KR101827161B1 - 해양 플랜트 제어 감시용 다중 센서 수중 음향 통신 복호 장치 - Google Patents

해양 플랜트 제어 감시용 다중 센서 수중 음향 통신 복호 장치 Download PDF

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Abstract

복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 대역확산 방식 기반의 해양 플랜트 다중 센서 수중 통신 방법 및 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 시스템은, 복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여, 송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 복조부; 상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 RAKE 처리부; 및 상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 터보 등화기를 포함할 수 있다.

Description

해양 플랜트 제어 감시용 다중 센서 수중 음향 통신 복호 장치{DECODING UNIT UNDERWATER MULTI-SENSOR COMMUNICATION FOR OFFSHORE PLANT CONTROL}
아래의 설명은 해양 플랜트 수중 구조물의 감시 제어를 위한 수중 다중 센서 음향통신 기술에 관한 것이다.
최근 해양 자원 개발이 활발해지면서 해양에 대한 관심이 고조되고, 다양한 분야에서의 연구가 진행되고 있다. 해양에서의 수중 음향 통신은 해양 연구의 필수적인 기술로써 응용분야가 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 해양 플랜트 분야로 확대되어 해양 플랜트 건설을 위해 수상뿐만 아니라 수중에서도 많은 작업이 이루어지고 있다. 특히, 수중에서의 해양 플랜트의 사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 구조물의 안전성이 확보되지 못하면 대형 사고가 발생할 수 있으므로 해양 플랜트의 수중 구조물과 주변 해양 환경의 상태를 상시 감시하고, 재해를 미연에 방지하기 위해 적절한 실시간 수중 감시 시스템 구축이 필요하다.
수중에서 각 구조물의 상태를 다수의 수중 센서를 통해 buoy로 전송되는 수중 전송 시스템의 핵심기술인 수중 다중 센서 통신의 기술이 필요로 한다.
수중 통신용 통신 방법은 주로 수중 일대일 통신 위주의 모뎀이 개발되어 왔으나, 수중의 다중 경로로 인한 성능 보완을 위하여 RAKE 기반의 수신 기법이 적용될 수 있다. 도 1은 다중 센서 수중 음향 통신을 위한 수신부의 구조를 나타낸 것으로, 송신부에서 전송된 송신 신호는 다중 경로와 같은 수중 채널 특성에 의하여 왜곡되어 수신될 수 있다. 수신 신호는 다중 경로를 통과하고 잡음이 더해져 수신될 수 있다. 수신부는 수신 신호를 복원하기 위하여 복조 과정과 함께 복원을 원하는 사용자에 해당하는 사용자의 식별 부호를 곱할 수 있다. 사용자의 식별이 완료된 후, RAKE 과정을 수행한 후, 등화기를 통하여 수중 채널을 보상한 뒤, 경판정 기반의 비터비 복호기를 이용하여 신호를 복호할 수 있다. 하지만, 이와 같은 방식은 각 사용자의 간섭 및 복호부의 성능 한계로 인해 성능이 저하된다는 문제점이 발생한다.
이에 따라 도 2에서는 각 사용자의 간섭을 제거하고 다중 경로로 인한 성능 감소를 위해 SIC/RAKE 기반의 다중 사용자 수중 통신 구조를 나타낸 도면이다. SIC/RAKE 기반의 다중 사용자 수중 통신 방법은 복수의 사용자의 송신 신호가 중첩되어 수신될 경우, 복원을 원하는 사용자의 데이터만을 검출하기 위하여 사용되는 방법으로서, 복수의 사용자의 송신 신호가 합쳐진 수신 신호에서 원하지 않는 다른 사용자에 대한 데이터를 단계별로 각각 제거함으로써 다중 간섭을 제거할 수 있다. 하지만, SIC/RAKE 기반의 다중 사용자 수중 통신 방법은 채널 추정이 정확하지 않으면 오히려 성능 감쇠가 심하며, SIC 모듈에서의 사용자의 수가 증가하면 지수적으로 계산량이 증가하는 단점을 가지고 있다.
복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 대역확산 방식 기반의 해양 플랜트 다중 센서 수중 통신 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 시스템은, 복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여, 송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 복조부; 상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 RAKE 처리부; 및 상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 터보 등화기를 포함할 수 있다.
상기 복조부는, 상기 수신된 신호에 복원을 원하는 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 곱을 수행함으로써 상기 수신된 신호와 관련된 상기 해양플랜트 수중 구조물에 대한 데이터를 추출할 수 있다.
상기 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호는, 1 또는 -1로 구성되어 동일한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱할 경우, 1이 되어 상기 해양플랜트 수줄 구조물의 식별 부호의 성분이 제거될 수 있다.
상기 RAKE 처리부는, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터에 PN 부호를 곱하여 상관관계를 도출하고, 상기 상관관계에 대한 값을 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력값들을 이용하여 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 복호할 수 있다.
상기 RAKE 처리부는, 각각의 탭들의 출력 값에 설정된 임계값에 기초하여 상기 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하는 것을 포함하고, 상기 self-noise 값들은, 상기 최대 비 합성법에서 각각의 탭들을 출력한 값들 중 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계에 대한 값을 제외한 나머지 값들을 의미할 수 있다.
상기 터보 등화기는, 등화기 및 BCJR 복호기가 상기 인터리버 및 디인터리버를 통해 연결되어 서로의 정보를 반복하여 갱신하고, 상기 BCJR 복호기로부터 출력된 피드백 정보가 인터리빙 과정을 수행하여 정정됨으로써 상기 등화기로 입력할 수 있다.
상기 터보 등화기는, 상기 BCJR 복호기가 BM(Branch Matrix), FSM(Forward State Matrix), BSM(Backward State Matrix)를 획득하기 위하여 입력값에 따른 출력값과 함께 변화하는 상태를 나타내는 격자도를 이용하여 복호할 수 있다.
상기 송신부는, 상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 연판정 기반의 채널 부호화 기술인 컨볼류션(convolution convolution) 및 군집 오류를 산발 오류로 변환하는 인터리버를 수행하는 부호기(Encoder); 및 상기 인터리버를 수행한 데이터에 PN 부호를 곱하고, 각각의 해양플랜트 수중 구조물을 식별하기 위한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱한 뒤, 변조하는 변조기(Modulator)를 포함하고, 상기 수중 음향 통신 시스템은, 상기 변조기를 통하여 변조된 신호를 복수의 해양플랜트 수중 구조물들 각각으로부터 변조된 신호와 가산함으로써 생성된 송신 신호를 송신할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 방법은, 복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여, 송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 단계; 상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계; 및 상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복조 과정을 수행하는 단계는, 상기 수신된 신호에 복원을 원하는 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 곱을 수행함으로써 상기 수신된 신호와 관련된 상기 해양플랜트 수중 구조물에 대한 데이터를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계는, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터에 PN 부호를 곱하여 상관관계를 도출하고, 상기 상관관계에 대한 값을 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력값들을 이용하여 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 복호하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계는, 각각의 탭들의 출력 값에 설정된 임계값에 기초하여 상기 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 self-noise 값들은, 상기 최대 비 합성법에서 각각의 탭들을 출력한 값들 중 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계에 대한 값을 제외한 나머지 값들을 의미할 수 있다.
상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 단계는, 상기 인터리버 및 디인터리버를 통해 연결되된 등화기 및 BCJR 복호기가 서로의 정보를 반복하여 갱신하고, 상기 BCJR 복호기로부터 출력된 피드백 정보가 인터리빙 과정을 수행하여 정정됨으로써 상기 등화기로 입력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 수중 음향 통신 시스템은 다중 센서를 이용하여 수중 통신을 통하여 해수면 상태, 깊이, 온도 등에 의해 채널의 특성이 급격하게 변화하고, 음파를 이용한 통신을 통한 송/수신간에 다중 경로가 존재하는 환경에서 신뢰성 있는 통신을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 수중 음향 통신 시스템은 다양한 해양 플랜트 구조물에서의 정보 전송시 각 구조물의 정보들이 겹쳐져 수신되는 간섭 제거에 특히 효과적이며, 수신부 성능을 향상시켜 신뢰성 있는 정보 전송이 가능하다.
일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템은 해양 플랜트의 수중 구조물과 주변 해양 환경의 상태를 실시간으로 감시하고, 재해를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 수중 음향 통신 시스템의 수신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 수중 음향 통신 시스템에서 SIC/RAKE 수신 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 수중 음향 통신 시스템의 송신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수신부에서 RAKE 처리부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 성능을 비교한 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수중 음향 통신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 해양 플랜트 환경에서, 수중에서 구조물의 상태를 제어하기 위한 구조를 나타낸 것이다. 수중 음향 통신 시스템은 수중에서 각 구조물의 상태를 수중 센서를 통하여 buoy로 전송될 수 있다. 이때, 수중 음향 통신 시스템은 수중에서 음파 통신을 통하여 제어가 이루어질 수 있다. 수중 환경은 육상과는 달리 매우 복잡한 신호 전달 특성을 가지며, 이를 고려한 수중 통신 시스템의 설계를 아래의 설명에서 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 수중 음향 통신 시스템의 송신부를 설명하기 위한 도면이다.
각 구조물에서의 정보를 동시에 동일한 주파수 대역으로 전송하기에 적합한 방식이 대역 확산 방식이다. 대역 확산 기법의 기본 원리는 송수신단이 미리 알고 있는 PN(Pseudo Noise) 부호를 이용하여 주파수 및 시간적으로 변조시켜 전송하는 것이다. 예를 들면, 대역 확산 기법으로 직접 수열 대역 확산(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum) 방식, 주파수 도약 대역 확산(FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식 등이 있다.
직접 수열 대역 확산 방식은 전송하고자 하는 송신 신호에 직접 PN 부호를 곱해줌으로써 은밀성이 보장되는 방식이고, 주파수 도약 대역 확산 방식은 송신하고자 하는 데이터를 PN 부호별로 주파수를 복수 개로 분할하여 전송하는 방식이다.
본 발명은 다양한 대역 확산 통신 기법 중 직접 수열 대역 확산 방식을 적용한 해양플랜트 제어 감시용 수중 다중 센서 음향 통신 방법을 설명하기로 한다.
도 4를 참고하면, 직접 수열 대역 확산 방식 기반으로 각 구조물의 상태를 제어 및 통신을 위하여 전송되는 송신부의 구조를 나타낸 것이다. 예를 들면, 사용자(User) K의 의미는 K번째 해양플랜트 수중 구조물의 정보를 전송하는 센서를 의미할 수 있다. 송신부는 부호기(Encoder)&인터리버(Interleaver)(420), 변조기(Modulator)(450)를 포함할 수 있다.
K번째 사용자가 보내고자 하는 데이터(410)는 다중 채널 환경과 같은 수중 채널에서 우수한 성능을 보이는 연판정 기반의 채널 부호화 기술인 컨볼류션(convolution)(예를 들면, 2, 1, 7 convolution)과 군집 오류를 산발 오류로 바꾸기 위한 인터리버(420)를 거친다. 송신부의 부호기&인터리버(420)을 통하여 채널 부호화와 인터리버를 수행한 데이터는 직접 수열 대역 확산을 위하여 PN 부호인
Figure 112016103291524-pat00001
을 곱해준다(430). 그리고 각 사용자를 식별하기 위한 사용자 식별 부호인
Figure 112016103291524-pat00002
을 곱해준 뒤(440), 변조기(450)를 통하여 변조된 신호는 다른 사용자들의 송신 신호와 합쳐진 뒤 최종적으로 송신하게 된다(
Figure 112016103291524-pat00003
)(460).
K번째 사용자의 송신 신호를
Figure 112016103291524-pat00004
라고 할 때,
Figure 112016103291524-pat00005
는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 1:
Figure 112016103291524-pat00006
이때,
Figure 112016103291524-pat00007
는 K번째 사용자가 보내고자 하는 데이터를 나타내며, TC 와 T는 각각 대역 확산을 위한 PN(Pseudo Noise) 부호인
Figure 112016103291524-pat00008
과 사용자 식별을 위한 사용자 식별 부호인
Figure 112016103291524-pat00009
칩 간격을 의미한다.
송신부의 변조기(450)의 변조과정을 수행한 K번째 사용자들의 송신 신호
Figure 112016103291524-pat00010
는 다른 사용자들의 송신 신호와 겹쳐진 후 최종적으로 송신하게 된다. 이때, 최종직인 송신 신호
Figure 112016103291524-pat00011
는 수학식 2와 같이 다른 모든 사용자들의 데이터들의 합으로 나타낼 수 있다.
수학식 2:
Figure 112016103291524-pat00012
도 5는 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수신부를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수신부는 도 2에서 설명한 바와 같이, 채널 추정이 정확하지 않으면 성능이 열화되고, 사용자의 수가 증가함에 따라 지수적으로 계산량이 많아진다는 문제점을 해결하기 위하여 도 1과 동일한 RAKE 처리 과정을 수행한 수신 심볼들이 터보 등화기로 입력될 수 있다.
수신부는 복조부(510), RAKE 처리부(520) 및 터보 등화기(DFE Equalizer)(530)로 구성될 수 있다. 이때, 터보 등화기(530)는 디인터리버(Deinterleaver), 비터비 복호기(BCJR Decoder) 및 인터리버(Interleaver)를 포함할 수 있다.
복조부(510)는 송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 수신된 신호에 대한 사용자의 데이터를 식별하고, 사용자의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 신호
Figure 112016103291524-pat00013
(510)는 다중 경로를 통하게 되고, 잡음이 더해져 들어옴으로써 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3:
Figure 112016103291524-pat00014
이때, L은 다중 경로의 수를 나타내며,
Figure 112016103291524-pat00015
은
Figure 112016103291524-pat00016
번째의 다중 경로를 의미한다.
Figure 112016103291524-pat00017
은 K번째 사용자의
Figure 112016103291524-pat00018
번째의 다중 경로에 존재하는 채널 응답 계수를 나타내며,
Figure 112016103291524-pat00019
은 가우시안 잡음을 나타낸다.
수신부에서 복조부(510)는 수신된 수신 신호(
Figure 112016103291524-pat00020
)를 복원하기 위하여 복조 과정과 함께 복원을 원하는 사용자의 식별 부호를 곱할 수 있다. 이때, 사용자의 식별 부호는 '1' 또는 '-1'로 구성되어 있으며, 동일한 사용자의 식별 부호를 곱하였을 경우 '1'로써 사용자의 식별 부호의 성분은 제거될 수 있다. 또한, 사용자의 식별 부호는 높은 자기 상관관계 값을 도출할 수 있으므로 원하는 사용자의 데이터를 찾을 수 있다.
수신 신호
Figure 112016103291524-pat00021
에 복조를 위한
Figure 112016103291524-pat00022
과 사용자의 식별 부호인
Figure 112016103291524-pat00023
를 곱하게 되면, 고주파수 성분을 필터를 통하여 제거되며, 사용자의 식별 부호의 성분은 사라지게 됨에 따라 K번째 사용자의 데이터를 추출할 수 있다.
수신 신호
Figure 112016103291524-pat00024
(510)에서 K번째 사용자에 대한 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 4:
Figure 112016103291524-pat00025
이때,
Figure 112016103291524-pat00026
는 수신 신호에서 K번째 사용자에 대한 신호를 추출한 데이터를 의미하며,
Figure 112016103291524-pat00027
는 잡음을 나타낸다.
사용자의 식별 과정을 수행한 후, 복원을 원하는 데이터를 도 6과 같은 RAKE 처리 과정을 수행하게 된다.
RAKE 처리부(520)는 사용자의 데이터를 식별한 후, 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호할 수 있다.
RAKE 처리 과정은 다중 경로와 같은 수중 채널 환경에서 우수한 성능을 갖는다. 다중 경로에 따른 수중 채널 환경을 탭 지연 라인으로 표현을 할 경우, 최적의 채널 랩들을 선택하여 활용한다.
지연 시간으로 인한 수신 신호는 PN 부호의 칩 간격인 T C 만큼 탭을 이용한다. 각각의 탭에서 송신부에서 대역 확산을 위하여 사용한 PN 부호를 다시 곱하여 상관관계를 도출할 수 있다. 이때, 사용되는 연산은 PN 역 확산 과정도 포함된다.
PN 부호는 이상적으로 지연되지 않을 경우, 가장 큰 상관관계의 값을 갖게 되고, 이외의 경우에는 상관관계의 값이 매우 작아질 수 있다. 상관관계를 도출하고 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력 값들을 이용하여 최대 비 합성법(MRC: Maximum Ratio Combining)을 사용하여 합성 한 후, 신호를 복호할 수 있다.
RAKE 처리부(520)는 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 신호를 복원할 수 있다. 이때, 최대 비 합성법은 여러 가지(branch)로부터 입력된 신호를 최적을 성능을 획득하기 위하여 중첩할 수 있다.
RAKE 처리 방법은 합성 전에 동기를 취하는 방식으로 극심한 페이딩 신호인 상관관계의 값이 작은 값에 대해서는 기여도를 적게 하고, 시간 지연이 되지 않은 상관관계의 값은 기여도를 크게하여 합성 효과가 커지도록 할 수 있다.
최대 비 합성법에서 각각의 탭들의 출력 값은 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계를 제외한 나머지 값들은 의도치 않게 self-noise가 되고, self-noise가 된 값들은 RAKE 과정에서 악영향을 주게 되어 수신기의 성능 저하를 야기시키게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 RAKE 처리부(520)에 임계값을 적용함으로써 해결할 수 있다.
RAKE 처리부(520)는 각각의 탭의 출력 값에 임계값을 주어 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하여 신호들의 합에서 잡음들을 감소시키고, 이에 따라 성능 향상에 도움이 될 수 있다.
RAKE 처리 과정을 수행한 후, 수신 심볼들은 터보 등화기(630)로 입력될 수 있다.
터보 등화기(530)는 임계값에 기초하여 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신할 수 있다. 이때, 터보 등화기(530)는 등화기와 복호기를 반복하여 성능을 향상시킬 수 있다. 터보 등화기는 등화기 및 BCJR 복호기로 구성될 수 있다.
BCJR 복호기는 BM(Branch Matrix), FSM(Forward State Matrix), BSM(Backward State Matrix)를 구하기 위하여 입력값에 따른 출력값과 함께 변화하는 상태를 나타내는 격자도를 이용하여 복호할 수 있다. BCJR 복호기를 통하여 수신 비트 스트림 크기만큼의 LLR 값이 출력된다. BCJR의 복호기의 복호 방식은 터보 부호의 복호 방식과 동일하며, 각 상태에서 '0'의 확률과 '1'의 확률을 계산하여 FSM, BSM을 계산하여 최종적으로 LLR 값을 계산할 수 있다.
LLR 값을 계산하는 방법은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 5:
Figure 112016103291524-pat00028
등화기와 BCJR 복호기는 인터리버와 디인터리버를 통해 연결하여 서로의 정보를 반복하여 갱신할 수 있다. BCJR 복호기에서 출력한 피드백 정보는 다시 인터리빙 과정을 수행하여 정정된 신호를 등화기에 재입력할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 성능을 비교한 그래프이다.
기존의 Viterbi 복호 방식을 적용한 수신 구조, SIC/RAKE 수신 구조와 터보 등화 기반의 RAKE 수신 구조에 대하여 사용자의 수가 복수 개(예를 들면, 3일 때)의 각 사용자의 평균 성능 비교를 나타낸 그래프이다. Viterbi 복호 방식은 모든 데이터를 복호하지 못하며 SIC/RAKE 수신 구조는 12 dB에서 모든 데이터를 복호할 수 있다. 마지막으로 본 발명에서 제안한 터보 등화 기반의 RAKE 수신 구조는 7.5 dB에서 모든 데이터를 복호할 수 있음을 판단할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 수중 음향 통신 시스템의 수중 음향 통신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
수중 음향 통신 방법은 수중 음향 통신 시스템에 의하여 수행될 수 있다. 수중 음향 통신 방법은 복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신할 수 있다.
단계(810)에서 수중 음향 통신 시스템은 송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행할 수 있다. 이때, 수중 음향 통신 시스템에서 송신부는, 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 연판정 기반의 채널 부호화 기술인 컨볼류션(convolution convolution) 및 군집 오류를 산발 오류로 변환하는 인터리버를 수행하는 부호기(Encoder)와 인터리버를 수행한 데이터에 PN 부호를 곱하고, 각각의 해양플랜트 수중 구조물을 식별하기 위한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱한 뒤, 변조하는 변조기(Modulator)를 포함할 수 있으며, 변조기를 통하여 변조된 신호를 복수의 해양플랜트 수중 구조물들 각각으로부터 변조된 신호와 가산함으로써 생성된 송신 신호를 송신할 수 있다.
수중 음향 통신 시스템은 수신된 신호에 복원을 원하는 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 곱을 수행함으로써 수신된 신호와 관련된 해양플랜트 수중 구조물에 대한 데이터를 추출할 수 있다. 이때, 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호는, 1 또는 -1로 구성되어 동일한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱할 경우, 1이 되어 해양플랜트 수줄 구조물의 식별 부호의 성분이 제거될 수 있다.
단계(820)에서 수중 음향 통신 시스템은 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호할 수 있다. 수중 음향 통신 시스템은 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터에 PN 부호를 곱하여 상관관계를 도출하고, 상관관계에 대한 값을 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력값들을 이용하여 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 복호할 수 있다. 수중 음향 통신 시스템은 각각의 탭들의 출력 값에 설정된 임계값에 기초하여 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 이때, self-noise 값들은, 최대 비 합성법에서 각각의 탭들을 출력한 값들 중 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계에 대한 값을 제외한 나머지 값들을 의미할 수 있다.
단계(830)에서 수중 음향 통신 시스템은 임계값에 기초하여 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신할 수 있다. 수중 음향 통신 시스템은 등화기 및 BCJR 복호기가 상기 인터리버 및 디인터리버를 통해 연결되어 서로의 정보를 반복하여 갱신하고, BCJR 복호기로부터 출력된 피드백 정보가 인터리빙 과정을 수행하여 정정됨으로써 등화기로 입력할 수 있다. 이때, BCJR 복호기는 BM(Branch Matrix), FSM(Forward State Matrix), BSM(Backward State Matrix)를 획득하기 위하여 입력값에 따른 출력값과 함께 변화하는 상태를 나타내는 격자도를 이용하여 복호할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 시스템에 있어서,
    복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여,
    송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 복조부;
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 RAKE 처리부; 및
    상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 터보 등화기
    를 포함하고,
    상기 RAKE 처리부는,
    상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터에 PN 부호를 곱하여 상관관계를 도출하고, 상기 상관관계에 대한 값을 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력값들을 이용하여 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 복호하고, 각각의 탭들의 출력 값에 설정된 임계값에 기초하여 상기 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하는 것을 포함하고,
    상기 self-noise 값들은,
    상기 최대 비 합성법에서 각각의 탭들을 출력한 값들 중 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계에 대한 값을 제외한 나머지 값들을 의미하는
    수중 음향 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복조부는,
    상기 수신된 신호에 복원을 원하는 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 곱을 수행함으로써 상기 수신된 신호와 관련된 상기 해양플랜트 수중 구조물에 대한 데이터를 추출하는
    것을 특징으로 하는 수중 음향 통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호는,
    1 또는 -1로 구성되어 동일한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱할 경우, 1이 되어 상기 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 성분이 제거되는
    것을 특징으로 하는 수중 음향 통신 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 시스템에 있어서,
    복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여,
    송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 복조부;
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 RAKE 처리부; 및
    상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 터보 등화기
    를 포함하고,
    상기 터보 등화기는,
    등화기 및 BCJR 복호기가 상기 인터리버 및 디인터리버를 통해 연결되어 서로의 정보를 반복하여 갱신하고, 상기 BCJR 복호기로부터 출력된 피드백 정보가 인터리빙 과정을 수행하여 정정됨으로써 상기 등화기로 입력하는
    것을 특징으로 하는 수중 음향 통신 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터보 등화기는,
    상기 BCJR 복호기가 BM(Branch Matrix), FSM(Forward State Matrix), BSM(Backward State Matrix)를 획득하기 위하여 입력값에 따른 출력값과 함께 변화하는 상태를 나타내는 격자도를 이용하여 복호하는
    것을 특징으로 하는 수중 음향 통신 시스템.
  8. 제1항 또는 제6항 중 한 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 연판정 기반의 채널 부호화 기술인 컨볼류션(convolution convolution) 및 군집 오류를 산발 오류로 변환하는 인터리버를 수행하는 부호기(Encoder); 및
    상기 인터리버를 수행한 데이터에 PN 부호를 곱하고, 각각의 해양플랜트 수중 구조물을 식별하기 위한 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호를 곱한 뒤, 변조하는 변조기(Modulator)
    를 포함하고,
    상기 수중 음향 통신 시스템은,
    상기 변조기를 통하여 변조된 신호를 복수의 해양플랜트 수중 구조물들 각각으로부터 변조된 신호와 가산함으로써 생성된 송신 신호를 송신하는
    것을 특징으로 하는 수중 음향 통신 시스템.
  9. 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 방법에 있어서,
    복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여,
    송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 단계;
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계; 및
    상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계는,
    상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터에 PN 부호를 곱하여 상관관계를 도출하고, 상기 상관관계에 대한 값을 적분을 통하여 복조를 수행한 후, 각각의 탭들의 출력값들을 이용하여 최대 비 합성법을 사용하여 합성한 뒤 복호하는 단계; 및
    각각의 탭들의 출력 값에 설정된 임계값에 기초하여 상기 임계값 미만인 self-noise 값들을 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 self-noise 값들은,
    상기 최대 비 합성법에서 각각의 탭들을 출력한 값들 중 시간 지연이 되지 않은 가장 큰 상관관계에 대한 값을 제외한 나머지 값들을 의미하는
    수중 음향 통신 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복조 과정을 수행하는 단계는,
    상기 수신된 신호에 복원을 원하는 해양플랜트 수중 구조물의 식별 부호의 곱을 수행함으로써 상기 수신된 신호와 관련된 상기 해양플랜트 수중 구조물에 대한 데이터를 추출하는 단계
    를 포함하는 수중 음향 통신 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 해양플랜트 수중 구조물을 감시하기 위한 수중 음향 통신 방법에 있어서,
    복수의 수중 센서를 이용한 동일한 주파수 대역에서 사용하기 위한 서로 다른 직교 성분을 가지는 부호를 곱하는 방식의 직접 수열 대역 확산 통신 방식을 기반으로 각각의 해양플랜트 수중 구조물의 상태를 제어 및 통신하기 위하여,
    송신부로부터 송신되는 송신 신호를 수신함에 따라 상기 수신된 신호에 대한 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별하고, 상기 식별된 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 복원하기 위한 복조 과정을 수행하는 단계;
    상기 해양플랜트 수중 구조물의 데이터를 식별한 후, 상기 수신된 신호를 최대 비 합성법을 사용하여 합성하고, 상기 합성된 신호를 임계값에 기초하여 복호하는 단계; 및
    상기 임계값에 기초하여 상기 합성된 신호를 복호화함에 따른 신호들이 입력되고, 상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 입력된 신호들을 인터리버 및 디인터리버를 통해 반복적으로 갱신하는 단계는,
    상기 인터리버 및 디인터리버를 통해 연결되된 등화기 및 BCJR 복호기가 서로의 정보를 반복하여 갱신하고, 상기 BCJR 복호기로부터 출력된 피드백 정보가 인터리빙 과정을 수행하여 정정됨으로써 상기 등화기로 입력하는 단계
    를 포함하는 수중 음향 통신 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002043981A (ja) * 2000-07-25 2002-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 通信装置及び通信方法
JP2010529766A (ja) * 2007-06-08 2010-08-26 テレフオンアクチーボラゲット エル エム エリクソン（パブル） レートマッチングによる計算効率の高い畳み込み符号化

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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