공간 필터를 이용한 수중음향통신의 인접 심볼 간 간섭 완화

엄민정,박지성,지윤희,김재수,Eom, Min-Jeong,Park, Ji-Sung,Ji, Yoon-Hee,Kim, J.S. 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.1

수중음향통신은 시변동성으로 인하여 도플러 편이를 발생하고, 다중경로로 인하여 지연 확산의 특성을 갖는다. 이러한 채널 특성은 인접 심볼 간 간섭을 발생시켜 통신 성능을 저하시킨다. 통신 성능을 개선하기 위하여 시역전, 공간 다이버시티, 위상 추정기 및 등화기 등과 같은 다양한 기법이 연구되고 있다. 본 논문에서는 시변동성 다중경로로 인한 인접 심볼 간 간섭을 완화하는 방법으로 빔 형성 기반의 공간 필터 기법을 제안한다. 제안된 기법은 원하는 신호방향으로 빔을 조향하여 공간상의 신호를 분리하고, 배열 이득으로 신호 대 간섭 잡음비를 향상시키고 통신 성능을 개선한다. The underwater acoustic communication (UAC) is characterized by doubly spread channel. It is included in the time-variant doppler shift and delay-time spreads due to multiple paths. To compensate such distorted signals, various techniques including time-reversal processing, spatial diversity, phase estimator, and equalizer are being applied. In this paper, a spatial filter based on the beamforming is proposed as a method to mitigate such inter-symbol interferences that are generated in time-varying multipath channels. The proposed technique realizes coherent communications by steering the direction of the desired signals and improves the performance of UAC by increasing the signal-to-interference plus noise ratio using the array gain.

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.

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.

인접 트랙간 간섭을 제거하기 위한 6/8 변조부호

정성권(Seongkwon Jeong),이재진(Jaejin Lee) 한국통신학회 2019 韓國通信學會論文誌 Vol.44 No.11

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.

동해 연근해에서 위상 추정기를 갖는 적응형 등화기의 실험적 성능 검증

김현수,최동현,서종필,정재학,김성일,Kim, Hyeon-Su,Choi, Dong-Hyun,Seo, Jong-Pil,Chung, Jae-Hak,Kim, Seong-Il 한국음향학회 2010 韓國音響學會誌 Vol.29 No.4

위상동기식 변조기법은 주파수 대역폭의 효율과 전송 신뢰도를 높일 수 있으나 수중 채널의 시변 다중경로에 의해 인접 심볼간 간섭이 발생되어 수중통신에 적용하는 데 어려움이 있다. 본 논문에서는 동해 연근해에서 위상동기 변조방식인 BPSK와 QPSK 신호를 전송하고, 시간에 따라 변화하는 다중경로와 위상변동에 의해 왜곡된 수신신호를 보상하기 위한 위상 추정기를 결합한 적응형 등화기를 제안한다. 해상실험을 통해 전송된 위상동기식 변조신호가 수중채널의 시변 다중경로 특성에 의해 왜곡되었음을 보였고 제안된 방법에 의해 왜곡된 신호가 보정됨을 보였다. BPSK와 QPSK 신호 전송시 300 m 거리에서 각각 0.0078, 0.0376의 비트 오류율을 보였으며, 1000 m 거리에서는 0.0146, 0.0293의 비트 오류율을 보였다. Phase coherent modulation techniques in underwater acoustic channel can improve bandwidth efficiency and data reliability, but they are made difficult by time-varying intersymbol interference. This paper proposes an adaptive equalizer combined with phase estimator which compensates distortions caused by time-varying multipath and phase variation. The experiment in the East sea demonstrates phase coherent signals are distorted by time-varying multipath propagation and the proposed scheme equalizes them. Bit error rate of BPSK and QPSK are 0.0078 and 0.0376 at 300 meter horizontal distance and 0.0146 and 0.0293 at 1000 meter respectively.

동해에서 직접 수열 대역확산 수중음향통신 기법의 해상실험 결과

한정우,김기만,윤영중,문현욱,천승용,손권,Han, Jeong-Woo,Kim, Ki-Man,Yun, Yeong-Jung,Mun, Hyeon-Uk,Chun, Seung-Yong,Son, Kweon 한국음향학회 2012 韓國音響學會誌 Vol.31 No.7

대역확산 기법은 인접 심벌간의 간섭을 최소화 하고, 은밀성(LPI, Low Probability of Intercept)과 다중 접속기능을 제공할 수 있다. 본 논문에서는 동해에서 직접수열 방식의 대역확산 기법으로 신호를 전송하고, 왜곡된 수신신호를 보상하기 위해 반송파와 시간 동기 복원 및 등화기를 적용한 결과를 나타낸다. 해상실험을 수행한 결과 송수신기사이의 거리가 3 km이었을 때 일반적인 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 기법의 경우 $1.46{\times}10^{-2}$의 비트 오류율을 보였으며, 대역확산기법이 적용된 경우 $5.17{\times}10^{-4}$ 비트 오류율을 보였다. Spread spectrum provides the minimized inter-symbol interference, the low probability of intercept and the multiple access capability. This paper presents a direct sequence spread spectrum with carrier/timing recovery and equalizer which compensates the delay spread caused by multipath transmission. When the sea trials were performed in Korean East Sea, the bit error rates of QPSK and direct sequence spread spectrum are $1.46{\times}10^{-2}$ and $5.17{\times}10^{-4}$ at 3 km source-receiver range, respectively.

홀로그래픽 데이터 저장장치에서 동일한 부호율 2/3인 저밀도 ON 픽셀 변조부호 비교

서기준(Kijun Seo),이재진(Jaejin Lee) 한국통신학회 2019 韓國通信學會論文誌 Vol.44 No.12

수중통신에서 클리핑 기법을 적용한 OFDM 시스템 연구

한정우,김세영,김기만,정지원,김승주,천승용,손권,도경철,Han, Jeong-Woo,Kim, Se-Young,Kim, Ki-Man,Jung, Ji-Won,Kim, Seung-Joo,Chun, Seung-Yong,Son, Kwon,Dho, Kyoung-Cheol 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.5

최근 수중 음향 통신의 필요성과 음성 및 고해상도 영상 데이터와 같은 다양한 데이터 전송의 요구가 증가되고 있다. 수중 음향 통신 시스템의 성능은 수중채널의 특성에 영향을 받으며, 특히 잔향 및 다중경로 (Multi-path)로 인한 지연확산은 데이터 전송 시 인접심벌간의 간섭 (Inter Symbol Interference : ISI)을 발생시켜 통신의 성능을 저하시킨다. 본 논문에서는 수중 채널에서 지연 확산에 강한 성능을 나타내는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기법을 연구하였다. 또한 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)이 높은 경우 발생하는 성능저하를 극복하기 위해 클리핑 기법을 적용하였다. 실제 수중 채널을 모의하는 모델 및 수조에서의 실험을 이용하여 수중 음향 통신의 성능을 확인하였다. 그 결과 클리핑 기법을 이용한 다중 반송파가 가장 낮은 비트 오차율을 나타내였으며, 단일 반송파를 이용한 전송이 가장 높은 비트 오차율을 나타내었다. Recently, the necessity of underwater acoustic communication and demand for transmitting and receiving various data such as voice or high resolution image data are increasing as well. The performance of underwater acoustic communication system is influenced by underwater channel characteristic. Especially, a delay spread caused by reverberation and multi-path induces the ISI (Inter-Symbol-Interference) and reduces the communication performance. In this paper, we study the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technique for robust the delay spread in underwater channel. We also use the clipping method to overcome the performance degradation in high PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). We confirm the performances of underwater communication system by the underwater channel model simulation model and experiment in small water tank. As a result, the multi-carrier modulation with clipping method presented low BER and the previous single carrier modulation had high BER.

수조에서 전송 다이버시티를 사용한 수중음향통신의 성능 고찰

박찬섭(Chan-Sub Park),김기만(Ki-Man Kim) 한국항해항만학회 2013 한국항해항만학회지 Vol.37 No.3

수중음향 채널은 일반적으로 다중경로 전달과 분산 등으로 인해 통신하기에 어려운 매질 가운데 하나로 인식된다. MIMO(Multiple-input multiple-output) 기술은 대역이 제한된 수중음향 채널에서 데이터 전송율을 증가시키기 위해 최근 활발히 연구되고 있다. 이 경우 전송 다이버시티 기술을 적용할 수 있는데 대표적인 것이 Alamouti 구조이다. 이 논문에서는 실험을 통하여 전송 다이버시티 기술의 성능을 고찰하였다. 실험에는 2개의 송신기와 2개의 수신기가 사용되었으며, 실내의 음향수조에서 수행되었다. 실험 결과 5~8%의 오차율을 확인하였는데 이는 같은 전송율을 기준으로 SISO(Single-input single-output) 채널에서의 오차율 14.8% 보다 향상된 결과를 나타내었다. Underwater acoustic channels are generally recognized as one of the most difficult communication media because of the multipath propagation, dispersion, and so on. MIMO (Multiple-input multiple-output) techniques have been actively pursued in underwater acoustic communications recently to increase the data rate over the bandwidth-limited channels. The transmit diversity techniques can be applied in this case, and one of them is Alamouti's scheme. In this paper the performances of the transmit diversity technique are evaluated via experiment. Two transmitters and two receivers were used in experiment, and the experiment was performed in indoor water tank. The error rate 5~8% was confirmed in experimental results, and these are the improved values than the error rate 14.8% for SISO(Single-input single-output) channel under same data rate condition.