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[국내논문] 부 대역을 이용한 수중 음향 통신 송수신 구조 및 실험 결과 분석
Analysis of Transceiver Structure and Experimental Results of Underwater Acoustic Communication Using the Sub-band 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.13 no.6, 2020년, pp.545 - 555  

정현우 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University) ,  신지은 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University) ,  정지원 (Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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본 논문에서는 부 대역 처리를 이용하는 수중 통신에서 은밀성과 성능 향상 관점에서 효율적인 송수신 구조를 제시하였다. 은밀성적인 측면에서는 암호화된 부호화 비트를 블록으로 나누어 각 비트의 정보를 이용하여 중심 주파수와 부 대역을 결정하므로 은밀성을 유지하는 측면에서 효과적이다. 수중 통신에서 성능적인 측면에서는 다중 경로 특성, 도플러 확산, 프레임 동기 등이 성능에 영향을 미치는 결정적인 요소이다. 따라서 본 논문에서는 이러한 요소들을 극복하기 위해, 비동기 에너지 검출 방식과 터보 등화 기법, 그리고 최적의 프레임 동기 방식을 제안하여 수신부에 적용하였다. 호수 실험에서 최적의 프레임 동기 방식을 수신부에 적용한 결과 다섯 개의 프레임 중에서 네 개의 프레임에서 오류를 모두 정정함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presented efficient transceiver structure using sub-band processing for underwater communication in terms of covertness and performance improvement. In aspect of covertness, encrypted coded-bits are divided into groups, and center frequency and sub band are determined by coded-bits of eac...

Keyword

표/그림 (15)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 사용하였다. 시뮬레이션은 2장에서 제시한 터보 반복 횟수에 대한 성능 변화와 복조 방식에 대한 Doppler 변화에 대한 성능 변화를 알아보기 위해 행하였다. 프리엠블 비트수는 128비트이며, 따라서 하나의 프레임은 프리엠블 비트 수와 부호화된 비트수를 합쳐서 464비트이다.
  • 따라서 본 논문에서는 그림 13과 같은 순서로세 가지 타입으로 프레임 시작점을 찾는 것을 제안한다. 그림 12와 같이 LFM 또는 프리엠블 신호를 이용하여 피크 값을 찾고 복호하는 경우(타입 1)와 피크 값을 찾고 난 뒤 프레임의 시작 부분인 프리엠블의 첫 비트를 찾기 위해 피크 값의 전 후 샘플부터 진폭을 검파하여 처음으로 최대의 진폭을 가지는 부분을 프레임의 첫 심볼이라 가정하여 복호하는 경우(타입 2)와 프리엠블 심볼은 송수신간에 서로 알고 있는 심볼이므로 타입 2에서 첫 번째 진폭이 큰 값 순서대로 복조하여 오류를 체크한 다음 최소 오류를 가지는 지점을 프레임 시작점이라 가정하여 복호하는 경우 (타입 3)등 세 가지 경우에 대하여 성능 분석한 결과는 표 2와 같다.
  • 본 논문에서는 크게 두 가지 관점에서 부 대역을 이용한 FSK 송수신기 구조를 제시하였다. 첫째 은밀성 관점인데, 암호화된 부호화 비트를 블록으로 나누어 각 블록의 첫 번째 비트가 블록에할당되어진 중심주파수를 결정하며 그 다음 비트들이 각 중심 주파수의 부 대역을 결정하는 구조이다.

가설 설정

  • 채널의 다중경로는 그림 4와 같이 0.6, 0.3, 0.1 의 값을 갖는 3개로 가정하였고, 전송율이 1kbps이므로 다중경로마다 1ms의 지연 시간을 갖도록 설정하였다.
  • 시뮬레이션에서 송신부의 변조과정에서의 주파수에 도플러 오프셋을 0.1Hz 단위로 0~1Hz를 가정하였다.
  • 두 비트를 하나의 그룹으로 할당하여 중심 주파수는 2개를 생성하였으며, 두 비트의 마지막 비트에 따라 주파수가 2개 생성되므로 총 4개의 부 대역 주파수가 생성되어 FSK 변조를 하였다. 송수신 센서 장비의 규격이 14kHz ~ 24kHz를 갖고 있어 두 개 8의 중심 주파수 중 제일 첫 번째 중심 주파수 은 17.6kHz, 두 번째 중심 주파수 19.2kHz라고 가정하였고, 첫 번째 중심 주파수 의 부 대역 주파수, 는 17.2kHz, 18kHz, 두 번째 중심주파수의 부 대역 주파수 , 18.8kHz, 19.6kHz로 설정하였다. 수중채널에서 잡음과 다중경로의 영향을 받은 그림 10(b)의 수신된 신호는 송신 단의 sub-band processing과 마찬가지로 각각 의부 대역 주파수에 대역 통과 필터를 통과시켜 원하는 특정 부 대역 주파수대역 내의 세력만 감쇠 없이 통과시키고, 나머지 주파수 세력은 감쇠시킨다.
  • 첫째 은밀성 관점인데, 암호화된 부호화 비트를 블록으로 나누어 각 블록의 첫 번째 비트가 블록에할당되어진 중심주파수를 결정하며 그 다음 비트들이 각 중심 주파수의 부 대역을 결정하는 구조이다. 은밀성은 암호화 키의 사이즈에 비례하며, 임의의 수신자가 역으로 암호화 키를 해독할 수 있느냐에 따라 은밀성의 척도로 정해질 수 있으며, 이는 암호화키의 사이즈에 대한 은밀성 정도는 또 다른 관점이므로 본 논문에서는 원 데이터와 암호화 키의 연산으로 암호화시킴으로써 암호화 키를 모르는 다른 수신자는 암호화된 비트를 알더라도 원 데이터는 해독할 수 없으므로 은밀성이 존재한다고 가정하였다. 둘째, 수신부에서 성능을 향상시키기 위해 도플러에 강인한 비동기식 FSK 방식, 부호화율 1/3을 가지는 터보 부호 기반 터보 등화 구조, 패킷의 시작점을 검출하는 효율적인 방법을 제시하였다.
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참고문헌 (14)

  1. M. Stojanovic. J. A. Catipovic and J. G. Proakis, "Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels." IEEE J. Oceanic Eng. Vol. 19pp. 100-111. 1994. 

  2. D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, "The state of art in underwater acoustic telemetry,", IEEE Journal of the Oceanic Engineering, vol. 25, no. 1, pp. 4-27, 2000. 

  3. J. H. Park, Jr, "LPI TECHNIQUES IN THE UNDERWATER ACOUSTIC CHANNEL," IEEE Military Communication Conference-Communications-Computers, vol. 1, pp. 10.5.1-10.5.5, Oct 1986. 

  4. E. M. Sozer, J. G. Proakis, M. Stojanovic, J. A. Rice, A. Benson and M. Hatch, "Direct Sequence Spread Spectrum Based Modem for Under Water Acoustic Communication and Channel Measurements," IEEE. Oceans'99 MTS, vol. 1, pp. 228-233, Sep. 1999. 

  5. Taeseok Ahn, Jiwon Jung, Taedoo Park and Dongwon Lee, "Turbo Equalization for Covert communication in Underwater Channel", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.20, no. 8, pp. 1422-1430, Aug. 2016. 

  6. Stephen B. Weinstein, "The history of orthogonal frequency-division multiplexing" IEEE Communications Magazine, 47, no.11, pp. 26-35, Nov. 2009. 

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  8. He Xianguo. Design and Optimization of Pseudo-random Interleaver in Turbo Code[D].Hangzhou University of Electronic Science and Technology, pp. 120-128, 2014. 

  9. J. Salz, "Opimum mean-square decision feedback eqaulization," Bell System Technical Jounal 52, pp. 1341-1373, 1973. 

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  11. Jiwon Jung, "Performance Analysis of Turbo Equalizer in the Multipath Channel", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, Vol 5, No 3, pp.169-173, Sep. 2012. 

  12. J.W. Jung and K.M. Kim, "Optimizing of iterative turbo equalizer for underwater sensor communication" International Journal of Distributed Sensor Networks, pp. 1-6, Dec. 2013. 

  13. Joo-Hyoung Lee, Geun-Hyeok Lee, Jeong-Ha An, Ki-Man Kim, Min-Su Han, and SeongYong Kim,"Signal synchronization method for depth information transmission of high-speed underwater vehicle" (in Korean), J.Acoust. Soc. Kr, 39, pp. 69-76, Mar. 2020. 

  14. Hahyun Sung and Jiwon Jung, "Performance analysis of turbo codes based on underwater experimental data", Journal of the Korea n Society of Marine Engineering, Vol. 40, No. 1 pp. 45-49, 2016. 

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