[논문]수중 음향 통신에서 다중 밴드 전송 기법의 성능 분석

이희수; 백창욱; 도대원; 정지원

doi:10.17661/jkiiect.2018.11.3.253

수중 음향 통신에서 다중 밴드 전송 기법의 성능 분석
Performance Analysis of Multiband Transmission Technique in Underwater Acoustic Communication 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.11 no.3, 2018년, pp.253 - 258

이희수 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 백창욱 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 도대원 (Agency for Defense Development) , 정지원 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper

다중 밴드 통신 기법은 채널 전달 특성 등 환경이 매우 빠르게 변하는 수중 음향통신 환경에서 동일 데이터를 서로 다른 주파수 밴드에 할당하여 선택적 페이딩을 극복할 수 있어 성능이나 전송 효율 측면에서 효과적이며, 다양한 수중 채널 환경을 극복하면서 전송 거리를 더욱 확장할 수 있다. 본 논문에서는 수중 음향 통신에서 다중 밴드 전송 기법의 효율성 분석을 위해 부호화율 1/3을 갖는 Turbo pi부호를 이용하여 다중 밴드의 개수를 1~5개까지 적용하였으며 시뮬레이션을 통해 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 수신 SNR을 기준으로 밴드 수의 증가 시 성능이 우수함을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The multiband communication technique is effective in terms of performance and throughput efficiency because it can overcome selective frequency fading by allocating the same data to different frequency bands in the environment of rapidly changing channel transfer characteristic. In addition, the transmission distance can be further extended while overcoming various underwater channel environments. In this paper, we analyzed the performance of multiband transmission technique in underwater communication by increasing number of band using Turbo pi code with a coding rate of 1/3. Simulation results shows that the performance is improved when the number of bands is increased based on the received SNR.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

본 논문에서 시뮬레이션을 위한 상세 파라메타는 표 1 과 같으며, 장거리 수중 통신이라 가정하여 향후 해양 장거리 실험을 위해 사용할 장비의 규격에 적용하여, 저 주파수 대역, 저 대역폭이라 가정을 하였으며, 이는 중심 주파수 ? 의 범위는 248Hz ~ 395Hz를 갖는 대역폭이 147Hz라 가정하였다. 5개의 밴드로 나뉠 시 데이터 속도 및 N_s개의 샘플수를 가지는 송신 SRRC Filter(Squared Raised Cosine Filter)의 roll off factor에 근거하여 그림 3과 같이 N_b개의 중심 주파수를 할당하였다.
본 논문에서 시뮬레이션을 위한 상세 파라메타는 표 1 과 같으며, 장거리 수중 통신이라 가정하여 향후 해양 장거리 실험을 위해 사용할 장비의 규격에 적용하여, 저 주파수 대역, 저 대역폭이라 가정을 하였으며, 이는 중심 주파수 ? 의 범위는 248Hz ~ 395Hz를 갖는 대역폭이 147Hz라 가정하였다. 5개의 밴드로 나뉠 시 데이터 속도 및 N_s개의 샘플수를 가지는 송신 SRRC Filter(Squared Raised Cosine Filter)의 roll off factor에 근거하여 그림 3과 같이 N_b개의 중심 주파수를 할당하였다.
송신신호는 preamble bit와 부호화 비트 총 합해서 592bits이며, QPSK변조하여 296symbols 으로 구성하였다. 채널의 다중 경로 수는 3개로 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서 시뮬레이션을 위한 상세 파라메타는 표 1 과 같으며, 장거리 수중 통신이라 가정하여 향후 해양 장거리 실험을 위해 사용할 장비의 규격에 적용하여, 저 주파수 대역, 저 대역폭이라 가정을 하였으며, 이는 중심 주파수 ? 의 범위는 248Hz ~ 395Hz를 갖는 대역폭이 147Hz라 가정하였다. 5개의 밴드로 나뉠 시 데이터 속도 및 N_s개의 샘플수를 가지는 송신 SRRC Filter(Squared Raised Cosine Filter)의 roll off factor에 근거하여 그림 3과 같이 N_b개의 중심 주파수를 할당하였다.
시뮬레이션은 표 1의 파라메타로 실행하였으며, Turbo pi 부호기는 K =112, 부호화율 R=1/3을 사용하였다[7]. Turbo pi 복호 기의 내부 반복 횟수는 5회로 설정하였고, 터보 등화기의 전체 반복 횟수는 5회로 하였다. 송신신호는 preamble bit와 부호화 비트 총 합해서 592bits이며, QPSK변조하여 296symbols 으로 구성하였다.
본 논문에서는 그림 2과 같이 preamble bit와 Turbo pi부호화 비트를 하나의 패킷으로 만들며, 구성된 패킷을 N_b개의 동일한 패킷으로 구성하여 N_b개의 서로 다른 주파 수를 이용하여 변조된 신호를 합하여 전송한다.
다중 밴드 통신 기법은 채널 전달 특성 등 환경이 매우 빠르게 변하는 수중 음향통신 환경에서 동일 데이 터를 서로 다른 주파수 밴드에 할당하여 선택적 페이딩을 극복할 수 있어 성능이나 전송 효율 측면에서 효과적이며, 다양한 수중 채널 환경을 극복하면서 전송 거리를 더욱 확장할 수 있다. 본 논문에서는 부호화율 1/3을 갖는 Turbo pi 부호를 이용하여 다중 밴드의 개수를 5개까지 적용하여 시뮬레이션을 이용하여 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 수신 SNR을 기준으로 밴드 수가 2개일 경우 -2.
본 논문에서는 수중 통신에서 다중 밴드 전송 기법의 효율성 분석을 위해 부호화율 1/3을 갖는 Turbo pi 부호[6] 를 이용하여 다중 밴드의 개수를 5개까지 적용하여 시뮬레 이션을 이용하여 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 수신 SNR을 기준으로 밴드 수의 증가 시 성능이 우수함을 알수 있다.
본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 수중통신을 위한 다중밴드 송수신구조에서 다중밴드의 개수N_b가 증가함에 따라 변화하는 성능을 비교, 분석하였다. 시뮬레이션은 표 1의 파라메타로 실행하였으며, Turbo pi 부호기는 K =112, 부호화율 R=1/3을 사용하였다[7].
식(6)은 수신신호의 세기에서 잡음의 세기를 제거한 후, 잡음의 세기를 나누어 주어 수신 SNR을 측정하였다. 이에 대한 측정 방법은 아래 그림 4와 같이 신호의 전송 패킷을 silence 구간과 데이터 구간으로 나뉘어 각 구간에서의 평균전력으로 산출하였다.

대상 데이터

표 2는 표 1의 파라메타를 기반으로 시뮬레이션을 하였 다. 총 데이터 개수는 입력 비트 112비트를 90회 반복하여 10080개의 데이터를 적용하였다. 밴드 수의 증가에 따라 성능이 향상됨을 알 수 있다.

데이터처리

시뮬레이션 결과는 수신 SNR을 기준으로 성능을 비교 분석하였다. 수신 SNR의 측정은 식(6)으로 나타낼 수 있다.
시뮬레이션 결과는 수신 SNR을 기준으로 성능을 비교 분석하였다. 수신 SNR의 측정은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

성능/효과

5dB의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한 밴드 수가 4개일 경우 -5.23dB, 5개일 경우 -6.21dB의 성능을 보였으며 밴드 수가 3개에서 4개로 증가 시 약 1.13dB의 성능이 향상되었으며, 4개에서 5개로 증가 시 약 0.98dB의 성능이 향상됨을 알 수 있다.
표 2에서 한 개의 밴드를 사용하였을 때는 수신 SNR이 증가하여도 성능 개선이 나타 나지 않으나 2개의 밴드 적용 시 성능이 개선됨을 알 수 있다. 밴드 수가 2개일 경우 수신 SNR이 -2.60dB일 때 완벽히 복호가 되었으며, 밴드 수를 3개로 증가시킬 경우 수신 SNR이 -4.10dB일 때 완벽히 복호가 되어 밴드 수가 2개일 경우 보다 약 1.5dB의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한 밴드 수가 4개일 경우 -5.
본 논문에서는 부호화율 1/3을 갖는 Turbo pi 부호를 이용하여 다중 밴드의 개수를 5개까지 적용하여 시뮬레이션을 이용하여 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 수신 SNR을 기준으로 밴드 수가 2개일 경우 -2.6dB에서 완벽히 복호가 되었으며, 3개일 경우 -4.10dB ,4개일 경우 -5.23dB, 5개일 경우 -6.21dB로 밴드수가 증가함에 따라 성능이 우수함을 알 수 있다.
본 논문에서는 수중 통신에서 다중 밴드 전송 기법의 효율성 분석을 위해 부호화율 1/3을 갖는 Turbo pi 부호[6] 를 이용하여 다중 밴드의 개수를 5개까지 적용하여 시뮬레 이션을 이용하여 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 수신 SNR을 기준으로 밴드 수의 증가 시 성능이 우수함을 알수 있다.
밴드 수의 증가에 따라 성능이 향상됨을 알 수 있다. 표 2에서 한 개의 밴드를 사용하였을 때는 수신 SNR이 증가하여도 성능 개선이 나타 나지 않으나 2개의 밴드 적용 시 성능이 개선됨을 알 수 있다. 밴드 수가 2개일 경우 수신 SNR이 -2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중음향통신의 성능을 결정하는 요인은 무엇인가?	또한 수중에서는 직접파와 더불어 해수면과 해저면의 반사 등으로 인해 다중경로 전달을 포함한 다양한 특성으로 수중음향통신의 성능 저하를 일으키며 음파가 전달되는 형태가 복잡하다[1]. 수중음향통신의 성능을 결정하는 요인에는 음향 신호의 거리에 따른 전달 손실과 다중경로 전달 과정으로 인한 간섭 신호, 배경 잡음, 음원의 이동이나 해수면의 거칠기에 의한 도플러 효과 등이 있다. 또한 전송 거리가 증가할수록 대역폭이 줄어들어 데이 터의 전송효율이 떨어진다.
	다중 밴드 통신 기법의 통신방식은 무엇인가?	채널 전달 특성 등의 환경이 매우 빠르게 변하는 수중음 향통신 환경에서 동일 데이터를 서로 다른 주파수 밴드에 할당하여 전송하는 다중 밴드 통신 기법은[3][4] 수중에서의 선택적 페이딩을 극복하여 성능 측면이나 전송 효율 측면에서 효과적일 뿐만 아니라 다양한 수중 채널 환경을 극복하면서 전송 거리를 더욱 확장함과 동시에 성능을 보장 하는 기법으로 최근에 많이 응용 연구되고 있다.
	수중음향통신 채널은 전송 거리가 증가하면 전송효율은 어떻게 변하는가?	수중음향통신의 성능을 결정하는 요인에는 음향 신호의 거리에 따른 전달 손실과 다중경로 전달 과정으로 인한 간섭 신호, 배경 잡음, 음원의 이동이나 해수면의 거칠기에 의한 도플러 효과 등이 있다. 또한 전송 거리가 증가할수록 대역폭이 줄어들어 데이 터의 전송효율이 떨어진다. 이러한 수중음향통신 환경에서 해저, 해수면, 수심 등의 시공간 변화에 의해 다중 경로 전달 특성이나 도플러 확산이 성능에 영향을 미치므로 시스템 설계 시 이를 극복할 수 있는 채널 부호화 및 변·복조 기술은 성능을 좌우하는 아주 중요한 기술들이다[2].

참고문헌 (9)

M. Stojanovic, J. A. Catipovic and J. G. Proakis, "Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels," IEEE J. Oceanic Eng., Vol. 19, pp. 100-111, 1994.

상세보기
D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of art in underwater acoustic telemetry," IEEE Journal of the Oceanic Engineering, vol. 25, no. 1, pp. 4-27, 2000.

상세보기
P. A. van Walree, E. Sangfelt, and G. Leus, "Multicarrier spread spectrum for Covert Acoustic Communications," in Proc. of MTS/IEEE OCEANS, Quebec City, QC, Canada, pp. 1-8, Sep. 2008.
H. Esmaiel and D. Jiang, "Review article: Multicarrier communication for underwater acoustic channel," Int. J. Communications, Network and System Sciences, vol.6, pp.361-376, Aug. 2013.

상세보기
P. van Walree and G. Leus, "Robust underwater telemetry with adaptive turbo multiband equalization," IEEE J. Oceanic Eng., vol 34, no.4, pp.645-655, Oct. 2009.

상세보기
Minhyuk Kim, Taedoo Park, Byeongsu Lim, Ingye Lee, Deockgil Oh and Jiwon Jung, "Analysis of Turbo Coding and Decoding Algorithm for DVB-RCS Next Generation", Journal of the Korea Information and Communications Society, Vol.36, No.9, pp. 537-545, Sep. 2011.
J. Salz, "Opimum mean-square decision feedback eqaulization," Bell System Technical Jounal 52, pp. 1341-1373, 1973.

상세보기
R. Koetter, A. C. Singer, and M. Tuchler, "Turbo equalization," IEEE Signal Processing Magazine, vol. 21, no. 1, pp. 67-0, 2004.

상세보기
정지원, "다중 채널 환경에서 터보 등화기 성능 분석," 한국정보전자통신기술학회 논문지, Vol 5, No 3, pp.169-173, Sep. 2012.

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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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