[논문]무선채널환경에서 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보 생성 기법

안준일; 이치호; 정운섭

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.3.215

무선채널환경에서 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보 생성 기법
Hopping Information Generation of Unknown Frequency Hopping Signals in Wireless Channel Environments 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.3, 2019년, pp.215 - 222

안준일 (국방과학연구소) , 이치호 (국방과학연구소) , 정운섭 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

주파수 도약신호는 전송시간 동안 반송파 주파수를 변경시켜 주파수 대역에서 확산 스펙트럼 특성을 가진다. 이러한 특성으로 주파수 도약신호는 무선채널환경에서 저피탐 및 항재밍 능력이 필요한 분야에 널리 활용된다. 본 논문에서는 미상의 주파수 도약신호에 대해 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수를 포함하는 도약정보를 생성하는 기법을 제안한다. 제안한 블라인드 도약정보 생성 기법은 스펙트럼 데이터로부터 신호원에 대한 탐지정보를 생성하고, 이로부터 대상 주파수 도약신호의 출현, 유지, 그리고 종료 여부를 추정하는 동작 과정으로 도약정보를 추출한다. 또한, 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 기법이 다양한 주파수 도약신호에 대하여 탐지 누락 없이 정확한 도약정보를 제공함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A frequency hopping(FH) signal can change its carrier frequency during transmission and has spread-spectrum characteristics in these frequency bands. Therefore, FH signals are widely used in applications that require low-probability-of-intercept(LPI) and anti-jamming (AJ) abilities in wireless communication environments. In this study, the authors propose a method for generating hopping information (HI), which includes start time, dwell time, and hopping frequency for unknown FH signals. The proposed blind HI generation method produces signal detection information based on the spectrum data and then extracts HI using operational procedures for estimating the target FH signal's status, such as appearance, maintenance, and termination. Further, simulation results demonstrate that the proposed method provides accurate HI without detection omissions for various FH signals.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. 주파수 도약신호에서의 도약정보 Fig. 1. Hopping information in frequency hopping signal.
그림 그림 2. 도약정보 생성 단계의 동작 흐름도 Fig. 2. The operational flow chart for hopping information generation stage.
표 표 1. 시뮬레이션에서 설정한 주파수 도약 파라미터 Table 1. Simulation parameters for frequency hopping.
그림 그림 3. SNR 10 dB 조건에서 생성된 수신신호의 스펙트로그램 Fig. 3. Spectrogram of generated receive signal with SNR 10 dB.
그림 그림 4. 스펙트로그램 상에서 추정된 도약정보 시각화 Fig. 4. Visualization of estimated hopping information in spectrogram.
표 표 2. 제안한 도약정보 생성 기법의 시뮬레이션 결과 Table 2. Simulation results with the proposed hopping information generation method.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 앞서 언급한 과제를 해결하기 위해 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보 생성 기법을 제안한다. 제안한 블라인드 도약정보 생성 기법은 비교적 구현이 간단한 DFT를 통한 스펙트럼 데이터로 신호원에 대한 탐지정보를 생성한다.
본 논문에서는 무선채널환경에서 확산 스펙트럼 특성으로 저피탐 능력을 가지는 주파수 도약신호에 대해 각 주파수 도약별로 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수를 포함하는 도약정보를 생성하는 기법을 제안하였다. 제안한 도약정보 생성 기법은 시간에 따른 주파수 도약패 턴의 사전 정보를 필요로 하지 않으며, 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보를 추정할 수 있다.
따라서, 그림 1에 도시되어 있는 각 주파수 도약별 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수를 포함하는 도약 제원인 도약정보의 생성이 필수적이다. 본 논문에서는 이러한 목적을 위해 주파수 도약신호가 포함된 수신신호로부터 블라인드 방식으로 도약정보를 추정하는 기법을 제안하고 설명한다. 제안하는 도약정보 생성 기법은 탐지정보 생성 단계와 도약정보 생성 단계로 구성되며, 각 단계의 상세 동작 과정은 다음에서 상세히 설명한다.
단계 9는 이전에 탐지된 신호원이 종료된 경우에 수행된다. 본 단계에서는 현재 평가되는 임시도약정보가 도약 정보를 생성하는 대상 주파수 도약신호 제원에 포함되는지를 확인함으로써 임시도약정보의 유효성을 판단한다. 이러한 과정으로 탐지대상 도약율에 포함되지 않는 주파수 도약신호, 고정주파수신호, 또는 순간적으로 큰 잡음 신호원을 제외시킬 수 있다.

가설 설정

주파수 도약신호를 포함한 수신신호의 시나리오 및 관련 파라미터는 다음과 같이 설정하였다. 주파수 도약신호에 적용된 변조방식은 2-FSK를 가정하였으며, 심볼률은 10 ksymbols/sec이다. 또한, 수신신호의 입력 샘플링율은 2 Msps로 설정하였으며, 시뮬레이션에서 고려된 수신신호 SNR은 0 dB, 5 dB, 그리고 10 dB이다.

제안 방법

한편, Orthogonal FSK 신호에서 인접 심볼 톤(tone) 간의 최소 주파수 차이는 심볼률의 값과 같다^[9]. 따라서, 도약주파수의 RMSE 오차를 심볼률과 비교하여, 추정값의 정확도를 평가할 수 있다. 표 2의 SNR 0 dB 결과에서 주파수 도약신호 #1～ #3에 대한 도약정보의 도약주파수 추정오차는 설정된 심볼률(10 ksymbols/sec)과 비교하여 각각 약 31.
8125 kHz이다. 또한, 수신신호의 SNR에 따른 잡음 전력을 고려하여, SNR 0 dB, 5 dB, 10 dB의 조건에 대해 각각 탐지 임계치를 -12, -14, -17로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 한편, 도약정보 생성 단계에서 사용되는 파라 미터 M , d_rmp , T_d,max , T_d,min은 탐지 대상 범위를 고려하여 각각 4, 2, 1/30, 1/300으로 설정하였다.
본 장에서는 앞서 제안 및 설명한 주파수 도약신호의 블라인드 도약정보 생성 기법에 대하여 시뮬레이션을 통해 성능 분석을 수행한다. 주파수 도약신호를 포함한 수신신호의 시나리오 및 관련 파라미터는 다음과 같이 설정하였다.
제안하는 도약정보 생성 단계는 앞서 생성된 탐지정보를 기반으로 주파수 도약신호의 출현, 유지, 그리고 종료 여부를 판단하여 주파수 도약별로 도약정보를 생성한다. 이를 위해, 본 단계에서는 시작시간, 임시도약주파수, 유지카운터, 결손카운터로 구성되는 임시도약정보를 정의하고 이용한다. 이후, 입력 탐지정보에 따라 임시도약정 보를 생성, 갱신, 그리고 제거하여, 수신신호 내 주파수 도약신호의 상태에 따라 도약정보를 생성함을 특징으로 한다.
이후, 생성된 전력 스펙트럼을 dB(decibel) 스케일로 변환한 후, 사용자가 설정한 탐지 임계치와 비교하여 신호원을 검출한다. 이때, 해당 임계치보다 큰 전력값을 가지는 주파수 Bin들에 신호원이 존재한다고 판단한다.
이때, 해당 임계치보다 큰 전력값을 가지는 주파수 Bin들에 신호원이 존재한다고 판단한다. 이후, 신호원이 존재하는 주파수 Bin들 중에서 연속된 Bin들을 그룹핑하고, 각 주파수 Bin 그룹별로 탐지주파수를 결정한다. 탐지주파수는 주파수 Bin 그룹에 포함된 Bin의 개수가 L일 때, [ L/2 ]번째의 Bin에 해당하는 주파수 값으로 결정하며, [ • ]은 천정 (Ceiling) 함수이다.
이를 위해, 본 단계에서는 시작시간, 임시도약주파수, 유지카운터, 결손카운터로 구성되는 임시도약정보를 정의하고 이용한다. 이후, 입력 탐지정보에 따라 임시도약정 보를 생성, 갱신, 그리고 제거하여, 수신신호 내 주파수 도약신호의 상태에 따라 도약정보를 생성함을 특징으로 한다. 또한, 임시도약정보의 유지 및 결손카운터는 도약 정보 생성 과정에서 해당 도약정보의 유효성 판단에 활용된다.
제안한 블라인드 도약정보 생성 기법은 비교적 구현이 간단한 DFT를 통한 스펙트럼 데이터로 신호원에 대한 탐지정보를 생성한다. 이후, 입력된 탐지 정보와 세부 알고리즘을 통해 주파수 도약신호의 출현, 유지, 그리고 종료 여부를 판단하여 도약정보를 생성한다. 또한, 고정주파수신호 또는 순간적으로 큰 잡음원이 포함된 무선채널환경에서도 대상 주파수 도약신호에 대한 도약정보를 추정할 수 있으며, 해당 신호원이 일시적으로 누락된 상황에도 안정적으로 도약정보 생성 기능을 수행할 수 있다.
제안하는 도약정보 생성 기법 중 탐지정보 생성 단계에서는 디지털화된 입력데이터에서 신호원을 탐지하고, 검출된 신호원에 대해 탐지시간과 탐지주파수로 구성된 탐지정보를 생성한다.
본 논문에서는 이러한 목적을 위해 주파수 도약신호가 포함된 수신신호로부터 블라인드 방식으로 도약정보를 추정하는 기법을 제안하고 설명한다. 제안하는 도약정보 생성 기법은 탐지정보 생성 단계와 도약정보 생성 단계로 구성되며, 각 단계의 상세 동작 과정은 다음에서 상세히 설명한다.
제안하는 도약정보 생성 단계는 앞서 생성된 탐지정보를 기반으로 주파수 도약신호의 출현, 유지, 그리고 종료 여부를 판단하여 주파수 도약별로 도약정보를 생성한다. 이를 위해, 본 단계에서는 시작시간, 임시도약주파수, 유지카운터, 결손카운터로 구성되는 임시도약정보를 정의하고 이용한다.
본 논문에서는 무선채널환경에서 확산 스펙트럼 특성으로 저피탐 능력을 가지는 주파수 도약신호에 대해 각 주파수 도약별로 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수를 포함하는 도약정보를 생성하는 기법을 제안하였다. 제안한 도약정보 생성 기법은 시간에 따른 주파수 도약패 턴의 사전 정보를 필요로 하지 않으며, 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보를 추정할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 기법은 고려된 모든 SNR 조건에서 주파수 도약신호에 대해 탐지 누락 없이 정확한 도약정보 추정 결과를 제공함을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 논문에서는 앞서 언급한 과제를 해결하기 위해 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보 생성 기법을 제안한다. 제안한 블라인드 도약정보 생성 기법은 비교적 구현이 간단한 DFT를 통한 스펙트럼 데이터로 신호원에 대한 탐지정보를 생성한다. 이후, 입력된 탐지 정보와 세부 알고리즘을 통해 주파수 도약신호의 출현, 유지, 그리고 종료 여부를 판단하여 도약정보를 생성한다.
시뮬레이션에서 사용된 수신 주파수 도약신호의 주파수 도약 제원 파라미터는 표 1에 기술하였다. 표 1에서와 같이 제안한 기법에 입력되는 수신신호는 총 3개의 주파수 도약신호를 포함하며, 각각 서로 다른 도약율, 유지 및 휴지시간을 가지도록 하여 다양한 종류의 다중 주파수 도약신호 환경을 모의하였다. 한편, 각 주파수 도약신호는 표1의 도약주파수 항목에 나열된 주파수 리스트에 따라 반복적으로 순환하며, 지정된 도약율에 맞추어 도약주파수를 변경한다.
신규 임시도약정보의 생성은 임시도약정보의 시작시간과 임시도약 주파수를 탐지정보 탐지시간과 탐지주파수의 값으로 각각 설정하고, 유지 및 결손카운터는 1과 0으로 초기화함으로써 수행된다. 한편, 본 단계 3에서 이전 임시도약정 보가 존재하면, 단계 4로 이동하여 앞서 추출된 탐지주파 수와 매칭 여부를 확인할 임시도약정보를 선택하고 해당 임시도약주파수를 추출한다.

대상 데이터

신호원 검출을 위하여 H/W에서 구현이 용이한 DFT를 통해 얻어지는 스펙트럼 데이터를 이용한다. 이때, 주파수 상의 Spectral Leakage 현상^[7]을 완화하기 위해 시간영 역의 Windowing 함수^[8]를 적용한 N-point DFT를 기반으로 다음 식 (4)와 같이 전력 스펙트럼 \(X(m)_{m=0 }^{N=1 }\)을 계산한다.

데이터처리

따라서, 설정된 생성시간 동안 제안한 기법이 각 주파수 도약신호에 대해 도약율과 같은 수의 도약정보를 생성한다면, 누락되거나 오류로 초과 발생된 도약정보가 없음을 판단할 수 있다. 또한, 생성된 도약정보인 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수에 대한 제안한 기법의 추정 정확도는 RMSE(Root Mean Square Error)를 기준으로 평가하였다.

이론/모형

시뮬레이션 수행 시, 탐지정보 생성 단계에서 식 (4)의 전력 스펙트럼 생성을 위해 256-point DFT를 적용하였다. 따라서, 전력 스펙트럼 주파수 해상도 Δf_spt는 7.

성능/효과

2 %에 해당 된다. 따라서, 고려된 SNR 범위에서 제안한 기법으로 추정된 도약주파수를 이용하여, 각 주파수 도약별 신호원을 심볼률 이내의 주파수 정확도로 기저대역 변환을 할 수 있다. 한편, 잔여 주파수 오차는 추가적인 주파수 오프셋 추정^[10],[11]을 적용하여 제거함으로써, 추후 세부 분석 또는 복조에 더욱 적합한 I/Q(Inphase and Quadrature) 데이터 생성에 활용할 수 있다.
각 시뮬레이션에서 수신신호의 생성시간은 1 sec이며, 해당 시간 동안 생성된 모든 수신신호가 도약정보 생성 기법에 입력된다. 따라서, 설정된 생성시간 동안 제안한 기법이 각 주파수 도약신호에 대해 도약율과 같은 수의 도약정보를 생성한다면, 누락되거나 오류로 초과 발생된 도약정보가 없음을 판단할 수 있다. 또한, 생성된 도약정보인 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수에 대한 제안한 기법의 추정 정확도는 RMSE(Root Mean Square Error)를 기준으로 평가하였다.
07 msec RMSE 범위이다. 따라서, 전시뮬레이션 결과에 걸쳐 주파수 도약신호 #1～#3의 실제유지시간에 대한 최대 추정오차의 비율은 각각 약 0.3 %, 0.7 %, 1.6 % 수준으로 제안한 기법이 정확한 추정결과를 제공함을 알 수 있다.
표 2에서 살펴보면 모든 시뮬레이션 결과에서 신호 생성시간(1 sec) 동안에 각 주파수 도약신호 #1～#3에 대하여 생성된 도약정보의 수가 기 설정된 각 도약율과 동일하다. 따라서, 제안한 기법은 누락 또는 초과 없이 정확한 개수의 도약정보를 생성함을 확인할 수 있다.
주파수 도약신호에 적용된 변조방식은 2-FSK를 가정하였으며, 심볼률은 10 ksymbols/sec이다. 또한, 수신신호의 입력 샘플링율은 2 Msps로 설정하였으며, 시뮬레이션에서 고려된 수신신호 SNR은 0 dB, 5 dB, 그리고 10 dB이다.
제안한 도약정보 생성 기법은 시간에 따른 주파수 도약패 턴의 사전 정보를 필요로 하지 않으며, 미상의 주파수 도약신호에 대한 도약정보를 추정할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 기법은 고려된 모든 SNR 조건에서 주파수 도약신호에 대해 탐지 누락 없이 정확한 도약정보 추정 결과를 제공함을 확인할 수 있었다. 따라서, 제안한 도약정보 생성 기법은 미상의 주파수 도약신호에 대한 탐지를 통해 블라인드 제원 분석이 필요한 분야 등에 직접 활용 가능할 것으로 판단된다.
따라서, 도약주파수의 RMSE 오차를 심볼률과 비교하여, 추정값의 정확도를 평가할 수 있다. 표 2의 SNR 0 dB 결과에서 주파수 도약신호 #1～ #3에 대한 도약정보의 도약주파수 추정오차는 설정된 심볼률(10 ksymbols/sec)과 비교하여 각각 약 31.8 %, 34.4 %, 33 % 수준이다. 또한, SNR 10 dB에서는 주파수 도약 신호 #1～#3에 대해 각각 22.

후속연구

시뮬레이션 결과를 통해 제안한 기법은 고려된 모든 SNR 조건에서 주파수 도약신호에 대해 탐지 누락 없이 정확한 도약정보 추정 결과를 제공함을 확인할 수 있었다. 따라서, 제안한 도약정보 생성 기법은 미상의 주파수 도약신호에 대한 탐지를 통해 블라인드 제원 분석이 필요한 분야 등에 직접 활용 가능할 것으로 판단된다. 한편, 향후 연구 과제로써 도약시간이 랜덤하게 가변되는 주파수 도약신호에 대해 효율적으로 적용할 수 있는 블라인드 도약정보 생성 방안을 고려할 수 있다.
상기 이유로 주파수 도약신호를 블라인드 방식으로 추출하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔으며, 대표적으로 신호원의 방위각 및 주파수 히스토그램(histogram) 분석을 이용한 기법^[4], 다상 DFT(Discrete Fourier Transform) 필터뱅크 (filter bank) 또는 스펙트로그램 (spectrogram)을 통한 이미지 신호처리 적용 기법^[5],[6] 이제 안되었다. 하지만, 탐지 대상이 아닌 신호원이 혼재하며, 잡음에 의해 왜곡되는 무선채널환경에 안정적으로 적용할 수 있으며, 서로 상이한 도약 제원을 가지는 다수의 주파수 도약신호에 대해 각 주파수 도약별로 시작시간, 유지시간, 그리고 도약주파수를 포함하는 도약정보를 추정하는 방식에 관하여 추가 개선이 필요하다.
따라서, 고려된 SNR 범위에서 제안한 기법으로 추정된 도약주파수를 이용하여, 각 주파수 도약별 신호원을 심볼률 이내의 주파수 정확도로 기저대역 변환을 할 수 있다. 한편, 잔여 주파수 오차는 추가적인 주파수 오프셋 추정^[10],[11]을 적용하여 제거함으로써, 추후 세부 분석 또는 복조에 더욱 적합한 I/Q(Inphase and Quadrature) 데이터 생성에 활용할 수 있다.
따라서, 제안한 도약정보 생성 기법은 미상의 주파수 도약신호에 대한 탐지를 통해 블라인드 제원 분석이 필요한 분야 등에 직접 활용 가능할 것으로 판단된다. 한편, 향후 연구 과제로써 도약시간이 랜덤하게 가변되는 주파수 도약신호에 대해 효율적으로 적용할 수 있는 블라인드 도약정보 생성 방안을 고려할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 도약신호의 특징은?	주파수 도약신호는 전송시간 동안 반송파 주파수를 변경시켜 주파수 대역에서 확산 스펙트럼 특성을 가진다. 이러한 특성으로 주파수 도약신호는 무선채널환경에서 저피탐 및 항재밍 능력이 필요한 분야에 널리 활용된다.
	주파수 도약 시스템의 장점은 무엇인가?	주파수 도약신호는 짧은 전송시간 동안 각기 다른 반송파 주파수를 사용하며, 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 확산 스펙트럼 특성을 가진다. 이를 이용하여 주파수 도약 시스템은 제한적인 주파수 대역에서 사용자들 간의 신호 간섭을 방지하며, 효율적으로 다중 접속이 가능하게 한다. 또한, 주파수 변경 정보 등을 비롯한 도약 제원은 인가된 송수신기 사이에서만 공유되어, 비인가 수신기에 대한 저피탐(low probability of intercept: LPI) 및 보안 능력, 그리고 주파수 다이버시티를 통한 항재밍(anti-jamming:AJ) 기능이 요구되는 분야에 널리 활용된다[1],[2].
	주파수 도약 시스템은 어디에 활용되는가?	이를 이용하여 주파수 도약 시스템은 제한적인 주파수 대역에서 사용자들 간의 신호 간섭을 방지하며, 효율적으로 다중 접속이 가능하게 한다. 또한, 주파수 변경 정보 등을 비롯한 도약 제원은 인가된 송수신기 사이에서만 공유되어, 비인가 수신기에 대한 저피탐(low probability of intercept: LPI) 및 보안 능력, 그리고 주파수 다이버시티를 통한 항재밍(anti-jamming:AJ) 기능이 요구되는 분야에 널리 활용된다[1],[2].

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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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