KR101091724B1 - 주파수 도약 무전기에서 2홉 ＶｏＩＰ 음성 단일 채널 중계를 위한 ＦＨ 프레임 구조 및 크기 결정 방법 - Google Patents

주파수 도약 무전기에서 2홉 ＶｏＩＰ 음성 단일 채널 중계를 위한 ＦＨ 프레임 구조 및 크기 결정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법에 관한 것으로, 단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록 일정 시간(Tc x N) 동안 VoIP 음성코덱에 의해 생성된 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 신호를 인코딩하여 모아진 N개의 디지털 음성 데이터를 제공하는 VoIP 응용 프로그램을 포함하고, PHY/MAC 계층에서 N개의 디지털 음성 데이터 앞에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더가 추가되고 연속적으로 반복되는 구조로 FH 프레임이 구성되고, Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 음성 패킷(Coded Header, Coded Voice Packet)을 부호화하고, 특정 방식으로 데이터를 변조한 후, 다수의 데이터 홉(데이터홉1~ 데이터홉K)으로 구성된 변조된 심볼(Symbol M)에 FH 초기동기홉1~L을 추가하고 후미에 Dummy 데이타를 붙이며, 이렇게 생성된 FH 프레임을 송신 무전기로부터 단일 채널로 단일 중계 무전기를 통해 수신 무전기로 송수신한다. 기존 저속의 주파수 도약 무전기에서 음성 중계를 위해 2개 채널 주파수 사용 및 중계 무전기가 2대 필요하였으나, 본 발명은 저속의 주파수 도약 무전기를 사용하는 무전기망에서 단일 채널 및 단일 중계무전기를 통해 FH 프레임을 전송하여 2홉 VoIP 음성통신이 가능하게 되었다.

Description

주파수 도약 무전기에서 2홉 ＶｏＩＰ 음성 단일 채널 중계를 위한 ＦＨ 프레임 구조 및 크기 결정 방법{Method for determining the structure and size of FH frame for relaying 2 hops VoIP voice single channel in the frequency hopping radio set}
본 발명은 주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저속의 주파수 도약(FH) 무전기를 사용하는 무전기망에서 단일 채널 및 단일 중계무전기를 통해 2홉 VoIP 음성통화가 가능하도록 FH 프레임 구조 설계 및 그 크기 결정 방법을 제공하는, 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법에 관한 것이다.
통신방식에 있어서, 주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 방식은 직접 확산변조(Direct Sequence) 방식과 함께 대표적으로 확산스펙트럼(SS: Spread Spectrum) 변조방식을 말한다.
DS(Direct Sequence) 방식은 디지털 부호계열(pesedo noise계열)에 의해 반송파를 변조하는 것임에 반해, FH(Frequency Hopping) 방식은 부호계열에 의해 정해진 패턴으로 반송주파수(carrier frequency)를 불연속적으로 편이시키는 것이다.
이 방식은 100만개의 별도 주파수를 선택할 수 있고, 각자 전송하는 정보와 부호에 근거하여 선택된다.
주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 방식은 주어진 대역폭을 많은 수의 호핑 채널(Hopping Channel)로 나누고, 송신 측에서는 1차 변조된 신호(중간주파수)를 RF 주파수대로 변환할 때 미리 정해진 순서에 따라 서로 다른 호핑 채널에 할당시키고, 신호가 할당된 채널이 빠르게 변경되기 때문에 다중 채널 간섭(multi channel interference) 등의 잡음(noise)의 영향을 줄일 수 있다.
또한, 주파수 도약(FH) 방식을 사용하는 수신 단말기는 여러 호핑 채널에 분산된 수신 신호들을 송신 단말기와 같은 순서로 연결함으로써 원래 신호를 복원하게 된다.
주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 방식의 동작 원리는 호핑 코드(hopping code)에 따라 순간적으로 한 주파수로 튜닝(Hopping)되어 그 주파수에서 아주 짧은 시간동안 전송하고 다시 다른 주파수로 튜닝되어 전과 동일한 과정을 반복하는 기법이다.
주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 방식의 RF 송신부와 수신부는 같은 시간대에 같은 주파수에 위치토록 동기화(synchronization)가 반드시 필요하다. 즉, 수신측은 신호를 수신하기 위해 송신시 사용한 호핑 코드와 동일한 코드를 이용하여 특정시간에 특정주파수 채널로 튜닝해야 한다.
주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 방식은 전파방해나 잡음간섭을 최대한 방지하고, 같은 주파수를 사용하더라도 호핑 코드(hopping code)가 다르면, 여러 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum) 시스템을 동일 장소에 사용 가능하다.
도 1을 참조하면, 기존 주파수 도약(FH) 무전기망에서의 기존의 주파수 도약 무전기는 송신 무전기를 기준으로 음영지역에 위치하는 무전기들에게 음성 전송을 위해 도 1의 <a>와 같이 무전기 2대를 사용하여 송수화기를 직접 연결하여 음성 전송을 하였다. 이 경우, 기존 주파수 도약(FH) 무전기망은 음성중계를 위해 동일지역에 중계용 무전기가 2대 필요하며 주파수 채널을 달리하여 2채널을 할당하였다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 Ad-hoc 네트워크 기능을 적용한 VoIP 음성통신을 고려할 수 있지만, 무선 이동 Ad-hoc 프로토콜을 사용한다 하더라도 수십 kbps인 저속의 주파수 도약 무전기에서는 속도의 한계로 여러 홉을 거치는 VoIP 음성 통화는 곤란하다. 따라서, 주파수 도약 무전기 망은 무선 이동 Ad-hoc 네트워크 프로토콜을 사용하여 VoIP 음성통신을 지원하고, 2홉까지 중계 가능하다.
2홉 VoIP 주파수 도약 무전기 망은 VoIP 음성데이터를 중계하는 중계용 무전기를 사전에 지정하고, 중계용 무전기는 VoIP 음성데이터 수신시 반복 전송해 주는 특징을 가진다. 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기 망은 기존의 무전기 중계 기능과 같이 통달거리 이상의 음영지역 무전기에도 음성을 전달할 수 있으면서 기존 방식인 2개 채널 및 2대의 무전기 사용을 단일 채널 및 단일 중계용 무전기 사용으로 줄일 수 있다. 또한, 저속의 주파수 도약(FH) 무전기망은 VoIP 음성통신을 지원하므로써 기존의 브로드캐스트 방식의 음성통신에서 1:1, 멀티캐스트 음성통신까지 가능하게 되었다.
2홉 VoIP 주파수 도약 무전기 망은 최적의 FH 프레임을 설계하고 고품질 VoIP 음성 통신을 위해 VoIP 음성 패킷의 수신 간격이 이전 음성 패킷의 재생 시간보다 길어서는 안되며, 패킷 전송 시간은 FH cycle 구조, FH 프레임 구조 및 FH 프레임의 크기와 밀접한 관련이 있다.
따라서, 저속의 주파수 도약(FH) 무전기 망에서 무전기는 단일 채널 및 단일 중계기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록 하는 FH 프레임 구조 및 FH 프레임의 크기 결정 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 저속의 주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 무전기를 사용하는 무전기망에서 단일 채널 및 단일 중계무전기를 통해 2홉 VoIP(Voice over IP) 음성통화가 가능하도록 FH 프레임 구조 설계 및 그 크기 결정 방법을 제공하는, 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 2홉 VoIP(Voice over IP) 음성 단일 채널 중계를 위한 FH(Frequency Hopping) 프레임 구조를 포함하는 주파수 도약 무전기는, 주파수 도약(FH) 무전기에서, VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 신호를 인코딩하여 디지털 음성 데이타로 변환하고, 하나의 FH cycle 시간(T) 내에서 일정 시간(TcxN) 동안 일정크기(Dsm)의 N개의 디지털 음성 데이터(Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위)를 모으고, 물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)에서 상기 N개의 디지털 음성 데이터 앞에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하여 연속적으로 반복되는 구조로 프레임이 구성되며, Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 음성 패킷(Coded Header, Coded Voice Packet)을 부호화하고, 특정 방식으로 데이터를 변조(Modulation)한 후, 다수의 데이터 홉(데이터홉1~ 데이터홉K)으로 구성되어 변조된 심볼(Symbol M)에 FH 초기동기홉1~L을 추가하고 후미에 Dummy 데이타를 붙여서 생성된 FH 프레임을 전송하는 송신 무전기; 단일 채널로 단일 중계용 무전기로 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록, 하나의 FH cycle에 소요되는 시간(T) 내에서 일정 시간(TcxN) 동안 상기 송신 무전기로부터 수신된 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 디지탈 음성 데이터가 포함된 FH 프레임을 재전송 방식으로 VoIP 음성 통화를 중계하는 중계 무전기; 및 단일 채널로 상기 중계용 무전기로부터 상기 FH 프레임을 수신받아 디코딩하여 음성 통화를 제공하는 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 수신 무전기를 포함한다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법은, (a) 단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계를 위해 송수신 무전기에서 FH cycle 시간 내에 일정시간(Tc x N) 동안 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성정보를 인코딩하여 생성된 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)를 모으는 단계(여기서, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위); (b) 상기 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하는 단계; (c) 상기 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 상기 N개의 디지털 음성 데이터에 각각 부호화율을 다르게 하여 오류 정정을 위한 부호화(Coded Header, Coded Voice Packet, Dummy)를 수행하는 단계; (d) 데이터 변조 후, 최종 길이로 생성된 하나의 FH 프레임당 Dsb 심볼(Symbol M)을 생성하는 단계; (e) FH cycle 시간(T)이 끊김없는 VoIP 음성 통화를 위해 N개의 디지털 음성 데이터를 모은 음성 시간(Tc x N)보다 같거나 작은 범위 안에서 최대값을 가지는 FH 프레임의 크기를 결정하는 단계; (f) 상기 데이터 변조 후, 마지막 심볼에 Dummy 데이터(Ddms), FH cycle의 마지막 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmh), 여분의 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmf)를 삽입하는 단계; (g) 송신 싸이클(Tx cycle)에서 FH 프레임이 초기동기홉1-L(mute, preamble, 동기 preamble), N개의 데이터 홉(뮤트, 심볼동기 프리앰블, 디지털 음성 데이터)으로 구성되고, 홉당 심볼수와 FH 프레임당 음성 데이터의 크기를 이용하여 FH 프레임당 데이터 홉 개수(Nhd)를 산출하는 단계; 및 (h) VoIP 음성 통신을 위한 송신 무전기로부터 단일 채널로 FH 프레임을 물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)으로 하나의 중계 무전기를 통해 수신 무전기로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 주파수 도약(FH) 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법은 저속의 주파수 도약 무전기를 사용하는 무전기망에서 단일 채널 및 단일 중계무전기를 사용하여 FH 프레임을 송수신하여 2홉 VoIP 음성통화가 가능하도록 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법을 제안하였다.
기존에는 저속의 주파수 도약 무전기에서 음성 중계를 위해 2개 채널 주파수 사용 및 중계 무전기가 2대 필요하였으나, 본 발명은 단일 채널 주파수 사용 및 단일 중계 무전기로 2홉 VoIP 음성중계가 가능하게 되었다. 또한, 이 방법은 저속의 주파수 도약 무전기 망에서 VoIP 음성통화가 가능하게 됨에 따라 기존의 브로드캐스트(Broadcast) 방식의 음성통신에서 1:1, 멀티캐스트(Multicast) 음성통신까지 가능하게 되어 향후 효율적인 주파수 사용 및 중계무전기 사용으로 서비스가 강화된 2홉 VoIP 음성통신이 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 주파수 도약 무전기 망 구조를 비교한 도면이다.
도 2는 기존 FH 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 송신 및 중계 FH cycle 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 음성 데이터를 일정시간 모아서 전송하는 FH 프레임 구조 결정 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 디지털 음성 데이터 길이를 나타낸 도면이다.
도 6은 VoIP 디지털 음성 데이터에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 삽입 및 부호화를 나타낸 도면이다.
도 7은 부호화된 음성 데이터의 변조 후 심볼을 나타낸 도면이다.
도 8은 FH 프레임의 데이터 홉 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수를 산출한 도면이다.
도 10은 2홉 VoIP 음성통화를 만족하기 위한 FH cycle 시간크기를 나타낸 도면이다.
도 11은 FH 프레임의 Dummy 데이터 삽입 단계를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기의 FH 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 주파수 도약(FH) 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법을 설명한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 주파수 도약 무전기 망 구조를 비교한 도면이다.
도 1의 <a>는 기존의 주파수 도약 무전기망에서 VoIP(Voice over IP) 음성중계를 하기 위해 2개의 채널과 2개의 중계용 무전기를 사용한다. 반면, 도 1의 <b>와 같이 본 발명에 따른 단일 채널에서 2홉 VoIP FH 무전기망에서는 단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용한다.
도 2는 기존 FH 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 기존 무전기의 주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 통신시, FH 구조는 FH 초기동기홉과 데이터홉(매 hop마다 주파수 변화), 그리고 데이터홉 송신 중간에 주기적으로 초기 동기용 주파수와 같은 재동기용 주파수를 전송하는 FH 재동기홉으로 구성되어 있다.
도 3은 송신 및 중계 FH cycle 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 VoIP 음성통화를 하기 위해 음성 데이터를 여러 개의 패킷으로 나누어 송신하게 된다. 하나의 음성 데이터 패킷이 송신 무전기로부터 중계무전기를 통해 송신 무전기에 도착할 때까지의 주기를 FH cycle이라고 할 경우, 본 발명에서 제안하는 2홉 VoIP FH cycle 구조는 동기 시간과 송신 시간, 휴지기로 구성되며, 휴지기는 동기시간과 송신시간을 합한 시간이 된다. 또한, 송신 무전기의 FH cycle 구조와 중계 무전기의 FH cycle 구조는 거의 동일하다. 송신 무전기는 첫 번째 패킷 송신 이후부터 초기동기보다 짧은 재동기를 이용하여 동기 획득에 필요한 시간을 단축한다.
송신 무전기의 FH cycle 구조는 처음에는 초기 동기, 송신, 휴지기0, Data hop cycle, 송신 FH cycle0로 구성되고, 그 다음부터, 동기 송신, 송신, 휴지기, Data hop cycle, 송신 FH cycle 등이 반복적으로 구성된다.
중계 무전기의 FH cycle 구조는 처음에는 초기 동기 대기, 수신, 초기동기 송신, 송신, Data hop cycle, 중계 FH cycle 0로 구성되고, 그 다음부터, 동기 수신, 수신, 동기 송신, 송신, Data hop cycle, 중계 FH cycle 등이 반복적으로 구성된다.
도 4는 음성 데이터를 일정시간 모아서 전송하는 FH 프레임 구조 결정 과정을 나타낸 도면이다.
VoIP 음성통신에서 무전기에 탑재된 응용프로그램의 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 N개의 디지털 음성 데이터(A Bytes1, A Bytes 2,.... A Bytes N)를 실시간으로 VoIP 패킷에 담아 전달하는 것이 이상적이나 수십 kbps의 저속 무전기에서는 원활한 VoIP 음성 통신이 곤란하다. 따라서, 음성 데이터에서 FH 프레임으로 변환하는 과정에서 발생하는 오버헤드를 줄이기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 음성코덱(Voice Codec)에 의해 만들어진 N개의 디지털 음성 데이터를 실시간으로 전송하지 않고, 일정시간 동안 모아 한꺼번에 전송할 수 있도록 FH 프레임 구조를 설계하였다.
2홉 VoIP(Voice over IP) 음성 단일 채널 중계를 위한 FH(Frequency Hopping) 프레임 구조를 사용하는 주파수 도약 무전기는 단일 채널 및 단일 중계용 무전기로 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 주파수 도약 무전기에 설치된 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 신호를 인코딩하여 디지털 음성 데이타로 변환하고, 일정 시간(TcxN) 동안 모아진 일정크기(Dsm)의 N개의 디지털 음성 데이터(A Bytes1, A Bytes 2,...A Bytes N)를 제공하는 VoIP 응용 프로그램을 포함하고,
물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)에서 N개의 디지털 음성 데이터(A Bytes1, A Bytes 2,.... A Bytes N) 앞에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더(Header B Bytes)가 추가되고 연속적으로 반복되는 구조로 프레임이 구성되며, Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 음성 패킷(Coded Header, Coded Voice Packet)을 부호화하고, 특정 방식으로 데이터를 변조(Modulation)한 후, 다수의 데이터 홉(데이터홉1~ 데이터홉K)으로 구성되어 변조된 심볼(Symbol M)에 FH 초기동기홉1~L을 추가하고 후미에 Dummy를 붙이며, 이렇게 생성된 FH 프레임을 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 송신 무전기로부터 단일 채널로 단일 중계 무전기를 통해 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 수신 무전기로 전송한다.
FH 프레임은 FH 초기동기 홉1,ㆍㆍFH 초기동기 홉L, 데이터 홉1, 데이터 홉2...데이터 홉K, 휴지기로 구성된다.
FH 초기동기홉1~L은 각각 뮤트(mute:주파수 도약 시간), 프리앰블(preamble), 동기 프리앰블(preamble)로 구성되고, 데이터홉 K은 각각 뮤트(mute), 프리앰블(preamble), 데이터(data)로 구성된다.
도 5는 디지털 음성 데이터 길이를 나타낸 도면이다.
단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계를 위해 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 송수신 무전기는 일정시간(TcxN) 동안 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 정보를 인코딩하여 생성된 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)를 모은다.
도면을 참조하면, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dv는 N개 만큼 모아 전송하는 총 음성 데이터 길이를 나타낸다.
도 6은 VoIP 디지털 음성 데이터에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 삽입 및 부호화를 나타낸 도면이다.
VoIP 응용 프로그램이 설치된 주파수 도약 무전기는 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)(Dv)에 VoIP 음성통신이 가능한 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(Dh)(단위:byte)를 붙이고, 오류정정을 위한 부호화를 실행한다. 이때, VoIP 응용 프로그램이 설치된 주파수 도약 무전기는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더와 디지털 음성 데이터에 각각 적용하는 부호화율을 다르게 하여 중요도가 높은 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더의 비트오류 확률을 줄인다.
도면을 참조하면, Dh는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(단위:byte), Dcd는 오류 정정후 길이(Coded Header, Coded Voice Packet)(단위:bit), Ddm은 변조 및 데이터홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값의 총 합(Dummy)을 나타낸다.
도 7은 부호화된 음성 데이터의 변조 후 심볼을 나타낸 도면이다.
부호화된 데이터(Dcd(Coded Header, Coded Voice Packet), Ddm(Dummy)) 변조 후 최종 길이(Dsb)는 도 7과 같이 도시되며, 단위는 심볼(symbol)이 된다. 즉, 주파수 도약 무전기는 하나의 FH 프레임당 Dsb 심볼들을 전송할 수 있어야 한다.
도 8은 FH 프레임의 데이터 홉 구조를 나타낸 도면이다.
데이터 홉 구조는 주파수 도약 시간인 뮤트(mute)(Nsm), 심볼동기 프리앰블(preamble)(Nsp), 디지털 음성 데이터(data)(Nsd) 심볼로 구성된다. 심볼 속도 및 초당 도약 횟수를 이용하여 1홉당 전체 심볼개수를 구하고, 도 8을 참고하여 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수(Nsd)를 구할 수 있다.
도면을 참조하면, Nsh는 1홉당 전체 심볼 개수, Nsm은 뮤트(mute) 시간 동안 필요한 심볼 개수, Nsp는 심볼 동기 프리앰블에 필요한 심볼 개수, Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수를 의미한다.
도 9는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수를 산출한 도면이다.
도 9에 도시된 같이, 도 8을 통해 산출한 홉당 심볼 수와 도 5,6,7에서 산출한 FH 프레임당 VoIP 디지털 음성 데이터 크기를 이용하여 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수(Nhd)를 구할 수 있다.
도 10은 2홉 VoIP 음성통화를 만족하기 위한 FH cycle 시간크기를 나타낸 도면이다.
단일 채널 및 단일 중계용 무전기로 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록 주파수 도약 무전기에서 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 신호를 인코딩하여 디지털 음성 데이타로 변환하고, 하나의 FH cycle 시간(T) 내에서 일정 시간(TcxN) 동안 일정크기(Dsm)의 N개의 디지털 음성 데이터(A Bytes1, A Bytes 2,...A Bytes N)(Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위)를 모으는 VoIP 응용 프로그램을 저장한 메모리를 포함하고, 물리 계층/데이타 링크(PHY/MAC) 계층에서 상기 N개의 디지털 음성 데이터 앞에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하여 연속적으로 반복되는 구조로 FH 프레임이 구성되며, Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 음성 패킷(Coded Header, Coded Voice Packet)을 부호화하고, 특정 방식으로 데이터를 변조(Modulation)한 후, 다수의 데이터 홉(데이터홉1~ 데이터홉K)으로 구성되어 변조된 심볼(Symbol M)에 FH 초기동기홉1~L을 추가하고 후미에 Dummy를 붙이며, 이렇게 생성된 FH 프레임을 단일 중계 무선기(20)로 전송하는 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 송신 무전기(10); 단일 채널로 하나의 FH cycle에 소요되는 시간(T) 내에서 일정 시간(TcxN) 동안 송신 무전기로부터 수신된 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 디지탈 음성 데이터를 포함하는 FH 프레임을 재전송 방식으로 VoIP 음성 통화를 중계하도록 수신 무전기(30)로 전송하는 중계 무전기(20); 및 단일 채널로 단일 중계 무전기(20)를 통해 FH 프레임을 수신받아 디코딩하여 음성 통화를 제공하는 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 수신 무전기(30)로 구성된다.
VoIP 응용 프로그램이 탑재된 송신 무전기(10)는 주파수 도약(FH) 무전기망에서 단일 채널로 FH 프레임을 물리 계층/데이터 링크 계층(PHY/MAC)을 경유하여 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록 하나의 중계 무전기(20)를 경유하여 VoIP 응용 프로그램이 탑재된 수신 무전기(30)와 VoIP 음성 통화를 제공한다.
도 3의 FH cycle 시간(T)은 도 5에서 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모은 음성 시간(Tc 〉N)보다 같거나 작아야 한다. 즉, 다음 VoIP 응용 프로그램의 음성 코덱의 샘플링 개수 N개 만큼 모아서 전송하는데 걸리는 시간은 이전 FH cycle을 통해 전송받은 N개의 디지털 음성 데이터를 재생하는데 걸리는 시간보다 작아야, 송수신 무전기는 끊김 없는 음성통화를 할 수 있다. 따라서, 심볼 속도가 정해져 있고, 구현하고자 하는 최소 초당 도약 횟수가 결정되면, 도 9까지 얻어진 변수들이 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모은 음성 시간(Tc 〉N)(단위: ms)(Tc: 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N:샘플링한 데이터를 모으는 총 개수) 범위 안에서 가장 큰 값의 데이터 홉 개수를 갖는 FH 프레임 크기가 생성된다.
도 11은 FH 프레임의 Dummy 데이터 삽입 단계를 나타낸 도면이다.
도 10까지 생성된 FH 프레임을 바로 사용할 경우, 도 8, 9에서 데이터 홉당 심볼 수 및 FH 프레임당 데이터 홉 수를 구할 때 요구되는 데이터 크기보다 작지 않은 최대 정수값을 사용했으므로, 도 11에 도시된 바와 같이 데이터 변조 후 마지막 심볼에 Dummy 데이터 Ddms(데이터 부호화 후 마지막 심볼에 삽입되는 Dummy 크기(단위:bit))삽입, 그리고 FH cycle의 마지막 데이터홉에 Dummy 데이터 Ddmh(FH 프레임의 음성 데이터가 저장되는 마지막 데이터 홉에 삽입되는 Dummy 크기(단위:symbol)) 삽입, 그리고 도 10를 통해 얻은 여분의 데이터홉에 Dummy 데이터 Ddmf(FH 프레임의 여분의 데이터 홉에 삽입되는 Dummy 크기(단위:symbol))삽입과 같이 3 번에 걸쳐 Dummy 데이터를 삽입해야 한다.
도 12는 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기의 FH 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
삽입하여야 할 Dummy 데이터의 총합을 미리 산출하여 도 12와 같이 데이터 부호화시 Dummy 크기를 미리 활용하여 부호화가 가능하도록 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기의 FH 프레임 구조가 최종 결정된다.
도 13은 본 발명에 따른 주파수 도약(FH) 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법을 설명한 순서도이다.
주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법은, 단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계를 위해 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 송수신 무전기에서 FH cycle 시간 내에 일정시간(TcxN) 동안 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성정보를 인코딩하여 생성된 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)를 모으는 단계(여기서, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위)(S10); 상기 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하는 단계(S11); 상기 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 상기 N개의 디지털 음성 데이터에 각각 부호화율을 다르게 하여 오류 정정을 위한 부호화(Coded Header, Coded Voice Packet, Dummy)를 수행하는 단계(S12); 데이터 변조 후, 최종 길이로 생성된 하나의 FH 프레임당 Dsb 심볼(Symbol M)을 생성하는 단계(S13); FH cycle 시간(T)이 끊김없는 VoIP 음성 통화를 위해 N개의 디지털 음성 데이터를 모은 음성 시간(Tc x N)보다 같거나 작은 범위 안에서 최대값을 가지는 FH 프레임의 크기를 결정하는 단계(S14); 상기 데이터 변조 후, 마지막 심볼에 Dummy 데이터(Ddms), FH cycle의 마지막 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmh), 여분의 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmh)를 삽입하는 단계(S15); Tx cycle에서 FH 프레임이 초기동기홉1-L(mute, preamble, 동기 preamble), N개의 데이터 홉(뮤트, 심볼동기 프리앰블, 디지털 음성 데이터)으로 구성되고, 홉당 심볼수와 FH 프레임당 음성 데이터의 크기를 이용하여 FH 프레임당 데이터 홉 개수(Nhd)를 산출하는 단계(S16); 및 VoIP 응용 프로그램을 사용하는 송신 무전기로부터 단일 채널로 FH 프레임을 물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)으로 하나의 중계 무전기를 통해 수신 무전기로 전송하는 단계(S17)를 포함한다.
주파수 도약 무전기는 FH 프레임의 생성 과정에서 삽입되는 3회의 Dummy 데이터 크기를 결정된 FH 프레임 크기를 이용하여 역으로 계산한 후, Dummy 데이터 총합의 크기 만큼 미리 데이터 부호화에 적용하여 Dummy 데이터의 크기만큼 부호화율을 다시 상향 조정하는데 활용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 주파수 도약(FH) 통신시, 기존 무전기의 FH 구조는 FH 초기동기홉과 데이터홉, 그리고 데이터홉 송신 중간에 주기적으로 초기 동기용 주파수와 같은 재동기용 주파수를 전송하는 FH 재동기홉으로 구성된다. 즉, 기존 무전기에서는 음성 송신의 경우, FH 초기동기홉 송신 이후 음성 시작부터 음성 종료시점까지 계속 데이터홉과 FH 재동기홉이 전송된다. 하지만, 본 발명에 전제하는 음성 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기망에서는 VoIP 음성 통화가 시작되면 일정 시간마다 음성 데이터를 패킷으로 구성하여 전달하게 된다. 또한, 송신 무전기에서 한번 전송한 음성 데이터는 별도의 수동 조작 없이 중계용 무전기를 통해 2홉 거리의 수신 무전기에 도착하게 해야 한다. 따라서, 동일한 시간동안 음성통화를 하더라도, 기존 무전기는 FH 구조의 데이터 홉 개수보다 2홉 VoIP FH 구조의 데이터 홉 개수를 훨씬 적게 구성하고, 대신 음성 데이터를 여러번에 나누어 VoIP 패킷으로 구성하여 송신해야 한다. 하나의 음성 데이터 패킷이 송신 무전기로부터 중계무전기를 통해 수신 무전기에 도착할 때까지의 주기를 FH cycle이라고 할 경우, 본 발명에서 제안하는 2홉 VoIP FH cycle 구조는 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 데이터홉 사이의 재동기홉 삭제
데이터홉 개수가 적어짐에 따라 데이터홉 사이의 채널 불량의 기회가 줄어 재동기홉 송신은 필요치 않다.
(2) 첫 번째 송신 이후부터는 초기동기홉 대신 재동기홉 전송
2홉 VoIP 주파수 도약 무전기망에서 송신 무전기는 초기 동기 송신 및 데이터홉 송신 후 일정시간(중계용 무전기가 동일 데이터를 전송하는 기간) 휴지기를 가지고, 중계용 무전기가 송신을 마치는 동시에 다시 다음 음성 데이터의 송신이 이루어져야한다. 이 경우, 송신 무전기는 새로운 전송을 시작하므로, 다시 초기 동기를 송신한 후, 데이터홉을 송신해야 하나, 이전의 초기동기홉 송신으로 도약 무전기망 동기가 이루어진 상태이고, 이후 규칙적인 송신 및 휴지기를 가지므로 초기동기홉 대신 재동기홉을 이용하여도 동기를 맞출 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 2홉 VoIP 주파수 도약 무전기 망에서의 FH cycle 구조는 도 3의 <a>와 같이, 송신 FH cycle 구조는 동기 시간과 송신 시간, 휴지기를 가지며 휴지기는 동기시간과 송신시간을 합한 시간이 된다. 중계 FH cycle 구조는 다음 <b>와 같다. 처음 데이터 수신 이후 동기 시간과 송신시간 휴지기로 하나의 주기를 이룬다. FH cycle 0를 제외한 송신 및 중계 FH cycle의 주기는 동일하다.
FH 프레임은 FH cycle동안 전송되는 데이터 포맷이다. VoIP 음성통신의 경우, FH 프레임의 데이터홉에는 VoIP 음성데이터가 담겨지게 되는데, 실시간 전송이 중요시 되는 음성통신에서는 음성코덱을 통해 만들어진 디지털 음성 데이터를 실시간으로 VoIP 패킷에 담아 수신 무전기로 전달하는 것이 이상적이다. 하지만, 재동기 전송시간 소요, 주파수 변환처리 시간 소요, 패킷 오버헤드로 인해 수십 kbps의 저속 무전기에서는 원활한 VoIP 음성 통신이 곤란하다. 따라서, 이러한 부가적인 시간 소요 및 패킷 오버헤드를 줄이기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 송신 무전기는 음성코덱을 통해 만들어진 N개의 디지털 음성 데이터를 실시간으로 전송하지 않고, 일정시간 동안 모아 한꺼번에 전송하는 방법을 제안한다.
<FH 프레임 크기 결정>
2홉 VoIP 음성중계가 가능하면서 최대한 짧은 간격으로 음성을 전송하기 위해 FH cycle 시간을 조정해야 하며, FH cycle 시간은 FH 프레임 크기에 비례한다.
따라서, 송신 무전기는 적절한 FH 프레임 크기를 결정해야 하며, 이에 영향을 미치는 요소들은 재동기홉과 데이터 홉 크기가 있으며, 데이터홉의 결정요소들은 다음과 같다.
- 홉 데이터 길이(단위: byte)
- 뮤트 길이(단위: bit): 주파수합성기 성능과 관련
- 심볼동기 프리앰블 길이
- 데이터 홉 수, 재동기홉 수
- FH 홉의 데이터 속도
따라서, 위와 같은 모든 요소들을 고려하여 주파수 도약(FH) 무전기에서 2홉 VoIP 음성통신을 제공하는 주파수 도약 무전기의 최적의 FH 프레임 크기를 결정해야 하며, 그 방법은 다음과 같다.
(1.1) FH 프레임당 VoIP 디지털 음성 데이터 크기 산출
주파수 도약 무전기의 VoIP 응용 프로그램에 설치된 음성코덱은 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성정보를 일정크기(Dsm)를 가진 N개의 디지털 음성 데이터로 변환한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일정시간(TcxN) 동안 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모아서 전송을 하겠다고 가정하면, 총 음성 데이터의 길이(Dv)는 식(1)과 같다.
Dv = Dsm * N ……………………………………………………… (1)
여기서, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dv는 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모아 전송하는 총 음성 데이터 길이를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 주파수 도약 무전기는 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)(Dv)에 VoIP 음성통신이 가능한 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(Dh)를 붙이고, 오류정정을 위한 부호화를 수행한다.
이때, 주파수 도약 무전기는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 N개의 디지털 음성 데이터에 각각 적용하는 부호화율을 다르게 하여 중요도가 높은 프로토콜 헤더의 비트오류 확률을 줄인다.
오류 정정후 길이(Dcd)는 다음 식 (2)에 의해 산출된다. Ddm은 변조 및 데이터 홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값의 총합이다. Dcd 를 산출할 때에는 Ddm = 0으로 계산하고, FH cycle 시간 크기를 결정하고 난 후, 역으로 Ddm을 계산하여 FH 프레임 구조를 완성한다.
Dcd = Dh÷Rch + Dv÷Rcv + Ddm …………………………………… (2)
단, Rch 및 Rcv는 1/2, 1/3, 1/5 등의 부호화율, Dh는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(단위:byte), Dcd는 오류 정정후 길이(Coded Header, Coded Voice Packet)(단위:bit), Ddm은 변조 및 데이터홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값의 총 합(Dummy)을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 데이터 변조 후 최종 길이(Dsb)는 식 (3)과 같으며 단위는 심볼(symbol)이 된다. 즉, 하나의 FH 프레임당 Dsb 심볼들을 전송할 수 있어야 한다.
Figure 112010057391617-pat00001
……………………………………………………… (3)
단,
Figure 112010057391617-pat00002
는 a보다 작지 않은 최대 정수, Dsb는 데이터 변조후 최종 길이(단위:symbol), Dcd는 오류 정정후 길이(단위:bit), Mcd는 변조율(예 32QAM :5)을 나타낸다.
(1.2) 음성 전송 간격과 유사한 FH cycle 시간을 갖는 FH 프레임 크기 결정
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 데이터 홉 구조는 주파수 도약 시간인 뮤트(mute), 심볼동기 프리앰블(preamble), 디지털 음성 데이터(data) 심볼로 구성된다. 심볼 속도를 Rs, 초당 도약 횟수를 Rh 라고 하면 식 (4)와 같이 1홉당 심볼개수(Nsh)를 구할 수 있고, 1홉당 전체 심볼 개수를 Nsh, 뮤트에 필요한 심볼 개수를 Nsm, 심볼동기 프리앰블에 필요한 심볼 개수를 Nsp 라고 할 경우, 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수(Nsd)를 다음 식(5)와 같이 구할 수 있다.
Figure 112010057391617-pat00003
………………………………………………… (4)
단,
Figure 112010057391617-pat00004
는 b보다 크지 않은 최대 정수, Nsh는 1홉당 심볼개수, Rs는 심볼 속도, Rh는 초당 도약 횟수를 나타낸다.
Nsd = Nsh - Nsm - Nsp …………………………………… (5)
단, Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수, Nsh는 1홉당 전체 심볼 개수, Nsm는 뮤트(mute)에 필요한 심볼 개수, Nsp는 심볼동기 프리앰블에 필요한 심볼 개수를 의미한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 식 (4),(5)를 통해 산출한 홉당 심볼 수와 (1.1)절에서 산출한 FH 프레임당 N개의 디지털 음성 데이터 크기를 이용하여 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수(Nhd)는 식 (6)과 같이 구할 수 있다.
Figure 112010057391617-pat00005
………………………………………… (6)
단,
Figure 112010057391617-pat00006
는 c보다 작지 않은 최대 정수, Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Dsb는 데이터 변조후 최종 길이(단위:symbol), Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수를 나타낸다.
하나의 홉(hop) 전송에 소요되는 시간 Th는 다음과 같이 구할 수 있다.
Th = 1÷Rh …………………………………………………………(7)
단, Th는 1홉 전송에 소요되는 시간, Rh는 초당 도약 횟수를 나타낸다.
FH cycle 시간(T)은 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모은 음성 시간(TcxN)보다 같거나 작아야 한다. 즉, 다음 음성 코덱의 샘플링 개수 N개의 디지털 음성 데이터 만큼 모아서 전송하는데 걸리는 시간은 이전 FH cycle을 통해 전송받은 디지털 음성 데이터를 재생하는데 걸리는 시간보다 작아야 끊김없는 음성통화를 할 수 있다(도 10 참고).
따라서, 심볼 속도가 정해져 있고, 구현하고자 하는 최소 초당 도약 횟수가 결정되면 상기 식(7)까지 얻어진 변수들이 조건식(8)을 만족할 경우 식 (9), (10)과 같이 FH cycle 시간(T)은 Tc ×N 시간 범위 안에서 가장 큰 최대값의 데이터 홉 개수(Nsum_hd)를 갖는 FH 프레임 크기를 얻게 된다.
하나의 FH cycle에 소요되는 시간(T)은 다음 식(8)에 의해 구해진다.
T = (Th ×(Nhs+Nhd) ) × 2 …………………………(8)
단, (Th ×(Nhs + Nhd) ) ×2 ≤ Tc ×N
(N=0; N = N + 1)
단, T는 하나의 FH cycle에 소요되는 시간, Th는 하나의 홉 전송에 소요되는 시간, Nhs는 재동기홉 개수, Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 개수를 나타낸다.
여분의 데이터 홉 개수(Nhdm)은 다음 식(9)에 의해 구해진다.
Figure 112010057391617-pat00007
…………………………(9)
단,
Figure 112010057391617-pat00008
는 b보다 크지 않은 최대 정수, Nhdm은 여분의 데이터 홉 개수, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 개수, T는 하나의 FH cycle에 소요되는 시간, Th는 1홉 전송에 소요되는 시간을 나타낸다.
FH 프레임에서 최종 데이터 홉 개수(Nsum_hd)는 다음 식(10)에 의해 산출된다.
Nsum_hd = Nhd + Nhdm …………………………(10)
단, Nsum_hd는 FH 프레임에서 최종 데이터 홉 개수, Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Nhdm은 여분의 데이터 홉 개수를 나타낸다.
(1.3) Dummy 데이터 크기(Ddm) 산출 및 부호화시 재반영
(1.1),(1.2) 절의 식들로부터 얻어진 FH 프레임을 바로 사용할 경우, 식 (3), 식(6) 및 식(9)에서 보는바와 같이 데이터 홉당 심볼 수 및 FH 프레임당 데이터 홉 수를 구할 때 요구되는 데이터 크기보다 작지 않은 최대 정수값을 취했으므로, 다음 식 (11), (12)와 같이 데이터 변조 후 마지막 심볼에 Dummy 데이터 Ddms 삽입, 그리고 FH cycle의 마지막 데이터홉에 Dummy 데이터 Ddmh삽입 그리고 식(9)를 통해 얻은 여분의 데이터홉에 Dummy 데이터 Ddmf 삽입과 같이 3번에 걸쳐 Dummy 데이터를 삽입하여야 한다[도 11].
Figure 112010057391617-pat00009
…………………………(11)
단, Ddms는 데이터 변조 후 마지막 심볼에 Dummy 데이터, Dcd는 오류 정정후 길이(단위:bit), Mcd는 변조율(예, 32QAM :5)을 나타낸다.
Figure 112010057391617-pat00010
…………………………(12)
단, Ddmh는 FH cycle의 마지막 데이터홉에 Dummy 데이터, Dsb는 데이터 변조후 최종 길이(단위:symbol), Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수를 나타낸다.
또한, 식(9)를 통해 여분의 데이터홉 개수 Nhdm을 산출하였다.
하지만, 주파수 도약 무전기는 하나의 FH 프레임에 삽입해야 할 Dummy 데이터의 총합을 미리 산출하여 도 12와 같이 데이터 부호화시 Dummy 크기를 미리 활용하여 부호화 가능하도록 FH 프레임 구조를 최종 조정한다. 이를 위해 총 Dummy 데이터 크기 Ddm을 산출하는 방법은 다음과 같다.
(1.2)절의 식(8)까지 이용하여 설계한 FH 프레임 크기를 통해 초기동기홉 및 뮤트심볼, 홉 초기동기심볼을 제외한 실제 데이터가 담길 수 있는 크기는 FH cycle의 크기로부터 역으로 구할 수 있다.
Dcy[bit] = (Nhd ×Nsd ×Mcd) …………………(13)
단, Dcy는 하나의 FH 프레임에 담기는 데이터의 총 저장 가능 크기(단위: bit), Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수, Mcd는 변조율(예, 32QAM :5)을 나타낸다.
또한, 주파수 도약 무전기는 변조 및 데이터홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값 및 FH 프레임의 잉여 데이터홉의 총합인 Ddm을 다음 식(14)에 의해 얻은 후, 도 12에 도시된 바와 같이, FH 프레임 구조를 조정한 후 Ddm 값을 활용할 수 있는 부호화율을 다시 적용함으로써 dummy 데이터의 크기를 이용하여 비트오류 확률을 줄인다.
Ddm = Dcy - ( Dh÷Rch + Dv÷Rcv) …………………(14)
단, Ddm는 FH cylce에 삽입되는 총 Dummy 데이터의 크기, Dcy는 하나의 FH 프레임에 담기는 데이터의 총 저장 가능 크기(단위: bit), Dh는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(단위:byte), Dv는 N개 만큼 모아 전송하는 총 음성 데이터 길이, Rch 및 Rcv는 1/2, 1/3, 1/5 등의 부호화율을 나타낸다.
본 발명에서는 단일 채널 및 단일 중계용 무전기로 2홉 VoIP 음성 중계가 가능한 주파수 도약 무전기 망을 구성하고, 이때에 2홉 VoIP 음성 중계 가능한 FH cycle구조를 설계하고 FH 프레임 크기를 결정하는 방법을 제안하였다. 또한, 디지털 음성 데이터를 일정시간 모아서 전송하는 방법 및 FH 프레임의 생성 과정에서 삽입되는 3회의 Dummy 데이터를 미리 계산하여 Dummy 데이터 총합의 크기만큼 미리 데이터 부호화에 재사용할 수 있도록 반영하는 방법을 적용한 FH 프레임 구조를 제안하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용이 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 송신 무전기 20: 중계 무전기
30: 수신 무전기

Claims (12)

  1. 2홉 VoIP(Voice over IP) 음성 단일 채널 중계를 위한 주파수 도약(FH:Frequency Hopping) 프레임 구조를 포함하는 주파수 도약 무전기에 있어서,
    주파수 도약(FH) 무전기에서, VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성 신호를 인코딩하여 디지털 음성 데이타로 변환하고, 하나의 FH cycle 시간(T) 내에서 일정 시간(Tc x N) 동안 일정크기(Dsm)의 N개의 디지털 음성 데이터(Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위)를 모으고, 물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)에서 상기 N개의 디지털 음성 데이터 앞에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하여 연속적으로 반복되는 구조로 프레임이 구성되며, Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 음성 패킷(Coded Header, Coded Voice Packet)을 부호화하고, 특정 방식으로 데이터를 변조(Modulation)한 후, 다수의 데이터 홉(데이터홉1~ 데이터홉K)으로 구성되어 변조된 심볼(Symbol M)에 FH 초기동기홉1~L을 추가하고 후미에 Dummy 데이타를 붙여서 생성된 FH 프레임을 전송하는 송신 무전기;
    단일 채널로 단일 중계용 무전기로 2홉 VoIP 음성 중계가 가능하도록, 하나의 FH cycle에 소요되는 시간(T) 내에서 일정 시간(Tc x N) 동안 상기 송신 무전기로부터 수신된 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 디지탈 음성 데이터가 포함된 FH 프레임을 재전송 방식으로 VoIP 음성 통화를 중계하는 중계 무전기; 및
    단일 채널로 상기 중계용 무전기로부터 상기 FH 프레임을 수신받아 디코딩하여 음성 통화를 제공하는 수신 무전기;
    를 포함하는 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조를 포함하는 주파수 도약 무전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 FH 프레임은 FH 초기동기 홉1,ㆍㆍFH 초기동기 홉L, 데이터 홉1, 데이터 홉2...데이터 홉K, 휴지기로 구성되는 것을 특징으로 하는 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조를 포함하는 주파수 도약 무전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 FH 초기동기홉1~L은 각각 뮤트(mute:주파수 도약 시간), 프리앰블, 동기 프리앰블로 구성되고, 상기 데이터홉 K은 각각 뮤트(mute), 프리앰블(preamble), 데이터(data)로 구성되는 것을 특징으로 하는 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조를 포함하는 주파수 도약 무전기.
  4. 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 구조 및 크기 결정 방법에 있어서,
    (a) 단일 채널 및 단일 중계용 무전기를 사용하여 2홉 VoIP 음성 중계를 위해 송수신 무전기에서 FH cycle 시간 내에 일정시간(Tc x N) 동안 VoIP 음성코덱에 의해 만들어진 일정한 시간 간격(Tc)의 아날로그 음성정보를 인코딩하여 생성된 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)를 모으는 단계(여기서, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 총갯수, Dsm은 음성 코덱에서 아날로그 음성 정보를 샘플링하는 단위);
    (b) 상기 N개의 디지털 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)에 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더를 추가하는 단계;
    (c) 상기 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 상기 N개의 디지털 음성 데이터에 각각 부호화율을 다르게 하여 오류 정정을 위한 부호화(Coded Header, Coded Voice Packet, Dummy)를 수행하는 단계;
    (d) 데이터 변조 후, 최종 길이로 생성된 하나의 FH 프레임당 Dsb 심볼(Symbol M)을 생성하는 단계;
    (e) FH cycle 시간(T)이 끊김없는 VoIP 음성 통화를 위해 N개의 디지털 음성 데이터를 모은 음성 시간(Tc x N)보다 같거나 작은 범위 안에서 최대값을 가지는 FH 프레임의 크기를 결정하는 단계;
    (f) 상기 데이터 변조 후, 마지막 심볼에 Dummy 데이터(Ddms), FH cycle의 마지막 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmh), 여분의 데이터 홉에 Dummy 데이터(Ddmf)를 삽입하는 단계;
    (g) 송신 싸이클(Tx cycle)에서 FH 프레임이 초기동기홉1-L(mute, preamble, 동기 preamble), N개의 데이터 홉(뮤트, 심볼동기 프리앰블, 디지털 음성 데이터)으로 구성되고, 홉당 심볼수와 FH 프레임당 음성 데이터의 크기를 이용하여 FH 프레임당 데이터 홉 개수(Nhd)를 산출하는 단계; 및
    (h) VoIP 음성 통신을 위한 송신 무전기로부터 단일 채널로 FH 프레임을 물리 계층/데이타 링크 계층(PHY/MAC)으로 하나의 중계 무전기를 통해 수신 무전기로 전송하는 단계;
    를 포함하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (e)는,
    상기 VoIP 음성통화를 하기 위해 음성 데이터를 여러 개의 패킷으로 나누어 전송되는데, 2홉 VoIP FH cycle(하나의 음성 데이터 패킷이 송신 무전기로부터 중계무전기를 거쳐 송신 무전기에 도착할 때까지의 주기) 구조는 동기 시간과 송신 시간, 휴지기를 포함하며, 상기 휴지기는 동기시간과 송신시간을 합한 시간이 되고, 첫 번째 패킷 송신 이후부터 송신 시간을 단축하기 위해 초기동기보다 짧은 재동기를 이용하여 동기 획득에 필요한 시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신 무전기의 FH cycle 구조는 동기 송신, 송신, 휴지기, Data hop cycle, 송신 FH cycle 등이 반복적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 중계 무전기의 FH cycle 구조는 동기 수신, 수신, 동기 송신, 송신, Data hop cycle, 중계 FH cycle 등이 반복적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (c)는,
    상기 Ad-hoc 네트워크 프로토콜 헤더 및 상기 N개의 디지탈 음성 데이터(Dsm(byte)1, Dsm(byte)2,ㆍㆍㆍDsm(byte)N)(Dv)에 각각 적용하는 부호화율을 다르게 하여 중요도가 높은 프로토콜 헤더의 비트오류 확률을 줄이고, 오류 정정후 길이(Dcd)는 다음 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
    Dcd = Dh÷Rch + Dv÷Rcv + Ddm
    여기서, Rch 및 Rcv는 1/2, 1/3, 1/5 등의 부호화율, Dh는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(단위:byte), Dcd는 오류 정정후 길이(Coded Header, Coded Voice Packet)(단위:bit), Ddm은 변조 및 데이터홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값의 총 합(Dummy)이다.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 단계(e)의 상기 FH cycle에 소요되는 시간(T:주파수 도약 프레임 전송 시간)은 상기 음성 코덱에 의해 샘플링된 상기 N개 디지털 음성 데이터 만큼 모은 음성 시간(Tc xN)보다 같거나 작은 범위(최소의 음성 데이터 전송 간격 시간 범위) 안에서 아래 조건식(100)을 만족할 경우, 아래 식 (110), (120)와 같이 Tc ×N 시간 범위 안에서 가장 큰 최대값의 데이터 홉 개수(Nsum_hd)를 갖는 FH 프레임 크기를 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
    T = (Th ×(Nhs+Nhd) ) × 2 …………………………(100)
    여기서, (Th ×(Nhs + Nhd) ) ×2 ≤ Tc ×N (N=0; N = N + 1)이고,
    T는 하나의 FH cycle에 소요되는 시간, Th는 하나의 홉 전송에 소요되는 시간, Nhs는 재동기홉 개수, Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 음성 데이터를 모으는 개수이다.
    Figure 112010057391617-pat00011
    …………………………(110)
    여기서,
    Figure 112010057391617-pat00012
    는 b보다 크지 않은 최대 정수, Nhdm은 여분의 데이터 홉 개수, Tc는 음성 코덱에서 하나의 샘플링 데이터를 생성하는 시간 크기, N은 샘플링한 데이터를 모으는 개수, T는 하나의 FH cycle에 소요되는 시간, Th는 1홉 전송에 소요되는 시간이다.
    Nsum_hd = Nhd + Nhdm …………………………(120)
    여기서, Nsum_hd는 FH 프레임에서의 최종 데이터 홉 개수, Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Nhdm은 여분의 데이터 홉 개수이다.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (f)는,
    상기 FH 프레임의 생성 과정에서 삽입되는 3회의 Dummy 데이터 크기를 계산한 뒤, Dummy 데이터 총합의 크기만큼 미리 데이터 부호화에 적용하여 Dummy 데이터의 크기만큼 부호화율을 다시 상향 조정하는데 활용하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
  11. 제4항 또는 제9항에 있어서,
    상기 단계 (f)에서,
    상기 데이터 변조 후 마지막 심볼의 Dummy 데이터(Ddms)는 아래 식 (130)에 의해 구해지고, 상기 FH cycle의 마지막 데이터홉의 Dummy 데이터(Ddmh)는 아래 식 (140)에 의해 구해지며, 상기 식(110)를 사용하여 여분의 데이터홉 개수 Nhdm을 산출하였고, 하나의 FH 프레임에 삽입해야 할 Dummy 데이터의 총합(Ddm)을 미리 산출하여 데이터 부호화시 Dummy 크기를 활용하여 부호화 가능하도록 FH 프레임 구조를 최종 조정하는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
    Figure 112010057391617-pat00013
    …………………………(130)
    여기서, Ddms는 데이터 변조 후 마지막 심볼의 Dummy 데이터, Dcd는 오류 정정후 길이(단위:bit), Mcd는 변조율(예, 32QAM :5)이다.
    Figure 112010057391617-pat00014
    …………………………(140)
    여기서, Ddmh는 FH cycle의 마지막 데이터홉의 Dummy 데이터, Dsb는 데이터 변조후 최종 길이(단위:symbol), Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수이다.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나의 FH 프레임에 삽입해야 할 Dummy 데이터의 크기(Ddm)를 산출하기 위해 상기 식(100)까지 설계한 FH 프레임 크기를 통해 초기동기홉 및 뮤트심볼, 홉 초기동기심볼을 제외한 실제 음성 데이터가 담길 수 있는 크기를 아래 식 (150)으로부터 구하고, 변조 및 데이터홉에 실어 전송할 때 발생하는 데이터 비트의 잉여값 및 FH 프레임의 잉여 데이터홉의 총합인 Ddm을 아래 식(160)에 의해 얻은 후, FH 프레임 구조(도12)를 조정한 후, Ddm 값을 활용할 수 있는 부호화율을 다시 적용함으로써 dummy 데이터의 크기를 이용하여 비트오류 확률을 줄이는 것을 특징으로 하는 주파수 도약 무전기에서 2홉 VoIP 음성 단일 채널 중계를 위한 FH 프레임 크기 결정 방법.
    Dcy[bit] = (Nhd ×Nsd ×Mcd) …………………(150)
    여기서, Dcy는 하나의 FH 프레임에 담기는 데이터의 총 저장 가능 크기(단위: bit), Nhd는 FH 프레임당 필요한 데이터 홉 개수, Nsd는 1홉당 데이터 섹션의 심볼 개수, Mcd는 변조율(예, 32QAM :5)이다.
    Ddm = Dcy - ( Dh÷Rch + Dv÷Rcv) …………………(160)
    여기서, Ddm는 FH cylce에 삽입되는 총 Dummy 데이터의 크기, Dcy는 하나의 FH 프레임에 담기는 데이터의 총 저장 가능 크기(단위: bit), Dh는 Ad-hoc 네트워크 프로토콜의 헤더(단위:byte), Dv는 N개 만큼 모아 전송하는 총 음성 데이터 길이, Rch 및 Rcv는 1/2, 1/3, 1/5 등의 부호화율이다.
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