[논문]해양플랜트 제어 감시용 수중 다중 센서 음향 통신 기법 연구

안태석; 백창욱; 정지원

doi:10.5916/jkosme.2017.41.1.91

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본 논문에서는 해양 플랜트 수중 구조물의 감시 제어를 위한 수중 다중 센서 음향통신 기법에 대해 분석한다. 각 구조물의 상태 정보는 구조물에 부착된 센서를 통해 정보가 수중으로 전송되며, 여러 구조물의 정보를 동시에 전송 및 수신하는 최적의 기법을 제시한다. 다중 센서를 통해 동일한 주파수를 이용하여 간섭 없이 성능 열화를 감소시키는 대역확산기법을 이용하여 수중 통신 송수신단 구성을 제시하며, 수중에서의 다중 경로로 인한 성능 열화를 감소시키기 위한 RAKE 기반의 수신모델을 제시한다. 본 논문에서는 센서의 갯수를 세 개로 제한하고 센서의 개수에 따른 성능을 시뮬레이션을 통해 제안한 방식의 효율성을 증명하였다.

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In this paper, we analyzed underwater multiple sensors acoustic communication technologies for monitoring and control of offshore plants in underwater environments. Information on underwater structure of offshore plants is transmitted and received by multiple sensors at the same time. Using multiple...

In this paper, we analyzed underwater multiple sensors acoustic communication technologies for monitoring and control of offshore plants in underwater environments. Information on underwater structure of offshore plants is transmitted and received by multiple sensors at the same time. Using multiple sensors with same frequency, we employed spread spectrum techniques to avoid interferences between these multiple sensors. Owing to the multi-path characteristic in underwater communications, the performance is degraded. In order to improve the performance of underwater multiple sensors communication, we proposed turbo equalized RAKE receiver structures. Assuming that the number of sensors is fixed to three, we conformed the effectiveness of the proposed method as compared to the conventional one.

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문제 정의

일대일 통신에서의 비동기 방식 적용은 오류전파 효과가 있어 성능이 감소되며, 다중사용자 통신 환경에서는 채널 정보가 정확치 않으면 오히려 성능이 감소되는 단점들이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점들을 보완한 대역확산 방식 기반의 해양 플랜트 다중 센서 수중통신 구조를 제안하며, 이에 대한 효율적인 복호 구조를 제안한다.
따라서 본 논문에서는 다수의 수중 센서를 동일한 주파수 대역에서 사용 가능하기 위하여 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호는 곱하는 방식의 대역확산 방식 기반의 해양플랜트 다중 센서 수중 통신 구조를 제안하였고, 이에 대한 효율적인 복호 구조인 다중 채널과 같은 수중 채널 특성에 우수한 RAKE기반의 수신 구조를 제안하였다.

가설 설정

직접 수열 대역 확산 방식 기반의 각 구조물의 상태를 제어 및 통신을 위해서는 전송되는 송신부의 형태는 아래 그림 Figure 3과 같다. 여기서 각 사용자를 해양 플랜트 구조물이라 가정한다. 예를 들어 k번째 사용자의 의미는 k번째 구조물의 정보를 전송하는 센서를 의미한다.
시뮬레이션을 위해 적용된 채널 응답은 Figure 11와 같이 모든 채널 응답 특성이 동일하다고 가정하였다. 가장 먼저 도착한 신호는 해수면이나 해저면에 부딪히지 않고 바로 들어온 신호로써 amplitude가 0.

제안 방법

본 논문에서는 다양한 대역 확산 통신 기법 중 직접 수열 대역 확산 통신 기법을 적용하였다. 직접 수열 대역 확산 방식 기반의 각 구조물의 상태를 제어 및 통신을 위해서는 전송되는 송신부의 형태는 아래 그림 Figure 3과 같다.
채널 추정은 송수신기가 서로 알고 있는 패킷의 훈련 심볼을 이용하여 추정하는데, 이는 DFE 등화기의 초기 계수 값을 결정한다. Convolutional 부호기의 복호기인 Viterbi복호에서 MLD(Maximum Likelihood Detection) 기반의 복호를 하여 오류를 정정한다.
본 논문에서는 제안된 방식의 성능을 분석하기 위하여 실제 동해상에서 실험을 통하여 얻은 Sound Velocity Profile을 기초로 하여 채널을 생성한 후 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 환경은 Table 1과 Figure 10과 같다.
시뮬레이션 환경은 Table 1과 Figure 10과 같다. 해양플랜트 구조물의 개수인 사용자 센서의 수를 한 개에서 세 개로 정하고, 데이터 비트수를 10⁴ bit로 하고 대역확산을 위한 PN sequence 비트수를 8 bit로 하였고 각 센서의 식별을 위한 채널 식별 부호를 8bit로 설정하였다. 채널 부호화기로는 (2,1,7) 컨볼루션 부호화기를 사용하였고, 변조방식으로는 BPSK를 사용하였으며 복호기는 BCJR을 사용하였다.

대상 데이터

해양플랜트 구조물의 개수인 사용자 센서의 수를 한 개에서 세 개로 정하고, 데이터 비트수를 10⁴ bit로 하고 대역확산을 위한 PN sequence 비트수를 8 bit로 하였고 각 센서의 식별을 위한 채널 식별 부호를 8bit로 설정하였다. 채널 부호화기로는 (2,1,7) 컨볼루션 부호화기를 사용하였고, 변조방식으로는 BPSK를 사용하였으며 복호기는 BCJR을 사용하였다. 중심 주파수는 16 kHz, 샘플링 주파수는 192 kHz로 하였고, 데이터 속도는 187.

데이터처리

시뮬레이션은 전체 사용자 수 K와 RAKE 수신구조의 유무에 따른 각 사용자의 평균 성능을 BER(Bit Error Ratio) 곡선 그래프로 나타내었다.

이론/모형

PN 부호는 이상적으로 지연되지 않았을 경우, 가장 큰 상관관계 값을 가지게 되고 그 외의 경우에는 상관관계 값이 매우 작아진다. 상관관계를 구하고 적분을 통하여 복조를 한 다음, 각각의 탭들의 출력 값들을 이용하여 최대 비 합성법(MRC : Maximum Ratio Combining)을 사용하여 합성 한 뒤 신호를 복호하게 된다.
RAKE과정을 거친 후 다중경로의 효과를 제거하기 위하여 결정 궤환 등화기(DFE : Decision Feedback Equalizer)를 이용한다[11]. 채널 추정은 송수신기가 서로 알고 있는 패킷의 훈련 심볼을 이용하여 추정하는데, 이는 DFE 등화기의 초기 계수 값을 결정한다.

성능/효과

Figure 12 (d)는 임계 값을 적용한 RAKE 수신구조에 반복횟수를 3으로 하였을 때의 결과를 나타낸 그래프이다. 반복을 하지 않았을 경우 보다 사용자의 수가 하나일 때와 사용자의 수가 3일 때 각각 1 dB와 0.5 dB의 성능 향상을 관찰 할 수 있었다.
시뮬레이션 결과, RAKE 수신구조에 임계 값을 적용하였을 때 가장 우수한 성능을 확인 할 수 있었으며, 여러 사용자의 데이터를 사용하여 송신하여도 수신 측에서는 원하는 사용자의 데이터를 복호 가능함을 알 수 있었다. 그리고 사용자의 수가 늘어남에 따라 성능이 열악해지는 것과 반복을 통한 성능 향상 또한 관찰 할 수 있었다.
시뮬레이션 결과, RAKE 수신구조에 임계 값을 적용하였을 때 가장 우수한 성능을 확인 할 수 있었으며, 여러 사용자의 데이터를 사용하여 송신하여도 수신 측에서는 원하는 사용자의 데이터를 복호 가능함을 알 수 있었다. 그리고 사용자의 수가 늘어남에 따라 성능이 열악해지는 것과 반복을 통한 성능 향상 또한 관찰 할 수 있었다.
Figure 13는 기존의 Viterbi 복호 방식을 적용한 수신 구조, SIC/RAKE 수신구조와 터보 등화 기반의 RAKE 수신구조에 대하여 사용자의 수가 3일 때의 각 사용자의 평균성능 비교를 나타낸 그래프이다. Viterbi 복호 방식은 모든 데이터를 복호하지 못하였고 SIC/RAKE 수신구조는 12 dB에서 모든 데이터를 복호 할 수 있었다. 마지막으로 제안한 터보 등화 기반의 RAKE 수신구조는 7.
Viterbi 복호 방식은 모든 데이터를 복호하지 못하였고 SIC/RAKE 수신구조는 12 dB에서 모든 데이터를 복호 할 수 있었다. 마지막으로 제안한 터보 등화 기반의 RAKE 수신구조는 7.5 dB에서 모든 데이터를 복호 할 수 있었다.
또한 시뮬레이션을 통하여 다수의 사용자에 대한 데이터를 사용하였음에도 원하는 사용자의 데이터를 모두 복호가 가능함을 알 수 있음을 확인 하였으며 제안하는 송수신 구조가 효과적으로 사용할 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과거 해양에 관한 연구 특징은?	과거 해양에 관한 연구는 군사적인 목적에 국한되어 주로 수중 음원 탐지 및 추적에 관한 연구가 이루어졌다. 하지만 최근 해양 자원 개발이 활발해지면서 해양에 대한 관심이 고조되고, 다양한 분야에서의 연구가 진행되고 있다.
	해양 연구의 필수적인 기술은?	하지만 최근 해양 자원 개발이 활발해지면서 해양에 대한 관심이 고조되고, 다양한 분야에서의 연구가 진행되고 있다. 특히 해양에서의 수중 음향 통신은 해양 연구의 필수적인 기술로써 응용분야가 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 해양 플랜트 분야로 확대되어 해양 플랜트 건설을 위해 수상뿐만 아니라 수중에서도 많은 작업이 이루어지고 있다.
	DPSK 방식의 단점은?	일대일 수중 통신에서는 비동기 방식인 DPSK(Differential Phase Shift Keying)방식을 이용한 RAKE 수신기를 적용하며, 다중 사용자일 경우에는 논문 [3]에서와 같이 SIC(Successive Interference Cancelation) 방식을 이용하여 다른 사용자의 간섭을 제거하여 RAKE 방식을 적용하는 논문이 대부분이다. 일대일 통신에서의 비동기 방식 적용은 오류전파 효과가 있어 성능이 감소되며, 다중사용자 통신 환경에서는 채널 정보가 정확치 않으면 오히려 성능이 감소되는 단점들이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점들을 보완한 대역확산 방식 기반의 해양 플랜트 다중 센서 수중통신 구조를 제안하며, 이에 대한 효율적인 복호 구조를 제안한다.

참고문헌 (14)

M. Stojanovic, J. G. Proakis, J. A. Rice, and M. D. Green, "Spread spectrum underwater acoustic telemetry," IEEE OCEANS '98 Conference Proceedings, vol. 50, pp. 650-654, 1988
Z. Zhao and S. Guo, "Design of an acoustic communication system based on FHMA for multiple underwater vehicle," Scientific Research, vol. 1, no. 1, 2010.
K. Ouertani, S. Saodio, M. Ammar, and S. Houcke, "Performance comparison of RAKE and SIC/RAKE receivers for multiuser underwater acoustic communication applications," IEEE OCEANS 2007-Europe, pp. 1-6, 2007.
L. Freitag and M. Stojanovic, "MMSE acquisition of DSSS acoustic communications signals," OCEANS '04. MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN '04, vol. 1, pp. 14-19, 2004.
S. J. Honade and Dr. P. V. Ingole, "Removal of Multiple Access Interference in DS-CDMA System," International Journal of Scientific and Research Publications, vol. 2, pp. 1-6, 2012.
T. C. Yang and W. B. Yang, "Low signal-to-noise-ratio underwater acoustic communication using direct-sequence spread spectrum signals," IEEE Oceans 2007, pp. 821-826, 2007.
M. Stojanovic, J. Catipovic, and J. Proakis, "Phase coferent digital communications for underwater acoustic channel," IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 19, pp.100-111, 1994.

상세보기
F. Blackmon, E. Sozer, M. Stojanovic, J. Proakis, D. P. Shea, and J. E. Mitchell, "Performance comparison of RAKE and hypothesis feedback direct sequence spread spectrum techniques for underwater communication Applications," Proceeding of MTS/IEEE OCEANS, vol. 1, pp. 594-604, 2002.
H. Z. Stefanovic, A. M. Savic, S. D. Veljkovic, and D. N. Milic, "Simulation models of RAKE receiver in DS-CDMA multipath propagation environment," International Journal of Computer and Information Technology, vol. 3, pp. 34-39, 2012.
H. Kulhandjian, T. Melodia, and D. Koutsonikolas, "Securing unserwater acoustic communication through analog network coding," Proceedings of the 2014 Eleventh Annual IEEE International Conference on Sensing, Communication and Networking(SECON), pp. 266-274, 2014.
K. Ouertani, S. Saoudi, M. Ammar, and S. Houcke, "Performance Comparison of RAKE and SIC/RAKE Receiver for Multiuser Underwater Acoustic Communication Applications," IEEE OCEANS 2007-Europe, pp. 1-6, 2007.
K. Berberdis, T. Rontogiannis, and S. Theodoridis, "Efficient block implementation of LMS based DFE," Proceedings of the 13th Digital Signal Processing International Conference, vol. 1, pp. 143-146, 1997.
L. R. Bahl, J. Cocke, F. Jelinek, and J. Raviv, "Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 20, pp. 284-287, 1974.
K. Berberdis, T. Rontogiannis, and S. Theodoridis, "Efficient block implementation of the LMS based DFE," Digital Signal Processing Proceedings, vol. 1, pp. 143-146, 1997.

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