[논문]확산기반 분자통신 채널에서 ISI 완화를 위한 해밍 부호에 관한 연구

정호영

doi:10.17661/jkiiect.2021.14.1.1

확산기반 분자통신 채널에서 ISI 완화를 위한 해밍 부호에 관한 연구
A Study on Hamming Codes for Mitigating ISI on the Diffusion-based Molecular Communication Channel 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.14 no.1, 2021년, pp.1 - 6

정호영 (Department of Information and Communication Engineering, Namseoul University)

초록
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본 논문에서는 확산기반 분자통신 채널에 존재하는 ISI(inter-symbol interference)를 완화하기 위해 ISI 특성을 채널 복호 알고리즘에 적용한 ISI 해밍부호를 제안하였다. 제안된 채널부호의 비트 오율 성능을 입증하기 위해 ISI가 존재하는 분자통신 채널에서 시뮬레이션을 통해 비트 오율을 측정하였으며 ISI 분자통신 채널에 적용되고 있는 주요한 채널부호들의 비트 오율 성능을 비교·분석하였다. 시뮬레이션 결과 방사되는 분자 수가 1100개 이하인 경우 본 논문에서 제안한 (8,4) ISI 해밍부호의 비트 오율이 다른 부호에 비해 가장 우수함을 알 수 있었다. 또한, 방사 분자 수가 1000개 일 때 본 논문에서 제안한 ISI 해밍부호의 복호 기법은 소프트 값만을 활용한 (7,4) 해밍부호에 비해 약 5.9×10-5의 오율이 개선되었다. ISI 제거 성능이 우수한 것으로 인정되고 있는 ISI-완화 채널부호와 비교해 보면 방사 분자 수가 크지 않은(M<1100) 채널 환경에서는 본 논문에서 제안한 ISI 해밍부호가 가장 유리하고 방사 분자 수가 큰 M>1100인 경우에는 ISI-완화 채널부호가 더 유리함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to mitigate ISI(inter-symbol interference) in a diffusion-based molecular communication channel, an ISI Hamming code is proposed in which ISI characteristics are applied to a channel decoding algorithm. In order to prove the bit error rate performance of the proposed channel code, the bit error rate performance of the major channel codes applied to the molecular communication channel with ISI was compared and analyzed through simulation. From the simulation results, it can be seen that the bit error rate performance of the ISI Hamming code is the best when the number of radiated molecules is less than or equal to 1100. In addition, when the number of transmitted molecules is M=1000, the decoding method of the ISI Hamming code proposed in this paper has improved the bit error rate of approximately 5.9×10-5 compared to the Hamming code using only soft values. Compared with the ISI-mitigating channel code, which is effective for removing ISI in the molecular communication channel, the ISI Hamming code proposed in this paper is the most advantageous in a channel environment where the number of transmitted molecules is not big (M1100).

주제어

표/그림 (4)

그림 그림 1. 확산기반 분자통신 시스템 모델[6] Fig. 1. Diffusion-based Molecular Com-munication System Model[6]
그림 그림 2. ISI scale factor, α 에 따른 BER Fig. 2. BER vs ISI scale factor, α
그림 그림 3. 비트 당 분자 수에 대한 비트 오율 Fig. 3. BER vs. Molecules per bit-1
표 표 1. 시뮬레이션 파라미터 Table 1. Simulation Parameters

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 확산기반 분자통신 채널에서 발생하는 ISI 특성을 소프트 값을 활용한 해밍 복호 알고리즘에 적용한 ISI 해밍부호를 제안하였다. 또한 ISI가 존재하는 확산기반 분자통신 채널에서 사용되고 있는 채널부호들의 오율 성능을 시뮬레이션을 실행하여 분석하였다.

가설 설정

본 논문에서는 전송할 정보 값이 1이면  개의 분자들을 일시에 방사하고 정보 값이 0이면 방사하지 않는 BCSK(binary concentration-based shift keying) 변조 방식을 사용하여 정보를 전송한다고 가정한다. 수신기에서는 매 심벌에 관한 최적의 임계값을 이용하여 정보 심벌을 추정한다[4].

제안 방법

성능을 추가로 개선하였다. ISI 특성을 적용하기 위해 채널부호 앞에 ‘0’을 추가하여 전송하고 정보 비트 1이 2개 이상 연속된 경우 이 후의 비트에 대한 소프트 값 기여도를 조정하여 복호 함으로써 ISI의 영향을 최소화하였다. 한편, 본 논문에서도 [6]과 같이 한 심벌 구간 동안 카운트된 흡수 분자 수에서 임계치를 뺀 값을 소프트 값으로 부르기로 한다.
적용한 ISI 해밍부호를 제안하였다. 또한 ISI가 존재하는 확산기반 분자통신 채널에서 사용되고 있는 채널부호들의 오율 성능을 시뮬레이션을 실행하여 분석하였다.
시뮬레이션에 사용한 채널부호는 분자통신 채널에 적용할 채널부호로 처음 권고된  해밍부호, 소프트 값을 활용하여 복호 성능을 개선한 소프트 값을 이용한 (7, 4) 해밍 부호[6]와 본 논문에서 제시한 채널부호로 분자통신 채널의 ISI 특성을 고려하여 [6]의 복호 성능을 개선한  ISI 해밍 부호의 비트 오율을 비교하여 나타냈다. 또한 분자통신 채널에서 ISI 제거를 위해 제시된 채널부호 중 성능이 우수한 것으로 평가되는  ISI-완화 채널부호(ISI mitigating channel code)[2]의 오율 성능도 시뮬레이션을 통해 얻은 후 비교·분석하였다.
본 논문에서 제시하는 ISI 해밍부호는  해밍 부호 앞에 ‘0’을 추가하여  부호로 만들어 전송 함으로써 ISI 현상을 완화시키고복호를 할 때는 추가한 ‘0’을 다시 제거하여  해밍부호로 복원시킨 후 소프트 값을 이용한 복호 알고리즘을 적용하여 오류를 정정 함으로써 비트 오율이 최소화되도록 한다.  ISI 해밍부호의 복호기에 입력되는 수신 부호를 ′  ___이라고 할 때 _은 0이므로 _을 제거하고 남은 수신 부호제거한다.
특히 ≦ 이하이면 ISI를 고려하지 않은 경우() 보다도 BER 값이 증가하여 역효과가 남을 알 수 있다. 본 논문에서는 ISI scale factor 값을 로 고정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 복잡도가 크지 않으면서도 확산기반분자통신 채널에서 ISI를 완화할 수 있는 Hamming 부호의 복호 방법을 제안하였으며, 제안한 복호 방법에 대해 모의실험을 통하여 비트 오율 성능을 분석하였다.
부호율이 _인 채널부호를 사용하여 정보 비트를 송신하는 경우 실제 송신되는 정보 비트는 부호율 _ 비율 만큼 줄어든 비트에 해당한다. 본 논문에서는 부호율 _를 정보 비트 수에 반영하여 채널부호에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 확산기반 분자통신 채널의 ISI 특성을 소프트 값을 활용한 해밍 복호기에 적용하여 오율 성능을 추가로 개선하였다. ISI 특성을 적용하기 위해 채널부호 앞에 ‘0’을 추가하여 전송하고 정보 비트 1이 2개 이상 연속된 경우 이 후의 비트에 대한 소프트 값 기여도를 조정하여 복호 함으로써 ISI의 영향을 최소화하였다.
송·수신기의 거리는 일반적으로 ∼를 사용하지만 ISI 현상이 두드러지고 시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 를 사용하였다. 분자통신 시스템의 시뮬레이션은 많은 실행 시간이 요구되기 때문에 본 논문의 실험 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 시뮬레이션 실행 시간이 최소화되도록 확산 계수값을 정하였다.
분자통신 채널에서 발생하는 ISI는 정보 심벌 1 이 두 개 이상 연속된 후 발생하는 정보 심벌 0에 가장 두드러지게 나타난다는 점을[5] 이용하여 다음과 같이 ISI-완화를 위한 해밍 복호 알고리즘을 제안한다.
채널부호를 사용하지 않고 BCSK 변조만을 적용한 경우에 대한 시뮬레이션은 MUCIN 시뮬레이터 [8]을 이용하여 실행하였으며, 이를 바탕으로 해밍부호기 모듈과 복호기 모듈을 추가하여 시뮬레이션을 진행하였다. 부호율이 _인 채널부호를 사용하여 정보 비트를 송신하는 경우 실제 송신되는 정보 비트는 부호율 _ 비율 만큼 줄어든 비트에 해당한다.

데이터처리

사용하기 위해 나타낸 것이다. 시뮬레이션에 사용한 채널부호는 분자통신 채널에 적용할 채널부호로 처음 권고된  해밍부호, 소프트 값을 활용하여 복호 성능을 개선한 소프트 값을 이용한 (7, 4) 해밍 부호[6]와 본 논문에서 제시한 채널부호로 분자통신 채널의 ISI 특성을 고려하여 [6]의 복호 성능을 개선한  ISI 해밍 부호의 비트 오율을 비교하여 나타냈다. 또한 분자통신 채널에서 ISI 제거를 위해 제시된 채널부호 중 성능이 우수한 것으로 평가되는  ISI-완화 채널부호(ISI mitigating channel code)[2]의 오율 성능도 시뮬레이션을 통해 얻은 후 비교·분석하였다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 ISI 해밍부호의 오율 성능 개선을 분석하기 위해 분자통신 시스템에서 BCSK 변조 방식을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 표 1은 본 논문에서 시행한 시뮬레이션 파라미터 들을 표시한 것이다.

성능/효과

한편,  ISI-완화 채널부호는 개 이상의 채널 환경에서 가장 우수한 성능을 보여주고 있으며 방사 분자 수가 증가할수록 비트 오율 값은 급격히 감소함을 볼 수 있다. 따라서 방사 분자 수가 크지 않은() 채널 환경에서는 본 논문에서 제시한 ISI 해밍부호가 가장 유리하고 인 경우에는 ISI-완화 채널부호를 적용하여 시스템을 구성해야 할 것이다.
개선된 것을 볼 수 있었다. 방사 분자 수가 크지 않은() 채널 환경에서는 본 논문에서 제시한 I SI 해밍부호가 가장 유리하고 방사 분자 수가 큰 인 경우에는 ISI-완화 채널부호가 가장 유리함을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 방사 분자 수가 개 인 경우 본 논문에서 제안한 복호 기법은 소프트 값 만을 활용한  해밍 부호에 비해 약 ×^의 오율이 개선된 것을 볼 수 있었다. 방사 분자 수가 크지 않은() 채널 환경에서는 본 논문에서 제시한 I SI 해밍부호가 가장 유리하고 방사 분자 수가 큰 인 경우에는 ISI-완화 채널부호가 가장 유리함을 알 수 있었다.
우수하다. 일반적으로 시뮬레이션에 사용하고 있는 방사 분자 수 은 약 1000개 정도인데, 개 인 경우 본 논문에서 제안한 복호 기법은 소프트 값 만을 활용한  해밍 부호에 비해 약 ×^ 의 오율이 개선된 것을 볼 수 있다. 인 경우 제안된  ISI 해밍부호와  ISI-완화 채널부호의 비트 오율은 거의 동일하지만 분자 수 이 작을수록 제안된 부호의 비트 오율이 더 우수하며 그 격차는 커져 일 때 약 ×^ 의 차이를 보인다.
정보 비트가 1일 때 방사되는 분자 수가 개 이하인 경우 본 논문에서 제시한  ISI 해밍부호의 비트 오율이 가장 우수하다. 일반적으로 시뮬레이션에 사용하고 있는 방사 분자 수 은 약 1000개 정도인데, 개 인 경우 본 논문에서 제안한 복호 기법은 소프트 값 만을 활용한  해밍 부호에 비해 약 ×^ 의 오율이 개선된 것을 볼 수 있다.
인 경우 제안된  ISI 해밍부호와  ISI-완화 채널부호의 비트 오율은 거의 동일하지만 분자 수 이 작을수록 제안된 부호의 비트 오율이 더 우수하며 그 격차는 커져 일 때 약 ×^ 의 차이를 보인다. 한편,  ISI-완화 채널부호는 개 이상의 채널 환경에서 가장 우수한 성능을 보여주고 있으며 방사 분자 수가 증가할수록 비트 오율 값은 급격히 감소함을 볼 수 있다. 따라서 방사 분자 수가 크지 않은() 채널 환경에서는 본 논문에서 제시한 ISI 해밍부호가 가장 유리하고 인 경우에는 ISI-완화 채널부호를 적용하여 시스템을 구성해야 할 것이다.

후속연구

향후 다양한 파라미터를 갖는 분자통신 채널에 대한 성능 분석이 필요하다. 또한, 분자통신 시스템에 대한 시뮬레이션은 많은 시간이 소요되므로 이를 단축할 수 있는 방법에 대한 연구도 요구된다.

참고문헌 (8)

Po-Jen Shih, Chia-Han Lee, Ping-Cheng Yeh, Kwang-Cheng Chen, "Channel Codes for Reliability Enhancement in Molecular Communication," IEEE Journal on Selected Areas in Communications ( Volume: 31, Issue: 12, December 2013, Vol. 31, Issue 12, pp. 857-867,December 2013.

상세보기
A. Oguz Kislal, Bayram Cevdet Akdeniz, Changmin Lee, Ali E. Pusane, Tuna Tugcu, Chan-Byong Chae, "ISI-Mitigating Channel Codes for Molecular Communication via Diffusion," IEEE Access, Vol.4, pp. 1-12, 2016.
W. Guo, T. Asyhari, N. Farsad, H. B. Yilmaz, B. Li, A. Eckford, C-B Chae, "Molecular Communications: Channel Model and Physical Layer Techniques," IEEE Wireless Communications, vol. 23, no. 4, pp. 120-127, 2016.

상세보기
W. Guo, B. Li, S. Wang, and W. Liu, "Molecular Communications with longitudinal carrier waves: baseband to passband modulation," IEEE Communication Letters, Vol. 19, Issue:9, pp. 1512-1515, Sept. 2015.
B. C. Akdeniz, A. E. Pusane, and T. Tugen, "Position-based modulation in molecular communications," Nano communication networks, vol. 16, pp. 60-68, 2018.

상세보기
Ho-Young Cheong, "A Study on the Decoding of Hamming Codes using Soft Values on the Molecular Communication Channel," The Journal of KIIECT, Vol. 13, No. 5, pp. 338-343, October 2020.
Hoyoung Cheong, "An Improved Decoding Scheme of LCPC Codes," The Journal of KIIECT, Vol. 11, No. 4, pp. 430-435, Aug. 2018.
H. Birkan, MolecUlar CommunicatIoN (MUCIN) Simulator,https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/46066-molecular-communication-mucin-simulator

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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