본 논문은 시변하는 열악한 수중환경에서 복잡도를 줄이면서 강인한 수중 음향 데이터 통신 시스템의 구현내용과 천해역에서의 실해역 시험결과를 다루고 있다. 실해역 시험시의 복잡하고 시변하는 실험환경에 쉽게 적용할 수 있도록 수중음향센서와 증폭기를 제외한 모든 부분을 디지털화된 송신시스템과 수신 시스템으로 구현하였다. 프레임 동기방식으로 CAZAC 시퀀스가 사용되었고, 중심주파수 25kHz와 대역폭이 5kHz를 갖는 QPSK 변복조 방식이 사용되어 오버헤드를 포함하여 10kbps의 전송율을 가질 수 있도록 설계되었으며, 전송 효율을 향상시키기 위해서 적응 빔형성기, 적응 등화기, 컨볼루션/Viterbi 부호화기 등과 같은 여러 가지 기술이 사용되었다. 개발된 시스템의 성능검증을 위해서 거제도 장목연안의 수심 8m에서 실시간 데이터 통신 시험을 수행하였으며, 전송거리 7.4km에서 10kbps의 전송속도를 가지고 영상 데이터가 성공적으로 전송되었음을 확인하였다.
본 논문은 시변하는 열악한 수중환경에서 복잡도를 줄이면서 강인한 수중 음향 데이터 통신 시스템의 구현내용과 천해역에서의 실해역 시험결과를 다루고 있다. 실해역 시험시의 복잡하고 시변하는 실험환경에 쉽게 적용할 수 있도록 수중음향센서와 증폭기를 제외한 모든 부분을 디지털화된 송신시스템과 수신 시스템으로 구현하였다. 프레임 동기방식으로 CAZAC 시퀀스가 사용되었고, 중심주파수 25kHz와 대역폭이 5kHz를 갖는 QPSK 변복조 방식이 사용되어 오버헤드를 포함하여 10kbps의 전송율을 가질 수 있도록 설계되었으며, 전송 효율을 향상시키기 위해서 적응 빔형성기, 적응 등화기, 컨볼루션/Viterbi 부호화기 등과 같은 여러 가지 기술이 사용되었다. 개발된 시스템의 성능검증을 위해서 거제도 장목연안의 수심 8m에서 실시간 데이터 통신 시험을 수행하였으며, 전송거리 7.4km에서 10kbps의 전송속도를 가지고 영상 데이터가 성공적으로 전송되었음을 확인하였다.
In this paper, we present an implementation and it's real-sea test of an underwater acoustic data communication system, which allows the system to reduce complexity and increase robustness in time variant underwater environments. For easy adaptation to complicated and time-varying environments of th...
In this paper, we present an implementation and it's real-sea test of an underwater acoustic data communication system, which allows the system to reduce complexity and increase robustness in time variant underwater environments. For easy adaptation to complicated and time-varying environments of the ocean, all-digital transmitter and receiver systems were implemented. For frame synchronization the CAZAC sequence was used, and QPSK modulation/ demodulation method with carrier frequency of 25kHz and a bandwidth of 5kHz were applied to generate 10kbps transmission rate including overhead. To improve transmission quality, we used several techniques and algorithms such as adaptive beamforming, adaptive equalizer, and convolution coding/Viterbi decoding. for the verification of the system performance, measurement of BER has been done in a very shallow water with depth of 8m at JangMok, Geoje. During the experiment, image data were successfully transmitted up to about 7.4km.
In this paper, we present an implementation and it's real-sea test of an underwater acoustic data communication system, which allows the system to reduce complexity and increase robustness in time variant underwater environments. For easy adaptation to complicated and time-varying environments of the ocean, all-digital transmitter and receiver systems were implemented. For frame synchronization the CAZAC sequence was used, and QPSK modulation/ demodulation method with carrier frequency of 25kHz and a bandwidth of 5kHz were applied to generate 10kbps transmission rate including overhead. To improve transmission quality, we used several techniques and algorithms such as adaptive beamforming, adaptive equalizer, and convolution coding/Viterbi decoding. for the verification of the system performance, measurement of BER has been done in a very shallow water with depth of 8m at JangMok, Geoje. During the experiment, image data were successfully transmitted up to about 7.4km.
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문제 정의
본 논문에서는 수중에서 초음파를 이용한 데이터 통신 시스템에 대한 설계 . 구현 및 실해 역에서의 성능시험 결과를 보여준다.
본 논문에서는 수중음향 데이터 통신 시스템의 설계 . 구현과 천해역에서의 실해역 시험 결과를 소개하고 있다.
제안 방법
구현된 시스템은 한 프레임을 전송하는데 100ms가 소요되도록 프레임을 설계하였고, 한 프레임은 2에서 알 수 있듯이 헤더(Header)를 포함하여 총 500비트로 구성되어 있어 1초에 5k bit를 전송할 수 있게 된다. 본 시스템은 QPSK 변복조 방식을 사용하고 있기 때문에 I 채널과 Q 채널을 합하게 되면 총 10k bit의 전송효율을 갖는 프레임을 가지게 된다.
그리고, 한정된 주파수 대역폭의 효율을 극대화하기 위해서 QPSK 변복조 방식을 적용하였으며, I채널과 Q채널에 반송주파수로 천이하는 과정에서 계산 량을 줄이기 위해서 Look-up table 방식의 QPSK 시스템으로 설계하였다回[7].
그림에서 데이터는 수중영상의 샘플을 채취하여 디지털화된 영상정보(8bit Gray level, 132*100)를 사용하였으며, 주파수 효율이 우수한 QPSK 변복조 방식, 프레임기반 동기방식, 적응 등화기, 빔형 성기, 부호화 기법 및 Block Interleaving 등의 신호처리 기법을 사용하여 설계하였다.
어려운 환경을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 1/2 convolutional 부호화 기법 및 Viterbi 기법을 이용하여 통신오류가 발생하더라도 부호화된 데이터를 이용하여 데이터 복구가 가능하도록 설계하였으며 , 부호화된 신호 중에서 연속적인 신호가 계속 전송되는 경우에 대하여 반송파의 Phase Lock을 잃어버리는 현상을 막기 위하여 혼화기(Scrambler) 기법을 도입하였다.
가지고 있다[3]. 따라서 본 논문에서는 수중 음향 데이터 통신을 위해서는 광대역 빔형 성기 구조를 사용하였다
4km 전송거리에서 최초로 10kbps의 전송속도로 데이터를 성공적으로 전송하였음을 소개하였다. 또한, 프레임 동기방식, Look-up Table 방식의 QPSK 변복조 기법, 적웅 등화기와 빔 형성 혼합 구조 등을 최초로 적용하여 실해역 시험을 통해서 성능검증을 보여주었다.
설계되어진 알고리듬에 대한 성능검증을 하기 위해서 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서 기반의 수중 음향 데이터 통신 시스템을 구현하였으며, 그림 1의 초음파 센서와 증폭기를 제외한 모든 알고리듬을 DSP상에서 구현하는 All Digital 수중음향 데이터 통신 시스템을 제작하였다.
사용된다. 최근에는 수중 음향 데이터통신 시스템에 적응등화기와 빔형성기를 함께 사용되는 구조를 채택하고 있으며[4], 본 논문에서도 그림 1과 같이 혼합 구조를 갖는 시스템으로 설계하였다.
대상 데이터
그림 3과 같이 제작된 수중음향 데이터 통신 시스템의 성능검증을 위해서 거제도 장목연안에서 실해역 시험을 수행하였으며, 송신기와 수신기 사이의 거리는 약 7.4km로 수심 8m의 천해 역에서 시험을 수행하였다. 실해역 실험에 사용된 초음파 센서는 25KHz의 중심주파수와 5KHz 의 대역폭을 가지며, 송신은 140배(43dB)의 증폭기와 단일센서로 구성되어 있으며, 수신은 만배 (80dB)의 증폭비를 갖는 증폭기와 8개의 선형배열 센서로 구성되어 있다.
4km로 수심 8m의 천해 역에서 시험을 수행하였다. 실해역 실험에 사용된 초음파 센서는 25KHz의 중심주파수와 5KHz 의 대역폭을 가지며, 송신은 140배(43dB)의 증폭기와 단일센서로 구성되어 있으며, 수신은 만배 (80dB)의 증폭비를 갖는 증폭기와 8개의 선형배열 센서로 구성되어 있다.
이론/모형
또한, 실제 수중음향 통신채널은 시간에 따라서 변화하는 다중경로 전파특성으로 인해서 발생되는 페이딩(Fading) 현상에 의해서 SNR(신호대 잡음비 : Signal to Noise Ratio)가 매우 작아지는 경우에 오류가 연속적으로 발생하게 되는데, 본 논문에서는 오류가 시간 영역에서 독립적으로 발생하도록 데이터를 분산시키는 방법인 Block Interleaving 방식을 사용하여 설계하였다.
수중음향에서의 데이터 통신은 주로 배터리를 내장하는 형태의 운용이 대부분이기 때문에 연속적인 데이터 전송방식이 아닌 버스트(Burst) 데이터 전송방식을 사용하는 것이 매우 효과적이며, 본 논문에서는 Barker 코드와 CAZAC Sequence를 사용한 데이터 도움(Data-Aided) 방식에 의한 프레임 동기방식을 사용하여 설계하였다刖5丄
성능/효과
표에서 BERe Bit Error Rate로서 1x10-3은 1000비트를 보낼 때 1 비트의 에러가 발생한다는 의미를 갖으며, 최소 BER 은 약 1x1(尸이었으며, 평균 BERe 약 bio"이었다. 실해역 전송 시험을 통하여 현재의 육상 이동 통신에서 요구하는 BER lx:!* 값에 준하는 성능을 보임으로써 DSP시스템 및 알고리듬이 실 시간으로 수중에서 영상 전송이 가능하다는 것을 검증하였다.
7.4km의 거리, 수심 약 8m에서 CAZAC 신호열 기반의 프레임 구조를 갖는 영상 데이터를 전송하였을 때, 표 1과 같은 전송성능을 계측한 결과 샘플을 얻었다. 표에서 BERe Bit Error Rate로서 1x10-3은 1000비트를 보낼 때 1 비트의 에러가 발생한다는 의미를 갖으며, 최소 BER 은 약 1x1(尸이었으며, 평균 BERe 약 bio"이었다.
구현 및 실해 역에서의 성능시험 결과를 보여준다. 수중에서 초음파를 이용한 데이터 통신 시스템을 설계할 때의 고려해야 할 내용과 극복하기 위한 디지털 신호 처리 기법을 제안하였으며, 설계된 수중음향 데이터 통신 시스템을 실해역 시험을 통해서, 다중 경로의 영향이 큰 천해 수평채널 환경에서 7.4km 전송거리에서 최초로 10kbps의 전송속도로 데이터를 성공적으로 전송하였음을 소개하였다. 또한, 프레임 동기방식, Look-up Table 방식의 QPSK 변복조 기법, 적웅 등화기와 빔 형성 혼합 구조 등을 최초로 적용하여 실해역 시험을 통해서 성능검증을 보여주었다.
후속연구
계획이다. 또한, 새로 개발된 동기화 기법과 디지털 신호처리 방식을 사용하여 수중 무선 네트워크 구축을 위해서 필요한 새로운 양방향 수중 음향 통신 시스템에 대한 연구를 진행할 계획이다.
향후, 보다 정확한 성능검증을 위해서는 보다 많은 살험을 하고, 천해역에서의 수평 채널에서뿐만 아니라 심해에서 수직채널에서의 실해역 시험을 수행하여 보다 객관적인 성능검증을 수행할 계획이다. 또한, 새로 개발된 동기화 기법과 디지털 신호처리 방식을 사용하여 수중 무선 네트워크 구축을 위해서 필요한 새로운 양방향 수중 음향 통신 시스템에 대한 연구를 진행할 계획이다.
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