[논문]일반화된 부엽 제거기 기반 시역전 기술을 이용한 수중음향통신 성능 분석

남기훈; 김재수; 변기훈

doi:10.7776/ask.2016.35.5.389

초록
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수중음향통신에서 다중 입출력(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO) 환경은 인접 심볼 간 간섭뿐만아니라 송신기 간의 채널 간 간섭의 영향으로 인하여 수신 신호의 왜곡이 발생하는 특징을 갖는다. 신호 보상을 위하여 시역전 기술이 이용되었지만 기존의 시역전 기술은 채널 간 간섭을 효과적으로 제거하지 못하는 한계가 있다. 본 논문에서는 채널간 간섭의 제거를 위해 일반화된 부엽 제거기(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)를 적용한 시역전 기술을 제안한다. 제안된 방법의 검증을 위해 FAF05(The Focused Acoustic Forecasting 05) 해상 실험 데이터를 이용하여 기존의 시역전 기술과의 통신 성능 비교를 수행하였으며, 그 결과 제안된 방법에 대한 통신 성능이 기존의 시역전 기술에 비해 향상됨을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) in underwater acoustic communication has distortion of received signal because of ISI (Inter-Symbol Interference) and crosstalk among transmitters. Time-reversal mirror was used for compensating of signal distortion, but it has a limit in eliminating crosstalk e...

MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) in underwater acoustic communication has distortion of received signal because of ISI (Inter-Symbol Interference) and crosstalk among transmitters. Time-reversal mirror was used for compensating of signal distortion, but it has a limit in eliminating crosstalk effectively. This paper proposes a time-reversal mirror based on GSC (Generalized Sidelobe Canceller) for removing crosstalk. The FAF05 (The Focused Acoustic Forecasting 05) experimental data has been used to verify the suggested method by comparison with the conventional time-reversal for communication performance, and it is demonstrated that the suggested method produces better communication performance results than conventional time-reversal.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 적응형 빔형성 기법 중 하나인 일반화된 부엽 제거기(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)를 수동형 시역전에 적용하여 새로운 적응형 시역전 기술을 제안하고 실험 데이터를 통해 제안된 방법의 유효성을 검증한다.

제안 방법

5 kHz, 샘플링 주파수 12 kHz와 대역폭 2 kHz를 갖는 LFM 신호로써 1번, 3번 송신기의 신호는 up-sweep, 2번 송신기의 신호는 down-sweep으로 생성되었다. 또한 각 송신신호에 따른 채널 구별을 위하여 특정한 시간 간격을 무음 구간으로 설정하여 탐침신호 사이에 삽입하였다. 다중 입출력 환경 구성을 위해 통신 신호의 시작 시간을 동일하게 하였으며 각각의 통신 신호를 구성하는 비트정보를 다르게 설정하였다.
또한 각 송신신호에 따른 채널 구별을 위하여 특정한 시간 간격을 무음 구간으로 설정하여 탐침신호 사이에 삽입하였다. 다중 입출력 환경 구성을 위해 통신 신호의 시작 시간을 동일하게 하였으며 각각의 통신 신호를 구성하는 비트정보를 다르게 설정하였다. 통신 신호는 16-QAM으로 변조되었으며 각 송신기의 탐침 신호를 이용하여 생성되었다.
통신 성능 분석은 기존의 수동형 시역전과 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전을 독립적으로 실시하여 비트오류율(Bit Error Rate, BER)을 계산하여 검증한다. 그리고 적용한 시역전 방법에 따른 비트오류율을 비교하여 통신 성능의 양상을 확인한다.
통신 성능 분석은 기존의 수동형 시역전과 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전을 독립적으로 실시하여 비트오류율(Bit Error Rate, BER)을 계산하여 검증한다. 그리고 적용한 시역전 방법에 따른 비트오류율을 비교하여 통신 성능의 양상을 확인한다. 다중 입출력 환경이므로 각각의 송신 신호에 따른 비트오류율을 분석했으며 Fig.
그리고 기존의 시역전 기술과 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전 기술에 채널 임펄스 응답과 복소 가중치 벡터를 각각 적용하여 서로의 비트오류율을 비교하였다.
본 논문에서는 다중 입출력 송수신 환경을 갖는 수중 음향 통신에서 채널 간 간섭을 완화시키기 위해 적응형 빔형성 기법 중 하나인 일반화된 부엽 제거기를 적용한 시역전 방법을 제안하였고, 제안된 방법의 성능 검증을 위해 해상 실험 데이터를 이용하여 통신 성능을 분석하였다.
통신 성능 분석을 위해 각 송신신호의 탐침 신호를 이용하여 채널 임펄스 응답을 산출하였고 이를 이용하여 일반화된 부엽 제거기를 통해 복소 가중치 벡터를 산출하였다. 그리고 기존의 시역전 기술과 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전 기술에 채널 임펄스 응답과 복소 가중치 벡터를 각각 적용하여 서로의 비트오류율을 비교하였다.

대상 데이터

제안한 방법의 수중 통신 성능을 이탈리아 앞 해상에서 실시된 FAF05(The Focused Acoustic Forecasting 05) 실험 데이터를 활용하여 검증하였다.^[3]

이론/모형

수동형 시역전은 송신기에서 수신기에 따른 한 방향 전파과정으로써 수행될 수 있다. 수신 채널별로 탐침신호를 이용하여 채널 임펄스 응답을 산출하는 방법으로 시역전 기술을 적용한다. 소음성분을 무시할 때, M개의 송신기를 갖는 다중 입출력 환경에서 수신기 배열의 i번째 수신 신호 r_i(t)는 Eq.

성능/효과

송신 신호의 통신용량을 높이기 위한 방안으로 국내외에서 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 수중음향통신 연구가 진행되고 있다.^[2,3] 다중 입출력 환경은 다중 송신기 배열에서 서로 다른 데이터를 전송하는 공간 다중화 특성을 통해 추가적인 주파수의 할당 없이 송신기의 개수와 비례하는 통신용량을 얻을 수 있다. 또한 다중 입출력 환경에서 다중 수신기 배열을 통하여 공간 다이버시티효과를 얻을 수 있기 때문에 데이터의 신뢰도를 높일 수 있다.
왜곡된 신호를 보상하기 위하여 시역전 기술을 적용하였으나 기존의 수동형 시역전은 채널 간 간섭에 의한 신호 왜곡을 완전히 보상 할 수 없는 한계를 갖는다. 이 때, 적응형 빔형성 기법을 적용한 적응형 시역전 기술이 효과적으로 채널 간 간섭을 완화시키는 것이 확인되었다.^[4]
그리고 기존의 시역전 기술과 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전 기술에 채널 임펄스 응답과 복소 가중치 벡터를 각각 적용하여 서로의 비트오류율을 비교하였다. 기존의 시역전 기술을 적용했을 때 비트오류율은 송신기 1, 2, 3에 따라 1.513 %, 9.026 %, 5.410 %로 결과가 나타났고 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전 적용시 비트오류율은 각각 0.282 %, 0 %, 0.026 %로 나타났다. 기존의 시역전 기술과 비교하여 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전에서 채널 간 간섭의 완화를 통해 통신 성능의 향상이 확인되었다.
026 %로 나타났다. 기존의 시역전 기술과 비교하여 일반화된 부엽 제거기가 적용된 시역전에서 채널 간 간섭의 완화를 통해 통신 성능의 향상이 확인되었다.

후속연구

앞으로의 연구는 국내 해역에서의 다중 입출력 수중음향통신 실험을 통한 검증이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 환경의 구조는?	수중 환경은 도파관 구조로써 해수면과 해저면의 반사에 의하여 시간차를 갖는 신호가 수신기에 도달하게 된다. 그 결과 다중경로 특성이 발생하여 복잡한 채널 환경을 갖게 된다.
	다중 입출력환경이 갖는 특징은?	수중음향통신에서 다중 입출력(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO) 환경은 인접 심볼 간 간섭뿐만아니라 송신기 간의 채널 간 간섭의 영향으로 인하여 수신 신호의 왜곡이 발생하는 특징을 갖는다. 신호 보상을 위하여 시역전 기술이 이용되었지만 기존의 시역전 기술은 채널 간 간섭을 효과적으로 제거하지 못하는 한계가 있다.
	다중 입출력 환경에서 발생하는 문제점은?	또한 다중 입출력 환경에서 다중 수신기 배열을 통하여 공간 다이버시티효과를 얻을 수 있기 때문에 데이터의 신뢰도를 높일 수 있다. 하지만 서로 다른 송신기에서 전달한 신호가 하나의 수신기에 동시에 기록되는 현상인 채널 간 간섭이 발생하며 채널 간 간섭은 인접 심볼 간 간섭과 함께 신호 왜곡을 심화시켜 수신 신호 보상에 어려움을 끼친다. 왜곡된 신호를 보상하기 위하여 시역전 기술을 적용하였으나 기존의 수동형 시역전은 채널 간 간섭에 의한 신호 왜곡을 완전히 보상 할 수 없는 한계를 갖는다.

참고문헌 (11)

P. J. Urick, Principles of Underwater Sound 3nd Ed (McGraw-Hill, New York, 1983), pp. 11-147.
B. C. Gwun and K. M Kim, "Experimental performance evaluation of MIMO underwater acoustic communication in water tank" (in Korean), J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng. 17, 1577-1582 (2013).

원문보기 상세보기
H. C. Song, W. S. Hodgkiss, W. A. Kuperman, T. Akal, and M.Stevenson, "Multiuser communications using passive time reversal," IEEE J. OCEAN. ENG. 32, 915-926 (2007).

상세보기
H. C. Song, J. S. Kim, W. S. Hodgkiss, and J. H. Joo, "Crosstalk mitigation using adaptive time reversal," J. Acoust. Soc. Am. 127, EL19 (2010).

상세보기
H. C. Song, W. S. Hodgkiss, W. A. Kuperman, W. J. Higley, K. Raghukumar, T. Akal, and M. Stevenson "Spatial diversity in passive time reversal communications," J. Acoust. Soc. Am. 120, 2067-2076 (2006).

상세보기
M. Stojanovic, J. A. Capitovic, and J. G. Proakis, "Adaptive multi-channel ombining and equalization for underwater acoustic communications," J. Acoust. Soc. Am. 94, 1621-1631, (1993).

상세보기
J. S. Kim, H. C. Song, and W. A. Kuperman, "Adaptive time-reversal mirror," J. Acoust. Soc. Am. 109, 1817-1825 (1993).
M. J. Eom, J. S. Kim, J. H. Cho, H. Y. Kim, and I. Sung, "Algorithm and experimental verification of underwater acoustic communication based on passive tme-reversal mirror" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, 392-399 (2014).

원문보기 상세보기
L. J. Griffiths and C. W. Jim, "An alternative approach to linearly constrained adaptive beamforming," IEEE Trans. Antennas Propag. 30, 27-34 (1982).

상세보기
D. H. Johnson and D. E. Dudgeon, Array Signal Processing: Concepts and Techniques (Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1993), pp. 349-371.
A. M. Zoubir, M. Viberg, R. Chellappa, and S. Theodoridis, Academic Press Library in Signal Processing: Array and Statistical Signal Processing (Academic Press, Amsterdam, 2014), pp. 527-529.

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