[논문]다중 직교 특성을 갖는 FH-MFSK 방식의 수중음향통신

이형우; 김기만; 손윤준; 김우식; 천승용; 이상국

doi:10.7776/ask.2014.33.6.407

초록
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본 논문에서는 다중 직교 특성을 갖는 FH-MFSK(Frequency-Hopped Multiple Frequency Shift Keying) 방식의 수중음향통신을 제안한다. 일반적으로 FSK(Frequency Shift Keying) 방식은 처리 과정이 단순하지만 다중 경로 전달로 인해 발생하는 인접 심볼간 간섭에 취약하다. 본 논문에서는 전송하고자 하는 심볼 수와 동일한 서로 직교 성질을 갖는 코드들을 생성한다. 이 코드 값들은 각각 다수의 주파수들에 대응된다. 이러한 다중 직교 코드를 생성하기 위해 m-sequence를 이용하였다. 실험을 통해 제안된 방법의 성능을 기존의 MFSK 방식과 비교하였다. 100 bps 전송율에서 제안한 방법은 기존의 방법보다 오차율이 6 ~ 10 % 낮게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an underwater acoustic communication of FH-MFSK(Frequency-Hopped Multiple Frequency Shift Keying) system with multiple orthogonal property. Generally, the processing of FSK(Frequency Shift Keying) method is simple, but it is vulnerable to ISI (Inter-Symbol Interference) cau...

In this paper, we propose an underwater acoustic communication of FH-MFSK(Frequency-Hopped Multiple Frequency Shift Keying) system with multiple orthogonal property. Generally, the processing of FSK(Frequency Shift Keying) method is simple, but it is vulnerable to ISI (Inter-Symbol Interference) caused by multipath transmission. In this paper, the orthogonal codes are generated with the same number of transmitting symbols, and these codes are corresponding to multiple frequencies. We used m-sequence to generate multiple orthogonal codes. We compared the performance of proposed method with conventional MFSK method via the experiment. As a result, we confirmed that the proposed method shows 6~10 % lower error rate at 100 bps than conventional method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 신호의 지연으로 발생하는 심볼간 간섭에 강한 다중 직교 성질을 갖는 FH-MFSK 방식의 수중음향통신 방법을 제안하였고, 이의 성능을 분석하기 위해 실험을 수행하였다. 이 때 다중 직교 코드는 m-sequence를 분할하여 생성하였다.

제안 방법

해상 실험 결과에서 전송율에 따라 비트 오차율이 약 1 ~ 8 %, 거리의 변화 따라 약 20 % 이상이어서 비교적 근거리에 적용 가능하며, 전송율을 향상시키는데 한계가 있다.^[10-12] 본 논문에서는 FH-MFSK 방식으로 전송율을 향상시키면서 심볼간 간섭에 강한 다중 직교 성질을 갖는 방법을 제안하였으며, 이때 다중 직교 코드는 분할된 m-sequence를 사용하여 구성하였다. 제안한 방법은 서로 다른 지연 확산 시간을 갖는 채널에서의 실험을 통하여 성능을 고찰하였다.
블록 코히어런스를 최소화하는 등의 직교 코드를 구성하는 방법들이 연구되어 왔으나 본 연구에서는 분할된 m-sequence를 사용하여 구성하였다. 예를 들어 M = 4, N = 10이고 전체 도약 주파수를 16개라 한다면 먼저 총 K = 160 비트의 m-sequence를 생성한다.
전송 속도는 100 bps로 하였고, 샘플링 주파수는 192 kHz 를 사용하였다. 성능비교를 위하여 동일한 데이터를 16FSK로 변조한 신호도 전송하였으며, 같은 주파수와 같은 전송율을 갖도록 하였다. 즉, 16FSK의 경우 전송하고자 하는 데이터를 4 비트씩 묶어 이진 값에 해당하는 하나의 주파수가 실제 송신된다.
^[10-12] 본 논문에서는 FH-MFSK 방식으로 전송율을 향상시키면서 심볼간 간섭에 강한 다중 직교 성질을 갖는 방법을 제안하였으며, 이때 다중 직교 코드는 분할된 m-sequence를 사용하여 구성하였다. 제안한 방법은 서로 다른 지연 확산 시간을 갖는 채널에서의 실험을 통하여 성능을 고찰하였다.
5은 실험 당시 각 채널의 전달 특성을 보여준다. 채널 전달 특성을 구하기 위해 길이가 10 ms이고, 6 kHz 대역폭을 갖는 선형 주파수 변조된 신호를 주기적으로 전송하였다.

대상 데이터

송신기로는 Neptune D/17/BB, 수신기는 B&K 8106, 그리고 파워 앰프는 B&K 2713이 사용되었다.
시작 주파수를 13 kHz로 하였고, 주파수 사이의 간격 Δf = 400 Hz, M = 4, N = 10인 경우로 구성하였다.
제안한 방법의 성능을 확인하기 위하여 2014년 5월 경상북도 문경시에 위치한 호수에서 실험을 수행하였다. 실험에서 사용된 FH-MFSK 신호는 앞서 설명된 것과 같이 전체 도약 주파수의 수를 16개로 하였다. 시작 주파수를 13 kHz로 하였고, 주파수 사이의 간격 Δf = 400 Hz, M = 4, N = 10인 경우로 구성하였다.
제안한 방법의 성능을 확인하기 위하여 2014년 5월 경상북도 문경시에 위치한 호수에서 실험을 수행하였다. 실험에서 사용된 FH-MFSK 신호는 앞서 설명된 것과 같이 전체 도약 주파수의 수를 16개로 하였다.

성능/효과

5의 그림처럼 수심 19 m에서의 다중경로 전달 특성이 수심 6 m인 경우보다 나은 환경이기 때문이다. 6 m에서는 제안한 방법이 16FSK 에 비해 비트 오차율이 약 10 %정도 높게 나타났고, 19 m의 경우에는 약 6 % 향상되었다. 이로부터 같은 전송율을 기준으로 FH-MFSK가 16FSK에 비해 다중 경로 전달 환경에서 더 향상된 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
이 때 다중 직교 코드는 m-sequence를 분할하여 생성하였다. 실험 결과에서 제안한 방법은 다중경로 전달 채널에서 같은 전송율을 갖는 기존의 MFSK 방식보다 좋은 성능을 보였다. 다중 직교 코드를 보다 많이 생성한다면 할당 가능한 심볼 수가 늘어나 결국 전송율을 높일 수 있게 된다.
6 m에서는 제안한 방법이 16FSK 에 비해 비트 오차율이 약 10 %정도 높게 나타났고, 19 m의 경우에는 약 6 % 향상되었다. 이로부터 같은 전송율을 기준으로 FH-MFSK가 16FSK에 비해 다중 경로 전달 환경에서 더 향상된 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
Tables 1과 2에는 각 패킷을 전송할 때마다 제안한 방법과 기존의 16FSK 방식의 오차율을 나타내었으며, 이 때 어떠한 채널 부호화 기법도 적용하지 않았다. 제안한 방법의 평균 오차율은 수신기 배치 수심 6 m에서는 1.44 %, 19 m에서는 0.0 %로 나타났다. 비교를 위하여 같은 시점에 같은 전송율을 갖는16FSK로 전송한 경우에는 수심 6 m에서 11.

후속연구

향후 연구 내용으로는 다중 직교 코드를 생성하는 방법과 함께 성상도를 높이는 등에 대한 연구가 필요 하다. 아울러 다양한 해상 실험을 통한 성능 분석에 대한 연구도 진행되어야 할 것이다.
향후 연구 내용으로는 다중 직교 코드를 생성하는 방법과 함께 성상도를 높이는 등에 대한 연구가 필요 하다. 아울러 다양한 해상 실험을 통한 성능 분석에 대한 연구도 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전파를 이용한 수중통신의 특징은?	최근 해양에 대한 관심이 높아지고, 해양 탐사나 해저 자원 탐사가 활발해지면서 통신의 중요성이 확대되고 있다. 전파를 이용한 수중통신은 산란 및 전달 손실이 크기 때문에 매우 근접한 거리에서만 사용이 가능하고, 레이저를 이용한 수중통신은 근거리에서 해수의 투과율이 매우 좋을 경우에만 사용가능하다. 근거리가 아닌 경우에는 음파에 의한 수중통신만 가능하다.
	다중 경로 전달 특성으로 인한 문제를 해결하는 방안은?	그리고 천해에서는 해수면과 해저면의 기하학적 구성에 따른 다중 경로 전달 특성이 변하는 문제가 발생한다. 이러한 다중경로 전달 문제를 해결하기 위하여 적용되는 방법으로 빔 형성 기법을 포함한 배열 센서를 이용한 시공간적 신호 처리 기법과 등화기 적용 이외에도 대역 확산 기법을 들 수 있다.[2,3] 국내에서도 일부 연구소와 대학을 중심으로 이에 대한 연구가 진행되고 있으며, 대부분 FSK와 PSK 변복조를 기반으로 하여 해상실험을 수행한 결과를 제시하였다.[4-7]
	음파를 이용한 수중통신에는 어떤 방법을 사용하는가?	근거리가 아닌 경우에는 음파에 의한 수중통신만 가능하다. 음파를 이용한 수중통신으로는 비동기식 복조기법을 이용한 FSK(Frequency Shift Keying) 수중음향통신 시스템의 구현을 시작으로 전송속도 증가를 위해서 PSK(Phase Shift Keying) 변복조를 사용하는 방법이 일반화되었다.[1] 수중음향통신 분야에서 전송율 향상을 위한 연구와 함께 수중에서 다중경로 전달로 인한 신호의 왜곡을 극복하려는 연구가 주로 이루어지고 있다.

참고문헌 (12)

D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of art in underwater acoustic telemetry," IEEE J. Oceanic Eng. 25, 4-27 (2000).

상세보기
Y. C. Choi and Y. K. Rim, "A broadband FIR beamformer for underwater acoustic communications" (in Korean), J. Korea Inst. Inform. Comm. Eng. 10, 2151-2156 (2006).
R. L. Peterson, R. E. Ziemer, and D. E. Borth, Introduction to Spread-Spectrum Communications (Prentice Hall, New Jersey, 1995), pp. 47-83.
J. W. Han, K. M. Kim, Y. J. Youn, H. W. Moon, S. Y. Chun, and K. Son, "Sea trial results of the direct sequence spread spectrum underwater acoustic communication in the east sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, 441-448 (2012).

원문보기 상세보기
J. H. Jeon and S. J. Park, "Design and implementation of an acoustic modem for small underwater devices operating at shallow water" (in Korean), J. Inst. Elec. Inform. Eng. 49, 110-117 (2012).

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K. C. Park, J. Park, S. W. Lee, J. W. Jung, J. Shin, and J. R. Yoon, "Performance evaluation of underwater acoustic communication in frequency selective shallow water" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 95-103 (2013).

원문보기 상세보기
Y. W. Choi, Y. C. Lim, J. K. Shin, M. K. Kim, D. C. Park, and S. C. Kim, "Low power underwater acoustic communication using orthogonal codes" (in Korean), Proc. Underwater Robot, 45-48 (2014).
E. Gallimore, J. Partan, I. Vaughn, S. Singh, J. Shusta, and L. Freitag, "The WHOI micromodem-2 : a scalable system for acoustic communications and networking," Proc. IEEE/MTS Oceans Conf. 1-7 (2010).
L. Freitag, FH-FSK coding and modulation specification, WHOI report, 6-10 (2005).
L. Frietag, M Stojanovic, S. Singh, and M. Johnson, "Analysis of direct-sequence and frequency-hopped spread spectrum acoustic communication," IEEE J. Oceanic Eng. 26, 586-593 (2001).

상세보기
W. B. Yang and T. C. Yang, "High-frequency FH-FSK underwater acoustic communications : the environmental effect and signal processing," in Proc. High Freq. Ocean Acoust. Conf. 728, 106-113 (2004).
D. Green, "Underwater acoustic communication and modembased navigation aids," in Proc. EUC workshops, 474-481 (2007).

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