수중 음향통신채널 환경에서 심볼간 간섭 제거기법 성능 비교 분석

Abstract

논 문 요 약

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), 그리고 이 두 기법에 시공간 부호화(STC) 기법을 결합한 구조를 수중음향통신 채널에 적용하여 그 성능과 수중통신에서의 적용성 여부를 판단하였다. 먼저, 수중음향통신 시스템의 개요와 수중음향통신 채널에 대한 특성 및 모델링 기법 및 모델링 결과에 대해 설명하였다. 또한 심볼간 간섭을 제거하기 위해 현재 관심이 집중되고 있는 기법들에 대한 이론적 기반을 제공하였다. 특히 수중음향통신 환경에서 OFDM에 비해 상대적으로 적게 연구된 FDE 기법에 대한 구조적 특성과 채널추정 및 주파수영역 등화를 위한 전송구조를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 내용은 다음과 같다. 첫 번째로 현재 다중경로에 의해 심볼간 간섭이 발생하는 수중통신환경에서 단일반송파 전송방식을 사용하는 FDE와 다중반송파 전송방식을 사용하는 OFDM의 성능을 비교한 연구는 이루어지지 않았는데, 본 논문에서는 모델링된 수중채널 환경에서 이 두 가지 기법의 성능에 대한 비교 결과를 제시하였다. 그 결과로 FDE 기법을 사용하는 경우가 성능이 우수함을 모의실험 결과로 증명하였다. 두 번째는 OFDM 전송 방식을 수중환경 특성을 고려하여 초기에 훈련신호만으로 구성된 블록을 전송하여 채널 및 등화기 계수를 추정한 후, 다음에 전송되는 데이터 블록에 추정된 계수를 적용하여 등화를 수행하는 방법을 사용하였다. 이 방법을 통해 FDE 구조에서 전송블록마다 훈련블록을 삽입하는 기존의 방법 보다 전송효율을 개선하였다. 세 번째로 기존의 수중통신 관련 논문에서 적용되는 채널은 몇 가지의 특정한 경우에 대해서만 고려되었으나 본 논문에서는 일반적인 수중통신환경을 고려하여 수심, 송수신센서의 깊이, 매질, 음선구조에 따른 14종의 수중음향채널을 모델링하였고 이 채널에 대한 수중통신 모의시험 결과를 제시하였다. 모델링된 14종의 채널은 향후 연구될 수중통신 기법의 성능평가 시 비교 대상이 될 수 있을 것이다. 마지막으로, 시공간 블록부호와 주파수영역 등화 기법을 결합한 구조에 대해서도 성능을 평가하였다. 성능 비교 방법은 모델링된 채널에 대해 FDE와 OFDM의 성능을 비트 오차율(BER) 및 성상도(constellation) 관점에서 수행하였다. 모델링된 채널환경에서 수중통신 시험 결과, FDE 기법과 OFDM 기법 모두 기대 이상의 성능을 보였다. 특히, FDE의 경우 매우 우수한 성능을 보였으며, 또한 OFDM 전송방식에 적절한 암호 및 복화화 알고리듬을 결합할 경우 훨씬 우수한 성능을 보일 것으로 판단된다. FDE의 경우, 전송블록 양쪽에 훈련신호가 추가되는 구조적 특성 상 OFDM 기법에 비해 약 4% 정도의 전송율 저하를 보이나 OFDM에 비해 3.3%에서 49.5%(SNR 15dB 기준) 향상된 BER 특성을 보였다. 특히 CP의 길이가 채널의 길이보다 짧은 채널 14의 경우, FDE와 OFDM 방식 각각 6.5%, 56%의 BER 향상을 보였다.