[논문]음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법을 이용한 수중 도플러 편이 채널에서의 송신 신호 및 채널 응답 추정

변기훈; 오세현; 변성훈; 김재수

doi:10.7776/ask.2016.35.5.331

음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법을 이용한 수중 도플러 편이 채널에서의 송신 신호 및 채널 응답 추정
Estimation of source signal and channel response using ray-based blind deconvolution technique for Doppler-shifted underwater channel 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.35 no.5, 2016년, pp.331 - 339

변기훈 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 오세현 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 변성훈 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 김재수 (한국해양대학교 해양공학과)

초록
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본 논문은 음선 기반 블라인드 디컨볼루션을 이용하여 송 수신기의 상대적인 이동으로 인한 도플러 편이가 존재하는 수중 음향 채널 환경에서의 송신 신호 및 채널 임펄스 응답 추정에 대한 방법을 제시한다. 도플러 편이가 존재하는 수중 채널 환경에서 m시퀀스와 같은 도플러 효과에 민감한 탐침 신호를 사용할 경우, 도플러 왜곡에 의한 수신 신호와의 낮은 상관도에 의해 정합 필터 처리만으로는 채널 임펄스 응답 추정에 어려움이 따른다. 본 연구에서는 음선기반 블라인드 디컨볼루션을 이용하여 도플러 편이가 포함되어 있는 송신 신호의 위상을 추정한 후, 이를 수신 신호에 보상함으로써 도플러 편이가 보상된 채널 임펄스 응답 추정에 대한 방법을 제안한다. 해상실험을 통해 측정된 수신 데이터에 대하여 정합 필터만으로는 채널 임펄스 응답 추정이 어려운 반면 제안된 방법을 통한 채널 임펄스 응답 추정 시, 음선 모델에서 예측된 전달경로와 유사한 특성을 보여주는 것을 확인하였다. 또한 산란 함수를 통해 추정된 도플러를 보상한 송신 신호에 비해 음선 기반 블라인드 디컨볼루션을 이용하여 복원한 송신 신호가 더 우수한 도플러 보상효과를 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper suggests an estimation method of the source signal and the channel impulse response (CIR) using ray-based blind deconvolution (RBD) in the underwater acoustic channel environment where Doppler effect exists by the relative motion between source and receiver. It is difficult to estimate the CIR on Doppler effect by the matched filter with a highly Doppler-sensitive waveform such as the m-sequence signal because Doppler shift can severely degrade the correlation between the received signal corrupted by Doppler effect and the original source signal. In this study, the Doppler-shifted source-signal's phase is estimated using the RBD, and the received signal is compensated by it to obtain the Doppler-corrected CIR. It is verified that using the matched filter with the received signal from the experimental data fails to estimate the CIR while the obtained CIR by the suggested method has the similarity to the propagation path of the ray model. Also, the results show that the reconstructed source signal using the RBD has the better Doppler shift compensation than the Doppler-shifted source signal derived from scattering function.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 도플러 편이가 있는 수중 환경에서의 RBD 기법을 통한 채널 임펄스 응답 추정 및 송신 신호의 복원에 대한 연구를 수행하였다. 실제 해상 실험 데이터에 적용하여 도플러 편이 환경에서의 채널 임펄스 응답을 추정하였으며, 기존의 정합필터를 통한 채널 임펄스 응답 추정 결과와의 비교를 통해 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 도플러 편이가 있는 환경에서 RBD 기법을 적용하여 도플러 편이가 포함되어 있는 탐침 신호의 위상을 추정한 후, 이를 수신 신호에 보상하여 채널 임펄스 응답의 추정 및 송신 신호의 복원에 대한 연구를 수행하였다. 또한 해상 데이터에 적용함으로써 수신 신호와 도플러 편이가 보상된 탐침 신호간의 정합필터를 이용하여 채널 임펄스 응답을 추정하는 기존의 방법과의 성능 비교분석을 수행 하였다.
또한 RBD 기법을 통해 탐침 신호를 복원 할 때, 도플러 편이 주파수에 대한 정보가 포함되어있는 신호가 복원되는 것을 확인할 수 있었으며 산란 함수를 통해 추정한 도플러가 보상된 송신 신호에 비해 우수한 도플러 보상 효과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 RBD 기법을 기반으로 도플러 편이 환경에서의 채널 임펄스 응답 추정 및 도플러 편이 정보가 포함된 탐침 신호의 복원에 대한 활용 가능성을 제시하였다.

가설 설정

도플러 편이가 있는 환경에서의 송신 신호 추정에 대해 살펴보기 위해, 음원으로부터 전달되는 송신 신호를 다음과 같이 가정한다.
여기에서 수신 신호 rj(t)는 시간 지연 t′ 및 시간 압축 변수 δ를 제외하고는 송신 신호와 같다고 가정하며, 음파의 손실에 관한 항은 생략하도록 한다.

제안 방법

본 절에서는 도플러 편이가 있는 해상실험 데이터를 이용하여 RBD 기법을 통해 수신 신호의 정보만을 가지고 탐침 신호 및 채널 임펄스 응답을 추정한다. 또한 실제 탐침 신호로 사용된 m-시퀀스 신호 및 복원된 탐침 신호를 이용하여 채널 임펄스 응답추정에 대한 성능 비교분석을 수행하였다.
본 절에서는 도플러 편이가 있는 해상실험 데이터를 이용하여 RBD 기법을 통해 수신 신호의 정보만을 가지고 탐침 신호 및 채널 임펄스 응답을 추정한다. 또한 실제 탐침 신호로 사용된 m-시퀀스 신호 및 복원된 탐침 신호를 이용하여 채널 임펄스 응답추정에 대한 성능 비교분석을 수행하였다.
채널 임펄스 응답 추정을 위해 각 채널에 수신된 신호와 탐침 신호간의 정합필터를 수행하였으며, 그결과는 아래 Fig. 7과 같다. Fig.

대상 데이터

본 실험은 국방과학연구소 주관으로 2010년 10월 동해시 인근 해역에서 채널 임펄스 응답 특성 도출및 수중음향 통신성능 분석을 위해 수행된 수중통신/탐지특화연구센터 수중음향통신실험이며,[5,6] 실험 구성 및 당시 해역의 음속 구조는 Fig. 2와 같다.
실제 해상실험에서 사용된 전송 신호는 채널 임펄스 응답 분석을 위한 탐침 신호와 통신용 데이터 신호로 구성되며,^[5,6] 본 논문에서는 채널 임펄스 응답 분석을 위해 탐침 신호만을 이용하였다.

데이터처리

13. The cross correlation coefficient between the probe signals and the recorded time series at each receiver.
본 논문에서는 도플러 편이가 있는 환경에서 RBD 기법을 적용하여 도플러 편이가 포함되어 있는 탐침 신호의 위상을 추정한 후, 이를 수신 신호에 보상하여 채널 임펄스 응답의 추정 및 송신 신호의 복원에 대한 연구를 수행하였다. 또한 해상 데이터에 적용함으로써 수신 신호와 도플러 편이가 보상된 탐침 신호간의 정합필터를 이용하여 채널 임펄스 응답을 추정하는 기존의 방법과의 성능 비교분석을 수행 하였다.
본 논문에서는 도플러 편이가 있는 수중 환경에서의 RBD 기법을 통한 채널 임펄스 응답 추정 및 송신 신호의 복원에 대한 연구를 수행하였다. 실제 해상 실험 데이터에 적용하여 도플러 편이 환경에서의 채널 임펄스 응답을 추정하였으며, 기존의 정합필터를 통한 채널 임펄스 응답 추정 결과와의 비교를 통해 제안된 방법의 타당성을 검증하였다. 또한 RBD 기법을 통해 탐침 신호를 복원 할 때, 도플러 편이 주파수에 대한 정보가 포함되어있는 신호가 복원되는 것을 확인할 수 있었으며 산란 함수를 통해 추정한 도플러가 보상된 송신 신호에 비해 우수한 도플러 보상 효과를 얻을 수 있었다.

이론/모형

[13]이 제안한 RBD 기법을 이용하였다.

성능/효과

파란색으로 나타낸 값은 도플러 편이 보상을 하지 않은 탐침 신호, 검은색 값은 도플러 편이 보상을 한 탐침 신호, 그리고 자홍색은 RBD 기법을 통해 복원된 탐침 신호에 해당 하는 값을 의미한다. RBD 기법을 통해 복원된 탐침 신호를 이용한 상호상관 계수의 값이 도플러 편이 보상을 수행 한 실제 탐침 신호에 대한 값보다 높거나 유사함을 확인할 수 있었다. 산란 함수를 통해 도플러 편이를 보상한 탐침 신호와의 상호상관 성능이낮은 이유로는 산란 함수를 통해 도플러 편이를 보상할 경우 탐침 신호 길이 내에서 변화하는 도플러 변화를 적절히 보상하지 못하는 경우와, 송신기를 거치면서 발생하는 왜곡 현상이 반영되지 않았기 때문으로 간주되어진다.
실제 해상 실험 데이터에 적용하여 도플러 편이 환경에서의 채널 임펄스 응답을 추정하였으며, 기존의 정합필터를 통한 채널 임펄스 응답 추정 결과와의 비교를 통해 제안된 방법의 타당성을 검증하였다. 또한 RBD 기법을 통해 탐침 신호를 복원 할 때, 도플러 편이 주파수에 대한 정보가 포함되어있는 신호가 복원되는 것을 확인할 수 있었으며 산란 함수를 통해 추정한 도플러가 보상된 송신 신호에 비해 우수한 도플러 보상 효과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 RBD 기법을 기반으로 도플러 편이 환경에서의 채널 임펄스 응답 추정 및 도플러 편이 정보가 포함된 탐침 신호의 복원에 대한 활용 가능성을 제시하였다.
5 kn 의 속도를 가지고 수직선배열로부터 멀어지는 방향으로 음원이 예인되었다. 또한, XBT로 측정한 음속 구조에 따라 음선이 음원으로 부터 하향하는 특징을 갖는 것을 알 수 있다.
6은 실제 해상실험을 통해 측정된 시계열 수신 신호를 나타낸다. 총 24개의 채널 중 시스템 문제로 인해 1번 채널은 분석에서 제외를 하였으며, 22번채널은 수신 감도가 약한 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도플러에 아주 민감한 m-시퀀스 신호의 특성 때문에 어떤 과정이 필요한가?	[1, 3-6] 이러한 채널 임펄스 응답은 해양 도파관을 통해 수신단에 수신된 신호와 송신 신호간의 정합필터를 통해 수치적으로 계산되어 지며, 채널 임펄스 응답 분석을 위한 탐침 신호로는 상호 상관 성능이 좋고 시간-도플러 공간상에서 다중경로 구조를 쉽게 분리할 수 있는 m-시퀀스 신호가 널리 이용되어진다.[7-12] 하지만 도플러에 아주 민감한 m-시퀀스 신호의 특성 때문에 산란 함수를 통해 추정된 도플러 편이를 보상하는 과정이 필요하며, 도플러 편이가 보상된 m-시퀀스 신호와 수신 신호간의 정합 필터가 수행 되어져야 한다.[7-9]
	수중채널을 통해 전달되는 음파는 다양한 요소에 지배적인 영향을 받는데 이는 어떤 문제를 발생시키는가?	수중채널을 통해 전달되는 음파는 송 · 수신기의 상대적인 움직임, 음속구조에 따른 굴절 효과, 시변동에 따른 해수면의 변화 및 경계면에 의한 다중경로와 같은 다양한 요소에 지배적인 영향을 받는다. 이는 수신되는 음파의 지연 확산, 도플러 확산 및 에너지 손실 등을 발생시킨다.[1-3]
	채널 임펄스 응답은 어디에 이용되는가?	채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response, CIR)은 이와 같이 복잡하게 변화하는 수중채널에 대한 음파의 다중경로 구조, 경로의 지속성, 전달되는 음파의 세기 손실 및 수중 채널특성 변화 현상을 이해하는데 중요한 요소로 작용되며, 수중음향통신 성능 분석에도 이용되어진다.[1, 3-6] 이러한 채널 임펄스 응답은 해양 도파관을 통해 수신단에 수신된 신호와 송신 신호간의 정합필터를 통해 수치적으로 계산되어 지며, 채널 임펄스 응답 분석을 위한 탐침 신호로는 상호 상관 성능이 좋고 시간-도플러 공간상에서 다중경로 구조를 쉽게 분리할 수 있는 m-시퀀스 신호가 널리 이용되어진다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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