[논문]전투무선체계(CNRS) VHF 협대역 전술음성통신 목표 성능 분석

김재욱; 박준하; 이철호; 이병규; 정하연

doi:10.9766/kimst.2021.24.1.107

전투무선체계(CNRS) VHF 협대역 전술음성통신 목표 성능 분석
Target Performance Analysis of Tactical Voice Communication on VHF Narrow-band in Combat Network Radio System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.24 no.1, 2021년, pp.107 - 114

김재욱 (LIG넥스원(주) C4I연구소) , 박준하 (LIG넥스원(주) C4I연구소) , 이철호 (LIG넥스원(주) C4I연구소) , 이병규 (LIG넥스원(주) C4I연구소) , 정하연 (LIG넥스원(주) C4I연구소)

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By analyzing the voice communication performance of the existing tactical FM radios, the performance target of the newly developing TICN combat network radio system VHF band tactical voice communication waveform was derived. In addition, a vocoder and modulation method that can satisfy the performan...

주제어

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문제 정의

TICN 전투무선체계 VHF 대역 신규 웨이브폼의 전술음성통신 목표 성능은 SNR 11 dB 이상에서 MOS- LQO 2.25 이상의 음성 품질을 제공하고, SNR 3 dB 일 때에도 MOS-LQO 1.29 수준의 음성 품질을 제공하여 최소한의 의사소통이 가능하도록 하는 것이다.
본 논문에서는 현재 운용중인 기존 FM 무전기의전술음성통신 성능을 분석하여, 신규 개발될 TICN 전투무선체계 VHF 대역 전술음성통신 웨이브폼의 목표성능을 도출하였다. 그리고 해당 목표 성능과 추가 요구사항을 만족할 수 있는 음성 코덱 및 변조방식과채널코딩을 제시하고, 해당 통신 시스템의 전술음성통신 성능을 분석하였다.
이 논문에서는 기존 FM 무전기의 전술음성통신 성능을 분석하고, 신규 개발될 전투무선체계 VHF 대역웨이브폼의 전술음성통신 목표 성능을 도출하며, 이를구현하기 위한 방안에 대해서 다루고자 한다.
1과 같이 전술 다 대역 다기능무전기 TMMR(Tactical Multi-band Multi-role Radio) 은 전투무선체계의 주장비로 데이터 전송속도 증대, 통신 효율성 보장, 작전 수행능력 확대 등을 고려하여 개발되었다^[1]. 즉, TMMR의 신규 웨이브폼은 현재 전술음성통신 성능을 유지하면서, 네트워크 중심전 NCW (Network-Centric Warfare)에 맞춰 증가한 데이터 전송량을 감당하기 위하여 개발된 것이다.

제안 방법

5는 Matlab을 이용하여 AWGN 채널에서 다양한 변조 방식의 SNR 대비 BER 성능을 그래프로 도시한 것이다. BPSK(Binary Phase Shift Keying) 외 다른 변조 방식은 요구사항을 만족시키기 힘든 수준이므로, BPSK에 채널 코딩을 적용한 방식을 중점적으로 분석한다. Fig.
수 있다. United States Naval Research Laboratory에서 SINGARS의 음성 품질을 측정하기 위하여 CVSD 16 kbps의 BER 대비 음성 품질을 PESQ 기준으로 계측하였다^[8]. 이를 MOS-LQO로 변환한 값을 정리하면 Table 2와 같다^[8].
도출하였다. 그리고 해당 목표 성능과 추가 요구사항을 만족할 수 있는 음성 코덱 및 변조방식과채널코딩을 제시하고, 해당 통신 시스템의 전술음성통신 성능을 분석하였다.
앞 절에서 기존 FM 무전기의 통신 성능을 확인하기 위하여 SNR 대비 BER을 도출하였고, 음성 품질을 확인하기 위하여 BER 대비 MOS-LQO를 도출하였다. 분석 결과를 종합하면, 기존 FM 무전기의 SNR 대비 MOS-LQO를 확인할 수 있고, 결과는 Fig.

이론/모형

4 kbps를 적용하는데 필요한 통신환경을 도출하였다. MELP 2.4 kbps 음성 코덱은 패킷 유실에 의한 음질 저하가 심각하므로, 이를 최소화하기 위하여 “Ignore All Checksum” 방식을 선택하였다. 이 경우 PLR 2.
군에서 쓰이는 음성 감명도는 개인이 평가한 주관적인 값이므로, 즉각적인 음질 판단 및 직관적 전달에는 유용하나 CVSD와 같은 음성 코덱에 대한 평가용으로는 적절하지 않다. 따라서 본 논문에서는 “ITU-T Recommendation P.862”에 정의된 PESQ(Perceptual Evaluation of Speech Quality)^[6]로 계측된 값을 “ITU-T Recommendation P.862.1”에 제시된 MOS-LQO(Mean Opinion Score - Listening Quality Objective)로 변환하여 활용한다^[7]. 해당 변환 수식은 (4)와 같다.

성능/효과

또한음성 자동중계 기능을 고려하면, 최소 두 배 이상의데이터 전송량이 필요하다. 결과적으로 같은 채널용량에서 SNR 대비 BER 성능이 1.0×10^-1에서 9.3×10^-4으로 100배 이상 향상되어야만 기존과 동등 수준의 음성통신이 가능한 것이다. 이것은 대단히 어려운 구현 목표로 개발 과정에서 보다 많은 연구가 필요할 것이다.
무전기이다. 따라서 SINCGARS-V를 비롯하여 현재 NATO 표준 STANAG 4204 전술음성통신에 쓰이는 25 kHz, Uncoded 16 kbps FSK(Frequency Shit Keying) 의성능을 분석하면, 기존 FM 무전기의 성능을 파악할 수 있다. NATO는 해당 변조방식의 SNR(Signal to Noise Ratio) 대비 BER 성능을 “Legacy 16 kbps FSK with Noncoherent Receiver”로 측정 및 제시하였으며, Fig.
29 이다. 따라서 기존 FM 무전기를 대체할 전투무선체계 신규 웨이브폼은 SNR 3 dB 조건에서 MOS-LQO 1.29 이상의 음성 품질을 제공해야 한다.
이에 비해 “BPSK 2/3” 방식은 전송속도와 BER 성능 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 신규 웨이브폼은전술음성통신 시, 부호화율 2/3 Convolution Code를 적용한 BPSK 변조 방식에 Soft decision 디코딩을 적용해야 요구하는 성능과 전송속도를 만족할 수 있다.
따라서 최고 음성 품질은 CVSD 16 kbps 보다 좋고 데이터 전송량이 작은 MELP 2.4 kbps를 적용하는 것이 합리적이다. MELP는 PLR 20 %일 때 MOS- LQO 1.
도출하였다. 분석 결과를 종합하면, 기존 FM 무전기의 SNR 대비 MOS-LQO를 확인할 수 있고, 결과는 Fig. 3과 같다.
25 이상의음성 품질을 제공하는 것이다. 예측되는 음성 품질은이러한 목표 성능을 충분히 상회하며, SNR 6 dB 만되어도 MELP 2.4 kbps 최고 음성 품질을 기대할 수 있다.
29로 추정할 수 있다^[8]. 이 분석 결과에 의해 우리 군은 MOS-LQO 2.25 수준의 음성 품질을 의사소통이 원활한 수준으로, MOS-LQO 1.29 수준의 음성 품질을 의사소통이 가능한 최소 수준으로 판단하였음을 알 수 있다.
2 kbps 미만이므로, 요구 성능을 만족하지 못한다. 이에 비해 “BPSK 2/3” 방식은 전송속도와 BER 성능 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 신규 웨이브폼은전술음성통신 시, 부호화율 2/3 Convolution Code를 적용한 BPSK 변조 방식에 Soft decision 디코딩을 적용해야 요구하는 성능과 전송속도를 만족할 수 있다.
0×10^-1 정도의 열악한 통신환경에서 저품질로 음성통화가 가능하다^[2]. 즉, 우리 군이 상정한 열악한 통신환경은 BER 1.0×10^-1수준을 의미하고, 이 환경에서 제공되는 CVSD 16 kbps 음성 품질이 허용 가능한 최저 음성 품질임을 알 수 있다. 따라서 기존 FM 무전기를 대체할 신규 웨이브폼의 전술음성통신은 이 기준에 맞추어 개발되어야 할 것이다.

후속연구

0×10^-1수준을 의미하고, 이 환경에서 제공되는 CVSD 16 kbps 음성 품질이 허용 가능한 최저 음성 품질임을 알 수 있다. 따라서 기존 FM 무전기를 대체할 신규 웨이브폼의 전술음성통신은 이 기준에 맞추어 개발되어야 할 것이다.
차후 연구에서는 Fading 채널 모델에서 전술음성통신의 성능목표를 분석하고, 해당 성능목표를 충족하기위한 구현방안을 모색할 예정이다. 또한 오버헤드를감소시키기 위한 음성 패킷 구조 설계 개선 및 헤더압축 방안을 연구하고, 이를 통해 감소한 데이터 전송량을 바탕으로 더 강력한 오류정정 기법을 적용하여 AWGN 대비 열악한 Fading 채널을 극복할 방안을 찾을 것이다.
이것은 대단히 어려운 구현 목표로 개발 과정에서 보다 많은 연구가 필요할 것이다. 차후 연구에서는 Fading 채널 모델에서 전술음성통신의 성능목표를 분석하고, 해당 성능목표를 충족하기위한 구현방안을 모색할 예정이다. 또한 오버헤드를감소시키기 위한 음성 패킷 구조 설계 개선 및 헤더압축 방안을 연구하고, 이를 통해 감소한 데이터 전송량을 바탕으로 더 강력한 오류정정 기법을 적용하여 AWGN 대비 열악한 Fading 채널을 극복할 방안을 찾을 것이다.

참고문헌 (12)

Soo-Yeon Jo, "Combat Network Radio System (TMMR) Development Status and Impact Analysis on Other Systems," Korea Defense Industry Association, Defense & Technology(446), pp. 92-98, 2016.
Seong-Min Lee, Joo-Hee Han, "A Frequency Resource Assignment Algorithm for FH Radio Using Isotropic Multi Dimension Array," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 9 Issue 4, pp. 24-31, 2006.
Enrico Casini, Michael Street, Philip Vigneron, Rick Barfoot, "SDR-Ready Standardized Waveforms for Tactical VHF and UHF Communications for NATO," NATO C3 Agency, The Hague NETHERLANDS, 2010.
Richard A. Paradise, "Modeling and Simulation of the Physical Layer of the Single Channel Ground and Airborne Radio System(SINCGARS)," Master's Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, 2005.
ITU-T Recommendation P.800, "Methods for Subjective Determination of Transmission Quality," 1996.
ITU-T, Recommendation P.862, "Perceptual Evaluation of Speech Quality(PESQ): An Objective Method for End-to-End Speech Quality Assessment of Narrow-Band Telephone Networks and Speech Codecs," 2001.
ITU-T, Recommendation P.862.1, "Mapping Function for Transforming P.862 Raw Result Scores to MOS-LQO," 2003.
P. Shahan, D. A. Heide and A. E. Cohen, "Comparison of TSVCIS Voice at 8000 and 12000 bps VERSUS CVSD at 16000 bps," MILCOM 2012 - 2012 IEEE Military Communications Conference, Orlando, FL, pp. 1-4, 2012.
M. A. Kohler, "A Comparison of the New 2400 bps MELP Federal Standard with Other Standard Coders," 1997 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Munich, Vol. 2, pp. 1587-1590, 1997.
MIL-STD-188/113, "Interoperability and Performance Standards for Analog-to-Digital Conversion Techniques," 1987.
MIL-STD-3005, "Analog-to-Digital Conversion of Voice by 2,400 Bit/Second Mixed Excitation Linear Prediction(MELP)," 1999.
B. Gavula, G. Scheets, K. Teague and J. Weber, "The Perceptual Quality of Melp Speech over Error Tolerant IP Networks," 2008 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Las Vegas, NV, pp. 1633-1636, 2008.

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