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문제 정의
- 본 논문에서는 서해안에서 Bellhop 음선 추적 프로그램을 이용하여 수중 음향 채널을 모델링 하였다. 이 채널을 이용해서 CDMA 방식과 SC-FDM을 통한 수중 통신시스템을 설계하고 전산 모의실험을 수행하여 서해안에서의 통신방식을 제안하였다.
가설 설정
- 9 Hz로 산출되었다. [9] 해류와 파도의 변동에 따르는 최대 도플러확산이 4 Hz라고 가정한다. 이 값으로부터 상관 시간은 0.
제안 방법
- III장에서 설계한 CDMA와 SC-FDM를 통신 시스템에 대한 서해안 정점에서의 비트 오류율과 데이터 전송률을 비교하기 위해 몇 가지 통신 변수를 변화시키며 실험하였다.
- 서해에서의 CDMA 수중통신을 위한 통신 파라미터로 파일럿의 길이, 파일럿의 간격, 확산인자, 최대도플러 확산 등을 고려하였다. II장에서 서해 정점에서 추정한 채널의 최대 확산 지연이 14.78 ms이므로파일럿에서 일어나는 다중 경로 성분들을 모두 추정하기 위해 파일럿의 길이는 최대 확산지연의 약 두 배인 31.8 ms로 정했고 PN시퀀스를 사용하였다. 파일럿 간격은 최대 도플러 확산이 4 Hz인 시변채널에서의 상관시간인 250 ms를 고려해서 설계한다.
- 본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서 서해안의 해역 정보를 활용한 채널 모델을 제시하고 III장에서 제시한 채널 모델을 통해 CDMA와 SC-FDM 전송방식을 이용한 수중 통신시스템을 설계한다. 그리고 IV장에서는 설계한 통신시스템의 데이터 전송률과 BER성능을 보이고 적합한 전송방식을 보인다.
- SC-FDM의 성능 비교는 512 FFT크기를 사용하고 파일럿 간격을 3개의 부반송파로 하였고 주파수 확산 이득을 얻기 위해 확산인자를 1,2,4,8로 변화시켰으며 변조방식은 QPSK, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)에 대해 실행하였다. 실험에는 CDMA와 동일하게 Fig.
- 파일럿 간격은 최대 도플러 확산이 4 Hz인 시변채널에서의 상관시간인 250 ms를 고려해서 설계한다. 그러나 수중환경에서 최대 도플러 확산은 4 Hz보다 적게 일어나는 경우가 많으므로 상관시간 250 ms보다 긴파일럿 간격도 설정하였다. 그리고 확산인자는 수중통신 대역폭이 협소하므로 확산인자를 크게 하지 못하고 다중 경로 채널 페이딩 효과를 상쇄시킬 수 있는 최소한의 값인 12와 16으로 설정한다.
- CDMA는 레이크 수신기를 이용하여 시간영역에서 다이버시티를 얻고 SCFDM도 다중경로에 의한 주파수 선택 특성을 이용하여 주파수 다이버시티를 얻을 수 있다. 따라서 본 논문에서는 위 두 가지의 통신방식을 고려하여 서해에서의 수중통신시스템을 설계한다.
- 78 ms를 고려해 16 ms로 설계한다. 또한 SC-FDM에서도 주파수영역에서 다이버시티를 얻어 비트 오류율 성능을 향상시키기 위해 주파수영역 확산인자를 1,2,4,8로 변환시켜 설계한다. 이 때 SC-FDM 전송방식의 변조 방식에 따른 데이터 전송률은 다음과 같다.
- 본 논문에서는 한국 서해의 환경의 수중 채널을 모델을 Bellhop 음선 추적 프로그램을 이용하여 만든다. 이 채널을 바탕으로 서해안에서 파워앰프의 백오프(backoff)가 적으면서 다중경로에 효과적으로 대처할 수 있는 전송방식인 CDMA와 SC-FDM방식을 이용한 수중음향 통신시스템을 설계하고 그 성능을 분석하여 서해안에 적합한 통신 방식을 제안한다.
- 서해 수중 음향 네트워크의 물리계층을 설계하기 위하여 서해안 수중통신채널 모델을 구한다. 서해안의 수중음향통신 채널 모델은 서해정점(307-03)에서의 한국해양자료센터(KODC)에서 제공하는 음속 및 수온 정보를 이용하였다.
- 서해에서의 CDMA 수중통신을 위한 통신 파라미터로 파일럿의 길이, 파일럿의 간격, 확산인자, 최대도플러 확산 등을 고려하였다. II장에서 서해 정점에서 추정한 채널의 최대 확산 지연이 14.
- 실험에는 Fig. 4의 채널 모델을 사용하였고 4 kHz의 대역폭과 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조방식을 사용하였으며 단순 성능 비교를 위해 채널 부호화를 하지 않고 실험하였다. 채널 추정 방법으로는 최소자승추정법을 이용하였다.
- 본 논문에서는 한국 서해의 환경의 수중 채널을 모델을 Bellhop 음선 추적 프로그램을 이용하여 만든다. 이 채널을 바탕으로 서해안에서 파워앰프의 백오프(backoff)가 적으면서 다중경로에 효과적으로 대처할 수 있는 전송방식인 CDMA와 SC-FDM방식을 이용한 수중음향 통신시스템을 설계하고 그 성능을 분석하여 서해안에 적합한 통신 방식을 제안한다.
- 본 논문에서는 서해안에서 Bellhop 음선 추적 프로그램을 이용하여 수중 음향 채널을 모델링 하였다. 이 채널을 이용해서 CDMA 방식과 SC-FDM을 통한 수중 통신시스템을 설계하고 전산 모의실험을 수행하여 서해안에서의 통신방식을 제안하였다. 실험 결과 서해안 환경에서 수중 음향통신을 할 경우 4 kHz 대역폭에서 CDMA는 프레임 길이 376 ms, 확산 인자가 12인 경우의 비트 오류율 10-5을 만족하는 Eb/No은 2 dB와 데이터 전송률 610 bps를 얻었다.
- 대역폭은 4 kHz를 사용하였으며 채널 부호화 없이 실험하였다. 채널 추정 방법으로 1단 제로포싱 등화기를 이용하였다.
- CDMA는 단일 반송파 방식이므로 전송하는 데이터의 채널추정을 위해 파일럿 신호를 일정한 데이터 간격마다 삽입한다. 파일럿에서 추정한 채널 값을 인접 파일럿 값과 보간을통해 전체 채널 값을 추정하는 방식을 사용한다.
대상 데이터
- 서해 수중 음향 네트워크의 물리계층을 설계하기 위하여 서해안 수중통신채널 모델을 구한다. 서해안의 수중음향통신 채널 모델은 서해정점(307-03)에서의 한국해양자료센터(KODC)에서 제공하는 음속 및 수온 정보를 이용하였다. 정점의 위치는 북위 36.
- SC-FDM의 성능 비교는 512 FFT크기를 사용하고 파일럿 간격을 3개의 부반송파로 하였고 주파수 확산 이득을 얻기 위해 확산인자를 1,2,4,8로 변화시켰으며 변조방식은 QPSK, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)에 대해 실행하였다. 실험에는 CDMA와 동일하게 Fig. 3의 채널 모델을 사용하였다. 대역폭은 4 kHz를 사용하였으며 채널 부호화 없이 실험하였다.
- 서해안의 수중음향통신 채널 모델은 서해정점(307-03)에서의 한국해양자료센터(KODC)에서 제공하는 음속 및 수온 정보를 이용하였다. 정점의 위치는 북위 36.94, 동경 126.00이며 관측 일시는 2014년 8월 7일 15시 59분이고 음속 및 수온 정보는 Fig. 1과 같다.[8]
이론/모형
- 4의 채널 모델을 사용하였고 4 kHz의 대역폭과 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조방식을 사용하였으며 단순 성능 비교를 위해 채널 부호화를 하지 않고 실험하였다. 채널 추정 방법으로는 최소자승추정법을 이용하였다. Table 1은 앞 장에서 설계한 파라미터 별로 데이터 전송률을 구한 것을 나타낸 표이다.
성능/효과
- 그러므로 본 논문에서 제안된 수중음향통신 방식은 서해안 수중의 긴 지연 채널 환경에서도 데이터전송이 가능함을 보였다. 낮은 Eb/No에서도 10-5의비트 오류율을 보였기 때문에 적은 전력으로도 데이터 전송이 가능하다.
- 그러므로 본 실험으로부터 CDMA 파라미터는 확산인자가 12 프레임 길이가 345 ms로 설계했을 때, 약 1.5 dB의 Eb/No에서 10-5의 비트 오류율과 데이터 전송률은 610 bps를 얻었다.
- SC-FDM에서는 512 FFT 크기를 사용하고, QPSK 변조, 주파수 확산인자로 8을 사용하였을 때 비트 오류율 10-5을 만족하는 Eb/No은 5 dB였으며 전송률 593 bps를 얻었다. 그러므로 제안된 수중통신 방식이 긴 지연시간 채널과 낮은 Eb/No에서 데이터를 전송할 수 있음을 보였다.
- 5 dB를 얻었다. 데이터 전송률을 고려했을 때 프레임 길이를 345 ms로설정해도 전송이 가능함을 보였다.
- 9는 확산인자 4와 8을 이용하여 4 Hz의 최대 도플러확산의 환경일 때 변조방식에 따른 비트 오류율 성능을 나타내었다. 실험 결과 16Q AM을 사용하였을 때는 확산인자를 8인 경우에도 10-5의 비트오류율 성능을 얻을 수 없었다. 그러나 추후 채널부호화방식이 추가되면 비트오류율 성능이 개선되므로 서해안 수중 환경에서 SC-FDM에서 16QAM 변조방식도 사용가능할 것으로 사료된다.
- 이 채널을 이용해서 CDMA 방식과 SC-FDM을 통한 수중 통신시스템을 설계하고 전산 모의실험을 수행하여 서해안에서의 통신방식을 제안하였다. 실험 결과 서해안 환경에서 수중 음향통신을 할 경우 4 kHz 대역폭에서 CDMA는 프레임 길이 376 ms, 확산 인자가 12인 경우의 비트 오류율 10-5을 만족하는 Eb/No은 2 dB와 데이터 전송률 610 bps를 얻었다. SC-FDM에서는 512 FFT 크기를 사용하고, QPSK 변조, 주파수 확산인자로 8을 사용하였을 때 비트 오류율 10-5을 만족하는 Eb/No은 5 dB였으며 전송률 593 bps를 얻었다.
- 7은 확산인자 12, 최대 도플러 확산이 4 Hz, 그리고 QPSK 변조방식을 사용하였을 때 프레임 길이가 255 ms, 300 ms, 345 ms의 경우에 대한 비트 오류율을 나타냈다. 실험결과 모든 길이에 대해 비트 오류율 10-5을 만족하는 Eb/No은 약 1.5 dB를 얻었다. 데이터 전송률을 고려했을 때 프레임 길이를 345 ms로설정해도 전송이 가능함을 보였다.
- 12의 확산인자를 사용하였을 때 비트 오류율 10-5에서는 약 1 dB의 Eb/No에서 보였고 16의 확산인자를 사용하였을 때는 0 dB일 때 이미 10-5보다 낮은 비트 오류율을 보였다. 확산인자 16을 사용하였을 때 확산인자 12의 경우보다 비트 오류율 성능이 좋았으나 12를 사용했을 때도 전송 가능한 성능을 얻을 수 있음을 보였다.
후속연구
- 실험 결과 16Q AM을 사용하였을 때는 확산인자를 8인 경우에도 10-5의 비트오류율 성능을 얻을 수 없었다. 그러나 추후 채널부호화방식이 추가되면 비트오류율 성능이 개선되므로 서해안 수중 환경에서 SC-FDM에서 16QAM 변조방식도 사용가능할 것으로 사료된다.
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