[논문]수중 음향 다중 경로 채널에서 수중 음향 통신 시스템 성능 분석

이호준; 강지웅; 안종민; 정재학

doi:10.17703/jcct.2017.3.4.191

수중 음향 다중 경로 채널에서 수중 음향 통신 시스템 성능 분석
Performance Analysis of UWA Communication System by Diversity in UWA Channel 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.3 no.4, 2017년, pp.191 - 198

이호준 (인하대학교 전자공학과) , 강지웅 , 안종민 , 정재학 (인하대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 수중의 시간적으로 긴 다중 경로 채널 환경에서 Code Division Multiple Access(CDMA)와 Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)의 전송성능을 비교 분석한다. 이를 위해 서해 정점의 수중 환경 자료를 기반으로 Bellhop을 /통해 수중 다중 경로 채널을 생성한다. 이를 기반으로 한 다양한 수중 채널을 통해 수중 음향 통신방식으로 사용되는 CDMA와 OFDM의 BER 성능을 비교 분석하였다. 실험 결과 CDMA의 경우 수중 채널의 다중 경로 시간이 Spreading Factor(SF)에 의한 시간보다 짧은 경우 OFDM보다 성능이 우수하였지만 채널의 시간 지연이 길어짐에 따라 OFDM이 CDMA 보다 BER 성능이 우수함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we compare the transmission performance of Code Division Multiple Access (CDMA) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) under long duration multipath channel environments. This paper generates underwater channels through Bellhop based on the underwater environmental data of the west sea. BER performance of CDMA and OFDM are analyzed through various underwater channels based on the channels. Computer simulations result show that CDMA has better performance than OFDM when multipath delay time of underwater channel is shorter than spreading factor (SF). However, OFDM has better BER performance than CDMA as multi-path delay time increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수중 음향 채널이 다중 경로를 갖는 경우 CDMA와 OFDM의 성능을 비교 분석하였다. CDMA의 경우 지연시간이 SF로부터 Rake 수신기를 사용할 수 있는 범위 내에 존재하는 경우에는 시간 다이버시티 이득을 얻을 수 있기 때문에 OFDM에 비해 성능이 우수하였다.

가설 설정

수중 통신 시 발생하는 조류의 흐름을 반영하기 위해 최대 도플러 확산은 4Hz로 가정하였다. 그리고 수중 통신시스템의 대역폭은 4kHz로 설정하였으며 거리에 따르는 경로손실은 식 (1)을 사용하였다.

제안 방법

OFDM 전송방식에서 그림 6에 주어진 실효 지연확산 (root mean square(rms) delay spread)에 따른 상관 대역폭을 고려하여 설계하였으며 주파수 영역에서 4번의 반복 전송 기법을 이용한다. PAPR을 4, 6, 8dB로 클리핑 한 후 각각에 대하여 성능을 분석하였다.
OFDM 전송방식에서 그림 6에 주어진 실효 지연확산 (root mean square(rms) delay spread)에 따른 상관 대역폭을 고려하여 설계하였으며 주파수 영역에서 4번의 반복 전송 기법을 이용한다. PAPR을 4, 6, 8dB로 클리핑 한 후 각각에 대하여 성능을 분석하였다.
실제 수중 채널 환경에 적합한 통신 시스템을 설계하기 위해 한국 태안 앞바다에 위치한 서해정점의 수온 음속정보를 이용한다. 거리 5km 에서 Bellhop 음선 기반 채널 모델링 기법을 이용하여 수중 채널 응답 특성을 구하였고 이에 따라 SC, CDMA와 OFDM의 전송을 위한 통신 변수들을 설계 하였다.
다중 경로 채널의 길이와 크기에 변화를 주어가며 성능 변화를 분석하였다. 그리고 CDMA의 성능을 분석하기 위해 단일 반송파(single carrier: SC) 변조 방식을 이용하였으며 시간 영역에서 8번 반복 하여 전송하였다. 전산 모의실험에 사용된 SNR은 표 2에 나타내었다.
본 장에서는 단일 반송파 전송방식과 CDMA 그리고 OFDM 시스템을 수중 채널 환경 변화에 따른 성능 비교를 하기 위해 서해의 한 정점에 대한 수중 환경을 기반으로 Bellhop을 이용하여 채널을 모델링하고 이에 따르는 통신 변수들을 설계하였다. 그리고 수중 채널의 지연시간과 경로이득을 변화시켜 가며 BER 성능을 비교 분석함으로써 주어진 채널환경에 적합한 전송방식에 대한 분석을 하였다.
다양한 수중 채널 환경에서의 성능을 분석하기 위해 그림 4〜6에 나타낸 수중 채널과 유사한 채널을 생성하였으며 분석에 사용된 수중 채널 모델은 단일 경로 그리고 2-way와 3-way의 다중 경로이다. 다중 경로 채널의 길이와 크기에 변화를 주어가며 성능 변화를 분석하였다. 그리고 CDMA의 성능을 분석하기 위해 단일 반송파(single carrier: SC) 변조 방식을 이용하였으며 시간 영역에서 8번 반복 하여 전송하였다.
두 번째 경로와 세 번째 경로의 크기를 각각 첫 번째 경로 크기에 73%, 50%가 되도록 설정하였으며 지연시간을 늘려가며 채널을 생성하였다.
2-way 다중 경로 채널에서의 SC, CDMA, OFDM의 BER을 표 4에 나타내었다. 두 번째 경로의 시간을 5msec, 10msec, 20msec 그리고 크기는 첫 번째 경로의 75%가 되도록 설정하였으며 각각 CH1, CH2, CH3라 하였다.
그림 4〜6에서 보는 바와 같이 수중 채널은 동일 위치임에도 불구하고 조류의 흐름이나 수온 등의 변화로 채널이 다양하게 나타난다. 따라서 본 논문에서는 다양한 채널 환경에 대한 분석을 위해 그림 4〜6을 기반으로 하는 채널을 임의로 생성하여 CDMA와 OFDM의 성능을 분석하는 전산 모의실험을 수행한다.
본 논문에서는 다양한 다중 경로를 갖는 수중 채널에서의 CDMA와 OFDM의 채널환경에 따라 달라지는 성능을 분석하기위해 BER을 비교한 후 두 전 송기법의 장단점을 분석한다. 이를 위해 수중 채널을 경로의 개수, 지연 확산 및 경로 이득을 변화시키면서 전송 성능 분석을 한다.
본 장에서는 단일 반송파 전송방식과 CDMA 그리고 OFDM 시스템을 수중 채널 환경 변화에 따른 성능 비교를 하기 위해 서해의 한 정점에 대한 수중 환경을 기반으로 Bellhop을 이용하여 채널을 모델링하고 이에 따르는 통신 변수들을 설계하였다. 그리고 수중 채널의 지연시간과 경로이득을 변화시켜 가며 BER 성능을 비교 분석함으로써 주어진 채널환경에 적합한 전송방식에 대한 분석을 하였다.
다중 경로 채널은 수중의 해수면과 해저지형에 의해 반사파가 발생되기 때문에 나타나는 현상으로 음파의 속도가 빛의 속도에 비해 느리므로 다중 경로의 길이가 지상보다 긴 특징이 있다. 본장에서는 이 두 가지 수중 환경에 대한 것을 알아보고 이를 이용하여 수중 통신 기법 성능 분석에 사용한다.
위의 실험들을 통해 다중 경로에서 지연시간에 따른 CDMA와 OFDM 전송 방식의 BER 성능을 분석하였다. CDMA의 경우 SF를 크게 하여 다중 경로에 대하여 시간 영역 다이버시티 얻음으로써 우수한 성능을 얻을 수 있으나 전송률 저하로 인해 SF를 크게 하지 못하는 경우가 발생한다.
본 논문에서는 다양한 다중 경로를 갖는 수중 채널에서의 CDMA와 OFDM의 채널환경에 따라 달라지는 성능을 분석하기위해 BER을 비교한 후 두 전 송기법의 장단점을 분석한다. 이를 위해 수중 채널을 경로의 개수, 지연 확산 및 경로 이득을 변화시키면서 전송 성능 분석을 한다.

대상 데이터

다양한 수중 채널 환경에서의 성능을 분석하기 위해 그림 4〜6에 나타낸 수중 채널과 유사한 채널을 생성하였으며 분석에 사용된 수중 채널 모델은 단일 경로 그리고 2-way와 3-way의 다중 경로이다. 다중 경로 채널의 길이와 크기에 변화를 주어가며 성능 변화를 분석하였다.
실제 수중 채널 환경에 적합한 통신 시스템을 설계하기 위해 한국 태안 앞바다에 위치한 서해정점의 수온 음속정보를 이용한다. 거리 5km 에서 Bellhop 음선 기반 채널 모델링 기법을 이용하여 수중 채널 응답 특성을 구하였고 이에 따라 SC, CDMA와 OFDM의 전송을 위한 통신 변수들을 설계 하였다.

이론/모형

이와 같은 문제를 극복하기 위한 방법으로 신호의 대역 확산(spread spectrum) 방식을 이용한 Code Division Multiple Access(CDMA) 전송방식과 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 전송방식을 이용한다[2].

성능/효과

CDMA의 경우 지연시간이 SF로부터 Rake 수신기를 사용할 수 있는 범위 내에 존재하는 경우에는 시간 다이버시티 이득을 얻을 수 있기 때문에 OFDM에 비해 성능이 우수하였다. Rake 수신기를 사용할 수 없는 경우에도 다중 경로 신호가 직교 코드에 의해 ISI가 감소되어 SC에 비해 성능이 우수함을 보였다. OFDM의 경우 지연시간이 CP로부터 ISI로 인한 영향을 줄일 수 있으며 지연시간이 길 경우 주파수 선택적 페이딩으로부터 다이버시티 이득을 얻어서 CDMA에 비해 성능이 우수함을 보였다.
CDMA의 경우 SF를 크게 하여 다중 경로에 대하여 시간 영역 다이버시티 얻음으로써 우수한 성능을 얻을 수 있으나 전송률 저하로 인해 SF를 크게 하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 수중 채널의 다중 경로 시간이 SF의 길이정도에 해당하는 근거리 통신에는 CDMA를 사용하는 것이 OFDM을 사용하는 것보다 유리하다. 그러나 다중경로의 지연시간이 SF보다 길어지는 경우에는 OFDM 전송방식이 CDMA 보다 BER 성능이 우수함을 알 수 있다.
OFDM의 경우 PAPR 및 경로 손실을 보전하기 위해 4dB 정도로 클리핑을 적용하여 평균 출력을 올린 것이 클리핑을 적게 적용하여 전송 출력을 back-off 한 것보다 BER 성능이 좋아짐을 알 수 있다. 또한 다중 경로가 존재할 때 지연시간이 긴 경우 Bc 주파수 대역폭이 줄어들어 주파수 다이버서티 이득을 얻는 데 유리하고 CP로부터 ISI 영향을 감소시키므로 CDMA에 비해 BER 성능이 우수함을 알 수 있다.
실험 결과 다중 경로의 지연시간이 짧은 경우에는 OFDM에 비해 CDMA의 성능이 우수하며 지연시간이 긴 경우에는 OFDM이 CDMA 보다 성능이 우수함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OFDM 전송방식의 장점은 무엇인가?	CDMA 전송방식은 긴 확산 부호의 직교성을 이용해서 다중 경로에 의한 ISI 문제를 줄일 수 있으며 낮은 PAPR (Peak-to-Average Powr Ratio)로 인해 OFDM보다 장거리 전송에 유리하다. OFDM 전송방식은 CP(Cyclic Prefix) 삽입을 통해 ISI 효과를 제거할 수 있으며 1-tap의 간단한 등화기의 사용이 가능해 수신기의 복잡도를 줄일 수 있는 장점도 있다. 수중에서는 지상에서와 달리 음파를 사용하므로 할당할 수 있는 대역폭이 좁다.
	OFDM 전송방식이란 무엇인가?	OFDM 전송방식의 블록도를 그림 2에 나타내었다. OFDM 전송방식은 IFFT/FFT를 통해 전송하고자하는 데이터를 여러 개의 부반송파에 나누어 주파수상에서 병렬로 전송함으로써 최종 전송 심볼 길이를 길게 하여 다중 경로에 강인한 전송을 할 수 있는 방법이다. CP를 수중 채널의 다중 경로 지연시간보다 길게 하여 OFDM 심볼 앞에 삽입하면 다중 경로로부터 발생하는 효과를 줄일 수 있으므로 시간 도메인에서 발생하는 ISI를 제거할 수 있다.
	수중 음향 통신에서 나타나는 inter symbol interference의 문제를 해결하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	이와 같은 문제를 극복하기 위한 방법으로 신호의 대역 확산(spread spectrum) 방식을 이용한 Code Division Multiple Access(CDMA) 전송방식과 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 전송방식을 이용한다[2]. CDMA 전송방식은 긴 확산 부호의 직교성을 이용해서 다중 경로에 의한 ISI 문제를 줄일 수 있으며 낮은 PAPR (Peak-to-Average Powr Ratio)로 인해 OFDM보다 장거리 전송에 유리하다.

참고문헌 (6)

I. A. Dario, I. F. Akyildiz, D. Pompili, and M. Melodia, "Underwater Acoustic Sensor Networks: Research Challenges," J. Ad Hoc Networks, VOL. 3, No. 3, P257-P279, Mar. 2005.

상세보기
K. Fazel, "Performance of CDMA/OFDM for mobile communication system," in Proc. IEEE Int. Conf. Universal Pers. Comm., VOL. 2, P975-P979, Oct. 1993.
J.Aktman, B.Z. Bobrovsky and L.Hanzo, "Peak-to-Average Power Ratio Reduction for OFDM Modems", Proc. VTC'2003 (Spring), Jeju, S.Korea, 2003.
J. W. Han, Y. J. Son and K. M. Kim, "Performance Analysis of Acoustic Communication Using OFDM Modulation in Underwater," J. Navigation and Port Research, VOL. 34, No. 10, P769-P774, 2010.

원문보기 상세보기
K. Saraswathi, Netravathi K A and S Ravishankar, "A Study on channel modeling of underwater acoustic communication," International Journal of Research in Computer and Communication Technology, VOL 3, No. 1, Jan. 2014.
D. D. Tan, T. T. Le and D. S. Kim, "Distributed cooperative transmission for underwater acoustic sensor networks," in IEEE Wireless Communication and Networking Conference Workshops(WCNCW), Shanghai, China, April 2013.

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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