[논문]돌고래 휘슬을 이용한 지연시간 기반 생체 모방 통신 기법

이호준; 안종민; 김용철; 이상국; 정재학

doi:10.7776/ask.2019.38.5.580

초록
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본 논문에서는 은밀하게 통신 신호를 전송하기 위해 돌고래 휘슬음을 모방한 통신 기법을 제안하였다. 기존의 CSS(Chirp Spread Spectrum) 변조 기법은 돌고래 휘슬음을 정해진 시간 단위에 따라 여러 슬롯으로 나누고 각 슬롯에 상향 및 하향 처프 신호를 통해 변조하는 기법이다. 이에 따라 본래의 돌고래 휘슬음과의 시간-주파수 특성 차이가 발생하게 되어 모방 성능이 저하된다. 본 논문에서는 이러한 왜곡을 제거하기 위해 지연 시간을 기반으로 하는 변조 기법을 제안하였다. 전산 모의실험 결과 기존의 CSS 변조 기법에 비해 제안 방법의 비트오류율 성능이 약 3.5 dB ~ 8 dB 우수하였으며 시간-주파수 영역에서의 상호 상관도를 통한 모방 성능 평가에서도 CSS 변조 기법에 비해 우수한 것을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a biomimetic communication method using a dolphin whistle to covertly transmit the communication signal. A conventional CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation technique divides dolphin whistle into several slots and modulates with up and down chirp signals. That causes the ...

In this paper, we propose a biomimetic communication method using a dolphin whistle to covertly transmit the communication signal. A conventional CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation technique divides dolphin whistle into several slots and modulates with up and down chirp signals. That causes the time-frequency characteristic difference between the original dolphin whistle and the camouflage performance is degraded. In this paper, we propose a delay based modulation scheme to eliminate distortions. The simulation results show that the bit error rate of the proposed method is better performance than that of the conventional CSS modulation method by about 3.5 dB to 8 dB. And the camouflage performance that evaluated through the cross correlation in the time-frequency domain is also better than that of the CSS modulation method.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Spectrogram of dolphin whistles.
그림 Fig. 2. Modulation schematic diagram.
그림 Fig. 3. Proposed modulation scheme.
그림 Fig. 4. Modulated symbol of proposed method.
그림 Fig. 5. Proposed demodulation scheme.
그림 Fig. 6. Multipath channel delay profile.
그림 Fig. 7. BER performances of proposed method and CSS.
그림 Fig. 8. Spectrogram of mimicked signal with T_dolp = 100 msec, (a) original whistle, (b) modulated signal by CSS, L_t = 5 msec, g = 10 kHz/sec, (c) modulated signal by proposed method, L_mod = 32 msec.
표 Table 1. Correlation coefficient and data rate.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모방 성능을 높이기 위해 돌고래 휘슬음의 지연 시간 기반 휘슬음 모방 변조 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안한 방법은 전송하고자 하는 비트와 변조 차수에 따라 결정되는 지연 시간을 휘슬음 앞에 할당하여 전송하는 기법이다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 생체 모방 변조 기법은 생성된 신호 s_ref(t)에 대하여 전송하고자 하는 비트 및 변조 차수에 따라 계산되는 지연 시간을 적용하여 변조한다. 돌고래 휘슬음의 길이가 T_dolp, 최대 지연 시간이 L_mod라 하면 하나의 심볼 길이인 T_sym은 T_sym = T_dolp + L_mod가 된다.

대상 데이터

이때 프레임의 동기는 완벽하다고 가정한다. 실험에 사용된 수중 음향 채널은 서해 정점에서 측정된 음속을 기반으로 하여 Bellhop 모델을 통해 생성된 채널로써 Fig. 6에 나타내었다. Fig.

데이터처리

본 절에서는 제안 방법과 기존의 CSS 변조 기법의 BER 성능과 모방 성능을 비교 분석하는 전산 모의실험을 수행한다. 이때 프레임의 동기는 완벽하다고 가정한다.

성능/효과

본 논문에서는 이러한 특성 차이가 발생하는 것을 제거하기 위해 지연 시간을 기반으로 하는 돌고래 휘슬음 모방 통신 기법을 제안하였다. 전산 모의실험 결과 기존의 CSS 변조 기법에 비해 제안 방법의 BER 성능이 약 3.5 dB ~ 8 dB 우수함을 보였고 시간-주파수 영역에서의 상호 상관도를 통한 모방 성능 평가에서도 CSS 변조 기법에 비해 제안 방법이 우수한 것을 보였다. 다만 본 논문에서의 성능 평가는 프레임 동기가 완벽한 경우에 대한 실험이다.

후속연구

다만 본 논문에서의 성능 평가는 프레임 동기가 완벽한 경우에 대한 실험이다. 이에 따라 보다 실제적인 상황에서의 성능을 분석하기 위해 향후 실제 해상 실험을 통해 제안 방법의 성능을 검증이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	돌고래 휘슬음이란?	돌고래 휘슬음은 Fig. 1에 나타낸 스펙트로그램과 같이 시간에 따라 주파수가 변화하며 그 특성은 시간 및 주파수 영역의 주파수 윤곽으로 정의된다.[6-10] 휘슬음의 주파수 윤곽과 유사하게 통신 신호를 생성하게 되면 시간 및 주파수영역의 특성 유사함에 따라 사람이 듣게 되는 소리도 원래의 휘슬음과 유사해 진다.
	CSS 변조 기반 휘슬음 모방 기법의 모방 성능은 무엇에 의해 결정되는가?	CSS 변조 기반 휘슬음 모방 기법의 모방 성능은 Lf와 Lt에 의해 결정된다. Lf와 Lt가 작은 경우에는 본래의 휘슬음과의 시간-주파수 특성 차이가 작아 모방 성능이 우수하다.
	본래의 휘슬음과의 신호-주파수 특성 차이가 커지게 되어 모방 성능이 저하되는 이유는?	Lf와 Lt가 작은 경우에는 본래의 휘슬음과의 시간-주파수 특성 차이가 작아 모방 성능이 우수하다. 그러나 복조 시에 상향 및 하향 처프와의 상호 상관을 계산하는데 Lf와 Lt가 작을수록 상호 상관 성능이 저하되어 신호 복원 성능이 좋지 않다. 반대로 Lf와 Lt가 큰 경우에는 처프의 신호가 차지하는 시간과 주파수 대역폭이 넓어지게 된다. 따라서 상호 상관 성능이 우수하여 신호 복원 성능이 좋지만 본래의 휘슬음과의 신호-주파수 특성 차이가 커지게 되어 모방 성능이 저하된다.

참고문헌 (10)

S. Liu, G. Qiao, and A. Ismail, "Covert underwater acoustic communication using dolphin sounds," J. Acoust. Soc. Am. 133, EL300-EL306 (2013).

상세보기
G. Qiao, Y. Zhao, S. Liu, and M. Bilal, "Dolphin sounds inspired covert underwater acoustic communication and micro modem," J. Sensors, 17, 2447 (2017).
S. Liu, T. Ma, G. Qiao, L. Ma, and Y. Yin, "Biologically inspired covert underwater acoustic communication by mimiking dolphin whistles," J. Appl. Acoust., 120, 120-128 (2017).

상세보기
J. Ahn, H. Lee, Y. Kim, W. Kim, and J. Chung, "Multipath combining method for frequency shift keying underwater communications mimiking dolphin whistle" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 37, 404-411 (2018).
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D. K. Mellinger, S. W. Martin, R. P. Morrissey, and J. J. Yosco, "A method for detecting whistles, moans, and other frequency contour sounds," J. Acoust. Soc. Am. 129, 4055-4061 (2011).

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L. Shamir, C. Yerby, R. Simpson, A. M. von Benda-Beckmann, P. Tyack, F. Samarra, P. Miller, and J. Wallin, "Classification of large acoustic datasets using machine learning and crowdsourcing: Application to whale calls," J. Acoust. Soc. Am. 135, 953-962 (2014).

상세보기
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