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주파수 도약 신호 탐지에 최적화된 탐지 확률 향상 기법
Detection Probability Improvement Scheme Optimized for Frequency-Hopping Signal Detection 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.10, 2018년, pp.783 - 790  

이인석 (고려대학교 컴퓨터.전파통신공학과) ,  오성준 (고려대학교 정보보호대학원)

초록
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주파수 도약(frequency hopping) 기법은 대역확산(spread spectrum) 방법 중 하나로, 광대역 상에서 반송파의 주파수가 고정되어 있지 않고, 다양한 주파수 채널로 도약하는 통신방식이다. 이러한 특성으로 인해 뛰어난 항재밍 성능, 낮은 탐지율 등의 장점을 가지고 있어, 군 통신에 자주 사용되고 있으며, 상용 통신에도 종종 사용되고 있다. 바꿔 말하면, 이런 주파수 도약 신호를 잘 탐지해내는 것은 매우 어려우며 중요한 연구분야 중 하나이다. 본 논문에서는 FFT를 이용한 신호 탐지를 할 때, 주파수 도약 신호의 탐지율을 증가시킬 수 있는 기법을 제안한다. 수신한 신호를 FFT를 이용하여 주파수 성분으로 변환시킬 경우, 스펙트럼 누설(spectral leakage)이 발생하여 탐지율이 낮아진다. 이때, 해밍 윈도우(hamming window)를 이용하여 문제를 해결하고 탐지율을 증가시킬 수 있는데, 주파수가 도약하는 환경에서는 윈도우가 오히려 성능 저하를 가져오기도 한다. 제안하는 기법은 주파수 변화에 대응하여 이러한 약점을 해결하였으며, 기존에 비해 최대 13 % 정도의 탐지율 향상을 얻을 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The frequency-hopping technique is one of the spread-spectrum techniques. Frequency hopping is a communication system in which the carrier frequency channel is hopped within the wideband. Therefore, a frequency-hopping system has such advantages as antijamming and low probability of intercept. This ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 즉, 윈도우의 사용이 무조건적으로 탐지 확률 향상을 가져오는 것이 아니며, 주파수가 계속 변화하는 환경에 대응할 필요성이 있다. 따라서, 본 논문에서는 주파수 변화에 대응할 수 있으면서도 구조가 간단한 새로운 주파수 도약 신호 탐지 방법을 제안한다. 제안하는 탐지 방법 알고리즘의 블록도는 그림 5에 나타나 있다.
  • 본 논문에서는 위와 같은 기존의 약점을 보완하기 위해 해밍 윈도우(Hamming window)를 활용한 새로운 탐지 방법을 소개하고자 한다. 물론, 신호 탐지에 윈도우를 활용하거나, 다양한 윈도우 함수 자체의 특성을 분석한 기존의 연구도 있었으나[10], 새로 제안하고자 하는 방법은 단순히 윈도우를 적용하기만 하는 방법과는 차별성을 가진다.
  • 주파수가 계속 변화하는 도약 신호를 탐지하고자 하는 상황에서는 윈도우를 적용하는 것이 반드시 성능 향상을 가져오는 것은 아니며, 다양한 주파수의 변화에 대응하는 것이 더욱 중요하다. 본 논문에서는 주파수 도약 신호 탐지 상황에서 주파수 변화에 대응하여 탐지율을 향상시킬 수 있으며, 기존의 탐지기 구조를 그대로 활용할 수 있는 복잡하지 않는 구조를 가지는 새로운 탐지 방법을 제안하고, 그에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 단순히 FFT의 사이즈를 늘려 탐지확률을 높일 수도 있겠으나, 여전히 worst case는 존재하며 worst case일 때 발생하는 탐지 확률 저하를 해결하기는 힘들다. 본 논문에서는 주파수 도약이라는 환경에서 탐지 확률 저하를 막을 수 있는 신호 탐지 방법을 제안하고자 한다.
  • 본 논문에서는 주파수도약 신호의 탐지 확률을 높이는 방법에 대하여 연구하였다. 기존의 탐지 방법들은 주파수도약 신호를 탐지하기 위해 FFT를 이용하여, 주파수 성분이 탐지 기준을 넘어서면 주파수도약 신호가 존재한다고 판단한다.

가설 설정

  • 우선 QPSK로 데이터를 생성하고, 1 심볼당 1번 hop을 하는 느린 주파수 도약을 사용한다고 가정하였으며, SNR은 8~28 dB까지 2 dB 간격으로 시뮬레이션을 진행했다. 수신된 주파수도약 신호는 Rayleigh fading 채널을 통과했다고 가정하였으며, white Gaussian noise가 더해졌고 윈도우는 해밍 윈도우를 사용하였다. 제안하는 방법의 단점으로 언급한 계산량의 증가를 고려하기 위해서 제안하는 방법은 512 FFT를 사용하고 그 외의 방법은 1024 FFT를 사용하여 성능 비교에 공정성을 기하였다.
  • 제안하는 탐지 방법의 성능 비교를 위하여, 윈도우를 사용하지 않은 경우와 항상 사용한 경우, 그리고 제안하는 방법을 사용한 경우의 3가지 환경에서 오경보 확률과 탐지 확률을 비교하였다. 우선 QPSK로 데이터를 생성하고, 1 심볼당 1번 hop을 하는 느린 주파수 도약을 사용한다고 가정하였으며, SNR은 8~28 dB까지 2 dB 간격으로 시뮬레이션을 진행했다. 수신된 주파수도약 신호는 Rayleigh fading 채널을 통과했다고 가정하였으며, white Gaussian noise가 더해졌고 윈도우는 해밍 윈도우를 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
빠른 주파수 도약(fast FH)과 느린 주파수 도약(slow FH)를 설명하시오. 주파수 도약은 빠른 주파수 도약(fast FH)과 느린 주파수 도약(slow FH), 2가지 방식으로 세분화할 수 있다. 빠른 주파수 도약은 한 심볼 내에 하나 이상의 도약이 존재할 때를 말하며, 느린 주파수 도약은 한 번의 도약 내에 하나 이상의 심볼이 존재함을 의미한다. 주파수 도약 시스템은 주파수가 고정되어 있지 않다는 특징으로 인해 뛰어난 항재밍(antijamming) 성능, 저피탐(low probability of intercept: LPI) 등의 장점을 가지고 있다.
주파수 도약(frequency hopping) 기법은 무엇인가? 주파수 도약(frequency hopping) 기법은 대역확산(spread spectrum) 방법 중 하나로, 광대역 상에서 반송파의 주파수가 고정되어 있지 않고, 다양한 주파수 채널로 도약하는 통신방식이다. 이러한 특성으로 인해 뛰어난 항재밍 성능, 낮은 탐지율 등의 장점을 가지고 있어, 군 통신에 자주 사용되고 있으며, 상용 통신에도 종종 사용되고 있다.
주파수 도약을 2가지 방식으로 세분화하시오. 주파수 도약이란, 광대역 상에서 반송파의 주파수가 고정되어 있지 않고, 다양한 주파수로 바뀌며 도약하는 통신방식을 말한다. 주파수 도약은 빠른 주파수 도약(fast FH)과 느린 주파수 도약(slow FH), 2가지 방식으로 세분화할 수 있다. 빠른 주파수 도약은 한 심볼 내에 하나 이상의 도약이 존재할 때를 말하며, 느린 주파수 도약은 한 번의 도약 내에 하나 이상의 심볼이 존재함을 의미한다.
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참고문헌 (13)

  1. D. J. Torrieri, Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, 2nd ed. Heidelberg, Springer, 2004. 

  2. R. C. Dixon, Spread Spectrum Systems with Commercial Applications, 3rd ed. New York, John Wiley & Sons, 1994. 

  3. H. Ahn, C. Kim, J. S. No, J. Park, H. Y. Song, and S. W. Han, "The higher-order-modulated slow-frequencyhopping spread-spectrum system over AWGN under partial- band jamming," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences(KICS), vol. 42, no. 1, pp. 14-24, Jan. 2017. 

  4. C. Kim, P. Yang, J. S. No, J. S. Park, H. Y. Song, and S. W. Han, "Construction of anti-jamming partially regular LDPC codes for follower jamming under frequency hopping spread spectrum system," in Proceedings of Symposium of the Korean Institute of Communications and Information Sciences, Nov. 2015, pp. 595-596. 

  5. J. Park, I. Kim, H. Y. Song, P. Yang, J. S. No, and S. W. Han, "Erasure insertion and clipping for LDPC coded frequency-hopping non-coherent BFSK system over partial- band jamming channel," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences(KICS), vol. 40, no. 8, pp. 1492-1499, Aug. 2015. 

  6. N. C. Beaulieu, W. L. Hopkins, and P. J. McLane, "Interception of frequency-hopped spread-spectrum signals," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 8, no. 5, pp. 853-870, Jun. 1990. 

  7. C. D. Chung, "Generalised likelihood-ratio detection of multiple- hop frequency-hopping signals," IEEE Proceedings-Communications, vol. 141, no. 2, pp. 70-78, Apr. 1994. 

  8. J. E. Dunn, "Detection and classification of frequencyhopped spread spectrum signals," Ph.D. dissertation, Iowa State University, 1991. 

  9. A. Polydoros, K. Woo, "LPI detection of frequency-hopping signals using autocorrleation technuques," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 3, no. 5, pp. 714-726, Sep. 1985. 

  10. F. J. Harris, "On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform," in Proceedings of the IEEE, Jan. 1978, vol. 66, no. 1, pp. 51-83. 

  11. J. Joo, J. Won, C. Lee, S. Park, and K. Lee, "Detection of an unknown FH signal using scanning receiver and DF receiver in practical environments," in 2007 IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Kowloon, Mar. 2007, pp. 1226-1230. 

  12. J. O. Kim, J. S. Bae, and K. W. Song, "A method and apparatus to improve anti-jamming and to eliminate jamming in a GPS system by adjusting additional threshold value in the frequency domain," Patent application: 10-2010-0014870, Aug. 2010. 

  13. P. T. Capozza, B. J. Holland, T. M. Hopkinson, and R. L. Landrau, "A single-chip narrow-band frequency- domain excisor for a global positioning system(GPS) receiver" IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 35, no. 3, pp. 401-411, Mar. 2000. 

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