KR101554286B1 - 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법 - Google Patents

중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법 Download PDF

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정재학
김진석
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Abstract

본 발명은 수중 음향 통신에 관한 것으로서, 더 상세하게는 데이터 신호 구간에서 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호의 전송시간 및 전송 주파수를 동일하게 하되 데이터 신호와 상관도가 직교하는 성질을 갖도록 하여 기존처럼 과도한 길이를 갖는 훈련(training) 신호 전송에 따른 통신 효율의 감소를 줄이면서 채널을 추정하는 방법에 대한 것이다.

Description

중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법{Method for implementing underwater acoustic communication using channel transfer characteristic estimation based on superimposed pilot scheme}
본 발명은 수중 음향 통신에 관한 것으로서, 더 상세하게는 데이터 신호 구간에서 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호의 전송시간 및 전송 주파수를 동일하게 하되 데이터 신호와 상관도가 직교하는 성질을 갖도록 하여 기존처럼 과도한 길이를 갖는 훈련(training) 신호 전송에 따른 통신 효율의 감소를 줄이면서 채널전달 특성을 추정하는 방법에 대한 것이다.
수중에서의 무선 통신은 육상 통신과 달리 매질의 특성상 전파 대신 음파를 사용하여야 한다. 수중에서 통신 시스템의 성능은 다중 경로 전달 특성, 전달 손실, 도플러 현상 및 배경 잡음 등에 의해 좌우된다. 특히 해양의 시변 특성으로 인해 통신 채널 특성도 시시각각 변화한다.
그러므로 시간에 따른 채널 특성 변화에도 불구하고 통신 성능을 유지하기 위해서는 통신 시점의 채널 특성을 추정하여 통신 시스템에 반영되어야 한다. 그런데, 일반적인 수중 무선 통신 방식은 실제 전송하고자 하는 데이터 신호 이외 구간에 미리 송수신기가 서로 약속한 신호인 파일럿(Pilot) 또는 훈련 신호 구간을 따로 설정하여 채널 특성을 추정하였다.
그러나, 해양에서의 채널 특성은 그 변동성이 심해 파일럿(Pilot) 구간에서 채널 특성을 추정하였더라도 실제 데이터 신호 구간에서는 채널 특성이 다르게 변화하여 통신 성능을 저하시키게 되는 문제점을 갖고 있다.
또한, 이로 인해 Pilot 신호의 길이가 길어져 실질 통신 전송율을 저하시키는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2012-0139000호 2. 미국공개특허번호 제US2013-0208768호 3. 한국등록특허번호 제0941853호
1. 박태두 외, "수중음향통신에서 효율적인 패킷 설계에 관한 연구"한국항해항만학회지 제36권 제8호 통권 제174호 (2012년 10월) pp.631-635.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 심해 파일럿(Pilot) 구간에서 추정한 채널 특성을 실제 데이터 신호 구간에서 변화하는 채널 특성에 가깝게 함으로써 통신 성능을 저하시키게 되는 문제점을 해소하는 수중 음향 통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 파일럿(Pilot) 신호의 길이가 길어져 발생하는 실질 통신 전송율 저하 문제점을 해소하는 수중 음향 통신 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 심해 파일럿(Pilot) 구간에서 추정한 채널 특성을 실제 데이터 신호 구간에서 변화하는 채널 특성에 가깝게 함으로써 통신 성능을 저하시키게 되는 문제점을 해소하는 수중 음향 통신 방법을 제공한다.
상기 수중 음향 통신 방법은,
송신기에서 데이터 신호와 중첩 파일럿 신호를 동시에 갖는 송신 신호를 생성하여 송신하는 단계;
수신기에서 송신된 송신 신호를 이용하여 수신 신호를 생성하는 단계;
상기 수신기에서 상기 수신 신호와 중첩 파일럿 신호의 상호 상관관계를 도출하는 단계; 및
상기 수신기에서 도출된 상호 상관관계를 이용하여 채널 전달 특성을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호의 크기는 1-
Figure 112014039719187-pat00001
:
Figure 112014039719187-pat00002
(여기서,
Figure 112014039719187-pat00003
는 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호가 같은 크기를 갖는다고 할 때 0과 1 사이의 값으로써 데이터 신호에 곱해지는 크기를 나타낸다)의 크기 비율인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 송신 신호는 수학식
Figure 112014039719187-pat00004
(여기서,
Figure 112014039719187-pat00005
는 데이터 신호를,
Figure 112014039719187-pat00006
는 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호를 나타내며,
Figure 112014039719187-pat00007
는 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호가 같은 크기를 갖는다고 할 때 0과 1 사이의 값으로 데이터 신호에 곱해지는 크기를 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 송신 신호에 대한 수신 신호는 수학식
Figure 112014039719187-pat00008
으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서,
Figure 112014039719187-pat00009
는 채널 전달 특성,
Figure 112014039719187-pat00010
는 첨가잡음을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기
Figure 112014039719187-pat00011
(여기서, T는 심볼의 수이며,
Figure 112014039719187-pat00012
는
Figure 112014039719187-pat00013
의 공액 복소값(complex conjugate),
Figure 112014039719187-pat00014
는 순간 전력값을 나타낸다)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 중첩 파일럿 신호는 전송 시간 및 전송 주파수를 동일하게 하되 상기 데이터 신호와 상호 상관관계가 직교하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 기법을 사용함으로써, 수중 채널에서의 무선통신 시 훈련 신호의 길이를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 훈련 신호의 길이가 짧더라도 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 기법을 사용한 경우가 사용하지 않은 경우보다 향상된 오차 성능을 가진다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 전송 프레임내에서 데이터 신호 구간에 중첩 파일럿 신호(211)와 데이터 신호(212)가 1-
Figure 112014039719187-pat00015
:
Figure 112014039719187-pat00016
의 크기 비율로 동시에 존재하는 프레임 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법을 해상에서 실험하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호가 없는 경우(QPSK(Conv))와 중첩 파일럿 신호가 있는 경우(QPSK(SIP))에 훈련신호(training sequence)의 길이에 따른 비트 오차율(bit error rate)을 보여주는 실험 결과 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 수신기측에서 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 기법을 이용한 채널 추정을 위해 송신기에서 송출되는 송신 신호
Figure 112014039719187-pat00017
는 다음식과 같이 정의될 수 있다(단계 S110).
Figure 112014039719187-pat00018
여기서,
Figure 112014039719187-pat00019
는 데이터 신호를,
Figure 112014039719187-pat00020
는 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호를 나타내며,
Figure 112014039719187-pat00021
는 0과 1 사이의 값으로 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호가 같은 크기를 갖는다고 할 때 데이터 신호에 곱해지는 크기를 나타낸다. 부연하면, 송신기측에서 하나의 전송 프레임으로 데이터 신호에 중첩 파일럿 신호를 동시에 수신측에 전송한다. 이러한 전송 프레임 구조를 보여주는 도면이 도 2에 도시되며, 이에 대하여는 후술하기로 한다.
도 1을 계속 참조하면, 수신기측에서 이러한 송신신호를 수신하여 수신 신호를 생성한다(단계 S120).
수신신호
Figure 112014039719187-pat00022
는 다음식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014039719187-pat00023
여기서,
Figure 112014039719187-pat00024
는 채널 전달 특성,
Figure 112014039719187-pat00025
는 첨가잡음을 나타낸다.
이후, 수신 신호와 정규화된 중첩 파일럿 신호의 상호 상관 관계를 도출한다(단계 S130). 부연하면, 중첩 파일럿 신호를 순간 전력값으로 나누어 정규화한 중첩 파일럿 신호
Figure 112014039719187-pat00026
와 수신 신호
Figure 112014039719187-pat00027
사이의 비슷한 정도인 유사도(similarity)를 측정하여 수학적인 관점에서는 상호 상관 관계이면서 수중 음향 통신 채널 전달 특성인
Figure 112014039719187-pat00028
를 다음식과 같이 추정한다(단계 S140).
Figure 112014039719187-pat00029
여기서, T는 심볼의 수이며,
Figure 112014039719187-pat00030
는
Figure 112014039719187-pat00031
의 공액 복소값(complex conjugate),
Figure 112014039719187-pat00032
는 순간 전력값을 나타낸다.
수중에서 송신기를 통해 방사된 통신 신호는 다양한 경로를 통해 수신기로 전달되며, 그 과정에 해양의 상태(sea state), 송수신기의 위치나 거리, 수중의 기하학적인 구조 등에 의해 영향을 받아 신호가 변형되는데 이렇게 중간 전달 경로에 의한 시간 지연 전달, 크기 감쇄, 주파수 변화 등의 특성을 채널 전달 특성이라 한다. 이러한 채널 전달 특성을 추정할 수 있다면 수신 신호를 이용하여 송신 신호를 복구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 전송 프레임(200)내에서 데이터 신호 구간에 중첩 파일럿 신호(211)와 데이터 신호(212)가 1-
Figure 112014039719187-pat00033
:
Figure 112014039719187-pat00034
의 크기 비율로 동시에 존재하는 프레임 구조를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 송신기(미도시)에서 수신기(미도시)쪽으로 전송하는 전송 신호는 프레임 구조를 띠게 된다. 이때 이러한 전송 프레임(200)을 구조를 보면 헤더 역할을 하는 트레인(210), 데이터 신호(212) 및 중첩 파일럿(211) 등으로 구성된다.
물론, 이때 데이터 신호 구간에 중첩 파일럿 신호(211)와 데이터 신호(212)가 1-
Figure 112014039719187-pat00035
:
Figure 112014039719187-pat00036
의 크기 비율로 동시에 존재하는데 크기 비율을 1-
Figure 112014039719187-pat00037
:
Figure 112014039719187-pat00038
로 함으로써 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호의 전체 합은 일정하게 유지하게 된다.
또한, 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호의 상관도(즉 상호 상관 관계)가 직교하게 함으로써 채널 전달 특성을 추정할 때 데이터 신호의 간섭으로 인해 발생할 수 있는 추정 오차를 최소화 하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법을 해상에서 실험하기 위한 개념도이다. 도 3을 참조하면, 수중에 송신기(310)와 수신기(320)가 설치되고, 송신기(310)는 수면으로부터 약 3m 정도에 고정된다. 이와 유사하게 수신기(320)도 수면으로부터 약 3m 정도에 고정된다.
또한, 송신기(310)와 수신기(320)사이의 거리는 약 25m이 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호가 없는 경우(QPSK(Conv))와 중첩 파일럿 신호가 있는 경우(QPSK(SIP))에 훈련신호(training sequence)의 길이에 따른 비트 오차율(BER: Bit Error Rate)을 보여주는 실험 결과 그래프이다. 도 4를 참조하면, 훈련 신호의 길이가 짧더라도 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 기법을 사용한 경우가 사용하지 않은 경우보다 향상된 오차 성능을 가짐을 볼 수 있다.
200: 전송 프레임
210: 트레인
211: 중첩 파일럿 신호
212: 데이터 신호
310: 송신기
320: 수신기

Claims (6)

  1. 송신기에서 데이터 신호와 중첩 파일럿 신호를 동시에 갖는 송신 신호를 생성하여 송신하는 단계;
    수신기에서 송신된 송신 신호를 이용하여 수신 신호를 생성하는 단계;
    상기 수신기에서 상기 수신 신호와 중첩 파일럿 신호의 상호 상관 관계를 도출하는 단계; 및
    상기 수신기에서 도출된 상호 상관 관계를 이용하여 채널 전달 특성을 추정하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 채널 전달 특성에 대한 추정은 상기 중첩 파일럿 신호를 순간 전력값으로 나누어 정규화한 정규화된 중첩 파일럿 신호와 상기 수신 신호 사이의 비슷한 정도를 나타내는 유사도를 측정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 신호와 중첩 파일럿 신호의 크기는 1-
    Figure 112014039719187-pat00039
    :
    Figure 112014039719187-pat00040
    (여기서,
    Figure 112014039719187-pat00041
    는 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호가 같은 크기를 갖는다고 할 때 0과 1 사이의 값으로써 데이터 신호에 곱해지는 크기를 나타낸다)의 크기 비율인 것을 특징으로 하는 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성을 이용한 수중 음향 통신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 신호는 수학식
    Figure 112014039719187-pat00042
    (여기서,
    Figure 112014039719187-pat00043
    는 데이터 신호를,
    Figure 112014039719187-pat00044
    는 중첩 파일럿(Superimposed Pilot) 신호를 나타내며,
    Figure 112014039719187-pat00045
    는 중첩 파일럿 신호와 데이터 신호가 같은 크기를 갖는다고 할 때 0과 1 사이의 값으로써 데이터 신호에 곱해지는 크기를 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수신 신호는 수학식
    Figure 112014039719187-pat00046

    여기서,
    Figure 112014039719187-pat00047
    는 채널 전달 특성,
    Figure 112014039719187-pat00048
    는 첨가잡음을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 통신 채널 전달 특성은 수학식
    Figure 112015041720914-pat00049
    (여기서, T는 심볼의 수이며,
    Figure 112015041720914-pat00050
    는
    Figure 112015041720914-pat00051
    의 공액 복소값(complex conjugate),
    Figure 112015041720914-pat00052
    는 순간 전력값을 나타낸다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중첩 파일럿 신호는 전송 시간 및 전송 주파수를 동일하게 하되 상기 데이터 신호와 상호 상관관계가 직교하는 것을 특징으로 하는 중첩 파일럿 기법 기반의 채널 전달 특성 추정을 이용한 수중 음향 통신 방법.

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