3D 수중통신환경에서 MANET의 전송성능

김영동(Young Dong Kim) 한국전자통신학회 2017 한국전자통신학회 논문지 Vol.12 No.6

무선전파를 사용하는 지상통신과는 달리 1500[㎧] 속도의 음향채널이 사용되는 수중통신은 수중온도, 염도를 비롯한 통신환경에 민감할 뿐 아니라 3D 공간의 영향을 받는다. 3D 수중통신은 통신공간의 복잡성과 더불어 음파의 전파손실, 해저환경에서 발생되는 음향잡음 등에 민감하다. 본 연구에서는 이와 같은 3D 수중통신환경의 특성을 고려하여 3D 수중통신환경에서 운용되는 MANET을 대상으로 전송성능을 측정ㆍ분석하고 이를 토대로 수중 MANET 운용조건을 제시한다. 본 연구는 NS-2를 기반으로 구축한 수중통신 시뮬레이터를 사용하여 수행하며, 성능파라미터로는 처리율, 전송지연, 패킷손실율 및 소비에너지를 사용한다. Underwater communication, which is used acoustic channel of 1500[㎧] speed being different of wireless electric wave in terrestrial communication, is sensitive on water temperature and salinity and also affected from 3D underwater space. 3D underwater communication is sensitive on propagation loss of acoustic wave and underwater noise with complexity of communication space. In this paper, transmission performance with consideration of these characteristics of 3D underwater communication environments is measured and analyzed on MANET operated on 3D underwater communication environments. Some underwater MANET operation conditions will be suggested. Computer simulation with underwater simulator based on NS-2 will be used for performance measure, performance parameter like as throughput, transmission delay, packet loss rate and consumed energy will be used in simulation for performance measure.

수중기지국 기반 수중통신망을 이용한 해양오염 모니터링 시스템 개발

정태건,고학림,임태호 한국통신학회 2022 韓國通信學會論文誌 Vol.47 No.8

Recently, as research on underwater communication has been actively conducted, research on a technology for transmitting underwater environmental sensor data using underwater communication is being actively conducted. In this paper, the installation started on August 23rd at the Gwangalli coast in Busan in August 2021, the experiment was conducted for 5 days, and the experiment was finished on the morning of the 28th. After collecting the underwater pollution (radiation sensor) and water temperature data collected in the real sea area, the marine pollution sensor (underwater radiation) and water temperature data measured at 10-minute intervals through underwater communication with a sea buoy, and then underwater through the sea-land communication modem It was confirmed that the communication data was transmitted with a success rate of 74% by transmitting it to AWS, and it was possible to stably transmit it through underwater, sea, and land in real waters. It was possible to stably transmit marine pollution and water temperature information to the land server through multiple communication networks (LTE Cat.M1, LTE router, satellite) through optimal switching according to the marine communication environment. By connecting the pollution sensor data to a PC and a smartphone through the Amazon Web server on land, the data can be checked in real time, and an underwater monitoring system that can provide text notification service according to the pollution level has been established. 최근 수중통신에 대한 연구가 활발히 이루어지면서 수중통신을 활용한 수중 환경센서 데이터를 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 논문에서는 2021년 8월 부산 광안리 해안에서 8월23일에 설치를 시작해 5일간실험을 진행후, 28일 오전에 실험을 종료하였다. 실해역에서 수집된 수중 오염(방사능센서) 및 수온데이터를 수중통신을 통해 10분 주기로 측정된 해양오염센서(수중방사선) 및 수온데이터를 해상 부이로 수집후, 해상-육상 통신모뎀을 통해 수중통신 데이터를 AWS까지 전송을 통해 74%의 성공률로 전송됨을 확인했으며, 실해역에서 수중- 해상-육상 통해 안정적으로 전송이 가능했다. 해양오염, 수온 정보를 안정적으로 육상서버에 다중통신망(LTE Cat.M1, LTE라우터, 위성)을 통해 해상 통신 환경에 따라 최적 스위칭을 통해 육상으로 안정적으로 전송이 가능했으며, 이를 바탕으로 실시간으로 수중오염센서 데이터를 육상의 아마존 Web 서버를 통해 PC와 스마트폰으로접속하여 실시간으로 데이터를 확인 가능하며, 오염도에 따른 문자 알림서비스가 가능한 수중 모니터링시스템을구축하였다.

장거리 수중 음향 통신 신호에 의한 수중 운동체 피탐지 성능 분석

김형문,안종민,김인수,김완진 한국시뮬레이션학회 2022 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.31 No.4

Unlike a short-range, a long-range underwater acoustic communication(UWAC) uses low frequency signal and deep sound channel to minimize propagation loss. In this case, even though communication signals are modulated using a covert transmission technique such as spread spectrum, it is hard to conceal the existence of the signals. The unconcealed communication signal can be utilized as active sonar signal by enemy and presence of underwater vehicles may be exposed to the interceptor. Since it is very important to maintain stealthiness for underwater vehicles, the detection probability of friendly underwater vehicles should be considered when interceptor utilizes our long- range UWAC signal. In this paper, we modeled a long-range UWAC environment for analyzing the detection performance of underwater vehicles and proposed the region of interest(ROI) setup method and the measurement of detection performance. By computer simulations, we yielded parameters, analyzed the detection probability and the detection performance in ROI. The analysis results showed that the proposed detection performance analysis method for underwater vehicles could play an important role in the operation of long-range UWAC equipment. 단거리와 달리 장거리 수중 음향 통신에서는 전파 손실을 최소화하기 위해 저주파 신호와 심해 음파 채널을 사용한다. 이 경우 대역 확산과 같은 은밀 통신 기법을 이용하더라도 통신 사실을 숨기기 어려우며, 통신 신호가 탐지 신호처럼 작용하므로 감청기에 수중 운동체의 존재가 노출될 수 있다. 수중 운동체의 경우 은밀성 유지가 매우 중요하므로, 감청기가 통신 신호를 이용하여 아군 수중 운동체를 탐지할 가능성을 반드시 고려해야 한다. 본 논문에서는 수중 운동체의 피탐지 성능 분석을 위한 장거리 수중 음향 통신 환경을 모델링하고, 피탐지 성능 분석을 위한 관심영역 설정 방법과 평가 척도를 제안하였다. 전산 모의 실험을 통해 파라미터를 산출하고, 관심영역에서 피탐지 확률 분석 및 피탐지 성능 분석을 수행하였다. 분석 결과는 제안된 수중 운동체의 피탐지 성능 분석 방법이 장거리 수중 통신 장비의 운용에 있어 중요한 역할을 할 수 있음을 보였다.

수중 MANET에서 비디오 트래픽의 전송성능

김영동(Young-Dong Kim) 한국전자통신학회 2019 한국전자통신학회 논문지 Vol.14 No.1

음향채널을 주로 사용하는 수중통신환경은 지상통신환경과 달라 통신 서비스를 구축함에 있어 수중환경에 적합하게 전송성능을 분석하는 것이 필요하며, 통신망의 일반적 성능 뿐 아니라 통신 서비스별 전송 대상 트래픽의 전송성능을 분석하여 통신서비스에 적절한 트래픽처리 방안의 강구가 요구된다. 본 연구에서는 수중 MANET(Mobile Ad-hoc Network)에서 비디오 트래픽의 전송 성능을 분석하고 이 결과를 토대로 비디오 트래픽 전송 방안을 제시한다. 본 연구는 NS(Network Simulator)-3에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 수행하며, 전송 성능으로는 처리율, 전송지연, 패킷손실율을 사용한다. Since the underwater communication environment, which is used mainly in acoustic channel, is different from terestrial communication, it needs to analyze the appropriate transmission performance in underwater environment to implement the communication services. Appropriate traffic process method for a communication service is required through transmission performance of object traffic for the communication service. In this paper, transmission performance of video traffic on underwater MANET(Mobile Ad-hoc Network) is analyzed and video traffic configuration scheme on underwater MANET with results of performance analysis is suggested, This study is done with computer simulation based on NS(Network Simulator)-3. throughput, transmission delay, packet loss rate is used for transmission performance.

영상통신용 수중광통신 시스템 연구

손현중(Hyun-Joong Son),강진일(Jin-Il Kang),Thieu Quang Minh Nhat,김서강(Seo Kang Kim),최형식(Hyeung-Sik Choi) 한국해양공학회 2018 韓國海洋工學會誌 Vol.32 No.2

In this study, we designed and developed an underwater LED communication system composed of an LED and a photo sensor. In addition, we experimented with video data transmission in a water tank. Two communication modules were installed in the 3 m water tank, and the image data transmission test was successfully performed at a rate of 20 frames per second(FPS), image resolution of 480 × 272, and data communication speed of 4 Mbps.

수중음향통신에서 BCJR 기반의 터보 등화기 실험 성능 분석

안태석,정지원 한국항해항만학회 2015 한국항해항만학회지 Vol.39 No.4

수중 음향 통신은 과거 군사적 목적을 위해 제한적으로 사용되어졌으나, 수중 탐지, 운동체 추적, 잠수함, 부이를 이용한 해양의 날씨 변화 등 해양에서의 통신에 대한 연구가 활발히 이루어지며 활용 분야가 확대되고 있는 추세이다. 수중음향통신은 다중경로로 인한 신 호간의 간섭으로 성능 및 전송율이 열약한 실정이다. 따라서 다중 경로 전달 환경인 수중음향통신에서 원활한 통신과 함께 수신 신호의 성능 을 향상시키기 위하여 낮은 SNR에서도 우수한 성능을 보이는 채널 부호화 기법에 대해 연구하였다. 본 논문에서는 데이터 길이의 가변성이 좋은 BCJR기반 (2,1,7) 컨볼루션 부호를 적용하였으며, 다중 경로 전달로 인해 왜곡된 데이터를 보상하기 위해 결정 궤환 등화기가 결합된 터 보 등화기 구조를 적용하였다. 문경시 경천호에서의 실제 수중 실험을 통하여 BCJR 기반의 터보 등화 구조가 다른 비터비 복호방식의 경판 정, 연판정 기법에 비해 성능이 우수함을 검증하였다. 이러한 BCJR 복호의 성능은 반복횟수는 평균 1회에서 3회 정도에 오류가 정정되고, 복 호기 입력단의 오류율이  이하이면 모두 복호가 가능함을 볼 수 있으며, 16번의 수중통신 실험은 약 83%의 성공률을 획득하였다. Underwater acoustic communications has been limited use for military purposes in the past. However, the fields of underwater applications expend to detection, submarine and communication in recent. The excessive multipath encountered in underwater acoustic communication channel is creating inter symbol interference, which is limiting factor to achieve a high data rate and bit error rate performance. To improve the performance of a received signal in underwater communication, many researchers have been studied for channel coding scheme with excellent performance at low SNR. In this paper , we applied BCJR decoder based ( 2,1,7 ) convolution codes and to compensate for the distorted data induced by the multipath, we applying the turbo equalization method. Through the underwater experiment on the Gyeungcheun lake located in Mungyeng city, we confirmed that turbo equalization structure of BCJR has better performance than hard decision and soft decision of Viterbi decoding. We also confirmed that the error rate of decoder input is less than error rate of   , all the data is decoded. We achieved sucess rate of 83% through the experiment.

수중음향통신에서 BCJR 기반의 터보 등화기 실험 성능 분석

안태석(Tae Seok Ahn),정지원(Ji Won Jung) 한국항해항만학회 2015 한국항해항만학회지 Vol.39 No.4

수중 음향 통신은 과거 군사적 목적을 위해 제한적으로 사용되어졌으나, 수중 탐지, 운동체 추적, 잠수함, 부이를 이용한 해양의 날씨 변화 등 해양에서의 통신에 대한 연구가 활발히 이루어지며 활용 분야가 확대되고 있는 추세이다. 수중음향통신은 다중경로로 인한 신호간의 간섭으로 성능 및 전송율이 열약한 실정이다. 따라서 다중 경로 전달 환경인 수중음향통신에서 원활한 통신과 함께 수신 신호의 성능을 향상시키기 위하여 낮은 SNR에서도 우수한 성능을 보이는 채널 부호화 기법에 대해 연구하였다. 본 논문에서는 데이터 길이의 가변성이 좋은 BCJR기반 (2,1,7) 컨볼루션 부호를 적용하였으며, 다중 경로 전달로 인해 왜곡된 데이터를 보상하기 위해 결정 궤환 등화기가 결합된 터보 등화기 구조를 적용하였다. 문경시 경천호에서의 실제 수중 실험을 통하여 BCJR 기반의 터보 등화 구조가 다른 비터비 복호방식의 경판정, 연판정 기법에 비해 성능이 우수함을 검증하였다. 이러한 BCJR 복호의 성능은 반복횟수는 평균 1회에서 3회 정도에 오류가 정정되고, 복호기 입력단의 오류율이 10(-1)이하이면 모두 복호가 가능함을 볼 수 있으며, 16번의 수중통신 실험은 약 83%의 성공률을 획득하였다. Underwater acoustic communications has been limited use for military purposes in the past. However, the fields of underwater applications expend to detection, submarine and communication in recent. The excessive multipath encountered in underwater acoustic communication channel is creating inter symbol interference, which is limiting factor to achieve a high data rate and bit error rate performance. To improve the performance of a received signal in underwater communication, many researchers have been studied for channel coding scheme with excellent performance at low SNR. In this paper , we applied BCJR decoder based ( 2,1,7 ) convolution codes and to compensate for the distorted data induced by the multipath, we applying the turbo equalization method. Through the underwater experiment on the Gyeungcheun lake located in Mungyeng city, we confirmed that turbo equalization structure of BCJ R has better performance than hard decision and soft decision of Viterbi decoding. We also confirmed that the error rate of decoder input is less than error rate of 10(-1), all the data is decoded. We achieved sucess rate of 83% through the experiment.

모델링된 수중음향 채널환경에서 SC-FDE와 OFDM 전송방식의 심볼오율 비교

황호선,박규태,주재훈,신기철 한국융합신호처리학회 2018 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.19 No.3

Underwater acoustic communication can be applied to various area such as scientific, commercial and military survey using Autonomous Underwater Vehicles and Unmanned Underwater Vehicles. Underwater communication is studying very actively by advanced country like United States. But differ from wireless communication in the air, underwater acoustic communication has some difficult problems, ISI(Inter Symbol Interference) due to multipath and limit of transmission bandwidth due to slow propagation of sound wave. In this paper, SC-FDE and OFDM transmission system for the cancellation of ISI in conjunction with underwater acoustic channel modeling are applied to the underwater simulation of communication. The performance of these methods in the simulation guide to possibility of adopting in underwater acoustic communication algorithm. For this purpose, we compare SER performance of SC-FDE with that of OFDM for modelled underwater channel. Underwater channel is generated by Bellhop model. Simulation results show above 5dB SNR gain at 10-3 SER. And it demonstrate SC-FDE is efficient method for underwater acoustic communication 수중음향통신은 자원 및 지질탐사, 무인잠수정을 이용한 수중탐지 등 산업, 과학, 군사 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 최근 들어 미국을 비롯한 선진국을 중심으로 활발하게 연구되고 있다. 그러나 수중음향통신은 지상에서의 무선통신과 달리, 느린 음파 전달속도로 인한 전송대역의 제한과 다중경로에 의한 심볼간 간섭과 이로 인한 심각한 신호왜곡 등의 치명적인 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점 중, 다중경로에 의한 심볼간 간섭을 제거하기 위한 방법으로 단일반송파 전송방식을 사용하는 주파수영역등화(FDE) 기법과 다중반송파 전송방식을 사용하는 직교주파수분할다중화 기법(OFDM)을 수중음향통신 채널에 적용하여 그 성능과 수중통신에서의 적용성 여부를 판단하였다. 이를 위해 모의된 수중채널을 바탕으로, SC-FDE와 OFDM 방식의 성능을 SER 관점에서 비교하였다. 수중채널은 벨홉모델을 이용하여 모의하였으며, 모의실험 결과, SC-FDE는 OFDM에 비해 10-3 SER 기점을 기준으로 약 5dB 이상의 SNR 이득이 발생하였다. 모의실험 결과를 통해, SC-FDE가 수중 음향통신에 효율적 으로 적용 가능한 시스템임을 보였다.

직접수열 확산대역 방식 기반 수중 이동 통신 모뎀 구현

김승근,김시문,백혁 한국통신학회 2022 韓國通信學會論文誌 Vol.47 No.8

In this paper, we describe the implementation of an underwater acoustic mobile modem based on direct sequence spread spectrum scheme using a bandwidth of about 2.1kHz at a carrier frequency of 6.25kHz and spreading to 16 chip symbols per symbol with a channel symbol rate of about 97.6 symbol/sec. The implemented underwater acoustic mobile modem uses DQPSK modulation to simplify signal processing in the receiver. In addition, in order to respond to a change in the movement speed of the modem within one packet, one packet is divided into 20 sub-frames and transmitted, and the receiver estimates the Doppler shift for each sub-frame and compensates for the Doppler shift for each sub-frame. The effective information data transmission speed of the implemented modem is about 82.5bps when using the Turbo code with a code rate of 1/2, and about 109.8bps when using the Turbo code with a code rate of 2/3. The implemented modem is well operates at a moving speed of up to 18m/s using a channel simulator, and it is successfully received data at a distance of 5km in the shallow water when an other implemented modem transmits data with the 1/10 of the normal output amplitude. The implemented modem will be used for the purpose of delivering a short message in a long-distance mobile environment. 본 논문에서는 6.25kHz의 반송주파수에서 약 2.1kHz의 대역폭을 사용하고, 심볼당 16개의 칩심볼로 확산하여약 97.6 심볼율을 갖는 직접수열확산 기반 수중 이동 통신 모뎀 구현에 대해 설명한다. 구현한 수중 이동 통신 모뎀은 수신기에서의 신호처리를 간단하게 하기 위해 DQPSK변조를 사용하였다. 또한, 한 패킷 길이 동안 통신 모뎀의 이동 속도가 변하는 것에 대응하기 위해 한 패킷을 20개의 부프레임으로 나누어 전송하고, 수신부에서는 부프레임별로 도플러 편이를 추정하여 부프레임별로 이를 보상하는 방법을 사용하였다. 구현한 모뎀의 실효 정보데이터 전송속도는 부호율 1/2인 Turbo 부호를 사용할 때 약 82.5bps이고, 부호율 2/3인 Turbo 부호를 사용할 때약 109.8bps이다. 구현한 모뎀은 채널시뮬레이터를 이용하여 18m/s까지 이동속도에서 잘 동작함을 검증하였으며, 정상출력의 1/10 크기로 낮추고 5km 거리에서 성공적으로 데이터를 수신함을 실증하였다. 구현한 모뎀은 장거리이동환경에서 단문 메시지 등을 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있을 것이다.

다이버시티 기법을 이용한 서해에서의 음선 모델기반 수중음향통신 시스템

강지웅,김현수,안종민,정재학,Kang, Jiwoong,Kim, Hyeonsu,Ahn, Jongmin,Chung, Jaehak 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.1

본 논문은 서해의 수중음향 통신 네트워크의 물리계층에 적합한 수중음향통신 시스템을 제안한다. 서해정점의 해양 관측정보와 Bellhop 음선 추적프로그램을 이용하여 서해정점의 수중 채널 모델을 구하고 이 수중 채널 모델을 이용하여 통신 변수들을 산출하고 다이버시티 기법이 응용된 CDMA(Code Division Multiple Access)와 SC-FDM(Single Carrier-Frequency Division Multiplexing) 전송방식을 이용한 음향 통신시스템을 설계한다. 설계된 통신시스템의 성능을 검증하기 위해 여러 통신환경에 대한 비트 오류율과 데이터 전송률을 연산하고 이로부터 서해안에서 긴 지연시간을 가지는 수중 채널과 낮은 Eb/No에서 사용가능한 수중 음향통신 기법을 제안한다. This paper proposes an adequate UWA (Underwater Acoustic) communication system of underwater communication network in the Yellow Sea. UWA channel is obtained from Bellhop ray tracing method with Yellow Sea environments. Based on this channel, communication parameters for CDMA (Code Division Multiple Access) and SC-FDM (Single Carrier-Frequency Division Multiplexing) using diversity techniques are calculated. In order to prove the proposed methods, BER (Bit Error Rate) and data rate are obtained using computer simulations and the adequate communication system for long rms delay spread and low Eb/No environments is proposed from the simulation.