[논문]수중 채널 환경에서 OFDM 및 CDMA 통신 방식별 성능 분석

김길용; 김민상; 고학림; 임태호

doi:10.7776/ask.2019.38.1.030

수중 채널 환경에서 OFDM 및 CDMA 통신 방식별 성능 분석
Performance analysis of OFDM and CDMA communication methods in underwater acoustic channel 원문보기 논문타임라인

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.1, 2019년, pp.30 - 38

김길용 (호서대학교 해양IT융합기술연구소) , 김민상 (호서대학교 해양IT융합기술연구소) , 고학림 (호서대학교 정보통신공학과) , 임태호 (호서대학교 해양IT융합기술연구소)

초록
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최근 수중 통신을 활용하는 사례가 많아짐에 따라 여러 가지 통신 방식에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식과 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식에 대한 연구 사례가 증가하고 있다. 일반적으로 OFDM은 수중에서 도플러에 강하고 고속 통신이 가능하다는 장점이 있으며, CDMA는 수중에서 주파수 선택적 페이딩에 강하고 에너지 소모를 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 수중 채널 환경에서 OFDM과 CDMA 통신 방식의 성능 분석을 위해 서해 천해역에서 실험을 수행하였다. 서해 천해역의 수중 채널 환경 특성을 분석하기 위해 실해역에서 취득한 데이터를 사용하여 최대 지연 확산과 도플러 확산을 도출하였으며, 최대 지연 확산과 도플러 확산의 변화에 따른 OFDM과 CDMA 방식의 통신 성능을 coded BER(Bit Error Rate)로 나타내었다. 분석 결과 OFDM 방식이 CDMA 방식에 비해 수중 채널 환경 변화에 강인한 통신 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, researches on various communication methods have been conducted, particularly on OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and CDMA (Code Division Multiple Access) methods, as the use of underwater communication increases. While OFDM is, in general, advantageous in that it is resistant to Doppler in the water and it enables a high-speed communication, CDMA is resistant to frequency selective fading in the water and it can reduce energy consumption. Therefore, in this paper, we performed experiments in the shallow water in Western Sea of Korea to analyze the performance of OFDM and CDMA communication systems in the underwater channel environment. The maximum delay spread and Doppler spread were drawn by using the data obtained from the real sea area in order to analyze the underwater channel environment characteristics of the shallow water in Western Sea of Korea. The communication performances of OFDM and CDMA are shown as coded BER (Bit Error Rate) according to the variation of the maximum delay spread and the Doppler spread, respectively. The result of the analysis show that the OFDM method has more resistant performances to the underwater channel environment changes than the CDMA method.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Block diagram of the OFDM system used in this study.
그림 Fig. 2. Frame structure of OFDM system.
그림 Fig. 3. Block diagram of the CDMA system used in this study.
표 Table 1. Parameters of OFDM uplink system.
그림 Fig. 4. Frame structure of CDMA uplink system.
표 Table 2. Parameters of CDMA uplink system.
표 Table 3. Spreading code.
그림 Fig. 5. Experimental location.
그림 Fig. 6. Experimental environment.
그림 Fig. 7. Transmitting transducers (L) and receiving hyd-rophones (R).
그림 Fig. 8. Transceive systems.
그림 Fig. 9. Performance comparison by pilot spacing when frequency repetition is maximum (a) and time repetition (b) is maximum.
그림 Fig. 10. Performance comparison with maximum excess delay spread and doppler spread when time repetition is fixed.
그림 Fig. 11. Performance comparison by pilot spacing with maximum excess delay spread and doppler spread when frequency repetition is fixed.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 수중 채널의 열악한 환경을 극복하고자 최근 수중 음향 통신에서 여러 가지 통신 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중에서 본 연구에서는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식과 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA) 방식의 성능을 비교하고자 한다. OFDM 방식은 다수의 부반송파를 이용하여 스펙트럼 대역을 나누며, 각각의 부반송파들은 직교성을 유지하기 때문에 주파수 효율이 높은 특징을 가진다.

제안 방법

본 논문에서는 서해 천해역에서의 실측 데이터를 기반으로 OFDM 방식과 CDMA 방식의 성능을 파일럿 간격, 주파수 및 시간 다이버시티 관점에서 최대 초과 지연 확산 및 도플러 확산 등의 채널 파라미터에 따른 coded BER을 기준으로 비교 분석하였다. OFDM 시스템을 적용했을 때 모든 경우에서 CDMA 방식에서의 전송률보다 높은 전송률에서도 낮은 coded BER을 보여 본 논문에 명시된 실험 환경에서는 우수한 성능을 보임을 확인하였다.
본 연구에서는 크게 다음의 세 가지 경우를 설정하여 성능 분석을 하였다. 첫 번째로 주파수 반복 횟수 및 시간 반복 횟수를 최대로 했을 때 파일럿 간격별, 두 번째는 시간 반복 횟수를 고정했을 때, 세 번째는 주파수 반복 횟수를 고정했을 때 각각 채널 환경 파라미터에 따른 성능 비교 분석을 수행하였다. 여기서 채널 환경 파라미터는 전술한 최대 초과 지연 확산 및 도플러 확산 값을 말하며 실험 당시 도플러 확산은 0.

대상 데이터

본 연구에서는 OFDM 및 CDMA 시스템의 성능 분석을 위해 2017년7월 인천광역시 옹진군 덕적도 인근 해역에서 24시간동안 진행된 실험을 통해 취득한 데이터를 사용하였다. 실험을 진행한 해역의 상세한 위치를 Fig.

성능/효과

9는 주파수 반복 횟수를 최대(f = 8)로 했을 때와 시간 반복 횟수를 최대(t = 9)로 했을 경우 OFDM과 CDMA 방식의 성능을 파일럿 간격 별로 비교한 결과이다. CDMA 방식의 경우 최대 초과 지연 확산과 무관하게 평균적으로 coded BER 값이 0.1 정도로 비교적 높은 경향을 보인 반면 OFDM 방식의 경우 파일럿 간격을 2,1(주파수축, 시간축)로 배치했을 경우는 에러가 없었고 4,2로 배치했을 경우와 6,3으로 배치했을 경우는 비트 에러가 발생하였지만 10-3 ~10-2 정도로 CDMA 방식과 비교했을 때는 우수한 coded BER 성능을 보였다.
본 논문에서는 서해 천해역에서의 실측 데이터를 기반으로 OFDM 방식과 CDMA 방식의 성능을 파일럿 간격, 주파수 및 시간 다이버시티 관점에서 최대 초과 지연 확산 및 도플러 확산 등의 채널 파라미터에 따른 coded BER을 기준으로 비교 분석하였다. OFDM 시스템을 적용했을 때 모든 경우에서 CDMA 방식에서의 전송률보다 높은 전송률에서도 낮은 coded BER을 보여 본 논문에 명시된 실험 환경에서는 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 이는 실험 당시의 도플러 확산이 최대 약 5 Hz까지 발생하여 OFDM 방식과 비교했을 때 상대적으로 도플러에 약한 CDMA 방식의 성능 저하가 나타난 것으로 해석된다.

후속연구

앞서 언급했듯이 본 연구는 서해 천해역에서의 실측 데이터만을 분석한 결과이기 때문에 향후 타 해역에서의 추가 실험을 통해 다양한 채널 환경에서의 성능 분석 및 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 수중 채널 환경은 수시로 변화하고 여러 가지 파라미터에 의해 영향을 받기 때문에 상황에 맞게 적응적으로 통신 방식을 선택하면 보다 효율적인 수중 통신을 수행할 수 있을 것이다.
앞서 언급했듯이 본 연구는 서해 천해역에서의 실측 데이터만을 분석한 결과이기 때문에 향후 타 해역에서의 추가 실험을 통해 다양한 채널 환경에서의 성능 분석 및 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 수중 채널 환경은 수시로 변화하고 여러 가지 파라미터에 의해 영향을 받기 때문에 상황에 맞게 적응적으로 통신 방식을 선택하면 보다 효율적인 수중 통신을 수행할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CDMA의 장점은 무엇인가?	최근 수중 통신을 활용하는 사례가 많아짐에 따라 여러 가지 통신 방식에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식과 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식에 대한 연구 사례가 증가하고 있다. 일반적으로 OFDM은 수중에서 도플러에 강하고 고속 통신이 가능하다는 장점이 있으며, CDMA는 수중에서 주파수 선택적 페이딩에 강하고 에너지 소모를 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 수중 채널 환경에서 OFDM과 CDMA 통신 방식의 성능 분석을 위해 서해 천해역에서 실험을 수행하였다.
	수중 음향 통신 기술의 활용 분야는?	수중 음향 통신 기술은 해양 모니터링, 심해 어업, 야생 동물의 추적, 석유 산업, 해양 데이터 수집, 수중 탐사, 전술 모니터링, 다이버 간의 음성 통신 및 재해 방지 등 여러 분야에서 활용 가치가 높기 때문에 다방면으로 연구가 진행 중이다. 전자기파는 바다 속에서의 전파가 힘들기 때문에 음향 통신이 수중 장거리 통신에 가장 적합하지만 제한적인 주파수 자원, 도플러 효과 및 대기중 통신과 비교했을 때 매우 낮은 음속(약 1,500 m/s), 그리고 다중 경로 전파 등의 요인으로 오늘날 사용되는 가장 어려운 통신 매체 중 하나로 알려져 있다.
	직교 주파수 분할 다중화방식의 장점은?	그중에서 본 연구에서는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식과 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA) 방식의 성능을 비교하고자 한다. OFDM 방식은 다수의 부반송파를 이용하여 스펙트럼 대역을 나누며, 각각의 부반송파들은 직교성을 유지하기 때문에 주파수 효율이 높은 특징을 가진다. 또한 다중 경로와 도플러에 강하고 고속 전송이 가능하다는 장점이 있다.[8,9] 하지만 큰 PAPR(Peak to Average Power Ratio)의 문제를 가지고 있고 clipping 등의 PAPR 감소 기법을 적용하지 않으면 송신측의 전력 효율이 낮아지며, 지연 확산에 약하고 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset, CFO)에 민감하다는 단점도 가지고 있다.

참고문헌 (24)
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