수중음향통신 채널은 해수면의 시변동성, 해저지형, 음속 분포 및 송수신단 사이의 기하학적인 구조 등에 따라 매우 복잡한 형태의 채널 특성을 나타낸다. 특히, 바람과 해류에 의한 시변동성과 도플러 효과를 갖는다. 이러한 수중음향통신 환경에서 전송 효율을 높이기 위해서는 변화하는 채널의 상태를 파악하고 통신기법에 적용시켜야 한다. 이 논문에서는 채널 시변동 매개변수 가운데 도플러 주파수 추정을 위하여 모호 함수와 자기상관 기법을 적용한 프레임재귀 변복조 방식을 제안하고, 모의실험과 실제 남해에서의 해상실험을 통해 성능을 확인하였다. 해상실험 결과 채널 부호화 기법을 적용하지 않은 경우, 기존의 방법에 비해 제안한 방법의 비트 오류율이 약 32% 향상되었다.
수중음향통신 채널은 해수면의 시변동성, 해저지형, 음속 분포 및 송수신단 사이의 기하학적인 구조 등에 따라 매우 복잡한 형태의 채널 특성을 나타낸다. 특히, 바람과 해류에 의한 시변동성과 도플러 효과를 갖는다. 이러한 수중음향통신 환경에서 전송 효율을 높이기 위해서는 변화하는 채널의 상태를 파악하고 통신기법에 적용시켜야 한다. 이 논문에서는 채널 시변동 매개변수 가운데 도플러 주파수 추정을 위하여 모호 함수와 자기상관 기법을 적용한 프레임 재귀 변복조 방식을 제안하고, 모의실험과 실제 남해에서의 해상실험을 통해 성능을 확인하였다. 해상실험 결과 채널 부호화 기법을 적용하지 않은 경우, 기존의 방법에 비해 제안한 방법의 비트 오류율이 약 32% 향상되었다.
Underwater acoustic communication channels have very complex channel characteristics caused by time-varying sea surface, submarine topography, sound speed, and geometry between transmitter and receiver. Especially, the channel has time-variance and doppler effect due to wind and sea current. We have...
Underwater acoustic communication channels have very complex channel characteristics caused by time-varying sea surface, submarine topography, sound speed, and geometry between transmitter and receiver. Especially, the channel has time-variance and doppler effect due to wind and sea current. We have to recognize the channel state and apply it to communication technique for increasing transmission efficiency in the underwater acoustic channel. In this paper, we present the frame recursive modulation and demodulation method using ambiguity function and autocorrelation function to estimate the doppler frequency. Furthermore, we conducted the simulation and sea experiment to evaluate the performance of the proposed method. When the channel coding technique was not used, the bit error rate performance of the proposed method was improved about 32 % compared with conventional method.
Underwater acoustic communication channels have very complex channel characteristics caused by time-varying sea surface, submarine topography, sound speed, and geometry between transmitter and receiver. Especially, the channel has time-variance and doppler effect due to wind and sea current. We have to recognize the channel state and apply it to communication technique for increasing transmission efficiency in the underwater acoustic channel. In this paper, we present the frame recursive modulation and demodulation method using ambiguity function and autocorrelation function to estimate the doppler frequency. Furthermore, we conducted the simulation and sea experiment to evaluate the performance of the proposed method. When the channel coding technique was not used, the bit error rate performance of the proposed method was improved about 32 % compared with conventional method.
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문제 정의
이 논문에서는 도플러 효과로 인하여 왜곡된 수신신호로부터 도플러 천이 주파수를 추정하는 기법을 소개하고, 이를 적용하여 데이터 구간에서도 도플러 주파수 추정 및 등화기 동작을 위한 채널정보 갱신이 가능한 프레임 재귀 변복조 방법을 제안한다. 동일한 도플러 주파수 추정기법을 적용한 기존의 단일 프레임 변복조 방법과의 비교를 위해 벨합(Bellhop) 모델링 기반의 모의실험과 함께 실제 해상실험을 수행하고 성능을 분석하였다.
이 논문은 수중음향통신 환경에서 전송효율을 높이기 위해 데이터 구간에서도 도플러 주파수 정보를 추정하고 보상하는 프레임 재귀 변복조 방식을 제안하였다. 해양환경 채널 모델링 프로그램인 VirTEX를 이용한 모의실험을 수행하였는데 이를 통해 제안한 방법이 기존의 변복조 방법에 비해 향상된 성능을 보였으며, 부 프레임 크기에 따라서도 성능이 변화하는 것을 확인하였다.
제안 방법
이 논문에서는 도플러 효과로 인하여 왜곡된 수신신호로부터 도플러 천이 주파수를 추정하는 기법을 소개하고, 이를 적용하여 데이터 구간에서도 도플러 주파수 추정 및 등화기 동작을 위한 채널정보 갱신이 가능한 프레임 재귀 변복조 방법을 제안한다. 동일한 도플러 주파수 추정기법을 적용한 기존의 단일 프레임 변복조 방법과의 비교를 위해 벨합(Bellhop) 모델링 기반의 모의실험과 함께 실제 해상실험을 수행하고 성능을 분석하였다.
통상적인 통신은 훈련 신호 구간에서만 채널정보를 추정하고 그 정보를 이용해 데이터 신호 구간에서는 복조만 이루어지나, 제안한 프레임 재귀 변복조 방법은 데이터 신호 구간에서도 변화된 채널정보를 추정하기 때문에 통신성능의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 제안한 방법은 통신 패킷내의 데이터 구간을 여러 재귀 프레임으로 나눠 복조하는 방법으로 훈련 시퀀스 구간을 통해 추정된 채널 정보를 첫 번째 재귀 프레임에 적용하여 복조를 수행하고, 복조된 데이터를 재변조하여 훈련 신호처럼 채널정보를 추정하는데 이용된다. 그림 1은 제안한 방법의 모식도를 나타낸 것이다.
이 논문에서는 위상편이변조의 통신 시스템을 기반으로 그림 2와 같은 수신기 구조를 구성하였다. 이상적인 신호(훈련신호)는 모호함수 기법 기반의 주파수 추정을 위해 일정 주파수 간격을 가지는 도플러 묶음으로 구성된다.
제안한 방법의 성능을 확인하기 위해 실제 바다에서 측정된 음속 분포를 이용하여 벨합(Bellhop) 기반의 VirTEX(Virtual Time series Experiment) 시뮬레이터로 모의 수중 채널을 생성하고, 모의실험을 수행하였다[10]. VirTEX는 미국 스크립스(Scripps) 해양 연구소가 개발한 벨합 기반 수중 채널 모델링 프로그램이다.
송신신호는 중심 주파수가 5 kHz인 1 kbps의 4진 위상편이변조를 하였으며, 훈련 심볼과 데이터 심볼은 각각 256, 1000 심볼로 구성하였다. 다중경로 전파로 인한 간섭을 피하고자 훈련 시퀀스와 데이터 심볼 구간 사이에 0.2 초의 무음구간을 두었다. 또한 채널에 의한 왜곡을 보정하기 위한 채널 부호화 기법은 적용하지 않았다.
5 km 사이로 시간이 지날수록 가까워졌다. 송신신호는 모의실험 때와 동일한 패킷 구조를 이용하였으며, 중심 주파수 5 kHz, 표본화 주파수는 25 kHz인 4진 위상편이변조를 하였다. 모의실험과 마찬가지로 채널 부호화 기법은 적용하지 않았다.
모의실험과 마찬가지로 채널 부호화 기법은 적용하지 않았다. 통신신호를 송신하기 전에 변조된 m-수열을 전송하여 채널의 산란 함수를 추정하였다. 그림 4(b)에 나타낸 산란 함수로부터 실험 당시 채널의 도플러 주파수는 4~7 Hz로 확인되었으며, 해수면의 거칠기 등에 의한 도플러 확산 현상을 관찰할 수 있다.
해양환경 채널 모델링 프로그램인 VirTEX를 이용한 모의실험을 수행하였는데 이를 통해 제안한 방법이 기존의 변복조 방법에 비해 향상된 성능을 보였으며, 부 프레임 크기에 따라서도 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 또한 프레임 초기에 오류가 발생했을 경우, 수신기내의 등화기에 영향을 미쳐 비트오류가 후반부로 확산되는 오류 전파 현상을 확인하였다. 남해에서 수행된 실제 해상실험을 통해서도 제안한 방법의 성능을 고찰하였다.
또한 프레임 초기에 오류가 발생했을 경우, 수신기내의 등화기에 영향을 미쳐 비트오류가 후반부로 확산되는 오류 전파 현상을 확인하였다. 남해에서 수행된 실제 해상실험을 통해서도 제안한 방법의 성능을 고찰하였다. 남해 수심 60 m, 송수신 거리 1~1.
송신신호는 중심 주파수가 5 kHz인 1 kbps의 4진 위상편이변조를 하였으며, 훈련 심볼과 데이터 심볼은 각각 256, 1000 심볼로 구성하였다.
대상 데이터
송수신기간의 거리는 1 km를 기준으로 수신기를 이동시켜 0에서 5 Hz의 도플러 주파수를 갖도록 하였다. 2010년 6월 동해에서 획득된 음속 분포 정보[11]를 적용하였다.
제안한 방법의 성능을 고찰하기 위하여 2014년 6월 남해 거제도 인근 해역에서 해상실험을 수행하였다. 실험 해역의 수심은 약 60 m였으며, 송신기와 수신기는 각각 수심 20 m와 26 m 에 위치시켰다.
남해에서 수행된 실제 해상실험을 통해서도 제안한 방법의 성능을 고찰하였다. 남해 수심 60 m, 송수신 거리 1~1.5 km 환경에서 실험을 진행하였고, 변조된 m수열을 이용하여 추정된 산란 함수를 통해 실험 당시 채널의 도플러 주파수는 4~7 Hz임을 확인하였다. 실험결과 제안한 방법이 기존의 방식보다 낮은 부호화되지 않은 비트 오류율을 보였으며.
이론/모형
이후 등화기를 통해 채널의 다중경로 전파로 인한 왜곡을 보상한다. 이때 사용된 등화기는 재귀 최소자승법 알고리즘 기반의 결정 궤환 등화기가 사용되었다[9]. 등화기 출력의 경판정 값은 수신기의 최종 출력 값이 된다.
성능/효과
통상적인 통신은 훈련 신호 구간에서만 채널정보를 추정하고 그 정보를 이용해 데이터 신호 구간에서는 복조만 이루어지나, 제안한 프레임 재귀 변복조 방법은 데이터 신호 구간에서도 변화된 채널정보를 추정하기 때문에 통신성능의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 제안한 방법은 통신 패킷내의 데이터 구간을 여러 재귀 프레임으로 나눠 복조하는 방법으로 훈련 시퀀스 구간을 통해 추정된 채널 정보를 첫 번째 재귀 프레임에 적용하여 복조를 수행하고, 복조된 데이터를 재변조하여 훈련 신호처럼 채널정보를 추정하는데 이용된다.
재귀 부 프레임 크기는 심볼 단위로 나뉘게 되며, 기존의 방법은 훈련 신호 구간에서 추정된 하나의 값을 데이터 신호 전체 구간에 적용하여 복조하는 방식을 의미한다. 도플러 주파수가 증가할수록 전체적인 부호화되지 않은 비트 오류율도 증가하는 양상을 보이며, 재귀 프레임의 크기에 따라 성능 차이가 존재하나 기존의 복조 방식보다 제안한 방법이 나은 성능을 보였다. 다만 도플러 천이 주파수 0 Hz의 경우, 재귀 프레임 크기가 250 심볼 이하일 때의 성능이 기존의 방법보다 좋지 않았는데 이것은 프레임 초반부에서 생긴 오류가 뒤쪽 프레임의 도플러 주파수 추정뿐만 아니라 채널 추정을 위한 등화기에도 영향을 미친 것으로 데이터 패킷 후반으로 갈수록 오류가 더 커지는 것을 확인하였다.
도플러 주파수가 증가할수록 전체적인 부호화되지 않은 비트 오류율도 증가하는 양상을 보이며, 재귀 프레임의 크기에 따라 성능 차이가 존재하나 기존의 복조 방식보다 제안한 방법이 나은 성능을 보였다. 다만 도플러 천이 주파수 0 Hz의 경우, 재귀 프레임 크기가 250 심볼 이하일 때의 성능이 기존의 방법보다 좋지 않았는데 이것은 프레임 초반부에서 생긴 오류가 뒤쪽 프레임의 도플러 주파수 추정뿐만 아니라 채널 추정을 위한 등화기에도 영향을 미친 것으로 데이터 패킷 후반으로 갈수록 오류가 더 커지는 것을 확인하였다.
수신기는 부이에 장착하였으며, 송신기를 내린 선박은 엔진을 끄고 떠 다녔다. 실험 당일 기상 상태가 좋지 않아 풍속은 9 m/s, 파고는 2.5 m 로써 비교적 높았으며, 송수신 거리는 1~1.5 km 사이로 시간이 지날수록 가까워졌다. 송신신호는 모의실험 때와 동일한 패킷 구조를 이용하였으며, 중심 주파수 5 kHz, 표본화 주파수는 25 kHz인 4진 위상편이변조를 하였다.
기존의 복조방식을 이용한 그림 5 (a)의 경우 부호화되지 않은 비트 오류율은 9.45 %를 보였으나 재귀 프레임 크기가 각각 500 심볼, 250 심볼인 경우, 그림 5 (b), (c)와 같이 기존의 복조 방식에 비해 구간별 비트 오류율이 감소하였으며, 전체 비트 오류율 또한 각각 7.75 %, 6.45 %로 향상된 성능을 보여 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 부호화되지 않은 비트 오류율이 향상되었다. 또한 모의실험과 마찬가지로 250 심볼이 500 심볼에 비해 양호한 성능을 보였다.
45 %로 향상된 성능을 보여 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 부호화되지 않은 비트 오류율이 향상되었다. 또한 모의실험과 마찬가지로 250 심볼이 500 심볼에 비해 양호한 성능을 보였다.
이 논문은 수중음향통신 환경에서 전송효율을 높이기 위해 데이터 구간에서도 도플러 주파수 정보를 추정하고 보상하는 프레임 재귀 변복조 방식을 제안하였다. 해양환경 채널 모델링 프로그램인 VirTEX를 이용한 모의실험을 수행하였는데 이를 통해 제안한 방법이 기존의 변복조 방법에 비해 향상된 성능을 보였으며, 부 프레임 크기에 따라서도 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 또한 프레임 초기에 오류가 발생했을 경우, 수신기내의 등화기에 영향을 미쳐 비트오류가 후반부로 확산되는 오류 전파 현상을 확인하였다.
5 km 환경에서 실험을 진행하였고, 변조된 m수열을 이용하여 추정된 산란 함수를 통해 실험 당시 채널의 도플러 주파수는 4~7 Hz임을 확인하였다. 실험결과 제안한 방법이 기존의 방식보다 낮은 부호화되지 않은 비트 오류율을 보였으며. 후반부로 갈수록 커지던 100 비트당 부호화되지 않은 비트 오류율도 줄어든 것을 확인하였다.
실험결과 제안한 방법이 기존의 방식보다 낮은 부호화되지 않은 비트 오류율을 보였으며. 후반부로 갈수록 커지던 100 비트당 부호화되지 않은 비트 오류율도 줄어든 것을 확인하였다. 전체적으로 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 비트 오류율이 향상되는 것을 확인하였다.
후반부로 갈수록 커지던 100 비트당 부호화되지 않은 비트 오류율도 줄어든 것을 확인하였다. 전체적으로 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 비트 오류율이 향상되는 것을 확인하였다. 향후 채널 부호화 기법이 적용된다면 재귀되는 데이터의 오류율이 감소하면서 더욱 정확한 도플러 주파수 추정이 이루어질 수 있을 것으로 판단되며, 이에 대한 연구가 필요하다.
후속연구
전체적으로 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 비트 오류율이 향상되는 것을 확인하였다. 향후 채널 부호화 기법이 적용된다면 재귀되는 데이터의 오류율이 감소하면서 더욱 정확한 도플러 주파수 추정이 이루어질 수 있을 것으로 판단되며, 이에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중음향통신 채널의 특징은 무엇인가?
수중음향통신 채널은 해수면의 시변동성, 해저지형, 음속 분포 및 송수신단 사이의 기하학적인 구조 등에 따라 매우 복잡한 형태의 채널 특성을 나타낸다. 특히, 바람과 해류에 의한 시변동성과 도플러 효과를 갖는다.
통신의 전송효율을 높이기 위해서 필요한 것은 무엇인가?
그 중에서도 도플러 효과는 실질 전송률과 관계된 채널의 상관시간에 영향을 미친다[5]. 따라서 통신의 전송효율을 높이기 위해서는 도플러 주파수의 변화를 파악하고 그로 인한 왜곡을 보상해 주어야 한다.
본 논문에서 제안한, 데이터 구간에서도 도플러 주파수 정보를 추정하고 보상하는 프레임 재귀 변복조 방식의 성능을 고찰하기 위한 실험의 결과는 어떠한가?
이 논문은 수중음향통신 환경에서 전송효율을 높이기 위해 데이터 구간에서도 도플러 주파수 정보를 추정하고 보상하는 프레임 재귀 변복조 방식을 제안하였다. 해양환경 채널 모델링 프로그램인 VirTEX를 이용한 모의실험을 수행하였는데 이를 통해 제안한 방법이 기존의 변복조 방법에 비해 향상된 성능을 보였으며, 부 프레임 크기에 따라서도 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 또한 프레임 초기에 오류가 발생했을 경우, 수신기내의 등화기에 영향을 미쳐 비트오류가 후반부로 확산되는 오류 전파 현상을 확인하였다. 남해에서 수행된 실제 해상실험을 통해서도 제안한 방법의 성능을 고찰하였다. 남해 수심 60 m, 송수신 거리 1~1.5 km 환경에서 실험을 진행하였고, 변조된 m수열을 이용하여 추정된 산란 함수를 통해 실험 당시 채널의 도플러 주파수는 4~7 Hz임을 확인하였다. 실험결과 제안한 방법이 기존의 방식보다 낮은 부호화되지 않은 비트 오류율을 보였으며. 후반부로 갈수록 커지던 100 비트당 부호화되지 않은 비트 오류율도 줄어든 것을 확인하였다. 전체적으로 기존의 방법에 비해 약 32% 가량 비트 오류율이 향상되는 것을 확인하였다. 향후 채널 부호화 기법이 적용된다면 재귀되는 데이터의 오류율이 감소하면서 더욱 정확한 도플러 주파수 추정이 이루어질 수 있을 것으로 판단되며, 이에 대한 연구가 필요하다.
참고문헌 (11)
S. Pack and S. R. Lee, "Marine disasters prediction system model using marine environment monitoring," J. KICS, vol. 38C, no. 3, pp. 263-270, Mar. 2013.
J. H. Jeon, H. C. Cho, C. H. Kim, Y. S. Ryuh, and S. J. Park, "Design and implementation of a micro-modem for underwater acoustic communications," J. KICS, vol. 36, no. 4, pp. 405-411, Apr. 2011.
T. D. Park, S. R. Lee, B. M. Kim, and J. W. Jung, "Analysis of an optimal iterative turbo equalizer for underwater acoustic communication," J. KICS, vol. 38C, no. 3, pp. 303-310, Mar. 2013.
X. Lurton, An Introduction to Underwater Acoustics: Principles and Applications, Springer, 2002.
T. C. Yang, "Measurements of temporal coherence of sound transmissions through shallow water," J. Acoust. Soc. Am., vol. 120, no. 5, pp. 2595-2614, Nov. 2006.
J. Rosen and L. Q. Gothard, Encyclopedia of Physical Science, Facts On File, 2009.
B. S. Sharif, J. Neasham, O. R. Hinton, and A. E. Adams, "Computationally efficient doppler compensation system for underwater acoustic communications," IEEE J. Oceanic Eng., vol. 25, no. 1, pp. 52-61, Jan. 2000.
S. Tao, "An improved frequency estimator for synchronization of PSK signals with large frequency offset," in Proc. Int. Conf. Wirel. Commun., Netw. Mob. Comput. (WiCOM '08), pp. 1-3, Dalian, China, Oct. 2008.
W. Zhuang, "RLS algorithm with variable forgetting factor for decision feedback equalizer over time-variant fading channels," Wirel. Pers. Commun., vol. 8, pp. 15-29, Aug. 1998.
M. Siderius and M. B. Porter, "Modeling broadband ocean acoustic transmissions with time-varying sea surface," J. Acoust. Soc. Am., vol. 124, pp. 137-150, Apr. 2008.
K. M. Kim, B. C. Gwun, J. W. Han, J. W. Jung, K. Son, and S. Y. Chun, "MIMO underwater communication with sparse channel estimation," Information J., vol. 17, no. 6(A), pp. 2401-2409, Jun. 2014.
이 논문을 인용한 문헌
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