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문제 정의
- 낮은 SNR 환경에서도 동작이 되는 대역확산의 특징을 알아보기 위하여 대역확산 유무에 따른 다양한 SNR 환경에서의 BER성능 분석에 대한 모의실험과 경판정 기반의 송수신 모델과 반복기반의 터보 등화 모델의 성능 차이를 알아보기 위한 모의실험을 수행하였다. 모의실험은 Microsoft visual c++의 프로그램과 표 1를 이용하여 두 가지 시뮬레이션을 하였다.
- 즉, 전송되는 정보들의 가로채기 확률을 감소시키기 위한 LPI 기술을 적용함으로써 통신 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 최적의 LPI 은밀 수중음향통신 시스템의 설계가 필요하다. 또는 낮은 SNR에서 성능이 열화되며, 즉 피탐지 확률이 낮을수록 성능은 열화되기 마련인데 본 논문에서는 낮은 SNR에서도 성능의 열화를 감소시키기 위해 대역확산 통신 기반의 터보 등화기법[6,7]을 이용한 송수신 구조를 제안하고자 한다. 터보 등화 기법은 복호기에 연판정 값을 입력이 되고 복호기를 반복하여 반복 횟수가 늘어남에 따라 업데이트하는 오류 보정 값이 송신하고자 하는 원 신호에 가깝게 되어 성능이 향상되게 된다.
제안 방법
- 다중경로 채널에 의해 왜곡되어진 수신 심벌은 복조과정에서 PN 성분을 제거하기 위해 송신부에서 사용한 PN sequence를 cos(wct)와 함께 곱해준다. 기존의 경판정 기반의 모델과 달리 복조과정과 PN de-spreading 과정을 함께 함으로써 연판정 값을 이용할 수 있도록 한다. training 데이터와 도플러 보상 알고리즘을 이용하여 도플러 오프셋 값을 구하여 주파수를 보상한다.
- 은밀 수중 통신에서 고려되는 송수신 모델은 크게 두 가지로 나뉠 수 있으며, 기존의 방식인 경판정 기반의 송수신 모델과 반복기반의 터보 등화 모델이다. 두 가지의 모델을 시뮬레이션과 호수실험을 통하여 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 대역확산통신 기법을 적용하였을 경우 낮은 SNR 환경에서 성능이 더 우수함을 알 수 있었고 기존 방식보다 제안하는 반복기반의 터보 등화 모델의 성능이 2 dB의 성능이 향상되었다.
- 따라서 본 논문에서는 수중채널을 고려한 낮은 SNR을 갖는 환경에서 은밀 통신 기법 중 대표적인 기법인 대역확산통신기법을 이용한 최적의 은밀 수중음향통신 시스템 구조를 제안하고 제안한 은밀 수중음향통신 시스템 구조를 이용하여 실제 호수 실험을 통하여 성능을 분석하였다.
- 낮은 SNR 환경에서도 동작이 되는 대역확산의 특징을 알아보기 위하여 대역확산 유무에 따른 다양한 SNR 환경에서의 BER성능 분석에 대한 모의실험과 경판정 기반의 송수신 모델과 반복기반의 터보 등화 모델의 성능 차이를 알아보기 위한 모의실험을 수행하였다. 모의실험은 Microsoft visual c++의 프로그램과 표 1를 이용하여 두 가지 시뮬레이션을 하였다. 호수 실험과 동일한 환경을 제공하기 위해 모의실험에서 데이터 비트수를 1000 bit로 하고 대역확산을 위한 PN sequence 비트수를 16 bit로 하였고 (2,1,7) 컨볼루션 부호화기를 사용하였고, 변조방식으로는 BPSK를 사용하였으며 복호기는 BCJR을 사용하였다.
- 송신기와 수신기 사이의 거리는 213 m로 하였고 송신기는 수면 아래 5 m, 수신기는 15 m 아래 위치하였다. 반송파 주파수와 샘플링 주파수는 각각 16 kHz 및 192 kHz로 하였으며 데이터 속도는 187.5 bps로 하였다.
- 대역확산 통신 기법에는 직접 수열 대역 확산(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS), 주파수 도약 대역 확산(Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS) 등이 대표적인 방식이라 할 수 있다. 본 논문에서는 다양한 대역확산 통신 기법 중 직접 수열 대역 확산 통신 기법을 적용하였다.
- 본 논문에서는 표 3와 같은 파라메타를 이용하여 실제 호수 실험을 하였다. 채널 코딩 방식으로는 (2,1,7) 컨볼루션 부호화 방식을 적용하였으며, 변조방식은 BPSK 변조방식을 적용하였다.
- 즉, LPI 기술을 적용함으로써 통신 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 최적의 은밀 수중 통신 시스템의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 은밀 수중 통신을 위하여 은밀 통신에 사용하는 기법 중 대표적인 기법인 직접수열 대역확산 방식을 적용하였고, 송수신 모델을 제안하였다. 은밀 수중 통신에서 고려되는 송수신 모델은 크게 두 가지로 나뉠 수 있으며, 기존의 방식인 경판정 기반의 송수신 모델과 반복기반의 터보 등화 모델이다.
- 실제 실험에서 송신한 신호와 최종적으로 수신된 신호의 형태는 그림 6의 (a), (b)와 같다. 신호의 전송은 각 패킷 사이에 딜레이를 두고 연속적으로 5회 반복하여 전송하였다. 수신 신호의 파형은 Sound forge tool를 이용하여 정규화와 대역 통과 필터를 통과 시킨 후의 파형이다.
- 그림 5와 같은 패킷 구조를 이용하여 호수 실험을 진행하였다. 패킷 구조는 신호의 전송 시작을 알기 위한 0.02초의 LFMB(Linear Frequency Modulation Begin) 신호를 보내고, 0.1초 동안 사일런스 구간을 둔 뒤, 정확한 타이밍을 잡고 주파수 보상을 위해 256 bit의 training 데이터, 100 bit의 사일런스 구간, 1012 bit의 데이터, 마지막으로 신호의 끝을 나타내는 0.02초의 LFME(Linear Frequency Modulation End) 신호가 한 패킷을 이루도록 구성하였다.
- 모의실험은 Microsoft visual c++의 프로그램과 표 1를 이용하여 두 가지 시뮬레이션을 하였다. 호수 실험과 동일한 환경을 제공하기 위해 모의실험에서 데이터 비트수를 1000 bit로 하고 대역확산을 위한 PN sequence 비트수를 16 bit로 하였고 (2,1,7) 컨볼루션 부호화기를 사용하였고, 변조방식으로는 BPSK를 사용하였으며 복호기는 BCJR을 사용하였다. 중심 주파수는 16 kHz, 샘플링 주파수는 192 kHz로 하였고, 데이터 속도는 187.
대상 데이터
- 그림 4와 같은 환경에서 실제 호수 실험을 2015년 6월 17일 경북 문경시 경천호에서 수행하였다. 실험에서 사용된 송신기는 Neptune D/17/BB를 사용하였고, 수신기는 B&K 8106을 사용하였다.
- 신호는 506 bit의 text를 (2,1,7) 컨볼루션 부호화기를 거쳐 1012 bit의 데이터를 전송하였다. 표 4와 표 5에는 신호의 전송 시 각 데이터 패킷 사이에 딜레이를 두고 5번 반복하여 전송하였으며 시간상의 구분으로 Interval #1부터 Interval #5로 표현하고 각각의 Interval 신호들을 수신 후 복조 과정을 거친 뒤 송신신호와의 비교한 수신 오류 개수, 등화기 통과 후 오류 개수, 그리고 마지막으로 복호 후의 오류 개수를 나타내었다.
- 실험에서 사용된 송신기는 Neptune D/17/BB를 사용하였고, 수신기는 B&K 8106을 사용하였다.
이론/모형
- 그림 1은 기존의 방식인 경판정 기반의 송수신 모델을 나타내는 블록도이다. 다중 경로 환경에서 원활한 통신과 함께 수신 신호의 성능을 향상시키기 위하여 낮은 SNR에서 우수한 성능을 보이는 부호화 기법인 BCJR(Bahl,Cocke,Jelinek,Raviv)기반[8] 컨볼루션 부호를 사용하였다.
- 본 논문에서는 표 3와 같은 파라메타를 이용하여 실제 호수 실험을 하였다. 채널 코딩 방식으로는 (2,1,7) 컨볼루션 부호화 방식을 적용하였으며, 변조방식은 BPSK 변조방식을 적용하였다. PN sequence의 길이는 16 bit로 하였다.
성능/효과
- 표 4에서 알 수 있듯이 경판정 기반의 송수신 모델은 5개의 Interval 중 Interval #2에서만 모든 데이터가 복호 가능함을 확인하였다. 동일한 송신신호를 이용한 반복기반 터보 등화모델에서는 표 5를 보게 되면 등화기 통과 후 오류개수가 Interval #5를 제외하고 많이 줄어든 것을 확인 할 수 있었고, Interval #5를 제외한 다른 Interval에서 모든 데이터가 복호 가능함을 확인 하였다.
- 실험을 통해 복호기 입력 값이 연판정인 반복기반의 터보 등화 모델이 기존의 방식인 경판정 기반의 모델보다 성능이 우수함을 알 수 있었다. 따라서 제안하는 반복기반의 터보 등화 모델이 대역확산 통신을 이용한 은밀 수중 통신에서 더 적합한 송수신 모델이다.
- 직접 수열 대역 확산 방식은 보내고자 하는 송신 신호에 직접 PN sequence를 곱해 줌으로써 은밀성이 보장되는 것으로 널리 연구되는 방식이다. 송신 데이터에 대역 확산을 위하여 PN sequence를 곱해주며 대역 확산된 신호는 주파수 영역에서 관찰을 하게 되면 기존의 데이터보다 넓은 대역폭을 가진 것을 관찰할 수 있다. 대역 확산된 신호의 레벨이 매우 낮아져 주변의 배경 소음과 같은 레벨로 전송하기 때문에 피탐지 확률이 감소하게 은밀성의 특징을 갖게 된다.
- 반면에 대역확산 통신 기법을 적용 하였을 경우, 6 dB에서 모든 데이터를 복호하였다. 시뮬레이션 결과 대역확산 통신 기법을 적용 하였을 경우가 더 낮은 EbNo에서, 즉 낮은 SNR 환경에서 작동이 되는 특징을 알 수 있었다.
- 5 dB에서 모든 데이터를 복호하였다. 시뮬레이션 결과 제안하는 반복기반 터보 등화 모델이 기존의 경판정 기반의 송수신 모델보다 반복 5회시 2 dB의 성능 향상을 가져옴을 알 수 있다.
- 두 가지의 모델을 시뮬레이션과 호수실험을 통하여 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 대역확산통신 기법을 적용하였을 경우 낮은 SNR 환경에서 성능이 더 우수함을 알 수 있었고 기존 방식보다 제안하는 반복기반의 터보 등화 모델의 성능이 2 dB의 성능이 향상되었다. 호수 실험에서는 5번의 데이터를 반복적으로 전송하여 수신된 신호를 두 가지 모델을 이용하여 복호한 결과, 기본 방식은 한번의 성공 확률을 보인 반면 반복기반의 터보 등화 모델에서는 네번의 복호 성공확률을 보였다.
- 실험을 통해 복호기 입력 값이 연판정인 반복기반의 터보 등화 모델이 기존의 방식인 경판정 기반의 모델보다 성능이 우수함을 알 수 있었다. 따라서 제안하는 반복기반의 터보 등화 모델이 대역확산 통신을 이용한 은밀 수중 통신에서 더 적합한 송수신 모델이다.
- 표 4과 5에서 알 수 있듯이 5번의 데이터를 반복적으로 전송하여 수신된 신호를 두 가지 모델을 이용하여 복호 한 결과, 기존의 방식은 다섯 번의 시도 중 한 번만 모든 데이터를 복호하였지만 반복기반의 터보 등화 모델은 네번의 모든 데이터를 복호하는데 성공하였다.
- 표 4에서 알 수 있듯이 경판정 기반의 송수신 모델은 5개의 Interval 중 Interval #2에서만 모든 데이터가 복호 가능함을 확인하였다. 동일한 송신신호를 이용한 반복기반 터보 등화모델에서는 표 5를 보게 되면 등화기 통과 후 오류개수가 Interval #5를 제외하고 많이 줄어든 것을 확인 할 수 있었고, Interval #5를 제외한 다른 Interval에서 모든 데이터가 복호 가능함을 확인 하였다.
- 시뮬레이션 결과, 대역확산통신 기법을 적용하였을 경우 낮은 SNR 환경에서 성능이 더 우수함을 알 수 있었고 기존 방식보다 제안하는 반복기반의 터보 등화 모델의 성능이 2 dB의 성능이 향상되었다. 호수 실험에서는 5번의 데이터를 반복적으로 전송하여 수신된 신호를 두 가지 모델을 이용하여 복호한 결과, 기본 방식은 한번의 성공 확률을 보인 반면 반복기반의 터보 등화 모델에서는 네번의 복호 성공확률을 보였다.
후속연구
- 따라서 실제 은밀 수중음향통신 시스템을 설계하고자 하는 경우 이에 적합한 시스템 설계와 전송 성능이 어떻게 나타나는지에 대한 정보가 필수적이다. 즉, 전송되는 정보들의 가로채기 확률을 감소시키기 위한 LPI 기술을 적용함으로써 통신 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 최적의 LPI 은밀 수중음향통신 시스템의 설계가 필요하다. 또는 낮은 SNR에서 성능이 열화되며, 즉 피탐지 확률이 낮을수록 성능은 열화되기 마련인데 본 논문에서는 낮은 SNR에서도 성능의 열화를 감소시키기 위해 대역확산 통신 기반의 터보 등화기법[6,7]을 이용한 송수신 구조를 제안하고자 한다.
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