韩国海事大学无线电工程研究生院。
Garrood는 1980년대에 비간섭 변조 기법을 이용한 FSK(FrequencyShiftKeying) 수중 음향 통신 시스템을 도입했으나[2], 볼륨과 전송 속도가 증가함에 따라 높은 대역폭을 요구한다는 단점이 있었다. 2장에서는 수중 채널의 특성과 관련된 정보를 제공합니다. 수중음향통신 성능에 직접적인 영향을 미치는 구성요소인 신호감쇠, 다중경로, 도플러, 잡음 등을 소개한다. 3장에서는 수중음향디지털통신시스템을 제시한다.
원통형 분산은 얕은 바다에서 주로 발생하고, 구형 분산은 심해에서 주로 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 분산 손실은 주파수와 무관하게 거리에 따라 증가하며 이는 식 (2.1)으로 표현된다. 이때, r은 거리(m)를 나타내고, k는 확산 인자를 나타낸다. 원통형 분산의 경우 k = 1, 구형 분산의 경우 k = 2이다. 식 (2.2)로 표현된다.
수중 채널의 주파수 의존 전송 손실 및 잡음은 수중 음향 통신 시스템의 전송 거리, 대역폭 및 SNR 간의 관계를 결정합니다. 협대역에서 수신 장치의 SNR은 식 (2.4)와 마찬가지로 다중 경로 및 도플러 효과 [31]를 포함하지 않는 것으로 가정합니다. 이는 전송 속도를 갖는 방법을 나타냅니다. BPSK는 기저대역 바이폴라 NRZ 신호의 반송파입니다. 이때 h(t)는 채널 운동량 함수이고, n(t)는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)이다. 수신기는 송신기로부터 신호를 확산시키고, 다시 채널로 수신된 신호에 PN 코드를 곱하여 역확산을 수행한다. 수신된 신호를 원래 신호로 변환합니다. 이는 식 (3.10)으로 표현된다.
OFDM 기술은 서로 직교하는 부반송파를 겹쳐서 대역폭 효율과 데이터 전송률을 높이는 기술이다. 수중음향통신에서의 적용성을 검증하기 위해 OFDM을 이용한 수중음향통신 실험을 수행하였고, 실험 환경 및 성능 측정 변수는 Table 3.2와 같다. 그림 3.26은 위에서 설명한 수중음향통신시스템의 블록도이며, 변조기법은 QPSK와 QPSK 기반의 확산 스펙트럼 기법인 DSSS를 사용하였다.
제 4장 Supe r i mpos e dPi l ot 을 이용한 수중음향통신 시스템
전송률로 계산할 때 전송 속도의 감소는 전송 프레임 패킷의 구조에 따라 달라집니다. 그림 4.1은 일반적인 전송 프레임의 패킷 구조이다. 그러나 파일럿 구간의 길이를 과도하게 설정하면 일정 수준까지는 안정적으로 성능을 얻을 수 있으나 그 이상의 성능은 얻을 수 없다. 또한, 전송 프레임 패킷의 오버헤드가 증가할수록 전송 속도는 증가할 뿐입니다. 순수 데이터가 감소하고 있습니다. 이를 고려하여 채널의 변화가 거의 없는 연속 구간을 설정하고 이 구간 동안 노이즈와 데이터 신호는 i.i.d(독립적이고 동일하게 분포)되어 평균 '0' 특성을 갖습니다. 이는 발신자로부터 데이터가 전송된다는 조건 하에서 수행됩니다. 채널을 추정하기 위해 중첩된 파일럿이 추가되어 함께 전송됩니다. 그림 4.4는 송신기가 보낸 프레임 구조입니다.
식 (4.10)의 첫 번째 항은 가중치를 포함하는 중첩된 파일럿의 상호 상관 값이며, 역행렬을 통해 채널을 추정한다. 역행렬을 사용하는 경우, 변수 k의 값이 커질수록 역행렬의 계산량이 증가하는 문제가 발생한다. 이 문제는 RLS 알고리즘을 사용하여 해결할 수 있습니다. 중첩 파일럿을 이용한 채널 추정 기법의 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션 테스트를 수행하였다. 변조기법으로는 표 5.1과 같이 QPSK를 사용하였으며, 기존 파일럿 기법과 중첩 파일럿 기법을 적용하여 성능을 비교하였다. 중첩 파일럿 기법을 이용한 통신 시스템의 시뮬레이션 시험의 경우, 그림 5.3(b)의 프레임 구조에서 중첩 파일럿의 길이와 전력 을 변경하여 시뮬레이션 시험을 수행하였다. 표 5.2는 프레임 구조를 보여줍니다.
이 그림은 수중 채널을 통해 수신된 새로운 신호와 수신 신호를 보여줍니다. 수중채널의 영향으로 수신신호의 왜곡이 발생한 것을 알 수 있다. 기존 수중음향통신 시스템은 훈련신호와 조종사 신호를 데이터와 별도로 전송하는 기술을 사용했는데, 이러한 기존 기술은 훈련신호의 길이와 채널 특성의 관계에 따라 성능을 결정한다. 이것을 확인하기 위해. 이를 위해 부산 연안과 발트해 연안에서 수중음향통신 실험을 수행하였다. 본 논문에서는 수중 음향통신 시스템의 오버헤드를 줄이기 위한 방법으로 중첩 파일럿 기반 채널 추정 기법을 이용한 수중 음향통신 시스템을 제안한다. 중첩 파일럿 기반 채널 추정 기술은 전송 신호의 데이터와 중첩 파일럿의 전송을 결합합니다. 이는 시간과 전송 주파수를 동일하게 하여 파일럿 전송으로 인한 전송 효율을 감소시키지 않고 채널을 추정하는 기술이다.
