KR102043830B1 - Underwater laser communication apparatus and the communication method using thereof - Google Patents

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KR102043830B1
KR102043830B1 KR1020190022998A KR20190022998A KR102043830B1 KR 102043830 B1 KR102043830 B1 KR 102043830B1 KR 1020190022998 A KR1020190022998 A KR 1020190022998A KR 20190022998 A KR20190022998 A KR 20190022998A KR 102043830 B1 KR102043830 B1 KR 102043830B1
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pulse
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underwater
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KR1020190022998A
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김기만
김세림
이동훈
강태웅
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국방과학연구소
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is an underwater laser communication method, which is an underwater laser communication method using binary data including the most significant bit and a lower significant bit. The underwater laser communication method comprises the following steps: receiving a laser signal including a pulse from an external communication device; acquiring the lower significant bit based on position information of a pulse in a symbol which is a time section of the laser signal; and acquiring the most significant bit based on an inclination code of the pulse in the symbol.

Description

수중 레이저 통신 장치 및 이를 이용한 통신 방법{UNDERWATER LASER COMMUNICATION APPARATUS AND THE COMMUNICATION METHOD USING THEREOF}Underwater laser communication device and communication method using same {UNDERWATER LASER COMMUNICATION APPARATUS AND THE COMMUNICATION METHOD USING THEREOF}

본 출원에 의해 개시되는 발명은 수중 레이저 통신 장치 및 이를 이용한 수중 레이저 통신 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 펄스의 기울기 및 위치 정보를 이용한 수중 레이저 통신 장치 및 이를 이용한 수중 레이저 통신 방법에 관한 것이다.The present invention disclosed by the present application relates to an underwater laser communication apparatus and an underwater laser communication method using the same, and more particularly, to an underwater laser communication apparatus using the slope and position information of the pulse and an underwater laser communication method using the same.

수중 무선 통신 네트워크는 대기 중에 비하여, 진폭의 감쇄가 상대적으로 작기 때문에 음향 통신이 개발되어 상용되고 있다. 그러나 수중 음향 채널은 그 대역폭이 제한되어 데이터 집약적인 애플리케이션에 적합하지 않다. 또한, 수중 음향의 느린 전파는 또한 수중 통신 링크에서 상당한 지연을 가져온다. Underwater wireless communication networks have been developed and are commercially available because acoustic attenuation is relatively small compared to the air. Underwater acoustic channels, however, have limited bandwidth and are not suitable for data-intensive applications. In addition, slow propagation of underwater sound also introduces significant delay in the underwater communication link.

따라서, 수중 음향 통신의 단점을 극복하기 위해 가장 주목받는 연구 분야 인 새로운 접근법은 수중 무선 광통신이다. 최근, 저렴한 LED(Light Emitting Diode)뿐만 아니라, LD(Laser Diode)를 이용한 수중 무선 광통신이 연구되고 있다. 특히 LD는 데이터 전송률 측면에서 LED 성능을 능가할 수 있다. LD를 이용하면 장거리 전송이 어렵더라도, 강한 지향성의 레이저 특성을 이용하는, 점 및 대 점 방식(Point to point method)을 사용하여 다중 경로 전파와 관련된 심볼과 도청과 관련된 보안 문제 사이의 문제를 해결할 수 있다. Thus, a new approach, which is the area of research that is most noticed to overcome the shortcomings of underwater acoustics, is underwater wireless optical communication. Recently, underwater wireless optical communication using LD (Laser Diode) as well as inexpensive LED (Light Emitting Diode) has been studied. In particular, LDs can outperform LED performance in terms of data rate. Even though long-range transmission is difficult with LD, the point-to-point method, which takes advantage of the strong directivity of the laser, can be used to solve the problem between symbol and eavesdropping security related to multipath propagation. have.

수중 무선 레이저 통신 방식으로서, 구현이 쉽고, 저렴한 비용의 장점을 가진 IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection) 방식이 널리 적용되었다. 이러한 IM/DD 방식에는 온-오프 키잉 방식(On-Off Keying: OOK)과 펄스 위치 변조 방식(Pulse Position Modulation: PPM) 등이 대표적이다. As an underwater wireless laser communication method, an IM / DD (Intensity Modulation / Direct Detection) method, which is easy to implement and has an advantage of low cost, has been widely applied. The IM / DD method is representative of On-Off Keying (OOK) and Pulse Position Modulation (PPM).

온-오프 키잉 방식은 구현이 쉽지만 잡음에 약하며, “0”과 “1”의 심볼 구분을 위해 적절한 문턱치(threshold)를 설정해야 하고, 탁도(turbidity)에 따라 달라진다는 단점을 가지고 있다. 이는 탁도가 높은 연안 해역에서는 다중 산란 효과로 인해 오류를 증가시키는 원인이 된다. 펄스 위치 변조 방식은 하나의 심볼 구간을 여러 개의 구간으로 나누고 펄스의 위치에 정보를 싣는 방식으로써 온-오프 키잉 방식보다 전력 효율이 좋고 문턱치가 필요하지 않지만 고속 전송인 경우 펄스 길이가 짧아져 펄스 위치 판별 성능이 감소하는 문제가 있다.The on-off keying method is easy to implement but weak in noise, and has a disadvantage of having to set an appropriate threshold for distinguishing symbols between “0” and “1” and depending on turbidity. This causes increased errors due to multiple scattering effects in coastal waters with high turbidity. The pulse position modulation method divides one symbol section into several sections and loads information on the position of the pulse, which is more power efficient than the on-off keying method and does not require a threshold. There is a problem that the discrimination performance is reduced.

일 실시예에 따른 과제는, 심볼 내 펄스의 위치 정보에 더하여, 펄스의 기울기 정보를 이용하여, 레이저 신호에 비트 정보를 담아 송신하는 수중 레이저 통신 장치 및 이를 이용한 통신 방법을 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide an underwater laser communication device and a communication method using the same, in addition to the position information of the pulse in the symbol, and transmits the bit information in the laser signal by using the gradient information of the pulse.

다른 일 실시예에 따른 과제는, 펄스의 기울기 정보 및 펄스의 위치 정보에 기초하여, 수신한 레이저 신호에 담긴 비트 정보를 획득하는 수중 레이저 통신 장치 및 이를 이용한 통신 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an underwater laser communication device for obtaining bit information contained in a received laser signal and a communication method using the same, based on the slope information of the pulse and the position information of the pulse.

해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved is not limited to the above-described problem, and the problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the present specification and the accompanying drawings.

일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법은, 최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 방법으로서, 외부 통신 기기로부터 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하는 단계, 레이저 신호의 시간 구간인 심볼 내 펄스의 위치 정보에 기초하여 하위 비트를 획득하는 단계, 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 기초하여 최상위 비트를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.The underwater laser communication method according to an embodiment of the present invention is a method of underwater laser communication using binary data including a most significant bit and a lower bit, the method comprising: receiving a laser signal including a pulse from an external communication device; The method may include obtaining a lower bit based on position information of a pulse in a symbol, and obtaining a most significant bit based on a slope code of a pulse in the symbol.

또, 최상위 비트는 심볼을 구성하는 복수의 샘플링 시점들에서 샘플링된 펄스 신호값의 누적값에 기초하여 획득될 수 있다.In addition, the most significant bit may be obtained based on a cumulative value of a pulse signal value sampled at a plurality of sampling time points constituting a symbol.

또, 심볼은, 펄스의 위치 정보에 따라 결정되는, 펄스가 포함된 제1 구간을 포함하며, 복수의 샘플링 시점들은, 제1 구간에 위치할 수 있다.In addition, the symbol may include a first section including a pulse, which is determined according to the position information of the pulse, and the plurality of sampling time points may be located in the first section.

또, 최상위 비트는, 제1 수학식 The most significant bit is the first equation

Figure 112019020509101-pat00001
Figure 112019020509101-pat00001

에 따라 결정되고, MSB는 최상위 비트, N은 펄스 신호값에 대한 샘플링 수, r(tn)는 펄스 신호값일 수 있다.In this case, the MSB may be the most significant bit, N may be a sampling number for the pulse signal value, and r (t n ) may be a pulse signal value.

또, 하위 비트는, 심볼을 구성하는 복수의 칩(chip) 시점들에서 샘플링된 레이저 신호값의 누적값이 최대가 되는 칩 시점에 기초하여 획득될 수 있다.Further, the lower bit may be obtained based on a chip time point at which the cumulative value of the laser signal values sampled at the plurality of chip time points constituting the symbol becomes maximum.

다른 일 실시예에 따르면, 최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 방법으로서, 심볼은 레이저 신호의 시간 구간이고, 최상위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 따라 펄스를 생성하는 단계; 하위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 위치 정보에 따라 펄스의 위치를 변조하는 단계; 및 펄스를 포함하는 레이저 신호를 외부 통신 기기로 송신하는 단계를 포함할 수 있다.According to another embodiment, an underwater laser communication method using binary data including a most significant bit and a least significant bit, wherein a symbol is a time interval of a laser signal and pulses according to a slope sign of a pulse in a symbol determined based on the most significant bit. Generating a; Modulating the position of the pulse in accordance with the position information of the pulse in the symbol determined based on the lower bit; And transmitting the laser signal including the pulse to an external communication device.

또, 수중 레이저 통신 방법은, 제2 수학식In addition, the underwater laser communication method, the second equation

Figure 112019020509101-pat00002
에 따라 레이저 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, t는 시간, TS는 심볼의 길이, L은 심볼을 구성하는 칩 시점의 개수, m은 1부터 L까지의 정수일 수 있다.
Figure 112019020509101-pat00002
The method may further include generating a laser signal, wherein t may be a time, T S may be a length of a symbol, L may be a number of chip views constituting the symbol, and m may be an integer from 1 to L.

또 다른 일 실시예에 따르면, 수중 레이저 통신 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체가 제공될 수 있다.According to yet another embodiment, a computer-readable recording medium for storing a computer program for performing the underwater laser communication method may be provided.

또 다른 일 실시예에 따르면, 수중 레이저 통신 장치는 최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 장치으로서, 외부 통신 기기로부터 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하는 레이저 통신부 및 레이저 신호의 시간 구간인 심볼 내 펄스의 위치 정보에 기초하여 하위 비트를 획득하고, 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 기초하여 최상위 비트를 획득하는 제어부를 포함할 수 있다.According to another embodiment, an underwater laser communication device is an underwater laser communication device using binary data including a most significant bit and a lower bit, the laser communication unit and a laser signal for receiving a laser signal including a pulse from an external communication device The controller may include a control unit that obtains a lower bit based on position information of a pulse in a symbol that is a time interval and obtains a most significant bit based on a slope code of a pulse in a symbol.

또 다른 일 실시예에 따르면, 최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 장치로서, 최상위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 따라 펄스를 생성하는 펄스 생성부, 하위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 위치 정보에 따라 펄스의 위치를 변조하는 펄스 위치 변조부 및 펄스를 포함하는 레이저 신호를 외부 통신 기기로 송신하는 레이저 통신부를 포함할 수 있다.According to another embodiment, an underwater laser communication apparatus using binary data including a most significant bit and a lower bit, comprising: a pulse generator for generating a pulse according to a slope code of a pulse in a symbol determined based on the most significant bit And a pulse position modulator for modulating the position of the pulse according to the position information of the pulse in the symbol determined based on the bit, and a laser communicator transmitting the laser signal including the pulse to an external communication device.

일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법은, 수중 채널에서 높은 전송율을 갖는 무선 레이저 통신을 위해 기울기를 갖는 펄스와 위치 변조된 신호를 사용함으로써 기울기의 종류에 따라 하나의 비트 정보를 더 전송할 수 있어 펄스의 길이가 같은 경우 기존의 방법에 비해 전송율이 높아지고, 전력 효율이 향상된다. The underwater laser communication method according to an embodiment may transmit one bit information according to the type of slope by using a pulse having a slope and a position modulated signal for wireless laser communication having a high transmission rate in an underwater channel. If the lengths are the same, the transmission rate is higher than that of the conventional method and the power efficiency is improved.

다른 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법은, 수신단에서 심볼 내에서 샘플링된 다수의 신호값 및 신호값의 누적값에 기초하여 심볼 내 비트들을 획득함으로써, 계산량이 작고 구조가 간단하다.The underwater laser communication method according to another embodiment obtains bits in a symbol based on a plurality of signal values sampled in a symbol and a cumulative value of the signal values at a receiving end, so that the calculation amount is small and the structure is simple.

효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.Effects are not limited to the above-described effects, and effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the present specification and the accompanying drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 시스템의 구성에 관한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치가 펄스를 포함하는 레이저 신호를 생성하는 방법에 관한 도면이다.
도 4는 도 3의 수중 레이저 통신 장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 5는 종래 펄스 위치 변조 방식에 따른 신호에 관한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따라 SL-PPM을 이용한 수중 레이저 통신 방법의 신호에 관한 도면이다.
도 7은 다른 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치가 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하여, 비트를 획득하는 방법에 관한 순서도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법에서, 심볼 내 복수의 샘플링 시점들에서 샘플링된 펄스 신호값의 누적값에 기초하여 최상위 비트를 획득하는 것에 관한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법을 이용한 수조 실험 장치에 관한 도면이다.
도 12는 수조 실험 장치를 통하여 측정한 수중 레이저 통신 방법과, 종래의 OOK 방법 간 비트 오류율을 비교한 도면이다.
1 is a view of the configuration of the underwater laser communication system according to an embodiment.
2 is a block diagram of an underwater laser communication apparatus according to an embodiment.
3 is a diagram of a method of generating a laser signal including a pulse by an underwater laser communication apparatus according to one embodiment.
4 is a flowchart illustrating an operating method of the underwater laser communication device of FIG. 3.
5 is a diagram of a signal according to a conventional pulse position modulation scheme.
FIG. 6 is a diagram of a signal of an underwater laser communication method using SL-PPM, according to an exemplary embodiment.
7 is a flowchart of a method of acquiring a bit by receiving a laser signal including a pulse by an underwater laser communication apparatus according to another exemplary embodiment.
8 is a diagram illustrating acquiring a most significant bit based on an accumulated value of a pulse signal value sampled at a plurality of sampling time points in a symbol in the underwater laser communication method according to an exemplary embodiment.
9 to 11 are views illustrating a water tank experimental apparatus using the underwater laser communication method according to an embodiment.
12 is a diagram comparing bit error rates between the underwater laser communication method measured by the tank experimental apparatus and the conventional OOK method.

도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.With reference to the drawings will be described in detail a specific embodiment of the present invention. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may deteriorate other inventions or the present invention by adding, modifying, or deleting other elements within the scope of the same idea. Other embodiments that fall within the scope of the inventive concept may be readily proposed, but they will also be included within the scope of the inventive concept.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.In addition, the components with the same functions within the scope of the same idea shown in the drawings of each embodiment will be described using the same reference numerals.

실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terminology used in the embodiments was selected as widely used as possible terms in consideration of functions in the present invention, but may vary according to the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present invention, rather than the names of the simple terms.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "?부", "?모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When any part of the specification is to "include" any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. In addition, the terms "?", "?" Module, etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 시스템의 구성에 관한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치의 블록 구성도이다.1 is a diagram illustrating a configuration of an underwater laser communication system according to an embodiment, and FIG. 2 is a block diagram of an underwater laser communication apparatus according to an embodiment.

제1 수중 레이저 통신 장치(100) 및 제2 수중 레이저 통신 장치(200)는 수중에서 통신망을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 제1 수중 레이저 통신 장치(100) 및 제2 수중 레이저 통신 장치(200)는 펄스의 기울기 정보 및 펄스의 위치 정보를 이용하여 비트 정보를 맵핑함으로써 통신할 수 있다.The first underwater laser communication device 100 and the second underwater laser communication device 200 may transmit and receive data through a communication network underwater. The first underwater laser communication device 100 and the second underwater laser communication device 200 may communicate by mapping bit information using the gradient information of the pulse and the position information of the pulse.

수중 레이저 통신 장치(100)는, 레이저 통신부(120) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. The underwater laser communication device 100 may include a laser communication unit 120 and a control unit 140.

레이저 통신부(120)는 레이저 다이오드(LD)를 이용한 광학계로서, 제어부(140)에서 생성한 레이저 신호를 송신할 수 있고, 또는 외부 통신 기기로부터 레이저 신호를 수신하여 전기적 신호로 변환한 후 제어부(140)에게 전달할 수 있다.The laser communication unit 120 is an optical system using a laser diode LD, and may transmit a laser signal generated by the controller 140, or may receive a laser signal from an external communication device and convert the laser signal into an electrical signal, and then control the controller 140. ) Can be delivered.

레이저 다이오드는 다양한 파장 및 색깔의 레이저를 사용할 수 있다. 예를 들면, 레이저 다이오드는 청록색 레이저를 생성 및 수신할 수 있다. 짧은 거리에서 청록색 레이저는 바다에서 최소 에너지 페이딩(Energy fading) 특성을 보이며, 그 페이딩 레이트(Fading rate)는 약 0.155 ~ 0.5 dB / m이다. 따라서 전자기 스펙트럼의 청록색 부분에서 해수의 낮은 흡수 창을 이용하는 수중 무선 레이저 통신은 단거리에서 안전하고 효율적이며 높은 데이터 전송률의 통신을 제공할 수 있다. 물론, 레이저 다이오드가 사용하는 레이저가 청록색에 한정되는 것은 아니고, 수중 환경에 맞는 다양한 파장의 레이저가 사용될 수 있다.Laser diodes can use lasers of various wavelengths and colors. For example, laser diodes can generate and receive cyan lasers. At short distances, the blue-green laser exhibits minimal energy fading at sea, with a fading rate of about 0.155 to 0.5 dB / m. Thus, underwater wireless laser communications using low absorption windows of sea water in the turquoise portion of the electromagnetic spectrum can provide secure, efficient and high data rate communications over short distances. Of course, the laser used by the laser diode is not limited to cyan, and lasers of various wavelengths suitable for the underwater environment may be used.

제어부(140)는 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부를 포함할 수 있다. 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부는 컴퓨터 프로그램 상에서 수중 레이저 통신 방법이 단계적으로 수행되기 위해 기능적으로 분류된 논리적, 관념적 단위체를 의미하는 것이며, 반드시 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부가 각각 물리적으로 구별되는 구성일 필요는 없다. 예를 들어, 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부는 동일한 프로세서를 통해 실행되거나, 또는 별도의 프로세서를 통해서 실행될 수도 있다.The controller 140 may include a pulse generator 142 and a pulse position modulator 144. The pulse generator 142 and the pulse position modulator 144 are logical and conceptual units classified functionally to perform the underwater laser communication method step by step on a computer program, and the pulse generator 142 and the pulse are necessarily. The position modulators 144 need not be physically distinct from each other. For example, the pulse generator 142 and the pulse position modulator 144 may be executed through the same processor or may be executed through separate processors.

명세서 전반에서 제어부(140)에 대하여 설명한 사항들은, 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부 중 어느 하나의 구성에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 제어부(140)가 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부만으로 한정되는 것은 아니고, 그 외 다른 구성들을 더 포함할 수 있으며, 제어부(140)에 대해 설명한 사항들은 그 외 다른 구성들에 의해 수행될 수 있다. 또한, 제어부(140)는 펄스 생성부(142) 및 펄스 위치 변조부(144)부 중 일부만을 포함할 수도 있다. The matters described with respect to the controller 140 throughout the specification may be performed by any one of the configuration of the pulse generator 142 and the pulse position modulator 144. However, the controller 140 is not limited to the pulse generator 142 and the pulse position modulator 144, but may further include other components. It may be performed by other configurations. In addition, the controller 140 may include only a part of the pulse generator 142 and the pulse position modulator 144.

펄스 생성부(142)는 원하는 파형의 전압 또는 전류 펄스를 발생하는 장치 또는 회로일 수 있다. 펄스 생성부(142)는 입력받은 최상위 비트 및 그 외 하위 비트들을 포함하는 디지털 입력 신호에 따라 디지털 입력 신호의 비트들을 반영한 펄스를 생성할 수 있다. 펄스 생성부(142)는 예를 들면, 마이크로파 반송파를 변조하는 마이크로파 펄서, 콘덴서 등에 충전한 에너지를 가포화 리액터 또는 전자관을 통해서 방전하는 구성, 또는 펄스 형성 선로를 전원에서 공진 충전한 후 방전관 스위치, 펄스 변압기를 거쳐 출력하는 구성 등을 포함할 수 있으며, 상술한 예에 한정되지 않는다.The pulse generator 142 may be a device or a circuit that generates a voltage or current pulse of a desired waveform. The pulse generator 142 may generate a pulse reflecting the bits of the digital input signal according to the digital input signal including the input most significant bit and other lower bits. The pulse generator 142 may be configured to discharge, for example, energy charged in a microwave pulser, a capacitor, or the like to modulate a microwave carrier through a saturable reactor or an electron tube, or after resonantly charging a pulse forming line from a power source, a discharge tube switch, It may include a configuration for outputting through a pulse transformer, and the like, but is not limited to the above-described example.

펄스 생성부(142)에서 발생된 펄스를 포함하는 파형은 레이저 통신부(120)로 전달되어, 펄스에 따른 레이저가 생성될 수 있다.The waveform including the pulse generated by the pulse generator 142 may be transferred to the laser communicator 120 to generate a laser according to the pulse.

펄스 위치 변조부(144)부는 생성된 펄스에 대해서, 펄스의 시간 축 상 위치를 디지털 입력 신호에 따라 변조(modulate)할 수 있다. 펄스 위치 변조부(144)는 일정한 진폭의 짧은 펄스를 이용해서 그 반복 주파수를 보내야 할 통신 내용에 포함되어 있는 가장 높은 주파수의 적어도 몇 배를 택하여 신호 진폭의 변화에 따라서 펄스 발생 위치를 바꾸어 변조하는 방식으로서, 펄스 시 변조(pulse time modulation)의 일종이다.The pulse position modulator 144 may modulate a position on the time axis of the pulse according to the digital input signal with respect to the generated pulse. The pulse position modulator 144 selects at least several times the highest frequency included in the communication content to which the repetitive frequency is transmitted by using a short pulse of a constant amplitude, and modulates the pulse generation position according to the change in the signal amplitude. This is a type of pulse time modulation.

제어부(140)는, 레이저 통신부(120)를 통해 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하면, 레이저 신호에 해당하는 전자 신호를 판독하여, 펄스로부터 최상위 비트 및 그 외 하위 비트들을 획득, 판정 또는 판별할 수 있다.When the control unit 140 receives a laser signal including a pulse through the laser communication unit 120, the control unit 140 may read an electronic signal corresponding to the laser signal to acquire, determine, or determine the most significant bit and other lower bits from the pulse. Can be.

제어부(140)는, 이를 위해 수신한 펄스를 포함하는 레이저 신호에 해당하는 전자 신호를 심볼 구간에 따라 분할하고, 각 심볼 구간 내 펄스의 위치를 파악하여 펄스 위치 정보를 획득하고, 각 심볼 구간 내 펄스의 기울기를 판단하여 펄스 기울기 부호 등의 정보를 획득할 수 있다. 제어부(140)는 이로써 반송파에 포함된 비트 및 정보들을 획득할 수 있다. 제어부(140)는 이를 위해 관련된 연산을 수행할 수 있고, 이에 대해서는 더 자세히 후술한다. The controller 140 divides the electronic signal corresponding to the laser signal including the received pulse according to the symbol section, obtains the pulse position information by identifying the position of the pulse in each symbol section, and in each symbol section. The slope of the pulse may be determined to obtain information such as a pulse slope code. The controller 140 may thereby obtain bits and information included in the carrier. The controller 140 may perform a related operation for this purpose, which will be described later in more detail.

도 3은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치가 펄스를 포함하는 레이저 신호를 생성하는 방법에 관한 도면이고, 도 4는 도 3의 수중 레이저 통신 장치(100)의 동작 방법에 관한 순서도이다.3 is a diagram illustrating a method of generating a laser signal including a pulse by an underwater laser communication apparatus according to an exemplary embodiment, and FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of operating the underwater laser communication apparatus 100 of FIG. 3.

수중 레이저 통신 장치(100)는 최상위 비트에 기초하여 심볼 내 펄스의 기울기 부호 결정 및 펄스 생성할 수 있다(S1100).The underwater laser communication apparatus 100 may determine the gradient code of the pulse in the symbol and generate the pulse based on the most significant bit (S1100).

심볼은 디지털 통신을 위해 처리되는 하나의 조작 단위로써, 심볼마다 변조, 코딩, 전송, 검출 등의 조작이 수행될 수 있다. 예를 들면 심볼은 디지털 입력 신호 또는 펄스를 포함하는 레이저 신호를 구성하는 시간 구간일 수 있다.A symbol is one operation unit processed for digital communication, and operations such as modulation, coding, transmission, and detection may be performed for each symbol. For example, the symbol may be a time interval constituting a laser signal including a digital input signal or a pulse.

수중 레이저 통신 장치(100)는 먼저 하나의 심볼을 구성하는 M개의 비트들 가운데 최상위 비트(Most Significant Bit: MSB)인 a0값에 따라 기울기의 부호를 결정할 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 심볼이 2개의 비트로 구성되어 있고, 하나의 심볼 길이에 해당하는 시간을 Ts, 진폭을 A라고 할 때, 최상위 비트가 0 인 경우에 하나의 펄스 구간에서의 기울기는

Figure 112019020509101-pat00003
이고, 1인 경우에 기울기는
Figure 112019020509101-pat00004
가 된다. The underwater laser communication apparatus 100 may first determine a sign of a slope according to a 0 value, which is a most significant bit (MSB) of M bits constituting one symbol. For example, as shown in FIG. 6, when one symbol is composed of two bits, and the time corresponding to one symbol length is T s and the amplitude is A, one of the most significant bits is 0. The slope in the pulse interval is
Figure 112019020509101-pat00003
If is 1, the slope is
Figure 112019020509101-pat00004
Becomes

이후, 수중 레이저 통신 장치(100)는 하위 비트에 기초하여 심볼 내 펄스의 위치 정보 결정 및 펄스 위치 변조부(144)할 수 있다(S1200).Thereafter, the underwater laser communication apparatus 100 may determine the position information of the pulse in the symbol and the pulse position modulator 144 based on the lower bits (S1200).

펄스의 기울기의 부호가 결정되면, 수중 레이저 통신 장치(100)는 최상위 비트를 제외한 나머지 비트인 하위 비트를 이용하여 펄스 위치 변조부(144) 방식을 통해 펄스의 위치 정보를 결정할 수 있다. 하위 비트가 0인 경우 두 구간으로 이루어진 하나의 심볼에서 펄스는 앞 구간에 형성되고, 하위 비트가 1인 경우 펄스는 뒷 구간에 형성되도록 펄스 위치가 변조될 수 있다. 따라서 변조된 펄스의 파형은 수학식 1과 같다. When the sign of the slope of the pulse is determined, the underwater laser communication apparatus 100 may determine the position information of the pulse through the pulse position modulator 144 using the lower bits, which are the remaining bits except the most significant bit. In the case where the lower bit is 0, the pulse position may be modulated so that the pulse is formed in the front section, and in the case where the lower bit is 1, the pulse is formed in the rear section. Therefore, the waveform of the modulated pulse is shown in Equation 1.

Figure 112019020509101-pat00005
Figure 112019020509101-pat00005

여기에서, t는 시간, TS는 심볼의 길이, L은 심볼을 구성하는 칩 시점의 개수, m은 1부터 L까지의 정수이다.Here, t is time, T S is the length of the symbol, L is the number of chip views constituting the symbol, and m is an integer from 1 to L.

수중 레이저 통신 장치(100)는 펄스를 포함하는 레이저 신호를 외부 통신 기기로 송신할 수 있다(S1300). 제1 수중 레이저 통신 장치(100)는 생성한 펄스의 파형에 따라서 레이저 통신부(120)를 통해 레이저 통신부(120)를 통해 제2 수중 레이저 통신 장치(200)로 송신될 수 있다. 제2 수중 레이저 통신 장치(200)는 레이저 통신부(120)를 통해 레이저 신호를 수신하고, 최상위 비트 및 하위 비트를 판별할 수 있다.The underwater laser communication apparatus 100 may transmit a laser signal including a pulse to an external communication device (S1300). The first underwater laser communication device 100 may be transmitted to the second underwater laser communication device 200 through the laser communication unit 120 through the laser communication unit 120 according to the waveform of the generated pulse. The second underwater laser communication device 200 may receive the laser signal through the laser communication unit 120 and determine the most significant bit and the least significant bit.

도 5는 종래 펄스 위치 변조 방식에 따른 신호에 관한 도면이고, 도 6은 SL-PPM을 이용한 수중 레이저 통신 방법에 따른 신호에 관한 도면이다.FIG. 5 is a diagram of a signal according to a conventional pulse position modulation scheme, and FIG. 6 is a diagram of a signal according to the underwater laser communication method using the SL-PPM.

도 5를 참조할 때, 종래의 PPM 방법은 펄스 위치 정보만을 사용할 뿐, 펄스의 기울기를 이용하지 않는다. 따라서, 종래의 PPM 방법은 직사각형 형상의 펄스를 사용한다. 따라서, 하나의 심볼은 펄스가 심볼의 앞 구간에 있는지 또는 펄스가 심볼의 뒷 구간에 있는지 여부에 따라 결정되는 하나의 비트만을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the conventional PPM method uses only pulse position information and does not use slope of a pulse. Therefore, the conventional PPM method uses a rectangular pulse. Accordingly, one symbol may include only one bit that is determined depending on whether the pulse is in the front section of the symbol or whether the pulse is in the back section of the symbol.

반면 도 6을 참조할 때, SL-PPM을 이용한 수중 레이저 통신 방법은, 기울기를 갖는 펄스를 사용한다. 이에 따르면, 대역폭 효율 면에서 기존 방식보다 우수하다. 수중 채널에서 기울기 및 위치 변조 신호를 사용함으로써 기울기 유형에 따라 1 비트의 정보를 더 전송할 수 있으므로 펄스 구간의 길이가 길어질 수 있다. 종래의 PPM 기법이 심볼 당 log2M 비트를 전송할 수 있는 경우 SL-PPM 을 이용한 수중 레이저 통신 방법은 심볼 당 log2M + 1 비트를 전송할 수 있다. M은 심볼 당 칩 수이다. 이로써, SL-PPM을 이용한 수중 레이저 통신 방법에 따르면, 데이터 패킷의 크기가 작아 지므로 데이터 전송률 및 대역폭 효율이 증가된다. 6, the underwater laser communication method using the SL-PPM uses a pulse having a slope. According to this, it is superior to the conventional method in terms of bandwidth efficiency. By using the slope and position modulated signals in the underwater channel, one bit of information can be transmitted further depending on the type of slope, thereby increasing the length of the pulse interval. When the conventional PPM technique can transmit log2M bits per symbol, the underwater laser communication method using SL-PPM can transmit log2M + 1 bits per symbol. M is the number of chips per symbol. Thus, according to the underwater laser communication method using the SL-PPM, the size of the data packet is smaller, so that the data rate and bandwidth efficiency are increased.

도 6은 하나의 심볼에서 2 비트를 나타내는 예를 도시한다. MSB 값은 펄스의 기울기에 의해 결정되고 두 번째 비트 값은 펄스의 위치에 의해 결정된다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 심볼의 앞 부분에 펄스가 있으면 "0"으로 구성되고 뒤쪽 부분에 펄스가 있으면 "1"이 된다.6 shows an example of two bits in one symbol. The MSB value is determined by the slope of the pulse and the second bit value is determined by the position of the pulse. As shown in Figure 1, if there is a pulse in the front of the symbol, it consists of "0", and if there is a pulse in the back, it becomes "1".

도 7은 다른 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 장치가 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하여, 비트를 획득하는 방법에 관한 순서도이다. 도 7을 참조하면, 수중 레이저 통신 장치(100)는 외부 통신 기기로부터 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신할 수 있다(S2100). 제1 수중 레이저 통신 장치(100)는 레이저 통신부(120)를 통해, 제2 수중 레이저 통신 장치(200)로부터의 레이저 신호를 수신하고, 이에 해당하는 전기적 신호를 제어부(140)로 전달할 수 있다.7 is a flowchart illustrating a method of acquiring a bit by receiving a laser signal including a pulse by an underwater laser communication apparatus according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 7, the underwater laser communication device 100 may receive a laser signal including a pulse from an external communication device (S2100). The first underwater laser communication device 100 may receive a laser signal from the second underwater laser communication device 200 through the laser communication unit 120, and transmit an electrical signal corresponding thereto to the controller 140.

수중 레이저 통신 장치(100)는 레이저 신호에 해당하는 전기적 신호를 처리하고, 심볼 내 펄스의 위치 정보에 기초하여 하위 비트를 획득할 수 있다(S2200). 하위 비트는, 심볼을 구성하는 복수의 칩(chip) 시점들에서 샘플링된 레이저 신호값의 누적값이 최대가 되는 칩 시점에 기초하여 획득될 수 있다.The underwater laser communication apparatus 100 may process an electrical signal corresponding to a laser signal and acquire a lower bit based on position information of a pulse in a symbol (S2200). The lower bit may be obtained based on the chip time point at which the cumulative value of the laser signal values sampled at the plurality of chip time points constituting the symbol is maximum.

구체적인 예를 들면, 제어부(140)는 다수의 칩 시점을 이용하여 펄스의 위치 정보를 획득한다. 제어부(140)는 하나의 심볼 구간에서 수신된 신호를 r(t)라 할 때, 칩 지속 시간인 Ts/L 간격으로 각 칩 내에서 수신된 신호의 누적(accumulation) 값을 구한다. 제어부(140)는 가장 큰 누적값을 나타낸 구간에 기초하여 하위 비트들을 판별한다. 제어부(140)는 누적값이 최대가 되는 칩 시점까지 펄스가 형성된 것으로 판단하고, 누적값이 감소하는 칩 시점에는 펄스가 포함되지 않은 것으로 판단한다. 이로써, 제어부(140)는 펄스의 위치 정보를 판단하고, 하위 비트를 획득할 수 있다.As a specific example, the controller 140 obtains position information of a pulse by using a plurality of chip viewpoints. When the signal received in one symbol period is r (t), the controller 140 obtains an accumulation value of a signal received in each chip at an interval of T s / L which is a chip duration. The controller 140 determines the lower bits based on the section representing the largest cumulative value. The controller 140 determines that a pulse is formed until the chip time point at which the cumulative value is maximum, and determines that the pulse is not included at the chip time point at which the cumulative value decreases. Thus, the controller 140 may determine the position information of the pulse and obtain the lower bit.

수중 레이저 통신 장치(100)는 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 기초하여 최상위 비트 획득할 수 있다(S2300). 기울기 부호는, 복수의 샘플링 시점에서 샘플링된 펄스 신호값의 누적값에 기초하여, 획득될 수 있다.The underwater laser communication apparatus 100 may obtain the most significant bit based on the slope code of the pulse in the symbol (S2300). The slope code may be obtained based on the accumulated value of the pulse signal values sampled at the plurality of sampling time points.

이 때 하위 비트를 판별하기 위한 칩 시점과, 최상위 비트를 판별하기 위한 샘플링 시점은 서로 상이할 수 있고, 또는 동일할 수도 있다. 예를 들면 샘플링 시점은 각 칩 구간 마다 두 개 또는 복수 개가 배치될 수 있다. In this case, the chip time point for determining the lower bit and the sampling time point for determining the most significant bit may be different from each other, or may be the same. For example, two or more sampling points may be arranged in each chip section.

구체적인 예를 들면, 제어부(140)는 펄스의 기울기를 구하기 위해, 누적값이 최대인 구간, 즉 펄스가 포함된 구간에서 다수의 샘플링 시점들 t1, t2, ..., tN 에서 측정된 수신 신호값들인 r(t1), r(t2,), ..., r(tN)을 이용할 수 있다. 제어부(140)는 수학식 2 또는 수학식 3에 나타낸 판별식을 이용하여 펄스의 기울기를 판단하며 그에 따라 최상위 비트 값을 결정한다. 도 8을 통해 최상위 비트를 획득하는 방법에 대해 더 자세히 후술한다.For example, the controller 140 may measure at a plurality of sampling points t 1 , t 2 , ..., t N in a section where the cumulative value is maximum, that is, a section including a pulse, in order to obtain a slope of the pulse. The received signal values r (t 1 ), r (t 2 ,), ..., r (t N ) may be used. The controller 140 determines the slope of the pulse using the discriminant shown in Equation 2 or 3 and determines the most significant bit value accordingly. A method of obtaining the most significant bit will be described later in more detail with reference to FIG. 8.

도 8은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법에서, 심볼 내 복수의 샘플링 시점들에서 샘플링된 펄스 신호값의 누적값에 기초하여 최상위 비트를 획득하는 것에 관한 도면이다. 도 8(a) 두 개의 샘플링 시점의 일 예이고. 도 8(b) 단일 경사 펄스의 다중 샘플링 시점의 일 예이다.8 is a diagram illustrating acquiring a most significant bit based on an accumulated value of a pulse signal value sampled at a plurality of sampling time points in a symbol in the underwater laser communication method according to an embodiment. 8 (a) is an example of two sampling time points. 8 (b) shows an example of multiple sampling time points of a single gradient pulse.

도 8(a)에 도시된 바와 같이, 2 개의 샘플링 값을 사용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 8A, two sampling values may be used as follows.

Figure 112019020509101-pat00006
Figure 112019020509101-pat00006

여기서, r(tf)는 기울어진 펄스에서 전방의 샘플링 시점 tf에서 수신된 값을 의미하고, r(tb)는 기울어진 펄스에서 후방의 샘플링 시점 tb에서 수신된 값을 의미한다. MSB는 최상위 비트이다. 앞 부분의 수신 값이 뒷부분의 수신 값보다 작으면 펄스 기울기의 부호는 양수로 간주되고 MSB 비트는 "0"으로 결정된다.Here, r (tf) means a value received at the front sampling time point tf in the inclined pulse, and r (tb) means a value received at the sampling time point tb in the backward direction in the tilted pulse. MSB is the most significant bit. If the received value at the front is less than the received value at the back, the sign of the pulse slope is considered positive and the MSB bit is determined to be "0".

도 8(b)에 도시된 바와 같이, 하나의 칩 간격 내에서 다수의 포인트가 사용될 수 있다. 이 경우 펄스의 중심점을 기준으로 전반부의 절대값과 후반부의 절대값을 누적하여 크기를 비교한다. 이 기호 결정은 수학식 3과 같다.As shown in FIG. 8 (b), multiple points may be used within one chip spacing. In this case, the absolute value of the first half and the absolute value of the second half are accumulated based on the center point of the pulse and the magnitude is compared. This symbol decision is given by Equation 3.

Figure 112019020509101-pat00007
Figure 112019020509101-pat00007

여기서 N은 단일 기울어진 펄스의 샘플링 값의 수이다. 종래에는 정합 필터를 기호 결정에 사용하였으나, SL-PPM에 따른 방법은 정합 필터를 사용하지 않고, 종래의 방법보다 계산 복잡도가 낮아 효율적이다.Where N is the number of sampling values of a single tilted pulse. Conventionally, a matched filter has been used for symbol determination, but the method according to SL-PPM does not use a matched filter and has a lower computational complexity and is more efficient than the conventional method.

도 9 내지 도 11은 일 실시예에 따른 수중 레이저 통신 방법을 이용한 수조 실험 장치에 관한 도면이다. SL-PPM을 이용한 수중 무선 레이저 통신 방법의 성능을 입증하기 위한 실험이 수행되었다. 9 to 11 are views illustrating a water tank experimental apparatus using the underwater laser communication method according to an embodiment. Experiments were conducted to verify the performance of the underwater wireless laser communication method using SL-PPM.

임의 파형 발생기(arbitrary waveform generator)에서 생성된 신호는 레이저 다이오드에서 광 신호로 변환되어 수조로 전달된다. 수조 양쪽 벽면은 광 신호의 감쇄를 최소화하기 위해 AR(anti-reflective) 코팅된 유리를 장착하여 평균 95% 이상 투과되도록 하였다. 또한 전달 거리를 늘리기 위해 반사 거울이 사용되었다. 수신부에서는 Fresnel lens에 의해 집광되어 아발란체 포토 다이오드(avalanche photo diode)에 의해 다시 전기적인 신호로 변환되어 전달된다.The signal generated by the arbitrary waveform generator is converted into an optical signal at the laser diode and transmitted to the tank. Both walls of the tank were equipped with anti-reflective (AR) coated glass to minimize transmission signal attenuation and averaged over 95%. Reflective mirrors were also used to increase the transmission distance. At the receiver, the light is collected by a Fresnel lens and converted into an electrical signal by an avalanche photo diode and transmitted.

450 nm 길이의 파장을 갖는 청색(blue) 레이저 다이오드가 이용되었다. 청록색 레이저는 바다에서 최소 에너지 페이딩을 갖기 때문에 전자기 스펙트럼의 청록색 부분에서 해수의 낮은 흡수 창을 이용하는 수중 무선 레이저 통신은 단거리에서 안전하고 효율적이다. A blue laser diode with a wavelength of 450 nm was used. Since blue-green lasers have minimal energy fading in the ocean, underwater wireless laser communication using low-absorption windows of sea water in the turquoise portion of the electromagnetic spectrum is safe and efficient over short distances.

표 1은 12 m 길이의 전송 거리에서 100 Mbps의 전송율로 발명한 방식에 채널 부호화 기법을 적용하지 않았을 때의 채널 부호화 기법이 적용되지 않은(uncoded) 비트 오류율(bit error rate)에 대한 수조실험 결과로써 감쇄기(attenuator)의 감쇄 이득에 따라 나타낸 것이다. 감쇄 이득이 커지면 수신되는 신호의 세기가 작아지면서 신호 대 잡음비가 감소한다.Table 1 shows the experimental results of the uncoded bit error rate when the channel coding method is not applied to the method invented at a transmission rate of 100 Mbps at a transmission distance of 12 m. As shown by the attenuator gain (attenuator). Larger attenuation gains reduce the signal-to-noise ratio as the strength of the received signal decreases.

감쇄 이득 (dB)Attenuation Gain (dB) 2020 2525 3030 uncoded BERuncoded BER

Figure 112019020509101-pat00008
Figure 112019020509101-pat00008
Figure 112019020509101-pat00009
Figure 112019020509101-pat00009
Figure 112019020509101-pat00010
Figure 112019020509101-pat00010

도 12는 수조 실험 장치를 통하여 측정한 수중 레이저 통신 방법과, 종래의 OOK 방법 간 비트 오류율을 비교한 도면이다. 수조 실험은 탁도는 0.8 NTU (Nephelometric Turbidity Unit)이고, 전송 거리 8m, 데이터 전송율이 100 Mbps인 조건에서 수행되었다.12 is a diagram comparing bit error rates between the underwater laser communication method measured by the tank experimental apparatus and the conventional OOK method. Tank experiments were performed under conditions of turbidity of 0.8 NTU (Nephelometric Turbidity Unit), transmission distance of 8m, and data rate of 100 Mbps.

SL-PPM을 이용한 방법과 기존의 OOK (on-off keying) 방법의 비트 오류율을 수신 전력에 따라 비교할 때, SL-PPM을 이용한 방법은 동일한 수신 전력을 기준으로 기존의 OOK 방법보다 낮은 오류 발생 확률을 보임을 확인할 수 있다. 여기서 탁도 0.8 NTU는 국내 주요 항만에서 수집한 해수의 실제 탁도 값이다.When comparing the bit error rates of the SL-PPM method and the conventional on-off keying (OOK) method according to the received power, the SL-PPM method has a lower probability of error occurrence than the conventional OOK method based on the same received power. You can see that. Here, the turbidity of 0.8 NTU is the actual turbidity value of seawater collected in major domestic ports.

본 발명의 당업자라면 본 발명이 기타 프로그램 모듈들과 결합되어 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들어, 본 발명은 컴퓨터-판독가능 매체에 의해 구현될 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that the invention may be implemented in combination with other program modules and / or as a combination of hardware and software. For example, the invention may be embodied by a computer-readable medium.

컴퓨터에 의해 액세스 가능한 매체는 그 어떤 것이든지 컴퓨터 판독 가능 매체가 될 수 있고, 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는 휘발성 및 비휘발성 매체, 일시적(transitory) 및 비일시적(non-transitory) 매체, 이동식 및 비-이동식 매체를 포함한다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 및 컴퓨터 판독가능 전송 매체를 포함할 수 있다.Any medium that can be accessed by a computer can be a computer readable medium, which can be volatile and nonvolatile media, transitory and non-transitory media, removable and non-transitory media. Removable media. By way of example, and not limitation, computer readable media may comprise computer readable storage media and computer readable transmission media.

컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보를 저장하는 임의의 방법 또는 기술로 구현되는 휘발성 및 비휘발성 매체, 일시적 및 비-일시적 매체, 이동식 및 비이동식 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 기타 메모리 기술, CD-ROM, DVD(digital video disk) 또는 기타 광 디스크 저장 장치, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 저장 장치 또는 기타 자기 저장 장치, 또는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있고 원하는 정보를 저장하는 데 사용될 수 있는 임의의 기타 매체를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.Computer-readable storage media are volatile and nonvolatile media, temporary and non-transitory media, removable and non-removable implemented in any method or technology for storing information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Media. Computer-readable storage media may include RAM, ROM, EEPROM, flash memory or other memory technology, CD-ROM, digital video disk or other optical disk storage device, magnetic cassette, magnetic tape, magnetic disk storage device or other magnetic storage. It includes, but is not limited to, a device or any other medium that can be accessed by a computer and used to store desired information.

컴퓨터 판독가능 전송 매체는 통상적으로 반송파(carrier wave) 또는 기타 전송 메커니즘(transport mechanism)과 같은 피변조 데이터 신호(modulated data signal)에 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터등을 구현하고 모든 정보 전달 매체를 포함한다. 피변조 데이터 신호라는 용어는 신호 내에 정보를 인코딩하도록 그 신호의 특성들 중 하나 이상을 설정 또는 변경시킨 신호를 의미한다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 판독가능 전송 매체는 유선 네트워크 또는 직접 배선 접속(direct-wired connection)과 같은 유선 매체, 그리고 음향, RF, 적외선, 기타 무선 매체와 같은 무선 매체를 포함한다. 상술된 매체들 중 임의의 것의 조합도 역시 컴퓨터 판독가능 전송 매체의 범위 안에 포함되는 것으로 한다.Computer-readable transmission media typically embody computer readable instructions, data structures, program modules or other data in a modulated data signal, such as a carrier wave or other transport mechanism, and the like. Includes all information delivery media. The term modulated data signal means a signal that has one or more of its characteristics set or changed to encode information in the signal. By way of example, and not limitation, computer readable transmission media includes wired media such as a wired network or direct-wired connection, and wireless media such as acoustic, RF, infrared, or other wireless media. Combinations of any of the above should also be included within the scope of computer readable transmission media.

본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 프로세서들, 수단들, 회로들 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, (편의를 위해, 여기에서 "소프트웨어"로 지칭되는) 다양한 형태들의 프로그램 또는 설계 코드 또는 이들 모두의 결합에 의해 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호 호환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 단계들이 이들의 기능과 관련하여 위에서 일반적으로 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로서 구현되는지 여부는 특정한 애플리케이션 및 전체 시스템에 대하여 부과되는 설계 제약들에 따라 좌우된다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 각각의 특정한 애플리케이션에 대하여 다양한 방식들로 설명된 기능을 구현할 수 있으나, 이러한 구현 결정들은 본 발명의 범위를 벗어나는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.One of ordinary skill in the art would appreciate that the various exemplary logical blocks, modules, processors, means, circuits and algorithm steps described in connection with the embodiments disclosed herein may be implemented in electronic hardware, It will be appreciated that for purposes of the present invention, various forms of program or design code, or combinations thereof, may be implemented. To clearly illustrate this interchangeability of hardware and software, various illustrative components, blocks, modules, circuits, and steps have been described above generally in terms of their functionality. Whether such functionality is implemented as hardware or software depends on the particular application and design constraints imposed on the overall system. Those skilled in the art may implement the described functionality in various ways for each particular application, but such implementation decisions should not be interpreted as causing a departure from the scope of the present invention.

여기서 제시된 다양한 실시예들은 방법, 장치, 또는 표준 프로그래밍 및/또는 엔지니어링 기술을 사용한 제조 물품(article)으로 구현될 수 있다. 용어 "제조 물품"은 임의의 컴퓨터-판독가능 장치로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램, 캐리어, 또는 매체(media)를 포함한다. 예를 들어, 컴퓨터-판독가능 저장 매체는 자기 저장 장치(예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립, 등), 광학 디스크(예를 들면, CD, DVD, 등), 스마트 카드, 및 플래쉬 메모리 장치(예를 들면, EEPROM, 카드, 스틱, 키 드라이브, 등)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 용어 "기계-판독가능 매체"는 명령(들) 및/또는 데이터를 저장, 보유, 및/또는 전달할 수 있는 무선 채널 및 다양한 다른 매체를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.The various embodiments presented herein may be embodied in a method, apparatus, or article of manufacture using standard programming and / or engineering techniques. The term "article of manufacture" includes a computer program, carrier, or media accessible from any computer-readable device. For example, computer-readable storage media may include magnetic storage devices (eg, hard disks, floppy disks, magnetic strips, etc.), optical disks (eg, CDs, DVDs, etc.), smart cards, and flashes. Memory devices (eg, EEPROM, cards, sticks, key drives, etc.), but are not limited to these. The term “machine-readable medium” includes, but is not limited to, wireless channels and various other media capable of storing, retaining, and / or delivering instruction (s) and / or data.

제시된 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근들의 일례임을 이해하도록 한다. 설계 우선순위들에 기반하여, 본 발명의 범위 내에서 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것을 이해하도록 한다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 다양한 단계들의 엘리먼트들을 제공하지만 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조에 한정되는 것을 의미하지는 않는다.It is to be understood that the specific order or hierarchy of steps in the processes presented is an example of exemplary approaches. Based upon design priorities, it is understood that the specific order or hierarchy of steps in the processes may be rearranged within the scope of the present invention. The accompanying method claims present elements of the various steps in a sample order, but are not meant to be limited to the specific order or hierarchy presented.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention should not be limited to the embodiments set forth herein but should be construed in the broadest scope consistent with the principles and novel features set forth herein.

100, 200 수중 레이저 통신 장치
120 레이저 통신부
140 제어부
142 펄스 생성부
144 펄스 위치 변조부
100, 200 underwater laser communication device
120 laser communication unit
140 control unit
142 pulse generator
144 pulse position modulator

Claims (10)

최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 방법으로서,
외부 통신 기기로부터 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하는 단계;
상기 레이저 신호의 시간 구간인 심볼 내 펄스의 위치 정보에 기초하여 상기 하위 비트를 획득하는 단계;
상기 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 기초하여 상기 최상위 비트를 획득하는 단계를 포함하는,
수중 레이저 통신 방법.
An underwater laser communication method using binary data including a most significant bit and a least significant bit,
Receiving a laser signal comprising a pulse from an external communication device;
Acquiring the lower bit based on position information of a pulse in a symbol that is a time interval of the laser signal;
Obtaining the most significant bit based on a slope sign of a pulse in the symbol,
Underwater laser communication method.
제1 항에 있어서,
상기 최상위 비트는
상기 심볼을 구성하는 복수의 샘플링 시점들에서 샘플링된 펄스 신호값의 누적값에 기초하여 획득되는,
수중 레이저 통신 방법.
According to claim 1,
The most significant bit is
Obtained based on a cumulative value of a pulse signal value sampled at a plurality of sampling time points constituting the symbol,
Underwater laser communication method.
제2 항에 있어서,
상기 심볼은, 상기 펄스의 위치 정보에 따라 결정되는, 상기 펄스가 포함된 제1 구간을 포함하며,
상기 복수의 샘플링 시점들은, 상기 제1 구간에 위치하는
수중 레이저 통신 방법.
The method of claim 2,
The symbol includes a first section including the pulse, determined according to the position information of the pulse,
The plurality of sampling points are located in the first section.
Underwater laser communication method.
제2 항에 있어서,
상기 최상위 비트는, 제1 수학식
Figure 112019020509101-pat00011

에 따라 결정되고,
MSB는 최상위 비트, N은 펄스 신호값에 대한 샘플링 수, r(tn)는 펄스 신호값인,
수중 레이저 통신 방법.
The method of claim 2,
The most significant bit is a first equation
Figure 112019020509101-pat00011

Determined by
MSB is the most significant bit, N is the number of samplings for the pulse signal value, r (t n ) is the pulse signal value,
Underwater laser communication method.
제1 항에 있어서,
상기 하위 비트는,
상기 심볼을 구성하는 복수의 칩(chip) 시점들에서 샘플링된 레이저 신호값의 누적값이 최대가 되는 칩 시점에 기초하여 획득되는
수중 레이저 통신 방법.
According to claim 1,
The lower bit,
The cumulative value of the laser signal values sampled at the plurality of chip views constituting the symbol is obtained based on the chip view point at which the maximum value is obtained.
Underwater laser communication method.
최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 방법으로서,
심볼은 레이저 신호의 시간 구간이고, 상기 최상위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 따라 펄스를 생성하는 단계;
상기 하위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 위치 정보에 따라 펄스의 위치를 변조하는 단계; 및
펄스를 포함하는 레이저 신호를 외부 통신 기기로 송신하는 단계를 포함하는,
수중 레이저 통신 방법.
An underwater laser communication method using binary data including a most significant bit and a least significant bit,
A symbol is a time interval of a laser signal, and generating a pulse according to a slope sign of a pulse in a symbol determined based on the most significant bit;
Modulating the position of the pulse according to the position information of the pulse in the symbol determined based on the lower bit; And
Transmitting a laser signal comprising a pulse to an external communication device,
Underwater laser communication method.
제6 항에 있어서,
제2 수학식
Figure 112019020509101-pat00012
에 따라 상기 레이저 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하고,
t는 시간, TS는 심볼의 길이, L은 심볼을 구성하는 칩 시점의 개수, m은 1부터 L까지의 정수인,
수중 레이저 통신 방법.
The method of claim 6,
Second equation
Figure 112019020509101-pat00012
Generating the laser signal according to;
t is the time, T S is the length of the symbol, L is the number of chip time points constituting the symbol, m is an integer from 1 to L,
Underwater laser communication method.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 기재된 수중 레이저 통신 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium storing a computer program for performing the underwater laser communication method according to any one of claims 1 to 7. 최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 장치으로서,
외부 통신 기기로부터 펄스를 포함하는 레이저 신호를 수신하는 레이저 통신부; 및
상기 레이저 신호의 시간 구간인 심볼 내 펄스의 위치 정보에 기초하여 상기 하위 비트를 획득하고, 상기 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 기초하여 상기 최상위 비트를 획득하는 제어부를 포함하는,
수중 레이저 통신 장치.
An underwater laser communication apparatus using binary data including a most significant bit and a least significant bit,
A laser communication unit receiving a laser signal including a pulse from an external communication device; And
And a controller configured to acquire the lower bit based on position information of a pulse in a symbol that is a time interval of the laser signal, and obtain the most significant bit based on a slope code of the pulse in the symbol.
Underwater laser communication device.
최상위 비트 및 하위 비트를 포함하는 이진 데이터를 이용한 수중 레이저 통신 장치로서,
상기 최상위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 기울기 부호에 따라 펄스를 생성하는 펄스 생성부;
상기 하위 비트에 기초하여 결정되는 심볼 내 펄스의 위치 정보에 따라 펄스의 위치를 변조하는 펄스 위치 변조부; 및
펄스를 포함하는 레이저 신호를 외부 통신 기기로 송신하는 레이저 통신부를 포함하는
수중 레이저 통신 장치.
An underwater laser communication apparatus using binary data including a most significant bit and a least significant bit,
A pulse generator configured to generate a pulse according to a slope code of a pulse in a symbol determined based on the most significant bit;
A pulse position modulator for modulating a position of a pulse according to position information of a pulse in a symbol determined based on the lower bit; And
It includes a laser communication unit for transmitting a laser signal containing a pulse to an external communication device
Underwater laser communication device.
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