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[국내논문] 수동형 시역전에 기반한 수중음향통신 알고리즘 및 실험적 검증
Algorithm and Experimental Verification of Underwater Acoustic Communication Based on Passive Time-Reversal Mirror 원문보기 논문타임라인

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.33 no.6, 2014년, pp.392 - 399  

엄민정 (LIG넥스원(주) Maritime연구소) ,  김재수 (한국해양대학교 해양공학과) ,  조정홍 ((주)한화) ,  김회용 ((주)한화) ,  성일 (국방과학연구소)

초록
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수중음향통신에서는 다중경로에 의한 지연확산 채널과 조류로 인한 자연적 유동 혹은 인위적인 플랫폼 이동 등으로 도플러 확산 채널이 발생한다. 이로 인하여 발생하는 인접 심볼 간 간섭을 제거하기 위하여 등화기가 사용되고 있으나 다중 경로 등의 음향 환경정보를 사용하고 있지 않다. 반면 수동형 시역전의 경우 한 방향 전파과정으로 산출한 채널응답특성의 수치적 정합필터를 통하여 자기 등화를 수행하게 되므로 등화기보다 비교적 단순한 알고리즘으로 간섭을 제거하는 특성을 갖는다. 본 논문에서는 2010년 동해에서 수행한 통신 실험의 실측 데이터에 수동형 시역전을 적용하여 다중경로로 인한 간섭을 제거하고, 통신성능이 향상됨을 보이고자 한다. 이를 검증하기 위하여 수동형 시역전의 적용 전/후의 신호 대 간섭 잡음비를 비교하고 분석한다. 또한 수동형 시역전과 적응형 등화기의 알고리즘을 각각 독립적으로 수행하여 비트오류율을 산출하고 이를 비교하여 수동형 시역전의 통신성능을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The underwater acoustic communication is characterized by doubly spread channels, which are the delay spread due to multiple paths and the doppler spread due to environmental fluctuations or a moving platform. An equalizer is used to remove the inter-symbol interferences that the delay spread causes...

주제어

#수중음향통신   #수동형 시역전   #인접 심볼 간 간섭   #신호 대 간섭 잡음비   #비트오류율  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 완화하고자 시변동성을 고려한 다중 채널의 적응형 등화기의 기술이 확장되고 있으나 시변동에 따른 변수를 갱신해야하므로 알고리즘의 설계가 복잡해 진다. 본 논문에서는 통신 성능을 향상하기 위하여 자기 등화의 특징을 지닌 시역전 기술을 독립적인 보상구조로 적용하며, 해상 실험 데이터를 이용하여 통신성능을 검증하였다.
  • 본 논문에서는 해상 실험을 통한 실측 데이터에 수동형 시역전을 적용하였으며, 등화기 알고리즘보다 비교적 단순한 시역전 알고리즘으로 통신성능이 개선됨을 보이고자 한다. 본 논문의 내용 중 일부 결과는 Reference 13에서 간단히 소개된 바 있다.
  • 본 절에서는 수동형 시역전 적용 전/후의 SINR을 산출하여 성능을 확인하고자 한다. SINR은 Eq.
  • 본 절에서는 수동형 시역전과 적응형 등화기를 독립적으로 수행하였으며, 산출된 각각의 BER을 비교하여 통신성능을 검증하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
음파 전달 특성은 무엇에 영향받는가? 최근 해양 개발에 대한 관심이 고조되면서 해양 탐사 및 수중 통신에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다.[1] 수중에서의 통신은 매질의 특성상 손실이 적은 음향을 사용하며 음파 전달 특성은 수심, 수온 및 염도에 따른 음속 구조에 지배적인 영향을 받는다. 또한 시변동에 따른 해수면 파동과 해저 지형 및 지음향 정보를 고려해야하는 복잡성이 따른다.
위상 동기식 통신에는 왜곡된 신호를 보상하고자 어떤 것을 사용하는가? 이에 1990년대부터 PSK(Phase Shift Keying) 변조 기술과 같은 위상 동기식 통신에 관한 연구가 이루어지고 있다. 위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.
수중음향통신의 두가지 채널 특성은? 수중음향통신은 가용 주파수가 낮아 채널 대역에 제한이 따르며, 두 가지의 채널 특성을 갖는다. 첫 번째는 해양 도파관 구조에 따른 다중경로로 인한 지연확산 채널이며 두 번째로는 조류, 내부파 등의 환경적 유동 혹은 송신기와 수신기의 인위적인 이동에 의한 도플러 확산 채널이다. 이로 인하여 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 발생되고 고속 데이터 전송 및 대용량 전송 효율에 문제가 되어 통신성능이 저하된다.
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참고문헌 (22)
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  1. D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of the art in underwater acoustic telemetry," IEEE J. Ocean. Eng. 25, 4-27 (2000). 

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    최근 해양 개발에 대한 관심이 고조되면서 해양 탐사 및 수중 통신에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다.[1] 수중에서의 통신은 매질의 특성상 손실이 적은 음향을 사용하며 음파 전달 특성은 수심, 수온 및 염도에 따른 음속 구조에 지배적인 영향을 받는다.

    이로 인하여 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 발생되고 고속 데이터 전송 및 대용량 전송 효율에 문제가 되어 통신성능이 저하된다.[1,3-5]

    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

  2. R. J. Urick, Principles of Underwater Sound, Third Edition (Mcgraw-Hill, New York, 1983), pp. 11-147. 

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    또한 시변동에 따른 해수면 파동과 해저 지형 및 지음향 정보를 고려해야하는 복잡성이 따른다.[2]

  3. A. C. Singer, J. K. Nelson, and S. S. Kozat, "Signal processing for underwater acoustic communications," IEEE Communications Magazine, 90-96 (2009). 

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    이로 인하여 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 발생되고 고속 데이터 전송 및 대용량 전송 효율에 문제가 되어 통신성능이 저하된다.[1,3-5]

  4. T. Melodia, H. Kulhandjian, L. C. Kuo, and E. Demirors, Advances in Underwater Acoustic Networking, in Mobile Ad Hoc Networking: Cutting Edge Directions, Second Edition (John Wiley & Sons, Hoboken, 2013), pp. 804-842. 

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    이로 인하여 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 발생되고 고속 데이터 전송 및 대용량 전송 효율에 문제가 되어 통신성능이 저하된다.[1,3-5]

  5. J. G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications (McGraw-Hill, New York, 2008), pp. 160-688. 

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    이로 인하여 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 발생되고 고속 데이터 전송 및 대용량 전송 효율에 문제가 되어 통신성능이 저하된다.[1,3-5]

    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

    위상 추정은 최대우도(Maximum Likelihood, ML) 함수 기반으로 아래의 식과 같다.[5]

  6. M. Stojanovic, J. A. Catipovic, and J. G. Proakis, "Phasecoherent digital communications for underwater acoustic channels," IEEE J. Ocean. Eng. 19, 100-111 (1994). 

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    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

  7. J. C. Preisig, "Performance analysis of adaptive equalization for coherent acoustic communications in the time-varying ocean environment," J. Acoust. Soc. Am. 118, 263-278 (2005). 

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    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

  8. M. Stojanovic, J. Catipovic, and J. G. Proakis, "Adaptive multichannel combining and equalization for underwater acoustic communications," J. Acoust. Soc. Am. 94, 1621-1631 (1993). 

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    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

  9. H. S. Kim, D. H. Choi, J. P. Seo, J. H. Chung, and S. Kim, "The experimental verification of adaptive equalizers with phase estimator in the East Sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 29, 229-236 (2010). 

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    위상 동기식 통신의 경우 대역 제한 채널로 인한 왜곡된 신호를 보상하고 자 수신부에서 등화기가 주로 사용된다.[1,5-9] 그러나 등화기의 경우 정확한 채널 추정을 필요로 하므로 지연확산에 따른 탭 수 산정 및 시변동에 따른 변수 갱신이 요구되며 설계에 복잡성이 따른다.

  10. G. S. Howe, P. S. D. Tarbit, O. R. Hinton, B. S. Sharif, and A. E. Adams, "Sub-seas acoustic remote communications utilising an adaptive receiving beamformer for multipath suppression," in Proc. Oceans '94, 313-316 (1994). 

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    이외에도 보상 구조로서 빔 형성을 이용한 공간 필터, 신호 대 간섭 잡음비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)와 전송 효율을 높이기 위한 공간 다이버시티 및 시역전 등의 기술이 연구 되고 있다.[10-12]

  11. G. F. Edelmann, T. Akal, W. S. Hodgkiss, S. Kim, W. A. Kuperman, and H. C. Song, "An initial demonstration of underwater acoustic communication using time reversal," IEEE J. Ocean. Eng. 27, 602-609 (2002). 

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    이외에도 보상 구조로서 빔 형성을 이용한 공간 필터, 신호 대 간섭 잡음비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)와 전송 효율을 높이기 위한 공간 다이버시티 및 시역전 등의 기술이 연구 되고 있다.[10-12]

    1과 같은 시역전 기술은 광학에서 이미 오랫동안 연구되어 왔으며[14] 수중음향통신에서도 국외 해상 실험을 통하여 적용 가능성을 확인하였다.[11] 또한 국내에서도 자기 등화 기술로서 수동형 시역전을 연구해 왔으며 모의실험을 통하여 검증해왔다.[15]

    시역전의 경우 정확한 채널 추정이 이루어지지 않아도 왜곡된 신호의 보상이 가능하며 복잡한 등화기 구조와 달리 비교적 간단한 알고리즘 설계로 독립적인 사용이 가능하다.[11,13] 또한 특별한 공간 다이버시티를 필요로 하지 않으며, 시역전 처리 후에도 남아있는 ISI를 제거하기 위하여 단일 채널 적응형 등화기 구조를 추가함에 따라 다중 채널 적응형 등화기와 대등한 성능을 얻을 수 있다.[16]

    능동형 시역전은 수신 신호의 시간 영역을 뒤집어 되전파하는 것으로 가역성 원리에 따라 시/공간적 정합 필터를 수행하여 방사된 탐침 음원 위치에 재집속되는 원리이다.[11,17]

  12. M. J. Eom, J. S. Park, Y. H. Ji, and J. S. Kim, "Mitigation of inter-symbol interference in underwater acoustic communication using spatial filter" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, 48-53 (2014). 

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    이외에도 보상 구조로서 빔 형성을 이용한 공간 필터, 신호 대 간섭 잡음비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)와 전송 효율을 높이기 위한 공간 다이버시티 및 시역전 등의 기술이 연구 되고 있다.[10-12]

    두 개의 다중경로에 대한 분석을 위하여 음선 이론 기반의 BELLHOP과 빔 형성으로 방향성을 분석하였으며, 직접파와 해수면 반사파의 채널응답특성임을 확인하였다.[12]

  13. M. J. Eom, J. S. Kim, J. H. Cho, and H. Y. Kim, "Performance improvement of unerwater acoustic communication based on passive time reversal mirror" (in Korean), in Proc. KAOSTS 2014, 1955-1957 (2014). 

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    시역전의 경우 정확한 채널 추정이 이루어지지 않아도 왜곡된 신호의 보상이 가능하며 복잡한 등화기 구조와 달리 비교적 간단한 알고리즘 설계로 독립적인 사용이 가능하다.[11,13] 또한 특별한 공간 다이버시티를 필요로 하지 않으며, 시역전 처리 후에도 남아있는 ISI를 제거하기 위하여 단일 채널 적응형 등화기 구조를 추가함에 따라 다중 채널 적응형 등화기와 대등한 성능을 얻을 수 있다.[16]

  14. M. Fink, "Time-reversal mirrors," J. Phys. D: Appl. Phys. 26, 1333-1350 (1993). 

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    1과 같은 시역전 기술은 광학에서 이미 오랫동안 연구되어 왔으며[14] 수중음향통신에서도 국외 해상 실험을 통하여 적용 가능성을 확인하였다.[11] 또한 국내에서도 자기 등화 기술로서 수동형 시역전을 연구해 왔으며 모의실험을 통하여 검증해왔다.[15]

  15. J. R. Yoon, M. K. Park, and Y. J. Ro, "Bit error parameters on passive phase conjugation underwater acoustic communication" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 24, 454-461 (2005). 

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    1과 같은 시역전 기술은 광학에서 이미 오랫동안 연구되어 왔으며[14] 수중음향통신에서도 국외 해상 실험을 통하여 적용 가능성을 확인하였다.[11] 또한 국내에서도 자기 등화 기술로서 수동형 시역전을 연구해 왔으며 모의실험을 통하여 검증해왔다.[15]

    이는 되전파할 때 다중경로의 신호가 재음원이 되어 방사되는 것과 같으므로 공간 다이버시티와 동일한 효과로 볼 수 있다.[15]

    수동형 시역전 신호는 다음과 같이 표현된다.[15-18]

  16. H. C. Song, "Bidirectional equalization for underwater acoustic communication," J. Acoust. Soc. Am. 131, 342-347 (2012). 

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    시역전의 경우 정확한 채널 추정이 이루어지지 않아도 왜곡된 신호의 보상이 가능하며 복잡한 등화기 구조와 달리 비교적 간단한 알고리즘 설계로 독립적인 사용이 가능하다.[11,13] 또한 특별한 공간 다이버시티를 필요로 하지 않으며, 시역전 처리 후에도 남아있는 ISI를 제거하기 위하여 단일 채널 적응형 등화기 구조를 추가함에 따라 다중 채널 적응형 등화기와 대등한 성능을 얻을 수 있다.[16]

    수동형 시역전 신호는 다음과 같이 표현된다.[15-18]

  17. H. C. Song, W. S. Hodkiss, W. A. Kuperman, W. J. Higley, K. Raghukumar, T. Akal, and M. Stevenson, "Spatial diversity in passive time reversal communications," J. Acoust. Soc. Am. 120, 2067-2076 (2006). 

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    능동형 시역전은 수신 신호의 시간 영역을 뒤집어 되전파하는 것으로 가역성 원리에 따라 시/공간적 정합 필터를 수행하여 방사된 탐침 음원 위치에 재집속되는 원리이다.[11,17]

    수동형 시역전 신호는 다음과 같이 표현된다.[15-18]

  18. J. S. Kim, H. C. Song, and W. A. Kuperman, "Adpative timereversal mirror," J. Acoust. Soc. Am. 109, 1817-1825 (2006). 

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    수동형 시역전 신호는 다음과 같이 표현된다.[15-18]

  19. S. H. Oh, H. S. Kim, J. S. Kim, J. H. Cho, J. H. Chung, and H. C. Song, "Performance analysis of underwater acoustic communication systems using underwater channel simulation tool" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, 373-383 (2012). 

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    5와 같으며 중심 주파수는 6 kHz로서 채널응답특성을 위한 탐침신호[19]와 통신용 데이터 신호로 구성된다.

  20. H. S. Kim, J. P. Seo, J. Y. Kim, S. Kim, and J. H. Chung, "Equalizer mode selection method for improving bit error performance of underwater acoustic communication systems" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, 1-10 (2012). 

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    또한 BPSK(Binary Phase Shift Keying)로 변조되어 3.2 kbps의 전송률로서 하나의 데이터 프레임 전송 시간은 0.51 s이다.[20]

  21. D. H. Johnson and D. E. Dudgeon, Array Signal Processing: Concepts and Techniques (Prentice-Hall, Englewood cliffs, 1993), pp. 241-293. 

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    따라서 M개 길이를 갖는 이산 신호 x(m)의 푸리에 변환을 통한 파워 값은 아래와 같다.[21,22]

  22. K. F. Riley, Mathematical Methods for the Physical Sciences: An Informal Treatment for Students of Physics and Engineering (Cambridge University Press, New York,1983), pp. 217. 

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    따라서 M개 길이를 갖는 이산 신호 x(m)의 푸리에 변환을 통한 파워 값은 아래와 같다.[21,22]

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