수동형 해양 시역전 수중음향장벽과 수중탐지에의 응용

신기철,김재수,Shin, Keecheol,Kim, Jeasoo 한국음향학회 2012 韓國音響學會誌 Vol.31 No.8

시역전 기술을 활용한 수중음향장벽에 의한 수중물체 탐지는 능동소나와 수동소나의 기법과 이론적 배경이 명확한 시역전 처리의 개념을 포함하고 있다. 본 논문에서는 수동형 해양 시역전에 의한 수중탐지의 개념과 이론을 수립하였다. 또한 수중음향 전파모델을 활용하여 모델링을 통해 수동형 시역전 수중음향장벽의 성능 예측을 수행하였다. 본 연구의 결과는 수동형 시역전 개념을 이용한 수중음향장벽 탐지시스템의 설계 시 유용한 성능예측 도구로 활용될 수 있다. Target detection by acoustic barrier method includes active and passive sonar technique and time reversal process whose theoretical background is already well defined. In this paper, the concept and theory of underwater detection by passive ocean time reversal is established. Also, the reason that this study was conducted was to investigate feasibility of complex mathematical modeling to provide some predictive capability for underwater acoustic barrier with passive time reversal. It may eventually lead to a useful predictive tool when designing underwater acoustic barrier detection system using the passive time reversal concept.

수동형 시역전에 기반한 수중음향통신 알고리즘 및 실험적 검증

엄민정,김재수,조정홍,김회용,성일,Eom, Min-Jeong,Kim, J.S.,Cho, Jung-Hong,Kim, Hoeyong,Sung, Il 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.6

The underwater acoustic communication is characterized by doubly spread channels, which are the delay spread due to multiple paths and the doppler spread due to environmental fluctuations or a moving platform. An equalizer is used to remove the inter-symbol interferences that the delay spread causes, but an equalizer doesn't use an acoustic environment such as a multipath. However, a passive time-reversal mirror is simpler than an equalizer because a matched filter is implemented numerically at the receiver structure along with one-way propagation. In this paper, a passive time-reversal mirror is applied to remove interferences due to a multipath in sea-going experimental data in East Sea in Oct. 2010 and improved communication performance is confirmed. The performance is verified by comparing the signal-to-interference plus noise ratio before/after passive time-reversal mirror. It is also performed independently of the passive time-reversal mirror and adaptive equalizer and the bit error rate is compared to verify the performance of underwater acoustic communication. 수중음향통신에서는 다중경로에 의한 지연확산 채널과 조류로 인한 자연적 유동 혹은 인위적인 플랫폼 이동 등으로 도플러 확산 채널이 발생한다. 이로 인하여 발생하는 인접 심볼 간 간섭을 제거하기 위하여 등화기가 사용되고 있으나 다중 경로 등의 음향 환경정보를 사용하고 있지 않다. 반면 수동형 시역전의 경우 한 방향 전파과정으로 산출한 채널응답특성의 수치적 정합필터를 통하여 자기 등화를 수행하게 되므로 등화기보다 비교적 단순한 알고리즘으로 간섭을 제거하는 특성을 갖는다. 본 논문에서는 2010년 동해에서 수행한 통신 실험의 실측 데이터에 수동형 시역전을 적용하여 다중경로로 인한 간섭을 제거하고, 통신성능이 향상됨을 보이고자 한다. 이를 검증하기 위하여 수동형 시역전의 적용 전/후의 신호 대 간섭 잡음비를 비교하고 분석한다. 또한 수동형 시역전과 적응형 등화기의 알고리즘을 각각 독립적으로 수행하여 비트오류율을 산출하고 이를 비교하여 수동형 시역전의 통신성능을 검증한다.

시역전 처리에서 센서 배열 최적화에 관한 연구

주재훈,김재수,지윤희,정재학,김덕영,Joo, Jae-Hoon,Kim, Jea-Soo,Ji, Yoon-Hee,Chung, Jae-Hak,Kim, Duk-Yung 한국음향학회 2010 韓國音響學會誌 Vol.29 No.7

수중음향에서 시역전 처리는 잔향음 제거 및 표적반향음 향상, 수중감시, 수중통신 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 특히, 근래에 활발히 연구되는 수중통신에서 시역전 처리를 이용해 신호를 시-공간적으로 집속함으로써 신호 대 잡음 비를 증가시켜 전송거리를 높임과 동시에 비트 오차율을 상당히 개선하였다. 본 논문에서는 시역전 처리에서의 센서 배열 최적화에 대한 두 가지 이슈를 다루었다. 먼저, 다양한 해양환경에서의 센서 배열에 대한 최적 센서 수에 대해 연구하였다. 두번째는 주어진 센서 수에 대해 최적의 센서 배치를 결정하는 알고리즘을 개발하였다. 센서 배열 최적화 알고리즘을 집속점과 관심영역에서 음향에너지 대비를 최대화시키는 센서 위치와 수를 목적함수로 하는 유전알고리즘을 기초로 하여 구체화하였다. 또한, 시역전과 신호처리 과정이 동일한 원리로 수행되는 정합장 처리를 이용하여 모의실험 결과에 대한 타당성을 실제 해양 실험데이터를 통해 검증 하였다. 최적화의 결과로 집속점에서 음향에너지가 기존의 센서배치 보다 최대 3 dB정도 향상되는 것을 확인하였다. A time-reversal mirror (TRM) is useful in diverse areas, such as reverberation ing, target echo enhancement and underwater communication. In underwater communication, the bit error rate has been improved significantly due to the increased signal-to-noise ratio by spatio-temporal focusing. This paper deals with two issues. First, the optimal number of array elements for a given environment was investigated based on the exploitation of spatial diversity. Second, an algorithm was developed to determine the optimal location of the given number of array elements. The formulation is based on a genetic algorithm maximizing the contrast between the foci and area of interest as an objective function. In addition, the developed algorithm was applied to the matched field processing with ocean experimental data for verification. The sea-going data and simulation showed almost 3 dB improvement in the output power at the foci when the array elements were optimally distributed.

수동형 시역전 기반의 음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법을 이용한 수중음향통신 성능 개선

오세현,변기훈,김재수,Oh, Se Hyun,Byun, Gi Hoon,Kim, J.S. 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.5

본 논문은 음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법을 이용한 수동형 시역전의 통신성능 향상에 대한 결과를 제시한다. 기존의 수동형 시역전에서 복원되는 신호는 수신된 탐침신호의 정합필터를 통해 구해진다. 하지만 수신된 탐침신호는 각 데이터 프레임의 채널 시변동을 반영하지 못하므로 복원된 신호의 통신 성능은 저하된다. 본 연구에서는 음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법을 이용하여 각 데이터 프레임의 채널 시변동이 반영된 전달함수를 모두 추정하고, 추정된 전달함수를 이용하여 수동형 시역전을 수행한다. 해상실험 데이터로부터 제안한 기법이 기존의 수동형 시역전보다 향상된 통신성능 결과를 보여준다. This paper presents the results for the performance improvement of underwater communication in a passive time reversal mirror (PTRM) using ray-based blind deconvolution (RBD). In conventional PTRM, the signal to be recovered is found from matched-filtering the received probe signal. However, the communication performance is degraded because the time-varying impulse response for each data frame is not reflected in the received probe signal. In this study, the time-variant transfer function is estimated from each received data frame using RBD, and the estimated time-variant transfer function is then used to recover the data signal using PTRM. The results from the experimental data show that the suggested method improves the communication performance when comparing with the conventional PTRM.

다중송신채널 환경에서 수동형 시역전에 기반한 수중음향통신 알고리즘 및 실험적 검증

엄민정,오세현,김재수,김시문,Eom, Min-Jeong,Oh, Sehyun,Kim, J.S.,Kim, Sea-Moon 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.3

수중통신은 해양 매질의 특성상 전달손실이 적은 음향을 사용함에 따라 육상에서의 전파통신보다 반송주파수가 낮아 신호의 대역폭이 제한되어 통신용량증가에 어려움이 따른다. 제한된 대역에 고속 및 대용량 전송이 필요해짐에 따라 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신에 대한 연구도 활발하다. MIMO 통신의 경우 지연확산 및 도플러확산 채널특성으로 인한 인접 심볼 간 간섭과 더불어 동일한 대역의 다중음원으로 인한 채널 간 간섭이 발생하므로 SIMO(Single Input Multiple Output) 통신에 비교하여 통신성능이 열악하다. 본 논문에서는 동시간대에 두 채널에서 송신된 신호가 한 채널에 간섭하여 수신되었을 경우 자기등화의 특성을 갖는 시역전 기법을 적용하여 보상 알고리즘을 단순화하고 채널 간 간섭을 완화하여 이 때의 통신성능을 확인하고자 한다. 또한 2015년 5월 동중국해 북부 해역에서 수행한 SAVEX15(Shallow-water Acoustic Variability Experiment 2015) 실험 데이터를 이용하여 이를 검증하고자 한다. Underwater communication is difficult to increase the communication capacity because the carrier frequency is lower than that of radio communications on land. This is limited to the bandwidth of the signal under the influence of the characteristics of an ocean medium. As the high transmission speed and large transmission capacity have become necessary in the limited frequency range, the studies on MIMO (Multiple Input Multiple Output) communication have been actively carried out. The performance of the MIMO communication is lower than that of the SIMO (Single Input Multiple Output) communication because cross-talk occurs due to multiusers along with inter symbol interference resulting from the channel characteristics such as delay spread and doppler spread. Although the adaptive equalizer considering multi-channels is used to mitigate the influence of the cross-talk, the algorithm is normally complicated. In this paper, time reversal mirror technique with the characteristic of a self-equalization will be applied to simplify the compensation algorithm and relieve the cross-talk in order to improve the communication performance when the signal transmitted from two channels is received over interference on one channel in the same time. In addition, the performance of the MIMO communication based on the time reversal mirror is verified using data from the SAVEX15(Shallow-water Acoustic Variability Experiment 2015) conducted at the northern area of East China Sea in May 2015.

중장거리 다중송신채널 환경에서 수중음향통신 시뮬레이터 성능 분석 및 검증

박희진,김동현,김재수,송희천,한주영,Park, Heejin,Kim, Donghyeon,Kim, J.S.,Song, Hee-Chun,Hahn, Joo Young 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.6

최근 장거리 수중음향통신 연구가 활발하게 진행되고 있다. 장거리 수중음향통신 연구를 위한 해상실험은 해양환경의 영향을 크게 받고 높은 비용과 많은 시간이 소요된다. 따라서 장거리 환경에서 수중음향통신 시스템의 성능을 예측하고 검증하기 위한 시뮬레이터에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 장거리 수중음향통신 시뮬레이터의 개발을 목적으로 중장거리 다중송신환경에서 수중음향통신 시뮬레이터로서 VirTEX(Virtual Time series EXperiment)의 성능을 분석하고, 해상 실험 결과와 비교 검증하였다. 송신 신호는 탐침을 위한 Chirp신호와 16QAM 방식으로 변조된 통신 신호를 사용하였다. VirTEX를 통해 수신 신호를 모의하고 다중송신환경에 의해 발생하는 채널 간 간섭을 적응 수동형 시역전을 이용하여 보상하여 통신 성능을 분석하였다. 또한 2005년 7월 이탈리아의 Elba island 북쪽 해역에서 수행한 FAF05(Focused Acoustic Field 2005) 실험 데이터와 비교하여 이를 검증하였다. UAComm (Underwater Acoustic Communication) is an active research area, and many experiment has been performed to develop UAComm system. In this paper, we investigate the possibility of modifying and applying VirTEX (Virtual Time series EXperiment) to medium long range MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) UAComm of about 20 km range for the analysis and performance prediction of UAComm system. Since VirTEX is a time-domain simulator, the generated time series can be used in HILS (Hardware In the Loop Simulation) to develop UAComm system. The developed package is verified through comparing with the sea-going FAF05 (Focused Acoustic Field 2005) experimental data. The developed simulator can be used to predict the performance of UAComm system, and even replace the expensive sea-going experiment.

시역전 수중 디지털 통신 성능 분석

김현수,권양수,이일신,정재학,김성일,Kim, Hyeon-Su,Kwon, Yang-Soo,Lee, Il-Shin,Chung, Jae-Hak,Kim, Seong-Il 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.3

수중 시역전 통신기법은 복잡한 수중채널환경에서 정합장 처리를 통해 수신단의 구조가 간단하면서 전송성능을 높이기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔으나 디지털 시역전 통신을 하기 위한 전송변수에 대한 연구가 부족하다. 본 논문은 수중시역전 채널과 전송방식을 분석하여 시역전 통신이 공간 다이버서티 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 그리고 디지털 시역전 전송 시 전송심볼간의 간섭을 회피하여 최적의 성능을 얻을 수 있는 통신변수인 심볼 구간, 프레임의 길이 및 전송 프로토콜에 대한 설계방법을 제안한다. 전산모의실험을 통해 제안된 설계변수를 이용한 시역전 통신에서의 전송심볼간 간섭효과를 보였다. 또한 보다 많은 트랜스듀서를 사용할수록 시역전 효과에 의해 부정합 신호경로의 개수와 크기가 줄어 ISI의 효과가 감소함을 보였다. The time reversal mirror (TRM) method for underwater communications has been developed to improve transmission performance with low complexity. However, digital communication parameters for TRM have not been researched deeply. This paper demonstrates that the TRM scheme obtains spatial diversity gain similar to multiple antennas, and proposes design methodologies of symbol interval, frame duration and transmission protocol for time reversal mirror transmission. Simulation results show that spatial diversity gain is achieved and the effect of ISI decreases as the number of transducer increases.

실내 무선 통신 환경에서 심볼 간 간섭 최소화를 위해 가중치를 적용한 시역전 필터

윤미선,이충용 대한전자공학회 2012 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol.49 No.8

실내 무선 통신 환경에 적합한 심볼 간섭을 최소화 하는 가중치를 적용한 시역전 필터를 제안한다. 실내 무선 통신 환경에서는 delay spread로 인한 심볼 간 간섭으로 인해 심각한 성능열화가 초래되며 이를 해결하기 위해 현존하는 기법들은 복잡한 수신기법을 통해 성능을 개선하였다. 본 논문에서는 수신기의 복잡한 구조를 단순하게 하면서도 간섭을 줄이는 시역전 필터의 계수에 가중치를 부여하여 심볼 간 간섭을 최소화하면서도 수신신호의 peak 파워를 일정 수준이상으로 유지하는 가중치 시역전 필터를 제안한다. 이를 통해 잡음 및 간섭에 강인하면서도 심볼 간 간섭을 줄이며 간단한 수신기를 구성할 수 있는 이점을 얻는다. 실험결과에서는 가중치 시역전 필터가 기존 시역전 필터에 비해 성능이 개선되었음을 볼 수 있다. We propose a weighted time-reversal prefilter for indoor wireless communication systems. In the indoor wireless communication environments, the bit error rate (BER) performance is significantly degraded by the delay spread. The conventional schemes have complex receivers to recover deterioration of the BER. The proposed time-reversal prefilter simplifies the structure of receivers, minimizes the inter-symbol interference (ISI) and maintains the peak power level of the received signal. The simulation results show that the weighted time-reversal prefilter improves the BER performance in comparison with the conventional time-reversal prefilter.

일반화된 부엽 제거기 기반 시역전 기술을 이용한 수중음향통신 성능 분석

남기훈,김재수,변기훈,Nam, Ki-Hoon,Kim, J.S.,Byun, Gi Hoon 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.5

수중음향통신에서 다중 입출력(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO) 환경은 인접 심볼 간 간섭뿐만아니라 송신기 간의 채널 간 간섭의 영향으로 인하여 수신 신호의 왜곡이 발생하는 특징을 갖는다. 신호 보상을 위하여 시역전 기술이 이용되었지만 기존의 시역전 기술은 채널 간 간섭을 효과적으로 제거하지 못하는 한계가 있다. 본 논문에서는 채널간 간섭의 제거를 위해 일반화된 부엽 제거기(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)를 적용한 시역전 기술을 제안한다. 제안된 방법의 검증을 위해 FAF05(The Focused Acoustic Forecasting 05) 해상 실험 데이터를 이용하여 기존의 시역전 기술과의 통신 성능 비교를 수행하였으며, 그 결과 제안된 방법에 대한 통신 성능이 기존의 시역전 기술에 비해 향상됨을 확인 할 수 있었다. MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) in underwater acoustic communication has distortion of received signal because of ISI (Inter-Symbol Interference) and crosstalk among transmitters. Time-reversal mirror was used for compensating of signal distortion, but it has a limit in eliminating crosstalk effectively. This paper proposes a time-reversal mirror based on GSC (Generalized Sidelobe Canceller) for removing crosstalk. The FAF05 (The Focused Acoustic Forecasting 05) experimental data has been used to verify the suggested method by comparison with the conventional time-reversal for communication performance, and it is demonstrated that the suggested method produces better communication performance results than conventional time-reversal.

음향채널이 존재하는 천해에서의 수동 시역전 통신 성능 분석

최강훈,김선효,최지웅,김현수,김병남,Choi, Kang-Hoon,Kim, Sunhyo,Choi, Jee Woong,Kim, Hyeonsu,Kim, Byoung-Nam 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.1

수동 시역전 기법은 시공간적인 집속효과를 통해 다중경로 채널응답에 의한 인접 심볼간 간섭의 영향을 줄임으로써 수중통신 시스템의 오류 성능을 향상시킬 수 있는 방법이다. 이러한 수동 시역전 기법은 일반적으로 시역전 결합에 사용되는 수신신호가 많을수록 큰 공간 다이버시티 이득을 얻기 때문에 많은 수의 수신기를 사용할 때 우수한 통신 성능을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 제한된 개수의 수신기를 사용하더라도 많은 수의 수신기를 사용할 때와 근접한 통신 성능을 얻을 수 있는 수신기의 개수와 조합에 대해 분석한다. 분석을 위해 2015년 5월에 제주 남서쪽 해역에서 수행된 SAVEX15(Shallow-water Acoustic Variability Experiment 2015) 실험 데이터를 활용한다. 음향채널이 존재하는 채널 특성 때문에 에너지가 집중되는 수심이 존재하였고 에너지가 집중되는 수심에 존재하는 수신기를 포함하여 수동 시역전 결합을 할 때, 일부의 수신기만을 사용하여 최적에 가까운 통신 성능을 도출할 수 있음을 보인다. A passive time-reversal technique can improve error performance of the underwater communication system by reducing influence of inter-symbol interferences, which is caused by a multipath channel response. The passive time-reversal communication system equipped with numerous receivers generally can obtain superior error performance since larger diversity gain can be obtained as the number of available received signal increased. In this paper, we analyze the optimal number and combination of receivers that can approximately achieve the best error performance when using the limited number of receivers. For this analysis, we use communication data collected during SAVEX15 (Shallow-water Acoustic Variability Experiment 2015) carried out in the south-western part of Jeju Island from May 14 to May 28, 2015. Analysis results show that there are depths of energy concentration due to the channel characteristics in which the underwater sound channel are present, and the passive time-reversal technique using the limited number of the receivers can derive near-optimal communication performance if the receivers for time-reversal processing are located at the depths where energy is concentrated.