수중음향 버스트 통신을 위한 프레임 동기 연구

Abstract

일반적인 수중음향 통신 시스템은 다중경로의 영향이 적은 수직채널에서 연속통신 방식을 사용하여 낮은 전송속도와 짧은 전송거리의 특성을 가지고 있으나, 최근 수평채널에서의 수중음향 통신 시스템에 대한 요구가 증대되고 있다.

본 논문은 수중 음향 통신의 전송성능에 큰 영향을 주는 수평채널의 다중경로를 갖는 수중 음향 버스트 통신 시스템에서의 Barker 코드와 CAZAC Sequence를 사용한 프레임 동기방식을 제안하고 있고, 프레임 동기의 성능을 향상시키기 위해서 배열센서에서 수신된 신호를 최적으로 조합하여 원하는 신호 수신 성능을 동시에 향상시키면서 원하는 방향으로부터 들어오는 다중경로를 상쇄하는 공간적 필터링을 하는 적응 광대역 빔형성기와 남아있는 다중경로 영향을 상쇄하고 수신된 신호에 대한 위상을 추정하는 적응 등화기를 수중음향 버스트 통신 수평채널 환경에서 적용하였다.

본 논문은 수중 음향 Burst 통신방식에서 기존의 PLL에 의한 동기방식을 사용하게 되면 데이터를 전송할 때마다 다중경로가 존재하는 복잡한 수중 채널환경으로 인하여 동기를 찾는 과정에서 시간지연이 불규칙하게 발생하며, 이 문제점을 해결하기 위하여 Data-Aided 방식에 의한 프레임 동기방식을 제안하여 프레임의 시작점을 찾는 동기 검출기를 설계하였다. 설계된 프레임 동기 검출기의 이론적 해석을 통해 프레임 동기 추출 시뮬레이션을 수행하였고, 이 알고리듬을 DSP 기반의 수중음향 통신 시스템에 적용하여 실해역 환경의 수중음향 통신에서 검증하였다. 또한, 한정된 주파수 대역폭의 효율을 극대화하기 위해서 QPSK 변복조 방식을 수중통신에 사용하였으며, I채널과 Q채널에 반송주파수로 천이하는 과정에서 계산 량을 줄이기 위해서 Look-up table 방식의 QPSK 시스템을 제안하였다.

본 논문에서 제안된 알고리듬에 대한 성능검증을 하기 위해서 DSP 기반의 수중 음향 통신 시스템을 구현하였으며, 거제도 장목연안에서 실해역 시험을 수행하였다. 실험에서 25KHz의 중심주파수와 5KHz의 대역폭에서 10kbps 전송속도로 디지털 데이터를 전송하였고, 8 x 1 선형 배열센서를 사용하여 다중경로의 영향이 큰 천해 수평채널 환경에서 4km 전송거리에서 최초로 10kbps의 전송속도로 데이터를 전송하여 수중음향 버스트 통신 방식에서 프레임 동기에 의한 전송시험을 성공적으로 수행하였다. 또한, 본 논문에서는 실해역 계측데이터의 분석을 통해서 프레임 동기가 성공적으로 수행되고 있는 경우에 대하여 적응 등화기만 사용하는 경우, 빔형성기만 사용하는 경우, 적응등화기와 빔형성기를 같이 사용하는 경우, 신호처리 기법을 사용하지 않는 경우의 수신된 신호의 신호 성상도를 비교하여 수중음향 버스트 수평채널 환경에서 프레임 동기기반의 적응 등화기와 빔 형성기법이 반드시 필요함을 검증하였다.

본 논문에서는 수중 음향 버스트 통신의 다중경로가 큰 수평채널에서 사용할 수 있는 광대역 빔형성기와 적응 등화기를 조합한 새로운 프레임 동기방식을 제안하였고, 제안된 알고리듬을 사용한 실해역 시험을 통해서 성공적인 결과를 보여주었다. 향후, 새로 개발된 동기화 기법과 디지털 신호처리 방식을 사용하여 수중 무선 네트워크 구축을 위해서 필요한 새로운 수중 음향 통신 시스템에 대한 연구를 진행할 계획이다.