The Journal of the Acoustical Society of Korea. September 2019. 587-592
https://doi.org/10.7776/ASK.2019.38.5.587

MAIN

  • I. 서 론

  • II. 시공간 다이버시티

  • III. 해상실험

  •   3.1 해상실험 환경

  •   3.2 전송 신호

  •   3.3 입력 신호 대 잡음비

  • IV. 분석결과

  • V. 결 론

I. 서 론

국내외에서 수중음향통신 연구가 활발하게 이루어지고 있다.[1], [2], [3], [4] 효율적인 해양감시를 위해 수중음향통신의 범위가 단거리에서 장거리로 변화하고 있지만 국내의 연구는 단거리에 국한되어있다.[5], [6] 따라서 국내의 장거리 수중음향통신에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다.

장거리 수중음향통신은 길어진 전달 경로에 의해 증가하는 전달 손실과 다중경로 전파에 의한 인접 심볼 간 간섭에 의해 통신 성능이 저하된다. 인접 심볼 간 간섭은 페이딩 현상의 대표적인 예로, 페이딩 현상의 해결책으로는 다이버시티 기법이 있다. 다이버시티 기법은 다수의 독립적인 페이딩 현상을 갖는 여러 개의 신호를 수신하여, 결합을 통해 페이딩 현상을 완화시킨다. 신호를 수신하는 방법에 따라 시간 다이버시티와 공간 다이버시티, 빔 다이버시티 등이 있다. 본 논문에서는 제한된 공간 다이버시티에서 통신성능을 향상시키기 위한 방법으로 시간 다이버시티와 공간 다이버시티 기법을 결합하여 시공간 다이버시티 기법을 제안한다. 또한 이를 검증하기 위해 2018년 10월 한국의 동쪽해역에서 수행한 BLAC18(Biomimetic Long range Acoustic Communication 18) 실험 데이터를 이용한다.[7] 송신기와 수신기의 거리는 60 km로 장거리에 해당한다.[8] 인접 심볼 간 간섭에 의한 영향을 최소화하기 위해 시공간 다이버시티를 사용하고 수동형 시역전 처리를 통해 등화기 처리를 수행하여 통신 성능을 비교 분석한다.

본 논문은 총 5개의 장으로 구성되며 논문의 구성은 다음과 같다. 제 1장에서는 연구 필요성과 연구 동향에 관하여 설명한다. 제 2장에서는 시공간 다이버시티 기법에 대한 이론적 배경을 설명한다. 제 3장에서는 BLAC18 해상실험의 실험 환경과 실험 구성에 대해 설명한다. 제 4장에서는 공간 다이버시티기법, 시간 다이버시티 기법, 시공간 다이버시티 기법을 BLAC18 해상 실험 데이터에 적용하여 통신 성능을 도출하여 비교하여 분석한다. 마지막 제 5장에서 결론을 맺는다.

II. 시공간 다이버시티

시공간 다이버시티 기법은 공간 다이버시티 기법과 시간 다이버시티 기법이 결합된 다이버시티 기법을 말한다.[9], [10], [11], [12], [13] 동일한 신호를 시간차를 두고 반복적으로 송신할 때 여러 위치에서 수신하여 시공간 다이버시티를 구현한다. 시공간 다이버시티는 제한된 공간 다이버시티에서 시간 다이버시티와의 결합을 통해 다이버시티를 향상시켜 통신성능을 향상한다.[14]

Fig. 1은 시공간 다이버시티를 구현하기 위해 수신 신호를 선택하는 것을 그림으로 나타낸 것이다. 가로 방향은 시간별로 들어오는 신호를 의미하고 세로 방향은 수심별로 들어오는 신호를 의미한다. M개의 수신채널에 N번 반복해서 수신된 신호가 있을 때, M개의 수신채널 중 i번째부터 i+a-1번째까지의 수신채널에서 수신된 신호를 사용하여 a개의 공간 다이버시티를 구현하고, N번 반복해서 수신된 신호 중 j번째부터 j+b-1번째까지의 수신신호를 사용하여 b개의 시간 다이버시티를 구현한다.

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Fig. 1.

Diagram of spatiotemporal diversity method.

시공간 다이버시티를 구현하여 통신성능을 분석할 때, ab개의 선택된 수신신호를 이용하여 시계열 반전처리를 통해 수치적 정합 필터를 수행하고, 재 집속된 송신신호를 복조하여 통신성능을 분석한다. 이를 수식으로 나타내면 Eqs. (1) ~ (4)와 같다.

y(t)는 등화 처리를 통해 재구성된 송신 신호, M개의 수신채널 중 i번째부터 i+a-1번째까지의 수신채널에서 수신된 신호 중 j번째부터 j+b-1번째까지의 수신 신호는 rnm(t)이다. s(t)은 송신 신호, rnm(t)의 채널응답특성은 gnm(t), 등화기Enm(t)이며, n(t)는 시간영역에서의 노이즈, *은 컨볼루션을 의미한다.[14]

$$y(t)= \sum _{m=i} ^{i+a-1}\sum _{n=j} ^{j+b-1} r _{n} ^{m} (t)*E _{n} ^{m} (t).$$ (1)
$$y(t)= \sum _{m=i} ^{i+a-1} \sum _{n=j} ^{j+b-1} s(t)*g _{n} ^{m} (t)*E _{n} ^{m} (t).$$ (2)
$$y(t)= \sum _{m=i} ^{i+a-1} \sum _{n=j} ^{j+b-1} s(t)*g _{n} ^{m} (t)*g _{n} ^{m} (-t).$$ (3)
$$Y(\omega)=\sum_{m=i}^{i+a-1}\sum_{n=j}^{j+b-1}S(\omega)\times G_n^m(\omega)\times G_n^{\ast m}(\omega).$$ (4)

III. 해상실험

3.1 해상실험 환경

본 논문에서는 BLAC18 데이터를 적용하여 검증하였다. 송신기와 수신기 배치와 음속구조는 Fig. 2와 같다. 송신기는 수심 200 m의 깊이에 1 채널이 배치된다. 수신기는 수심 201.4 m ~ 221 m 사이에 2.8 m 간격으로 8 채널이 배치된다. 송신기와 수신기 사이의 거리는 60 km이며, 수심은 최대 1200 m이다. 송신기와 수신기는 정지 상태이다.[7]

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Fig. 2.

Sound speed profile and experimental environment of BLAC18.

3.2 전송 신호

전송 신호의 구성은 Fig. 3과 같다. 전송 신호는 탐침음원으로 사용할 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호와 통신용 데이터 신호로 구성된다. 샘플링 주파수는 16384 Hz이며 전송 신호의 중심주파수는 2560 Hz이다. Chirp 신호는 640 Hz의 밴드 폭을 가진다. 데이터 신호는 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조방식을 사용하며 전송률은 512 bps이다. 인접 심볼 간 간섭을 줄이기 위해 roll-off factor가 0.25인 RRC(Root Raised Cosine) 필터를 변조와 복조 과정에서 정합 필터로 사용하였다. 데이터 신호는 255개의 심볼을 가지는 m-sequnce 신호를 프리앰블로 사용한다.

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Fig. 3.

Transmitted signal packet structure.

Fig. 4는 시간 영역에서 송신 신호를 나타내며 LFM 신호의 길이는 0.3 s, 데이터 신호의 길이는 2.47 s이다. 전송 신호는 3분 간격으로 3번 반복해서 송신하고, 1시간 후에 3분 간격으로 다시 3번 반복해서 송신하는 것을 3번 반복한다.

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Fig. 4.

Time series of source signal.

3.3 입력 신호 대 잡음비

본 논문에서는 통신 시스템의 성능을 수치화시키기 위해 입력 신호 대 잡음비를 사용하였다.[7], [8] Fig. 5는 각 수신 채널 수심에 따른 입력 신호 대 잡음비를 나타낸 것이다. 음속구조에 의해 수심 220 m 부근에서 음향 축이 형성되었으며, 음향 축 근처에서 음선이 밀집되어 입력 신호 대 잡음비가 높아지는 것을 확인할 수 있다.[11], [15]

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Fig. 5.

Input signal to noise ratio of BLAC18.

IV. 분석결과

본 절에서는 시공간 다이버시티 기법을 BLAC18 데이터에 적용하여 검증한다. 공간 다이버시티를 제한하기 위하여 인접한 2개의 수신채널을 이용한다. Fig. 6은 3번 수신 채널에서 분석한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6(a)는 단일 채널에서 1개의 수신신호의 성상도이며 비트오율은 0.487[487/1000]이다. Fig. 6(b)는 단일 채널에서 다른 시간대에 들어오는 9개의 신호를 이용해 시간 다이버시티 기법만을 적용한 성상도로 0.085[85/1000]의 비트 오율을 가진다. (a)와 비교했을 때, 통신성능은 5배 이상 향상됨을 보인다. Fig. 6(c)는 2개의 채널에서 각 9번 반복된 신호를 사용하여 18개의 시공간 다이버시티를 이용한 결과로 0.011[11/1000]의 비트 오율을 가진다. 시간 다이버시티 기법을 단독으로 사용했을 때보다 시공간 다이버시티 기법을 사용했을 때 통신 성능이 월등히 향상됨을 확인했다.

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Fig. 6.

Constellations for comparing the performance of spatiotemporal diversity. (a) Constellation w/o diversity (D = 1) (b) Constellation w/o spatial diversityw/ temporal diversity (D = 9) (c) Constellation w/ spatiotemporal diversity (D = 18)

Table 1은 단일 채널에서 시간 다이버시티 기법을 사용하지 않을 때, 9개의 반복 수신된 신호 중 첫 번째 신호를 분석한 경우의 비트오율, 단일 채널에서 시간 다이버시티 기법을 사용한 경우의 비트오율, 시공간 다이버시티 기법을 사용한 경우의 비트오율을 나타낸다. 시간 다이버시티 기법을 적용했을 때 통신 성능이 저하되는 1, 6번 채널의 경우 BLAC18 데이터의 돌고래 클릭음에 영향을 받은 것으로 추정된다.[16] 반복적으로 수신된 강한 임펄스 신호의 형태를 갖는 클릭음은 시변동성이 큰 채널을 형성하여 통신 성능을 저하시킨다. 시공간 다이버시티 기법을 적용하여 다이버시티 개수를 증가시켜 통신 성능의 향상됨을 보였다.

Table 1. BER for comparing the performance of spatiotemporal diversity.

CH BER w/o diversity (D = 1) BER w/o spatial diversity w/ temporal diversity (D = 9) CH BER w/ spatiotemporal diversity (D = 18)
1 0.494 0.497 1, 2 0.071
2 0.493 0.251 2, 3 0.054
3 0.487 0.085 3, 4 0.011
4 0.498 0.075 4, 5 0.033
5 0.101 0.265 5, 6 0.033
6 0.490 0.431 6, 7 0.044
7 0.487 0.097 7, 8 0.051
8 0.420 0.132

V. 결 론

본 논문에서는 송신기와 수신기 사이의 거리가 60 km이고 수심이 1200 m인 심해 장거리 환경에서 배열의 길이가 제한될 때 통신 성능을 향상시키기 위해 시공간 다이버시티 기법을 제안하였다. 또한 국방과학연구소의 지원으로 2018년 10월 수행된 BLAC18 해상 실험 데이터를 통해 이를 검증하였다.

시간 다이버시티 기법을 단독으로 적용시켰을 때보다 시공간 다이버시티를 기법을 적용했을 때 비트 오율이 평균 0.210에서 0.043로 5배 이상 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 제한된 배열에서 통신 성능 저하의 해결책으로 시공간 다이버시티를 제안한다.

Acknowledgements

본 논문은 국방과학연구소의 지원으로 수행되었습니다(UD170022DD).

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