[논문]차동 위상 천이 변조 방식의 수중음향통신을 위한 수신기 설계

전은혜; 권택익; 김기만

doi:10.7776/ask.2016.35.5.368

초록
AI-Helper

본 논문은 기존의 DPSK(Differential Phase-Shift Keying) 방식 수중음향통신에 직접 수열 대역확산 기법을 적용하여 송수신단을 구성하는 내용을 다루었다. DPSK방식의 수신기에서는 인접 비트 간 위상차만 알고 있으면 복조가 가능하기 때문에 수신기 구조가 간단해지는 장점이 있다. 기존의 DPSK 수신단에서는 역확산 전 신호의 두 심볼씩 전이 상관기로 입력되면 상관 결과의 최대값을 비교하여 데이터를 검출하는데 이 때 채널에 따른 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 높은 도플러 천이 주파수 때문에 전이 상관기 출력의 최대값 오류율이 증가할 수 있다. 본 논문에서는 전이 상관기에서 생성되는 다수 출력들의 크기뿐만 아니라 간격을 추가적으로 이용하여 더욱 정확한 검출 결과를 얻을 수 있도록 하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 성능은 모의 및 호수실험을 통해 획득한 데이터를 이용하여 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents constructing transmitter and receiver by using a direct sequence spread spectrum techniques to DPSK (Differential Phase-Shift Keying) scheme in underwater acoustic communication. Since DPSK signal can be demodulated if the receiver knows only the phase difference between the adja...

This paper presents constructing transmitter and receiver by using a direct sequence spread spectrum techniques to DPSK (Differential Phase-Shift Keying) scheme in underwater acoustic communication. Since DPSK signal can be demodulated if the receiver knows only the phase difference between the adjacent bits, DPSK receiver structure has the advantage of being simplified. In the conventional receiver, two adjacent symbols of transmitted signal before despread are passed to the transition correlator that detects data by comparing maximum correlation outputs. At this time, the error for maximum value of the correlator output may increase because of low SNR (Signal to Noise Ratio) or high Doppler shift frequency according to the underwater channel. In this paper, we propose a method for accurate detection result using the width as well as the magnitude among outputs produced by the correlator. The performances of the proposed method was evaluated by simulation and lake trial data.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 때 문제점은 신호가 채널에 따라 SNR이 낮아지고 도플러 천이가 발생하게 되면 왜곡이 생겨 사이드 피크값이 커지거나 메인 피크값이 작아지는 경우가 발생한다. 그에 따라 최대값으로 출력되는 값들은 오류를 동반할 가능성이 높아지는데 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 두 개의 사이드 피크간의 폭을 이용하여 메인 피크의 위치를 추정한 뒤 추정된 위치에 해당하는 값을 전이 상관기의 출력으로 지정하고 최대값으로 정보를 검출하는 방법을 제안하였다. 모의실험을 통해 낮은 SNR과 높은 도플러 주파수의 환경에서 기존의 방법보다 제안한 방법의 수신기가 더 나은 BER 성능을 가진다는 것을 보였고, 호수실험을 통해 실제 수중 환경에서 제안한 방법의 수신기가 기존의 방법을 사용한 수신기보다 약 60.
본 논문에서는 DPSK 수신기에서 전이 상관기(transition correlator) 출력들의 크기뿐만 아니라 간격을 이용하여 더욱 정확하게 검출할 수 있도록 하는 방법을 제안한다. 이를 통해 보다 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)과 높은 도플러 천이 주파수가 발생하는 채널에 강한 DPSK수신기를 설계하고, 모의실험과 호수실험을 통하여 기존의 방법과 제안한 방법의 성능을 비교하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 상관기 결과 값의 최대값만으로 복조하지 않고 출력되는 두 개의 사이드 피크(side peak) 사이의 폭을 이용하여 메인 피크(main peak)의 위치를 추정하는 방법을 제안한다. 의사 잡음 부호로 사용된 m시퀀스는 짝을 이루어 시퀀스 열을 구성하였기 때문에 Fig.

가설 설정

95 dB/λ로 하였고 송수신기가 위치된 지점의 수심은 40 m, 송신기의 위치는 수면으로부터 10 m, 수신기의 위치는 수면으로부터 25 m 지점으로 설정하였다. 도플러 주파수는 0 ~ 20 Hz로 가정하였으며, 음원신호는 DSSS DPSK로 변조하였다. 비트 전송률은 100 bps, 변조 주파수 및 샘플링 주파수는 각각16 kHz, 192 kHz를 사용하였다.
모의실험을 위해 실제 호수에서 측정된 음속구조를 이용하여 실험환경을 구성하였다. 이 때 수면과 바닥은 평탄하다고 가정하였다. 바닥에서의 음속은 1600 m/s, 해저면 밀도는 1.

제안 방법

SNR과 도플러 천이 주파수에 따른 성능 차이를 나타내기 위해 기존의 DPSK수신기와 제안된 DPSK 수신기의 BER(Bit Error Rate) 성능을 분석하였다. 모의실험은 각 SNR당 천 번의 반복 실험을 통해 평균적인 BER로 하였다.
SNR과 도플러 천이 주파수에 따른 성능 차이를 나타내기 위해 기존의 DPSK수신기와 제안된 DPSK 수신기의 BER(Bit Error Rate) 성능을 분석하였다. 모의실험은 각 SNR당 천 번의 반복 실험을 통해 평균적인 BER로 하였다. Figs.
모의실험을 위해 실제 호수에서 측정된 음속구조를 이용하여 실험환경을 구성하였다. 이 때 수면과 바닥은 평탄하다고 가정하였다.
바닥에서의 음속은 1600 m/s, 해저면 밀도는 1.23 g/cm3, 해저면 감쇠계수는 0.95 dB/λ로 하였고 송수신기가 위치된 지점의 수심은 40 m, 송신기의 위치는 수면으로부터 10 m, 수신기의 위치는 수면으로부터 25 m 지점으로 설정하였다.
본 논문에서는 DPSK 수신기에서 전이 상관기(transition correlator) 출력들의 크기뿐만 아니라 간격을 이용하여 더욱 정확하게 검출할 수 있도록 하는 방법을 제안한다. 이를 통해 보다 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)과 높은 도플러 천이 주파수가 발생하는 채널에 강한 DPSK수신기를 설계하고, 모의실험과 호수실험을 통하여 기존의 방법과 제안한 방법의 성능을 비교하였다.

대상 데이터

송수신기가 위치한 수심은 약 36 m로 관측되었고, 송신기와 수신기는 Neptune D/17/BB 모델과 B&K 8106 모델이 사용되었으며, 각각 4 m, 20 m 수심에 위치시켰다.
송신 신호의 증폭을 위해 B&K 2713 전력 증폭기가 사용되었다.
실제 수중 환경에서의 성능을 고찰하기 위해 경상북도 문경시에 위치한 경천호수에서 실험을 수행하였다. 실험환경은 Fig.

데이터처리

또한 경상북도 문경시에 위치한 경천호수에서 실험을 통하여 실제 데이터를 획득하였으며, 이를 이용하여 제안한 방법의 성능을 기존의 방법과 비교· 분석하였다.
제안된 방법을 이용한 DPSK 수신기와 기존의 방식을 비교하기 위해 모의실험을 통하여 SNR과 도플러 천이 주파수에 따른 비트 오차율 성능을 분석하고, 호수 실험을 통하여 실제 수중 환경에서 성능의 차이를 비교 분석하였다. 모의실험을위해 벨홉(Bellhop)을기반으로 하는 VirTEX(Virtual Time series Experiment)^[14]를 이용하였다.

이론/모형

제안된 방법을 이용한 DPSK 수신기와 기존의 방식을 비교하기 위해 모의실험을 통하여 SNR과 도플러 천이 주파수에 따른 비트 오차율 성능을 분석하고, 호수 실험을 통하여 실제 수중 환경에서 성능의 차이를 비교 분석하였다. 모의실험을위해 벨홉(Bellhop)을기반으로 하는 VirTEX(Virtual Time series Experiment)^[14]를 이용하였다. 또한 경상북도 문경시에 위치한 경천호수에서 실험을 통하여 실제 데이터를 획득하였으며, 이를 이용하여 제안한 방법의 성능을 기존의 방법과 비교· 분석하였다.

성능/효과

Fig. 5에서 SNR이 –10 dB인 지점에서 기존의 방식을 사용한 수신기의 부호화하지 않은 BER이 0.143, 제안한 방식을 사용한 수신기의 부호화하지 않은 BER은 0.073으로 나타나 SNR이 낮더라도 기존의 방식보다 제안한 방식의 BER성능이 더 나은 것을 나타내고 있다.
073으로 나타나 SNR이 낮더라도 기존의 방식보다 제안한 방식의 BER성능이 더 나은 것을 나타내고 있다. Fig. 6은 도플러 천이 주파수가 20 Hz 일 때 기존의 방식을 사용한 수신기의 부호화하지 않은 BER이 0.461이고 제안한 방식을 사용한 수신기의 부호화하지 않은 BER은 0.328로 나타나 도플러 천이 주파수가 높아질수록 기존의 방식보다 제안한 방식의 BER 성능이 개선되었음을 확인할 수 있다.
음파의 전달속도는 전자파에 비해 매우 느리고 수중 온도와 염분 분포 등에 따라 다르며, 음속구배로 인한 굴절로 음파의 이동경로가 바뀌게 된다.^[1]음파가 전달되면서 흡수, 손실은 물론 해수면과 해저면에 의한 반사와 산란, 다양한 잡음원, 해류에 의한 송수신기 이동으로 발생하는 도플러 효과 등과 같은 다양한 영향이 미치게 된다.^[2-4] 최근 해양 개발이 활발해지고 관심도가 높아지면서 수중음향통신은 해양 연구의 필수적인 기술뿐만 아니라 해양감시체계로써 그 응용분야가 확대되고 있는 추세이다.
그에 따라 최대값으로 출력되는 값들은 오류를 동반할 가능성이 높아지는데 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 두 개의 사이드 피크간의 폭을 이용하여 메인 피크의 위치를 추정한 뒤 추정된 위치에 해당하는 값을 전이 상관기의 출력으로 지정하고 최대값으로 정보를 검출하는 방법을 제안하였다. 모의실험을 통해 낮은 SNR과 높은 도플러 주파수의 환경에서 기존의 방법보다 제안한 방법의 수신기가 더 나은 BER 성능을 가진다는 것을 보였고, 호수실험을 통해 실제 수중 환경에서 제안한 방법의 수신기가 기존의 방법을 사용한 수신기보다 약 60.3 % 향상된 BER 성능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
Table 2는 호수실험에 따른 기존의 방법을 사용한 수신기와 제안한 방법을 사용한 수신기의 채널 부호화 하지 않은 BER 성능 결과를 나타낸다. 실험 당시 시간 제약으로 인해 비교적 적은 양의 데이터이기는 하나 기존의 방법을 사용한 수신기의 평균BER은 약 0.071이고, 제안한 방식의 수신기의 평균 BER은 약 0.043으로 나타나 제안한 방법의 BER이 기존보다 약 60.3 % 가량 향상된 것으로 나타났다.
3 Hz 정도 발생한 것을 알 수 있다. 실험에서 수신기에 획득한 신호들의 평균적인 SNR을 계산한 결과는 약 3.64 dB였다.

후속연구

향후에는 충분한 데이터양의 확보와 함께 실제 다양한 해양 환경에서의 적용성을 분석할 필요성이 있다. 또한 확산 인자 값에 따른 성능의 변화를 고찰할 예정이다.
1과 같이 일정한 간격으로 세 개 혹은 두 개의 피크가 발생한다. 일정한 간격을 갖는 사이드 피크를 이용하여 메인 피크의 위치를 추정하고, 그 지점에 해당하는 값으로 상관기 출력의 최대치를 비교한다면 더욱 정확한 검출 결과 도출이 가능해진다. 예를 들어 Fig.
향후에는 충분한 데이터양의 확보와 함께 실제 다양한 해양 환경에서의 적용성을 분석할 필요성이 있다. 또한 확산 인자 값에 따른 성능의 변화를 고찰할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중음향통신 분야에서 PSK의 단점을 보완하는 방법은 무엇인가?	수중음향통신 분야에서 PSK(Phase-Shift Keying) 변복조 방법이 많이 연구되었지만 이 방식은 위상에 정보신호를 실어 보냄으로써 복조 과정에 동기검파가 필요하기 때문에 PLL(Phase Locked Loop) 등을 이용하여 정확한 위상동기를 추정해야 하는 어려움이 있다.[11] 이를 보완하는 것이 DPSK 변복조이다. DPSK 방식은 연속적인 심볼 사이의 반송파 위상 차이만으로 정보를 전송하고 수신단에서는 전송된 신호의 인접 심볼 간 위상차만 알고 있으면 복조가 가능해진다.
	음파는 무엇에 영향을 미치는가?	음파의 전달속도는 전자파에 비해 매우 느리고 수중 온도와 염분 분포 등에 따라 다르며, 음속구배로 인한 굴절로 음파의 이동경로가 바뀌게 된다.[1]음파가 전달되면서 흡수, 손실은 물론 해수면과 해저면에 의한 반사와 산란, 다양한 잡음원, 해류에 의한 송수신기 이동으로 발생하는 도플러 효과 등과 같은 다양한 영향이 미치게 된다.[2-4] 최근 해양 개발이 활발해지고 관심도가 높아지면서 수중음향통신은 해양 연구의 필수적인 기술뿐만 아니라 해양감시체계로써 그 응용분야가 확대되고 있는 추세이다.
	수중음향통신이 어려운 이유는 무엇인가?	수중음향통신은 복잡한 특징을 갖는 수중환경 때문에 육상에서의 무선통신 보다 많은 어려움이 따른다. 음파의 전달속도는 전자파에 비해 매우 느리고 수중 온도와 염분 분포 등에 따라 다르며, 음속구배로 인한 굴절로 음파의 이동경로가 바뀌게 된다.

참고문헌 (14)

M. Stojanovic and J. Preisig, "Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization," IEEE Communication Magazine 47, 84-89 (2009).
Y. M. Aval and M. Stojanovic, "Differentially coherent multichannel detection of acoustic OFDM signals," IEEE J. Oceanic Eng. 40, 251-268 (2015).

상세보기
C. H. Hwang, K. M. Kim, D. W. Lee, and T. D. Park, "Influence of underwater channel time-variability on communication throughput efficiency" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, 413-419 (2014).

원문보기 상세보기
M. Stojanovic, "Underwater acoustic communications: design considerations on the physical layer," Proc. IEEE/IFIP WONS Conference, 1-10 (2008).
J. Ling, H. He, J. Li, W. Roberts, and P. Stoica, "Covert underwater acoustic communications," J. Acoust. Soc. Am. 128, 2898-2909 (2010).

상세보기
J. H. Park, "LPI techniques in underwater acoustic channel," Proc. IEEE Military Communication Conference 1, 10.5.1-10.5.5 (1986).
M. Stojanovic, J. G. Proakis, J. A. Rice, and M. D. Green, "Spread spectrum underwater acoustic telemetry," Proc. MTS/IEEE Oceans Conference 2, 650-654 (1998).
H. W. Lee, K. M. Kim, Y. J. Son, W. S. Kim, S. Y. Chun, and S. K. Lee, "Underwater acoustic communication of FHMFSK method with multiple orthogonal properties" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, 407-412 (2014).

원문보기 상세보기
R. L. Peterson, R. E. Ziemer, and D. E. Borth, Introduction to Spread-Spectrum Communication (Prentice Hall, New Jersey, 1995), pp. 47-67.
E. M. Sozer, J. G. Proakis, M. Stojanovic, J. A. Rice, A. Benson, and M. Hatch, "Direct sequence spread spectrum based modem for under water acoustic communication and channel measurements," Proc. MTS/IEEE Oceans Conference 1, 228-233 (1999).
H. S. Kim, D. H. Choi, J. P. Seo, J. H. Chung, and S. I. Kim, "The experimental verification of adaptive equalizers with phase estimator in the East sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 29, 229-236 (2010).
A. M. Matarneh, "Thorough investigation of BER simulation of DPSK in underwater acoustic channel," JJEE. 2, 160-171 (2016).
T. C. Yang and W. B. Yang, "Low probability of detection underwater acoustic communications using direct-sequence spread spectrum," J. Acoust. Soc. Am. 124, 3632-3647 (2008).

상세보기
J. S. Kim, H. C. Song, W. S. Hodgkiss, and M. Siderius, "Virtual time series experiment (VirTEX) simulation tool for underwater acoustic communication," J. Acoust. Soc. Am. 126, 2174 (2009).

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

차동 위상 천이 변조 방식의 수중음향통신을 위한 수신기 설계
Receiver design for differential phase-shift keying underwater acoustic communication 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

차동 위상 천이 변조 방식의 수중음향통신을 위한 수신기 설계 Receiver design for differential phase-shift keying underwater acoustic communication 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

권택익 (1) 김기만 (75)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

차동 위상 천이 변조 방식의 수중음향통신을 위한 수신기 설계
Receiver design for differential phase-shift keying underwater acoustic communication 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper