[논문]단일 벡터센서의 수중음향 통신 시스템 성능 향상을 위한 채널 파라미터 기반 가중 방법

최강훈; 최지웅

doi:10.7776/ask.2022.41.6.610

단일 벡터센서의 수중음향 통신 시스템 성능 향상을 위한 채널 파라미터 기반 가중 방법
A channel parameter-based weighting method for performance improvement of underwater acoustic communication system using single vector sensor 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.41 no.6, 2022년, pp.610 - 620

최강훈 (한양대학교 해양융합과학과) , 최지웅 (한양대학교 ERICA 해양융합공학과)

초록
AI-Helper

음향 벡터센서는 한 위치에서 음향압력 뿐만 아니라 입자속도 및 가속도와 같은 벡터량을 동시에 수신할 수 있기 때문에 수중음향 통신 시스템의 단일입력다중출력 수신기로써 사용가능하다. 한편, 단일 벡터센서로 수신되는 벡터 신호는 송·수신기 간 방위각과 다중경로 각 요소의 전파각도에 따라 서로 다른 채널 특성을 갖기 때문에 다른 통신성능을 야기한다. 본 논문에서는 단일 벡터센서를 이용한 수중음향 통신 시스템의 성능 향상을 위한 채널 파라미터 기반 가중 방법을 제안한다. 제안 방법의 검증을 위해 Korea Reverberation Experiment(KOREX-17) 중에 수행된 통신실험 데이터를 사용하였다. 음향 송신기는 수신기로부터 멀어지면서 통신신호를 전송했으며 단일 벡터 수신기는 음향압력 신호와 x, y, 및 z 가속도 신호를 측정했다. 수신된 가속도 신호는 압력등가 입자속도 신호로 변환되어 음향압력 신호와 함께 다중채널 통신 시스템의 입력값으로 사용되었다. 통신 복조를 위해 시변 채널에 강인한 블록기반 시역전 기법이 활용되었으며, 통신 결과로부터 단일 벡터센서를 이용한 수중음향 통신 시스템에 대한 채널 파라미터 기반 가중 방법의 유효성이 입증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An acoustic vector sensor can simultaneously receive vector quantities, such as particle velocity and acceleration, as well as acoustic pressure at one location, and thus it can be used as a single input multiple output receiver in underwater acoustic communication systems. On the other hand, vector signals received by a single vector sensor have different channel characteristics due to the azimuth angle between the source and receiver and the difference in propagation angle of multipath in each component, producing different communication performances. In this paper, we propose a channel parameter-based weighting method to improve the performance of an acoustic communication system using a single vector sensor. To verify the proposed method, we used communication data collected from the experiment conducted during the KOREX-17 (Korea Reverberation Experiment). For communication demodulation, block-based time reversal technique which is robust against time-varying channels were utilized. Finally, the communication results showed that the effectiveness of the channel parameter-based weighting method for the underwater communication system using a single vector sensor was verified.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. (Color available online) Block diagram for multichannel block-based time reversal using a single vector sensor with a channel parameter-based weighting method.
그림 Fig. 2. (Color available online) Positions of the drifting source and the fixed vector receiver including case 1 and 2 in Table 1.
그림 Fig. 3. (Color available online) (a) Eigenray tracing output at a source-receiver range of 143m, and channel impulse responses of the (b) pressure, (c) pressure-equivalent x-particle velocity, (d) pressure-equivalent y-particle velocity and (e) pressure-equivalent z-particle velocity channels after noise normalization for all source-receiver ranges, which were estimated by matched filtering of LFM signal and normalized by maximum value of the P channel corresponding to each range.
그림 Fig. 4. (Color available online) (a) Input SNR, (b) RMS delay spread and (c) SINR of the P, X, Y and Z channels calculated for all source-receiver ranges.
그림 Fig. 5. (Color available online) Comparisons of communication performances in terms of the output SNR obtained by single-channel BTR and multichannel BTR.
그림 Fig. 7. Scatter plots of communication performances versus weighting values calculated using the (a) SINR and (b) RMS delay spread for all channels and all source-receiver ranges.
그림 Fig. 6. (Color available online) Communication performance as a function of (a) SINR and (b) RMS delay spread for the P, X, Y and Z channels, and (c) the scatter plot of RMS delay spread versus SINR.
그림 Fig. 8. (Color available online) Relative amplitudes of the communication signals before and after weighting, and relative weighting values by (a) RMS delay spread and (b) SINR for P, X, Y and Z channels at a source-receiver range of ~143m. Constellation plots obtained by (c) conventional method and weighting based (d) RMS delay spread and (e) SINR.
표 Table 1. Communication channel parameters and performances for P, X, Y and Z channels in Case 1 and 2.
그림 Fig. 9. (Color available online) Relative amplitudes of the communication signals before and after weighting, and relative weighting values by (a) RMS delay spread and (b) SINR for P, X, Y and Z channels at a source-receiver range of ~642m. Constellation plots obtained by (c) conventional method and weighting based (d) RMS delay spread and (e) SINR.
그림 Fig. 10. (Color available online) (a) Comparisons of communication performances in terms of the output SNR obtained by conventional method, weighting based on RMS delay spread and SINR, and combining of the results derived from two weightings. (b)-(d) show the distribution histograms of output SNR increments by weightings based RMS delay spread, SINR, and combining of the results derived from two weightings, respectively.

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