[논문]동해에서 주파수 변조에 기반한 장거리 수중음향통신의 해상실험 결과

이주형; 이근혁; 김기만; 김완진

doi:10.7776/ask.2019.38.4.371

동해에서 주파수 변조에 기반한 장거리 수중음향통신의 해상실험 결과
Sea trial results of long range underwater acoustic communication based on frequency modulation in the East Sea 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.4, 2019년, pp.371 - 377

이주형 (한국해양대학교 전파공학과) , 이근혁 (한국해양대학교 전파공학과) , 김기만 (한국해양대학교 전파공학과) , 김완진 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 2018년 10월 동해에서 수행된 장거리 수중음향통신의 해상실험 결과를 제시한다. 하나의 송신기와 16개의 수직 배열 수신기를 이용하여 수중음향통신 신호를 수집하였으며, 송신기와 수신기 사이의 거리는 최대 90 km로 하였다. 대표적인 디지털 주파수 변조 기법에 해당하는 BFSK(Binary Frequency Shift Keying) 방식과 BCSK(Binary Chirp Shift Keying) 방식으로 정보를 전송하였다. 실험 결과 60 km 전송 거리에서는 모든 경우에서 오류가 나타나지 않았으며, 90 km 전송 거리에서는 채널 부호화 기법이 적용되지 않은 비부호화 비트 오류율에 있어서 BFSK와 BCSK 두 방식 각각 평균 0.0197과 0.0007을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present the sea trial results of long distance underwater acoustic communication in the East Sea, October 2018. One transmitter and sixteen vertical array receivers were used to collect underwater acoustic communication signals, and the maximum distance between the transmitter and the receiver was 90 km. Information was transmitted by BFSK (Binary Frequency Shift Keying) and BCSK (Binary Chirp Shift Keying) method, which are typical digital frequency modulation techniques. Experimental results show that there is no error in all cases at the transmission distance of 60 km, and BFSK and BCSK have average uncoded bit error rate of 0.0197 and 0.0007 respectively without channel coding at 90 km transmission distance.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Block diagram of BFSK transmission.
그림 Fig. 2. Block diagram of BCSK transmission.
그림 Fig. 3. Spectrogram of the generated BCSK signal.
그림 Fig. 4. Geometry of transmitter and receiver array for sea trial.
그림 Fig. 5. Sound speed profile at 90 km.
그림 Fig. 6. Channel impulse response characteristics at 90 km.
그림 Fig. 7. Spectrogram of BFSK signal at 60 km range.
그림 Fig. 8. Spectrogram of BCSK signal at 60 km range.
그림 Fig. 9. Spectrogram of BFSK signal at 90 km range.
그림 Fig. 10. Spectrogram of BCSK signal at 90 km range.
그림 Fig. 11. Uncoded BER of BFSK signal at 90 km transmission.
그림 Fig. 12. Uncoded BER of BCSK signal at 90 km transmission.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2018년 10월 동해에서 수행된 장거리 수중음향통신 해상실험에 대한 결과를 제시하였다.

제안 방법

또한 국내 연구기관에서는 제주도 인근 해역의 30 km 거리에서 수중음향통신 실험을 수행하였다.
실험에는 한국해양과학기술원의 이어도호가 활용되었는데 1척의 선박만을 활용하였기에 수신기는 부이를 이용하여 해상에 투하하고 고정한 후 송신을 위하여 선박이 해당 거리를 이동한 뒤 신호를 전송하였다.
심볼 간격마다 각 주파수 성분의 크기 값을 비교하여 정보를 복구하는 비동기식 방식을 적용하였다.
BCSK 신호는 수신된 후 먼저 대역통과필터를 통해 신호처리에 필요한 영역을 제외한 나머지 주파수 부분은 제거한 뒤 상향 주파수 변화를 갖는 처프와 하향 주파수 변화를 갖는 처프에 대해 각각 정합 필터와 저역통과필터링을 한 뒤 각각의 처프에 대한 출력을 비교하여 정보를 복구하였다.
[3]은 550km 거리에서 DD-SS(Double Differentially coded Spread Spectrum) 방식으로 수중음향통신 실험을 수행하였다.
[4]은 600km 사이에 송신기 1개와 18개의 배열 수신기를 구성하고 450 Hz ~ 550 Hz의 주파수 대역에서 16-QAM(Quadrate Amplitude Modulation) 신호를 보내는 해상실험을 수행하였다.
두 가지 변조 방식의 신호를 전송하기에 앞서 데이터 프레임의 시작점을 찾기 위해 m-sequence로 구성된 프리앰블을 삽입하였다.
본 논문에서는 동해에서 하나의 송신기와 수직 배열 수신기를 사용하여 그동안 국내에서 수행된 어떠 한 해상실험보다 먼 거리인 60 km 와 90 km 거리에서 BFSK(Binary Frequency Shift Keying)와 BCSK(Binary Chirp Shift Keying) 방식과 같은 주파수 변조 기법을 이용하여 통신을 수행한 해상실험 결과를 제시하였다.
실험은 먼저 수신배열센서를 매단 부이를 투하한 뒤 고정하고, 전송거리만큼 이동하여 정선한 후에 송신기를 투하하여 통신 신호를 전송하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 수신기는 약 40 m 정도의 길이를 가지며, 16개의 센서가 2.8 m 간격으로 배열을 이루고 있다.
실험에서 프로젝터의 주파수 특성을 고려하여 f0 주파수는 1,887Hz, f1 주파수는 1,913Hz로 하였다.
장거리 수중음향통신 해상실험은 2018년 10월 중 순경 포항 동방해역에서 수행되었으며, 실험 기간 동안 전반적인 기상 상태는 양호하였다.
해상실험을 위한 송신 프로젝터는 FFR(Free Flooded Ring) 형태인 Neptune사의 T161 모델을 사용하였고, 수신기는 자체 제작한 선 배열 센서들을 사용하였다.

성능/효과

데이터 복구 결과 모든 수신 채널에서의 비부호화된 비트 오류율은 0이 나와 모든 정보가 정확하게 복구되었다.
또한 BFSK와 BCSK 방식 중에는 광대역 특성을 갖는 BCSK 방식의 성능이 더 우수함을 확인하였다.
실험결과를 비교해 보면 BCSK 방식으로 전송된 신호가 BFSK 방식보다 나은 성능을 갖고 있는 것이 확인되었다.
전달거리 60km와 90km에서 실험을 수행한 결과 60 km에서는 비부호화된 비트 오류율이 0으로 나타났으며, 90 km에서는 약간의 오류가 존재하였지만 채널 부호화 기법의 적용으로 대부분 복구가 가능한 범위에 있다는 것을 확인하였다.

후속연구

또한 다수의 채널 출력 신호를 적절하게 빔 형성 기법이나 시역전 처리 등처럼 조합한다면 보다 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
또한 BFSK와 BCSK 방식 중에는 광대역 특성을 갖는 BCSK 방식의 성능이 더 우수함을 확인하였다. 향후100km 이상의 장거리 수중음향통신에 대한 연구와 실험과 함께 낮은 신호 대 잡음비를 갖는 환경을 위한 전송방식에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BCSK 방식이란?	(4)는 초기 주파수 fmax 를 갖는 하향 주파수 변화를 갖는 신호를 표현한다. 즉, BCSK 방식은 처프 신호에서 주파수 변화의 기울기 부호에 정보를 싣는 방식이다. 실수 형태로 처프 신호를 표현하기 위해 위의 식들은 다음과 같이 표현할 수 있다.
	수중 네트워크를 구성하여 그 영역을 넓히는 연구들이 많아지는 이유는 무엇인가?	최근 해양자원 개발 및 수중 탐사 등의 효율적인 수중 임무 수행을 위한 민간 영역 혹은 국방 분야에서 수중음향통신에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 같은 관심을 바탕으로 국내외에서 많은 연구들이 진행되고 있으며, 1:1 수중통신만이 아니라 수중 네트워크를 구성하여 그 영역을 넓히는 연구들 또한 이루어지고 있다.
	수중에서 전파의 특징은 무엇인가?	수중에서 전파는 급격한 감쇠 특성을 갖기 때문에 전달 거리가 매우 짧아 상대적으로 감쇠 손실이 낮은 음파를 이용하게 된다. 또한 수중에서는 해양도 파관 구조에 따라 해수면과 해저면 등의 경계면에 따라 다중경로 전달로 인한 지연이 발생하고 송수신 플랫폼의 이동성이나 해류로 인한 도플러 천이 및 확산현상, 그 외에 다양한 원인의 잡음에 의하여 영향을 받아 수중 채널은 시간적이나 공간적으로 매우 복잡한 특성을 갖고 있다.

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