최근에는 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 수중 레이저 통신에 관한 연구가 활발하다. 그러나 수중 레이저 통신은 수중에서 신호의 흡수, 산란 등으로 인한 왜곡에 의해 성능이 감소하며, 이를 보완하기 위하여 채널 부호화 방식을 적용한다. 초기에는 구현이 간단한 RS 부호 및 BCH 부호를 적용하였으나, 거리의 확장, 성능 향상, 해양 채널 환경의 열악성 때문에 강력한 채널 부호화 기술이 요구되었으며, 적용 가능한 부호화 기법들 중 LDPC 부호 방식의 연구가 주목받고 있다. 본 논문에서는 LDPC 부호화 방식과 M-ary PPM 변조 방식을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. LDPC는 부호어의 크기 N과 M-ary PPM 변조 방식에서 M의 크기, 송수신간의 거리 등에 따라 성능 분석하였으며, 시뮬레이션 결과 M-ary PPM에서 M의 값이 성능을 좌우하는 요소임을 확인하였다.
최근에는 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 수중 레이저 통신에 관한 연구가 활발하다. 그러나 수중 레이저 통신은 수중에서 신호의 흡수, 산란 등으로 인한 왜곡에 의해 성능이 감소하며, 이를 보완하기 위하여 채널 부호화 방식을 적용한다. 초기에는 구현이 간단한 RS 부호 및 BCH 부호를 적용하였으나, 거리의 확장, 성능 향상, 해양 채널 환경의 열악성 때문에 강력한 채널 부호화 기술이 요구되었으며, 적용 가능한 부호화 기법들 중 LDPC 부호 방식의 연구가 주목받고 있다. 본 논문에서는 LDPC 부호화 방식과 M-ary PPM 변조 방식을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. LDPC는 부호어의 크기 N과 M-ary PPM 변조 방식에서 M의 크기, 송수신간의 거리 등에 따라 성능 분석하였으며, 시뮬레이션 결과 M-ary PPM에서 M의 값이 성능을 좌우하는 요소임을 확인하였다.
Recent studies have been received much attention on underwater laser communication, which is capable of high data rate. However, in underwater laser communication, distortions caused by absorption and scattering induced performance degradation. A typical way to improve performance is to apply channe...
Recent studies have been received much attention on underwater laser communication, which is capable of high data rate. However, in underwater laser communication, distortions caused by absorption and scattering induced performance degradation. A typical way to improve performance is to apply channel coding technique. In the beginning of studies, simple methods such as RS and BCH coding techniques were applied. However, due to distance expansion and performance improvement, channel coding methods with low error probability such as LDPC coded method were applied. In this paper, we analyzed the performance according to the size of the code word N, the distance between the transceivers and the size of the M of the M-ary PPM modulation scheme. Simulation results show that parameter M of M-ary PPM is most effect on performance.
Recent studies have been received much attention on underwater laser communication, which is capable of high data rate. However, in underwater laser communication, distortions caused by absorption and scattering induced performance degradation. A typical way to improve performance is to apply channel coding technique. In the beginning of studies, simple methods such as RS and BCH coding techniques were applied. However, due to distance expansion and performance improvement, channel coding methods with low error probability such as LDPC coded method were applied. In this paper, we analyzed the performance according to the size of the code word N, the distance between the transceivers and the size of the M of the M-ary PPM modulation scheme. Simulation results show that parameter M of M-ary PPM is most effect on performance.
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문제 정의
LDPC 부호의 적용은 2009년도부터 연구되어져 왔는데 주로 PPM 변조 방식과 결합되어왔다. 따라서 본 논문에서는 수중 레이저 채널 모델을 기반으로 LDPC 부호어의 크기, 수중 채널 감쇠 계수, M-ary PPM 변조 방식에서의 M값에 따라 성능분석 하며 성능에 가장 큰 영향을 미치는 파라메타를 제시한다.
02로 고정시키고 오류율 10-3에서 요구되는 신호전력 대 잡음 비율 즉, EsNo에 따라 각 파라메타인 거리 R, 부호어의 크기 N, 변조차수 M에 대한 성능 곡선을 그림 6에 나타내었다. 본 논문에서 고려한 거리, 부호어의 크기, 변조차수 중 성능에 많은 영향을 미치는 파라메타를 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 6에서 blue line은 변조 차수 M = 4와 거리 R = 10m로 고정하고 부호어의 크기 N에 따른 성능을 나타내었다.
본 논문에서는 그림 2와 같은 수중레이저 송수신 모델로 성능을 평가하였다.
수중 음향 통신은 다중 경로로 인한 심볼 간 간섭으로 인하여 성능이 열화 되는 점에 비해 수중 레이저 통신에서는 수중에서의 레이저 흡수, 산란 등으로 인한 왜곡이 성능 열화의 주요 원인으로 파악되고 있다. 본 논문에서는 청록 레이저를 이용한 수중통신에 적용 가능한 채널 부호화 기술 및 전송 방식에 대하여 분석하였으며, 복호 속도 및 성능 측면에서 적합한 LDPC 부호를 적용하였다. 변조 방식으로는 고속 전송이 가능한 M-ary PPM 변조 방식을 적용하였다.
가설 설정
변조 방식으로는 고속 전송이 가능한 M-ary PPM 변조 방식을 적용하였다. 채널 환경의 감쇠 계수 k는 청록 레이저로 가정하여 0.02로 고정하였으며, 부호어의 크기 N, M-ary PPM에서의 M, 송수신 거리 R에 따른 성능을 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 N이 클수록, R, M이 작을수록 성능이 향상됨을 확인하였으며, 성능은 부호어의 크기 N보다는 M-ary PPM의 M에 대한 영향을 많이 받음을 확인하였고, 동일한 M에 대해 송수신 거리가 짧을 때는 영향을 덜 받으나 거리가 길수록 영향을 많이 받음을 알 수 있었다.
제안 방법
2장의 내용을 기반으로 본 논문에서는 아래 표 2와 같은 파라메타를 이용하여 시뮬레이션을 통한 성능 분석을 하였다. M-ary PPM의 M의 크기, LDPC 부호어의 크기 N과 송수신기 거리 R을 변화시키며 성능을 비교 분석하였다.
2장의 내용을 기반으로 본 논문에서는 아래 표 2와 같은 파라메타를 이용하여 시뮬레이션을 통한 성능 분석을 하였다. M-ary PPM의 M의 크기, LDPC 부호어의 크기 N과 송수신기 거리 R을 변화시키며 성능을 비교 분석하였다.
하지만 흡수 및 산란등으로 인해 전송 거리에 따른 손실이 매우 크므로 음파에 비해 전송 거리가 제한적이며, 전송률은 송수신 거리와 해수의 탁도 등에 의해 결정되는 신호 대 잡음 비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)에 의하여 제한된다. 수중 레이저 통신 채널 환경에서 적용가능한 부호화 방식 중 성능 및 속도 관점에서 비교하였을 때 수중 레이저 통신 환경에서는 LDPC(Low Density Parity Check) 부호의 적용이 적합하며, LDPC 부호 방식과 변조 방식으로는 M-ary PPM(Pulse Position Modulation)을 적용하여 LDPC 부호어의 크기, M 사이즈 및 청록 레이저 채널 환경에서의 거리에 따른 성능을 분석하였다.
표 1의 특징을 바탕으로 적용 가능성을 살펴보면, 수중 레이저 통신은 다양한 수중 환경에서 성능 감쇠를 야기 시킬 수 있는 환경을 극복하기 위한 성능 향상적인 측면, 레이저 통신의 고속적인 측면에서의 복호 속도 및 전력 효율성 측면에서 본 논문에서는 수중 레이저 통신에 적합한 LDPC 부호를 기반으로 성능을 분석하였다.
대상 데이터
(a)에서 흡수율은 파장 450nm~550nm 대역에서 상대적으로 낮고, 그림 3 (b)에서 감쇠율 또한 450nm~550nm 대역에서 낮음을 알 수 있다. 따라서 흡수와 감쇠율이 상대적으로 적은 파장 450nm~550nm 대역의 청록 레이저를 사용하며, 감쇠 계수는 0.02로 적용한다. 이 때 전송률은 송수신 거리와 해수의 탁도 등에 의해 결정되는 신호 대 잡음 비에 의하여 제한된다[11].
이론/모형
본 논문에서는 청록 레이저를 이용한 수중통신에 적용 가능한 채널 부호화 기술 및 전송 방식에 대하여 분석하였으며, 복호 속도 및 성능 측면에서 적합한 LDPC 부호를 적용하였다. 변조 방식으로는 고속 전송이 가능한 M-ary PPM 변조 방식을 적용하였다. 채널 환경의 감쇠 계수 k는 청록 레이저로 가정하여 0.
성능/효과
시뮬레이션을 통해 N이 클수록, R, M이 작을수록 성능이 향상됨을 확인하였으며, 성능은 부호어의 크기 N보다는 M-ary PPM의 M에 대한 영향을 많이 받음을 확인하였고, 동일한 M에 대해 송수신 거리가 짧을 때는 영향을 덜 받으나 거리가 길수록 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 결과적으로 청록 레이저 수중 통신에서 부호어의 크기 N은 성능 보다는 청록 레이저의 전력 소모량 측면에서 고려되어야 하며, 거리 및 고속 데이터 전송에 관여되는 변조 방식의 선택이 무엇보다도 중요함을 확인하였다.
green line은 변조차수 M = 4와 N = 1944로 고정시키고, 거리 R에 따른 성능을 나타내었다. 성능 분석 결과 거리 R, 부호어의 크기 N의 변화에 대한 성능 변화는 완만하나, 변조차수 M에 따라서는 성능이 급격하게 변화됨을 확인하였다. 따라서 수중 레이저 통신에서의 성능 변화는 변조차수 M이 많은 영향을 끼침을 확인하였다.
02로 고정하였으며, 부호어의 크기 N, M-ary PPM에서의 M, 송수신 거리 R에 따른 성능을 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 N이 클수록, R, M이 작을수록 성능이 향상됨을 확인하였으며, 성능은 부호어의 크기 N보다는 M-ary PPM의 M에 대한 영향을 많이 받음을 확인하였고, 동일한 M에 대해 송수신 거리가 짧을 때는 영향을 덜 받으나 거리가 길수록 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 결과적으로 청록 레이저 수중 통신에서 부호어의 크기 N은 성능 보다는 청록 레이저의 전력 소모량 측면에서 고려되어야 하며, 거리 및 고속 데이터 전송에 관여되는 변조 방식의 선택이 무엇보다도 중요함을 확인하였다.
청록 레이저를 이용한 수중통신에서 적용이 가능한 부호화 방식으로는 RS 부호, convolutional 부호, 연접 부호, 반복 부호 방식 등이 있으며, 구현의 복잡도가 낮기 때문에 RS 부호가 2008년에 처음으로 적용되어 구현되었으며, 405nm 레이저 다이오드를 이용하여, 3.6m의 수조에서 500kbps 데이터 속도를 가지는 OOK(On-Off Keying) 변조 방식을 이용하여 전송에 성공하였고, 비부호화 된 OOK 변조 방식의 성능 보다 BER이 10-4에서 8dB의 전력을 향상시켰다. 하지만, RS 부호와 BCH 부호는 복호기의 입력 비트가 경판정 되어 복호기로 입력되는데 이는 성능 저하를 초래한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중 레이저 통신이 수중에서 성능이 감소하는 이유는?
최근에는 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 수중 레이저 통신에 관한 연구가 활발하다. 그러나 수중 레이저 통신은 수중에서 신호의 흡수, 산란 등으로 인한 왜곡에 의해 성능이 감소하며, 이를 보완하기 위하여 채널 부호화 방식을 적용한다. 초기에는 구현이 간단한 RS 부호 및 BCH 부호를 적용하였으나, 거리의 확장, 성능 향상, 해양 채널 환경의 열악성 때문에 강력한 채널 부호화 기술이 요구되었으며, 적용 가능한 부호화 기법들 중 LDPC 부호 방식의 연구가 주목받고 있다.
청록 레이저를 이용한 수중통신에서 가능한 부호화 방식은 무엇이 있는가?
청록 레이저를 이용한 수중통신에서 적용이 가능한 부호화 방식으로는 RS 부호, convolutional 부호, 연접 부호, 반복 부호 방식 등이 있으며, 구현의 복잡도가 낮기 때문에 RS 부호가 2008년에 처음으로 적용되어 구현되었으며, 405nm 레이저 다이오드를 이용하여, 3.6m의 수조에서 500kbps 데이터 속도를 가지는 OOK(On-Off Keying) 변조 방식을 이용하여 전송에 성공하였고, 비부호화 된 OOK 변조 방식의 성능 보다 BER이 10-4에서 8dB의 전력을 향상시켰다.
SOVA 부호는 시스템 성능 향상을 위해 어떻게 작동하는가?
SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm) 부호는 Viterbi 알고리즘을 반복 복호에 적합하도록 변형시킨 알고리즘이다. 이는 내부 부호와 외부 부호를 연쇄시켜서 사용하는 시스템의 성능을 향상시키고자, 내부 복호기의 출력을 연판정 값으로 만드는 방식이다. 이러한 연판정 부호화 기법의 대표적인 3가지 소요 기술의 특징은 다음의 표 1과 같다.
참고문헌 (11)
H. Kaushal and G. Kaddoum, "Underwater Optical Wireless Communication", IEEE Access, vol. 4, pp. 1518-1547, April, 2016.
W. C. Cox, J. A. Simpson, C. P. Domizioli, J. F. Muth and B. L. Hughes, "An underwater optical communication system implementing Reed-Solomon channel coding", Proc. IEEE/MTS OCEANS, pp. 1-6, Sept, 2008.
P. Swathi and S. Prince, "Designing issues in design of underwater wireless optical communication system", Proc. IEEE CISS, pp. 1440-1445, Mar, 2014.
C. Berrou, A. Glavieux, and P. Thitimajshima, "Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding : Turbo-Codes", in Proc. ICC9, May, 1993.
Z. Cai, J. Hao, P. H. Tan, S. Sum and P. S. Chin "Efficient encoding of IEEE 802.11n LDPC codes", IEEE Electron. Lett., vol. 42, no. 25, pp. 1471-1472, Dec, 2006.
D. J. C. Mackay and R. M. Neal, "Near Shannon limit performance of low-density parity-check codes", Electron. Lett, vol.32, no.18, pp.1645-1646, Aug, 1996.
S. L. Che, P. Li and X. M. Wang, "Encoding and Decoding Scheme of LDPC Codes Based on Pulse Position Modulation", Electronics & Information Technology, vol. 30, no. 11, pp. 2630-2633, Nov, 2008.
N. G. Jerlov, "Optical Oceanography", American Elsevier Pub. Co. Inc., 1968.
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