도록 한다. 따라서 강우 감쇄 정도에 따른 수신 신호 대 잡음비와 그에 따른 전송 방식 (확산 이득, 반복 전송 회수) 등은 표 4와 같이 예를 들 수 있다.
그리고 해양 위성 통신의 경우, 위치 정보 등의 짧은 데이터가 많이 때문에 LDPC 부호를 사용하는 것이 비효율적이다. 따라서 요구되는 Eb/N0은 높지만, 짧은 데이터에도 성능 열화가 적은 3GPP의 BPSK, 1/3 터보 부호를 사용하는 것으로 설계 하였다. 그리고 위 표에서 볼 수 있듯이, 수신단 안테나 이득이 5 dBi로 상향 링크 대비 약 60 dB 차이가 나므로, 하향 링크의 신호 대 잡음비는 –39.
그리고 차분 변조에 따라 추가로 요구되는 SNR을 보상하기 위해서 확산 이득을 39 dB로 높인다. 본 장에서는 100 MHz이 대역폭을 모두 사용할 수 있는 것으로 가정하였지만, 대부분의 실제 시스템에서는 롤오프 인자(roll-off factor)를 고려하여 설계 한다. 그래서 심볼률(symbol rate)는 대역폭을 (1+롤오프 인자)로 나눈 수준에서 결정된다.
그리고 유럽 CNES에서도 재난 상황에 대한 대비용으로 저속의 위성 통신 시스템을 설계하였다[2]. 재난 상황에서 통신을 위해서 새로운 위성 주파수를 확보하는 것은 무리가 많기 때문에 기존 위성 서비스에 영향을 주지 않을 정도로 저속의 데이터를 광대역 확산을 통하여 아주 낮은 전력 밀도를 갖고 전송하는 것을 제안하였다. 일본의 KDDI에서도 역시 기존 FDMA (frequency division multiple access) 위성 통신 서비스에 영향을 주지 않을 정도로 낮은 전력 밀도로 확산하여 전송하는 재난 통신용 저속 위성 서비스를 제안하였다[3].
본 논문에서는 선박과 같은 해양 이동 단말과 육지의 중심국 사이의 정보 교환을 위한 해양 위성 통신 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 링크 버짓 계산을 통하여 전송률을 예측하고, 해당 전송률을 달성하기 위한 송신단 변조 및 부호화 기법을 제안하였다. DVB-S2 서비스를 위해 사용하고 있는 위성 및 주파수 대역을 기존 서비스에 영향을 미치지 않는 범위에서 사용한다는 underlay방식의 인지 통신 기법을 활용하였다.
대상 데이터
그리고 해당 프레임의 길이 및 변조 방식, 반복 횟수 등을 포함한 물리계층 헤더가 뒤를 따르고, 마지막에 데이터가 추가되는 구조를 갖는다. 데이터에는 매체 접속 계층 헤더 및 실제 전달하고자 하는 데이터, 오류 검출을 위한 FCS(Frame Check Sequence)로 구성된다. 이들에 대한 구체적인 내용은 본 논문에서는 생략한다.
이론/모형
제안된 시스템은 링크 버짓 계산을 통하여 전송률을 예측하고, 해당 전송률을 달성하기 위한 송신단 변조 및 부호화 기법을 제안하였다. DVB-S2 서비스를 위해 사용하고 있는 위성 및 주파수 대역을 기존 서비스에 영향을 미치지 않는 범위에서 사용한다는 underlay방식의 인지 통신 기법을 활용하였다. 그리고 단말에서 저가의 패치 형태의 무지향성 안테나를 사용한다는 가정하여 시스템을 설계하였다.
국내 천리안 위성을 기반으로 기존 DVB-S2 서비스에 영향을 주지 않으면서, 고가의 빔추적 지향성 안테나 대신 저가의 무지향성 안테나를 갖는 단말을 위한 저속 해양 위성 통신 시스템의 기본 설계를 제시한다. 국내 위성 통신 시스템에서의 다양한 시스템 제원과 위 제약 사항들을 기반으로 링크 버짓 (Link Budget) 계산을 통하여 지원 가능한 전송률을 예측하고, 그 전송률을 달성하기 위해 대역 환산 (Spread Spectrum) 방식과 간단한 적응 변조를 위한 반복 전송 기법을 활용하였다. 그리고 패킷 길이가 짧은 응용 서비스의 특성을 고려하여 채널 부호화 방식도 터보 부호를 사용한다.
성능/효과
따라서 DQPSK 변조 방식과 1/3 터보 부호를 사용하면 전송률을 유지할 수 있다. 그리고 차분 변조에 따라 추가로 요구되는 SNR을 보상하기 위해서 확산 이득을 39 dB로 높인다. 본 장에서는 100 MHz이 대역폭을 모두 사용할 수 있는 것으로 가정하였지만, 대부분의 실제 시스템에서는 롤오프 인자(roll-off factor)를 고려하여 설계 한다.
그림 7에서는 터부 부호의 복호 과정에서의 반복 횟수에 따른 비트 오류 확률 차이를 볼 수 있다. 본 결과를 보면, 6회의 반복 복조 정도면 주어진 환경에서 포화 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그리고 –45 dB의 신호 대 잡음비 환경에서 10-7의 비트 오류 확률을 얻을 수 있다.
후속연구
DVB-S2 시스템과의 공존 문제와 해양 이동 단말의 낮은 안테나 이득 때문에 전송률에 대한 희생은 어쩔 수 없다. 하지만, 추가적인 주파수 확보 및 고비용의 빔추적 안테나 없이 해양 위성 통신 서비스를 제공할 수 있다는 점에서 의미를 갖는 시스템이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
응급 상황이나 최소한의 기상 정보 및 위치 정보를 전달하기 위한 해양 위성 통신 기술이 필요한 이유는 무엇인가?
위성 통신 시스템은 기존 셀룰러 시스템으로 지원할 수 없는 도서산간 지역의 통신 채널 확보, 또는 육지에서 많이 떨어진 선박들을 위한 통신 서비스 제공을 위한 목적으로 활용 가능한 통신 시스템이다. 도서 지방이나 산간 지방의 경우, 셀룰러 시스템 구축비용 대비 수익이 미비하여 사설 통신 서비스 공급자들은 도서 및 산간 지역의 통신망 구축을 회피할 수밖에 없다. 원거리 선박의 경우, 위성을 제외하고는 특별한 통신 수단이 존재하지 않는 상황이다. 따라서 응급 상황이나 최소한의 기상 정보 및 위치 정보를 전달하기 위한 해양 위성 통신 기술이 필요하다.
초광대역 전송 방식은 어떤 역할을 하는가?
Ka 대역을 활용하는 기존 DVB-S2 (digital video broadcasting - satellite - second generation) 서비스에 영향을 주지 않으면서, 같은 시간 같은 대역을 이용하여 저속의 위성 통신 서비스를 제공하기 위해서 광대역 확산 전송 방식을 사용하였다. 이런 초광대역 전송 방식은 간섭 영향뿐만 아니라, 이동형 해양 단말의 낮은 안테나 이득을 보상하는 역할도 한다. 그래서 변조 방식에 따라 36 dB 또는 39 dB의 확산 이득과 적응형 반복 전송을 통하여 Ka 대역의 경로 손실 및 강우 감쇄를 극복한다.
위성 통신 시스템은 어떤 시스템인가?
위성 통신 시스템은 기존 셀룰러 시스템으로 지원할 수 없는 도서산간 지역의 통신 채널 확보, 또는 육지에서 많이 떨어진 선박들을 위한 통신 서비스 제공을 위한 목적으로 활용 가능한 통신 시스템이다. 도서 지방이나 산간 지방의 경우, 셀룰러 시스템 구축비용 대비 수익이 미비하여 사설 통신 서비스 공급자들은 도서 및 산간 지역의 통신망 구축을 회피할 수밖에 없다.
참고문헌 (6)
F. P. Antonio, K. S. Gilhousen, I. M. Jacobs, and L. A. Weaver, Jr. "OmniTRACKS: A commercial Ku-band mobile satellite terminal and its applicability to military mobile terminals," in Proc. IEEE MILCOM 1988, vol. 3, pp. 761-764, San Diego, CA, Oct. 1988.
M. Dervin, I. Buret, and C. Loisel, "Very wide band satellite transmissions for emergency situations," in Proc. the Advanced Satellite Mobile Systems 2008, pp. 328-332, Bologna, Italy, Aug. 2008.
N. Fuke, K. Sukiyama, and N. Kawai, "Characteristics of satellite system with wideband spreading signals overlaid on conventional FDMA signals within FSS network," IEICE Technical Report, vol. 105, no. 322, pp. 145-150, 2005.
ETSI EN 302 307 v1.2.1: "Digital Video Broadcasting (DVB): Second generation framing structure, channel coding and modulation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications," Aug. 2009.
3GPP TS 36.212 v9.2.0: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding," May 2010.
IEEE 802.15.3/D17, "Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPAN)," Feb. 2003.
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