수중 레이저 통신에서 LDPC 부호화된 터보 등화 기술에 관한 연구. 이러한 성능 저하를 완화하기 위해 수중 레이저 통신 시스템에서는 FEC(Forward Error Correction) 채널 코딩 기술을 사용할 수 있습니다[4,5]. 그러나 수중 레이저 통신 시스템에서는 실제 PPM 변조 기법과 실제 QAM 변조 기법 중 퍼지 결정 기법을 이용한 알고리즘이 발표된 바가 없다.
수중 레이저 통신 송수신 모델
수신된 신호는 복조 및 디코딩 과정을 거칩니다.
수중 레이저 통신에서 고려되는 채널 부호화 기법
SOVA 인코딩 기법은 Viterbi 알고리즘을 반복 복호에 적합하도록 수정한 알고리즘이다. 따라서 본 논문에서는 LDPC 코딩 기법을 기반으로 성능을 분석하였다. LDPC 디코딩 과정에서 LLR(Log Likelihood Ratio)은 수학식 4와 같이 구해진다.
수중 레이저 통신에서 고려되는 변조 기법
또한 본 논문에서는 전송속도 향상을 위해 첨단 QAM 변조기법을 적용하였다. 기존 QAM 전송은 앞서 언급한 바와 같이 직교 캐리어를 사용하는 코히어런트(Coherent) 전송 방식 중 하나이지만, 최근에는 OFDM 전송 방식과 결합하여 캐리어를 사용하지 않는 IM/DD 방식으로 적용되는 경우가 더 많다. 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서도 반송파를 사용하지 않는 IM/DD(Intensity Modulation/DirectDetection) QAM-OFDM 전송만을 시뮬레이션하고 테스트하였다.
수중 레이저 통신 채널 환경
이때, 전송률은 송수신 거리와 해수 탁도에 따라 결정되는 신호 대 잡음비에 의해 제한됩니다. a) 흡수계수 (b) 감쇠계수 그림. 해수에서 발생하는 모든 산란의 약 절반은 입사각 근처에서 발생합니다. 산란계수는 주로 전방 산란에 의해 결정되지만 청색광은 후방 산란에 의해 크게 영향을 받습니다.
디코더에서 출력된 피드백 정보는 다시 인터리빙 과정을 거쳐 수정된 신호가 이퀄라이저로 피드백됩니다. 이러한 인터리빙 과정은 수신된 신호에 집중된 오류를 분산시켜 성능을 향상시키는 역할을 합니다. 계산된 값을 디인터리빙하면 SVG 블록에서 수신된 신호에 추가됩니다.
SVG 알고리즘
M진 PPM 변조 기법에서 SVG 알고리즘
M진 QAM 변조 기법에서 SVG 알고리즘
디인터레이싱 프로세스를 사용하는 LDPC 디코더에 대한 입력입니다. 수신단에서 확률적 정보를 반복적으로 교환하는 터보 등화 알고리즘을 사용함으로써 오류율을 크게 줄입니다. 기존 수중 레이저 통신 시스템과 제안된 터보 레벨링 알고리즘을 기반으로 한 수중 레이저 통신 시스템을 비교하면 SVG 알고리즘을 적용한 제안 시스템의 복잡성이 더 높다.
그러나 이는 오늘날의 VLSI(Very Large Scale Integration) 기술의 관점에서 볼 때 큰 문제는 아니다[23].
시뮬레이션 성능 분석
Es/No가 감소할수록 성능이 향상되므로, 값이 증가할수록 제안하는 터보 등화 기법의 성능이 향상됨을 보여준다. 또한, 64자리 QAM의 경우 기존 경판정 기법으로는 복호할 수 없는 에러 플로어 현상을 보였지만, 제안 기법을 통해서는 복호가 가능하였다. 따라서 실제 PPM과 실제 QAM 모두에 대해 제안된 SVG 기반 터보 등화 기법을 사용할 경우 기존의 하드 판정 기법과 소프트 판정 기법에 비해 성능이 향상됨을 알 수 있다.
수조 실험 결과
수조 실험 환경
변환된 아날로그 신호는 청색 레이저 다이오드를 구동하여 광 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 수신측에서는 2인치 프레넬 렌즈(Thorlabs FRP251)를 사용하여 APD(Avalanche Photo Diode, Hamamatsu C5658)에 빛을 집중시켰습니다. 이 레이저 다이오드 특성화는 실온에서 수행되었습니다.
실험에 사용된 매개변수는 표 4.2에 나열되어 있습니다. 또한, PPM 변조 기법의 경우 광신호의 상승 및 하강 시간이 인접한 심볼로 확산되므로 경판정 알고리즘은 연판정 알고리즘보다 낮은 SNR로 수행될 수 있다. 2019년 9월 수조 실험에서는 파도를 가정한 난류의 경우와 난류가 없는 잔잔한 물의 경우를 비교하는 실험을 진행하였고, 청록색 레이저뿐만 아니라 적색 레이저도 이용하여 실험을 진행하였다.
더욱이, 적색 레이저를 사용했을 때보다 청록색 레이저를 사용했을 때 전체적인 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 수중 레이저 통신에서는 적색 레이저보다 청록색 레이저를 사용하는 것이 더 편리하다는 것을 알 수 있다. 데이터 전송률을 향상시키기 위해 현재 수중 음향 통신보다 수중 레이저 통신에 대한 연구가 더 많이 진행되고 있습니다.
그러나 간섭이 심한 수중 환경에서는 단순한 구조의 블록 코딩 기술로는 최적의 성능을 제공할 수 없습니다. LDPC 채널 코딩 기법에서 내부 반복을 통한 성능 향상을 위해서는 디코더에 입력되는 심볼이 연판정 값을 가져야 한다. 본 논문에서는 LDPC 디코더에 부여되는 True PPM 변조 기법과 True QAM 변조 기법의 출력값을 연판정 값으로 만들기 위해 SVG 알고리즘을 사용하였다.
Beam Equalization 기법을 이용하여 제거된 것으로 확인되었다. 따라서 본 논문에서 제안하는 SVG 기반의 터보 등화 방법은 수중 레이저 통신 채널 환경에서 매우 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
