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부산인근 해역의 수중음향통신 채널특성과 다중반송파 시스템의 성능
Characteristics of Underwater Acoustic Channel and Performance of Multi-Carrier System in Littoral Ocean near Busan City 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.12, 2017년, pp.2394 - 2402  

김종주 (Dept. of Information and Communications Engineering, Pukyong National University) ,  박지현 (Dept. of Information and Communications Engineering, Pukyong National University) ,  배민자 (Dept. of Information and Communications Engineering, Pukyong National University) ,  윤종락 (Dept. of Information and Communications Engineering, Pukyong National University)

초록
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수심이 얕은 연안에서는 다중경로에 의한 주파수 선택적인 페이딩이 수중음향통신시스템의 성능을 결정한다. 본 연구에서는 수심 약 50m이고 유효파고 0.5m, 사니질 저질인 부산인근 해역의 수중음향통신 채널의 특성과 다중반송파 음향통신시스템의 성능을 평가하였다. 송수신기 수평거리에 따른 다중경로 지연 확산과 시간영역 및 주파수 영역 페이딩 특성을 제시하고 전송률 1kbps인 5ch-4FSK 시스템의 비트 오류율을 평가하였다. 시간영역 페이딩 오류를 제거하기 위해 리드 솔로몬 코드를 적용하였다. 다중경로는 4개 이하로 구성되며 송수신기 거리가 증가하면 시간 및 주파수 영역 페이딩은 작아지며 시스템의 비트 오류율은 감소하고 600m 이상의 거리에서 비트 오류율은 약 10-4 이었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The frequency selective fading by multipaths determines a performance of underwater acoustic communication system in shallow littoral ocean. In this study, a characteristics of underwater acoustic channel and performance of multi-carrier system is evaluated in littoral ocean with a 50m deep water, a...

주제어

#수중 음향 통신 시스템   #수중 다중경로   #지연확산   #다중경로 페이딩   #채널코딩  

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

제안 방법

  • 5m, 사니질 저질인 부산인근 해역에서 전송율 1kbps인 5ch-4FSK 시스템의 성능을 송수신기 수평거리 300m, 600m, 1,200m 및 2,400m에서 평가하였다. 각 거리의 다중 경로 확산과 다중경로 간섭에 따른 시간 및 주파수 영역 페이딩 모델을 제시하고 이에 따른 비트 오류율 특성을 해상실험으로 해석하였다.
  • 그림 2에서 보는 바와 같이 송신기와 수신기의 수심은 각각 20m와 10m이며 수신기 탑재 선박에서 AML Oceanographic Base X를 이용하여 수직 음속 구조를 측정하였다. 그림 4는 각 거리의 수직음속 구조로 평균값은 약 -0.
  • 본 연구에서는 채널대역이 좁은 천해인 해역에서 수중무인잠수정의 제어 혹은 수중 감시 장치 제어 등에서 요구되는 전송 시스템을 고려하여 전송율 1kbps인 5Ch-4FSK 다중반송파 시스템을 설계하고 부산인근 해역의 주파수 선택적인 페이딩에 의한 심벌 내의 다중경로 간섭에 의한 상쇄간섭주파수(deep fading frequency) 따른 비트 오류율을 해석하였다.
  • 이 경우 각 채널의 4FSK 직교주파수 간의 최소 주파수 편차는 50Hz이다. 본 연구에서는 최소 편차의 2배로 4FSK 주파수를 설정하고 채널간의 간섭을 최소화하기 위한 보호대역은 100Hz로 하였다. 각 채널의 주파수 할당은 표 1과 같다.
  • 5m로 관측되었다. 송수신기의 거리는 수평거리 기준으로 6dB의 전송손실 차이를 갖도록 약 300m, 600m, 1200m 및 2400m로 하였다. 거리에 따른 송신기의 출력은 일정하게 하여 300m와 2400m의 직접파의 크기 차이는 약 18dB이다.
  • 수심 약 50m이고 유효파고 0.5m, 사니질 저질인 부산인근 해역에서 전송율 1kbps인 5ch-4FSK 시스템의 성능을 송수신기 수평거리 300m, 600m, 1,200m 및 2,400m에서 평가하였다. 각 거리의 다중 경로 확산과 다중경로 간섭에 따른 시간 및 주파수 영역 페이딩 모델을 제시하고 이에 따른 비트 오류율 특성을 해상실험으로 해석하였다.

대상 데이터

  • 원거리에서는 중첩되어 나타나며 식(3)의 해면 거칠기의 크기가 작아져 시변성분이 작아진다. 조사해역의 다중경로는 굴절 경로가 없는 천해로 신호 세기가 큰 경로는 5개 이하로 제한된다.
  • 해상실험은 2016년 9월 25일 부산 해운대 앞바다 수심 약 50m에서 수행되었다. 실험 장치 구성은 그림 2와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
낮은SNR로 인한 오류를 해결하기 위해 사용하는 기존 방법은? 에서 특정 반송파가 주파수 선택적인 페이딩의 상쇄 간섭(deep fading) 주파수가 될 경우 낮은SNR이 되어 오류가 증가한다. 이에 대응하기 위해서 MMSE(Minimum Mean Square Error)를 적용한 등화기를 적용하지만 시변 채널의 경우 OFDM의 부반송파간의 직교성이 확보되지 못하여 부가적인 오류의 원인이 된다[7]. 저속전송의 경우는 심벌 내의 다중경로 간섭에 의한 상쇄간섭주파수를 회피하여 반송주파수를 선택할 수 있으나 대역효율이 좋은 고속전송을 위한 OFDM이나 MFSK 시스템의 경우 반송파의 선택은 제한된다.
전송신호 대역을 다수의 반송파로 나누어 전송하는 방법에 해당하는 것은? 따라서 전송신호 대역을 다수의 반송파로 나누어 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이나 MFSK(Mary Frequency Shift Keying).에서 특정 반송파가 주파수 선택적인 페이딩의 상쇄 간섭(deep fading) 주파수가 될 경우 낮은SNR이 되어 오류가 증가한다.
천해의 특징은? 수온 약층이 없는 천해는 깊이에 따른 수온의 변화가 심하지 않아 매질내의 굴절 경로는 수신되지 않고 연안의 퇴적 지반은 모래 혹은 펄로 구성되어 있다. 이러한 환경에서 수신되는 다중경로는 직접파, 해면반사파 및 해저 반사파로 구성되고 2회 이상 해저에서 반사되는 경로는 상대적으로 신호세기가 약하게 되며 기존의 연구 결과에 의하면 천해의 다중경로는 3~4개로 제한됨을 보인다[2-5].
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참고문헌 (13)

  1. D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of the art in underwater acoustic telemetry," IEEE Oceanic Engineering Society, vol. 25, pp. 4-27, Jan. 2000. 

    상세보기 crossref

  2. K. C. Park, J. Park, S. W. Lee, J. W. Jung, J. Shin, and J. R. Yoon, "Performance evaluation of underwater acoustic communication in frequency selective shallow water," Journal of Acoustical Society of Korea, vol. 32, no. 2, pp. 95-103, Feb. 2013. 

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  3. X. Dandan, C. Seo, J. Park, and J. R. Yoon, "Impact of surface scattering on performance of QPSK," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 18, no. 8, pp. 1818-1826, Aug. 2014. 

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  4. T. C. Yang, " Measurements of temporal coherence of sound transmissions through shallow water," Journal of Acoustical Society of America, vol. 120, pp. 2595-2614, Oct. 2006. 

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  5. T. C. Yang, "Properties of underwater acoustic communication channels in shallow water," Journal of Acoustical Society of America, vol. 131, pp. 129-45, Jan. 2012. 

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  6. J. Kim, J. Park, M. Bae, K. C. Park, and J. R. Yoon, "Effect of frequency dependent multipath fading on non-coherent underwater communication system," Journal of Acoustical Society of Korea, vol. 35, no. 4, pp. 295-302, Jul. 2016. 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. L. Wan and V. K. Dubey, "erformance of frequency and time domain coded OFDM over fast fading LEO channels,"in Proceedings of IEEE/AFCEA EUROCOMM 2000, IEEE/AFCEA, pp. 179-183, 2000. 

  8. H. Medwin and C. S. Clay, Fundamentals of Acoustical Oceanography, New York NY: Academic Press, pp. 209 and 577, 1998. 

  9. J. Park, K. Park, and J. R. Yoon, "nderwater acoustic communication channel simulator for flat fading," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 49, pp. 07HG101-4, Jul. 2010. 

  10. M. Bae, J. Park, J. Kim, D. Xue, K. C. Park, and J. R. Yoon, "Frequency-selective fading statistics of shallowwater acoustic communication channel with a few multipaths," Japanese Journal of Applied Physics. vol. 55, pp. 07KG031-7, Jul. 2016. 

  11. C. Seo, J. Park, K. C. Park, and J. R. Yoon, "Performance comparison of convolution and Reed-Solomon codes in underwater multipath fading channel," Japanese Journal of Applied Physics. vol. 53, pp. 07KG021-3, Jul. 2014. 

  12. J. Park, C. Seo, K. C. Park, and J. R. Yoon, "Effectiveness of convolution code in multipath underwater acoustic channel," Japanese Journal of Applied Physics. vol. 52, pp. 07HG011-3, Jul. 2013. 

  13. M. Bae, X. Dandan, J. Park, and J. R. Yoon, "Multipath fading channel characterization and performance of forward error correction codes in very shallow water," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 10, pp. 2247-2255, Oct. 2015. 

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