KR102322124B1

KR102322124B1 - Weighted multiband signal receiving method and apparatus for performance improvement on underwater acoustic communication

Info

Publication number: KR102322124B1
Application number: KR1020200008752A
Authority: KR
Inventors: 김완진; 정지원; 백창욱; 이희수
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-11-05
Also published as: KR20210023652A

Abstract

실시 예들은 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중 밴드 수신 방법 및 장치에 관한 것으로, 실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법을 이용하여 송수신간의 서로 알고 있는 프리앰블 데이터의 오류율을 획득하여 오류율이 높은 밴드에는 가중치를 작게 할당하고 오류율이 낮은 밴드에는 가중치를 높게 할당하는 각 밴드별 서로 다른 가중치를 할당함으로써 성능 향상을 가져올 수 있다. The embodiments relate to a weighted multi-band reception method and apparatus for improving underwater communication performance, and preamble data known to each other between transmission and reception using the weighted multi-band signal reception method for improving underwater communication performance according to the embodiment Performance improvement can be achieved by assigning different weights to each band by obtaining an error rate of , assigning a small weight to a band with a high error rate and assigning a high weight to a band with a low error rate.

Description

Weighted multiband signal receiving method and apparatus for performance improvement on underwater acoustic communication

본 발명은 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for receiving a weighted multi-band signal for improving underwater communication performance.

과거 수중 음향통신은 주로 잠수함 통신과 같은 군사 목적으로 사용되었다. 요즘, 수중 음향통신은 무인 잠수정(Unmanned Underwater Vehicles, UUV)의 도입에 따라 제어 명령 전송, 정보 교환 등의 데이터 통신 수단으로 부각되고 있으나, 음향 신호의 낮은 전파 속도(propagation speed)와 시변(time-varying) 채널 특성으로 인해 가장 어려운 통신 환경 중 하나로 여겨진다. UWAC(Underwater Wireless Acoustic Communication, 이하 UWAC) 통신의 성능은 전파 손실(음향 신호 거리에 따라), 간섭 신호(다중 경로 전파로 인한), 배경 소음 및 도플러 효과(이동하는 음원 또는 해수면 거칠기와 관련된)와 같은 요인에 따라 달라진다. 또한 전파 거리가 증가를 위해 전송 주파수를 낮출 경우 대역폭이 감소하여 데이터 전송 효율이 떨어진다. UWAC 통신 환경에서 다중 경로 전파 특성 또는 도플러 확산은 해저, 해수면 및 수심을 포함한 시공간 변화에 따라 통신 성능에 영향을 준다. 따라서 채널 코딩을 포함한 UWAC 모뎀 기술은 이러한 과제를 극복할 수 있는 시스템을 설계하는 데 필수적이다.In the past, underwater acoustic communications were mainly used for military purposes, such as submarine communications. Nowadays, underwater acoustic communication is emerging as a data communication means such as control command transmission and information exchange with the introduction of Unmanned Underwater Vehicles (UUV), but the low propagation speed of acoustic signals and time-varying varying) is considered one of the most difficult communication environments due to the channel characteristics. The performance of Underwater Wireless Acoustic Communication (UWAC) communications is dependent on propagation loss (according to acoustic signal distance), interfering signals (due to multipath propagation), background noise, and Doppler effects (related to moving sound sources or sea level roughness). It depends on the same factors. In addition, if the transmission frequency is lowered to increase the propagation distance, the bandwidth is reduced and data transmission efficiency is reduced. In the UWAC communication environment, multipath propagation characteristics or Doppler spread affect communication performance according to space-time changes including the seabed, sea level, and water depth. Therefore, UWAC modem technology including channel coding is essential to design a system that can overcome these challenges.

수중음향통신에서 적용되는 다중 밴드 통신 기법은 서로 다른 위치의 수신부에서 수신되는 신호는 서로 다른 환경 요소를 갖고 있으므로 송신부에서는 동일한 신호를 여러 주파수 대역으로 전송함으로써 수신부에서의 수신 확률을 높이는게 목적이다. 다중 밴드 전송에 있어서 동일 데이터의 서로 다른 주파수에 전송한 결과 동일한 송수신 거리에서 서로 다른 특성 때문에 각 밴드에서 서로 다른 오류율을 가진다. 각 밴드에서 서로 다른 오류율을 가지고 있으므로 오류율이 높은 특정한 밴드의 성능이 전체적인 성능을 감소시키는 문제가 있다.The multi-band communication technique applied in underwater acoustic communication aims to increase the reception probability in the receiver by transmitting the same signal in multiple frequency bands in the transmitter because the signals received by the receivers at different locations have different environmental factors. In multi-band transmission, as a result of transmitting the same data at different frequencies, each band has different error rates due to different characteristics at the same transmission/reception distance. Since each band has a different error rate, there is a problem that the performance of a specific band with a high error rate reduces the overall performance.

[선행기술문헌번호][Prior art literature number]

선행기술 1: 한국등록특허 10-1827161호Prior art 1: Korean Patent No. 10-1827161

선행기술 2: 한국등록특허 10-1610659호Prior art 2: Korean Patent No. 10-1610659

실시 예들은 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중 밴드 수신 방법 및 장치를 제공하는 것이다.Embodiments are to provide a weighted multi-band reception method and apparatus for improving underwater communication performance.

실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법은 서로 다른 밴드 각각의 등화기를 통해 출력된 복수의 수신 신호들에 대해 각각의 밴드에 대한 프리앰블 데이터의 오류율을 계산하는 단계; 상기 계산된 오류율에 기초하여 상기 복수의 수신 신호들에 대해 서로 다른 가중치를 부여하는 단계; 상기 서로 다른 가중치가 부여된 복수의 수신 신호들을 합산한 합산 신호를 역-인터리빙하고, 상기 역-인터리빙된 합산 신호에 대해 복호화를 수행하는 단계; 및 상기 복호화된 출력값을 상기 등화기로 피드백하여 전체 단계를 반복하는 단계를 포함한다.A method for receiving a weighted multi-band signal for improving underwater communication performance according to an embodiment includes: calculating an error rate of preamble data for each band with respect to a plurality of received signals output through equalizers of different bands; assigning different weights to the plurality of received signals based on the calculated error rates; de-interleaving the sum signal obtained by summing the plurality of received signals to which different weights are given, and performing decoding on the de-interleaved sum signal; and feeding back the decoded output value to the equalizer and repeating all steps.

상기 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법은 상기 출력값과 상기 디-인터리빙된 합산 신호의 차이값을 인터리빙하고, 상기 인터리빙된 결과값을 상기 각각의 등화기에 입력하는 것을 특징으로 한다.The method for receiving the weighted multi-band signal is characterized in that the output value and the difference value of the de-interleaved sum signal are interleaved, and the interleaved result value is input to each of the equalizers.

상기 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법은 상기 프리앰블 데이터의 오류율(Bit Error Rate, BER)이

내지

범위인 경우, 상기 가중치는 0.1 내지 1 범위에서, 상기 오류율이 크면 상기 가중치를 작게 부여하고, 상기 오류율이 작으면 상기 가중치를 크게 부여하는 것을 특징으로 한다.In the method for receiving the weighted multi-band signal, the bit error rate (BER) of the preamble data is

inside

In the case of a range, the weight is in the range of 0.1 to 1, and when the error rate is large, the weight is given to be small, and when the error rate is small, the weight is given to be large.

상기 수신신호는 다음 수학식 3과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다. The received signal is characterized in that it is defined as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, L은 전체 다중 경로의 수, l은 l번째 다중 경로,

는 l경로에 있는 채널 응답 계수,

는 가우시안 잡음이고, D는

는 송신신호(s(t))이다.where L is the total number of multipaths, l is the lth multipath,

where l is the channel response coefficient in the path,

is the Gaussian noise, and D is

is the transmission signal s(t).

상기 송신신호는, n개의 프리앰블 비트가 삽입된 N+n개의 하나의 패킷 데이터의 비트열(D)은 다음 수학식 1과 같이 정의되고,In the transmission signal, the bit string (D) of N + n one packet data in which n preamble bits are inserted is defined as in Equation 1 below,

Nb개의 서로 다른 밴드에 대해

를 곱해줌으로써 각각의 밴드에 대해 변조한 후 Nb개 밴드에 대해 각각 변조된 신호를 합한 것을 특징으로 한다.for Nb different bands.

It is characterized by adding the modulated signals for each of the Nb bands after modulating for each band by multiplying by .

상기 등화기를 통과한 k번째 밴드의 출력신호가

인 경우, 상기 서로 다른 가중치가 부여된 복수의 수신 신호들은 다음 수학식 4와 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.The output signal of the k-th band passing through the equalizer is

In the case of , the plurality of received signals to which different weights are assigned are defined as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

여기서,

는 k번째 밴드에 대한 가중치이다.here,

is the weight for the k-th band.

다른 실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 장치는 메모리; 및 프로세서를 포함하고,A weighted multi-band signal reception apparatus for improving underwater communication performance according to another embodiment includes: a memory; and a processor;

상기 프로세서는 서로 다른 밴드 각각의 등화기를 통해 출력된 복수의 수신 신호들에 대해 각각의 밴드에 대한 프리앰블 데이터의 오류율을 계산하고, 상기 계산된 오류율에 기초하여 상기 복수의 수신 신호들에 대해 서로 다른 가중치를 부여하고, 상기 서로 다른 가중치가 부여된 복수의 수신 신호들을 합산한 합산 신호를 역-인터리빙하고, 상기 역-인터리빙된 합산 신호에 대해 복호화를 수행하고, 상기 복호화된 출력값을 상기 등화기로 피드백하여 오류률 계산, 가중치 부여, 복호화를 반복한다.The processor calculates an error rate of the preamble data for each band with respect to a plurality of received signals output through equalizers for each of the different bands, and based on the calculated error rates, different rates for the plurality of received signals Inverse-interleaving the sum signal obtained by adding weights and summing the plurality of received signals to which different weights are assigned, performing decoding on the inverse-interleaved sum signal, and feeding back the decoded output value to the equalizer Then, the error rate calculation, weighting, and decoding are repeated.

상기 프로세서는, 상기 출력값과 상기 디-인터리빙된 합산 신호의 차이값을 인터리빙하고, 상기 인터리빙된 결과값을 상기 각각의 등화기에 입력하는 것을 특징으로 한다.The processor may interleave a difference between the output value and the de-interleaved sum signal, and input the interleaved result value to each of the equalizers.

상기 프로세서는, 상기 프리앰블 데이터의 오류율(BER)이

내지

범위인 경우, 상기 가중치는 0.1 내지 1 범위에서, 상기 오류율이 크면 상기 가중치를 작게 부여하고, 상기 오류율이 작으면 상기 가중치를 크게 부여하는 것을 특징으로 한다.The processor, the error rate (BER) of the preamble data

inside

또 다른 실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.It includes a recording medium in which a program for executing a weighted multi-band signal reception method for improving underwater communication performance according to another embodiment in a computer is recorded.

실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중밴드 신호 수신 방법 및 장치를 통해, 송수신간의 서로 알고 있는 preamble 데이터의 오류율을 획득하여 오류율이 높은 밴드에는 가중치를 작게 할당하고 오류율이 낮은 밴드에는 가중치를 높게 할당하는 각 밴드별 서로 다른 가중치를 할당함으로써 성능 향상을 가져올 수 있다. Through the method and apparatus for receiving a weighted multi-band signal for improving underwater communication performance according to an embodiment, by acquiring an error rate of preamble data known to each other between transmission and reception, a small weight is assigned to a band with a high error rate, and a small weight is assigned to a band with a low error rate. Performance can be improved by allocating different weights to each band to which the weight is assigned high.

도 1은 일 실시 예에 따른 송신단 구조이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 수신단 구조이다.
도 3은 도 1에 도시된 송신단에서 송신하는 송신 신호의 패킷 구조이다.
도 4는 도 2에 도시된 수신단의 PN 오류율 계산 블록에서 계산된 오류율에 상응하도록 가중치를 할당하는 기준을 설명하는 예시 도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 실험 조건을 설명하는 예시 도이다.
도 6는 도 5에 도시된 실험을 위한 파라미터를 설명하는 예시 도이다.
도 7은 도 5에 도시된 주파수 분할을 설명하는 예시 도이다.
도 8은 송신 신호에서 각 밴드의 패킷 구조를 나타내는 예시 도이다.
도 9는 Nb=4인 경우 송신 신호의 패킷 구조를 나타내는 예시 도이다.
도 10 및 11은 일 실시 예에 따른 실험 결과 데이터를 설명하기 위한 예시 도면들이다. 1 is a structure of a transmitting end according to an embodiment.
2 is a structure of a receiving end according to an embodiment.
FIG. 3 is a packet structure of a transmission signal transmitted from the transmitting end shown in FIG. 1 .
FIG. 4 is an exemplary view for explaining a criterion for allocating weights to correspond to the error rate calculated in the PN error rate calculation block of the receiving end shown in FIG. 2 .
5 is an exemplary view illustrating experimental conditions according to an embodiment.
FIG. 6 is an exemplary view for explaining parameters for the experiment shown in FIG. 5 .
FIG. 7 is an exemplary diagram illustrating frequency division illustrated in FIG. 5 .
8 is an exemplary diagram illustrating a packet structure of each band in a transmission signal.
9 is an exemplary diagram illustrating a packet structure of a transmission signal when Nb=4.
10 and 11 are exemplary views for explaining experimental result data according to an embodiment.

본 실시 예들에서 사용되는 용어는 본 실시 예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시 예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Terms used in the present embodiments are selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present embodiments, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, etc. . In addition, in a specific case, there are also arbitrarily selected terms, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding embodiment. Therefore, the terms used in the present embodiments should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present embodiments, rather than the simple name of the term.

실시 예들에 대한 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시 예들에 기재된 “...부”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the description of the embodiments, when it is said that a certain part is connected to another part, this includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is electrically connected with another component interposed therebetween. In addition, when it is said that a part includes a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. In addition, the term “…unit” described in the embodiments refers to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.

본 실시 예들에서 사용되는 “구성된다”또는“포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Terms such as “consisting” or “comprising” used in the present embodiments should not be construed as necessarily including all of the various components or various steps described in the specification, and some components or some of them It should be construed that steps may not be included, or may further include additional components or steps.

하기 실시 예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시 예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.The description of the following embodiments should not be construed as limiting the scope of rights, and what can be easily inferred by those skilled in the art should be construed as belonging to the scope of the embodiments. Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시 예에서, 수중음향통신은 물속에서 음파를 이용한 데이터 통신 시스템으로, 음파를 송수신하기 위한 음향센서, 전자 기기, 전원 장치 또는 배터리로 구성된다. 수중음향통신은 다중경로로 인한 신호간 간섭으로 성능이 열악하므로 채널 부호화의 적용은 필수적이다. 수중통신에서 데이터를 전송하기 위한 패킷의 구조는 동기 획득을 위해 데이터 전송 전에 PN(Pseudo Noise) 시퀀스를 데이터의 헤드 부분에 첨가하여 전송한다. PN 시퀀스는 송수신 간에 서로 알고 있는 데이터를 이용하여 동기를 획득하는 기능을 한다.In an embodiment, the underwater acoustic communication is a data communication system using sound waves in water, and consists of an acoustic sensor for transmitting and receiving sound waves, an electronic device, a power supply device, or a battery. Since hydroacoustic communication has poor performance due to inter-signal interference due to multipath, application of channel coding is essential. The structure of a packet for transmitting data in underwater communication is transmitted by adding a Pseudo Noise (PN) sequence to the head of data before data transmission to obtain synchronization. The PN sequence functions to acquire synchronization using data known to each other between transmission and reception.

도 1은 일 실시 예에 따른 송신단 구조이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 수신단 구조이다.1 is a structure of a transmitting end according to an embodiment, and FIG. 2 is a structure of a receiving end according to an embodiment.

도 1에 도시된 다중 밴드 송신단은 부호화된 비트를 각 블록으로 나누어 동기 획득을 위한 프리앰블 비트(preamble bit)를 삽입하여, 도 3에 도시된 것처럼 하나의 패킷을 만든다. The multi-band transmitter shown in FIG. 1 divides the coded bit into blocks and inserts a preamble bit for synchronization acquisition, thereby making one packet as shown in FIG. 3 .

도 1에 도시된 다중 밴드 송신단은 K개의 비트가 채널 부호화를 통과한 후 N개의 부호화 비트가 생성되며, 반복 부호화기를 통과한 신호는 군집 오류(burst error)를 산발 오류(random error)로 바꾸기 위한 인터리버를 거친다. 부호화된 비트를 인터리빙 후 각 블록으로 나누어 동기 획득을 위한 n개의 프리앰블 비트를 삽입하여 하나의 패킷을 만들며, N+n 개의 비트로 구성된 각각의 패킷을 Nb 개의 동일한 패킷으로 구성한다. 그리고, Nb개의 서로 다른 주파수 즉 서로 다른 밴드를 이용하여 변조된 신호를 합하여 전송한다. 인터리버 후, 동기 획득을 위한 n개의 프리앰블 비트를 삽입하여 구성한 개의 하나의 패킷 데이터의 비트열은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The multi-band transmitter shown in FIG. 1 generates N encoded bits after K bits pass through channel encoding, and the signal passing through the iterative encoder is used to convert a burst error into a random error. go through the interleaver. After interleaving, the coded bits are divided into blocks, n preamble bits for synchronization are inserted to make one packet, and each packet composed of N+n bits is composed of Nb identical packets. Then, signals modulated using Nb different frequencies, that is, different bands, are summed and transmitted. After interleaver, a bit string of one packet data constructed by inserting n preamble bits for synchronization acquisition may be expressed as Equation (1).

다중 밴드 통신을 위한 송신신호 s(t)는 수학식 2로 나타낼 수 있다.A transmission signal s(t) for multi-band communication can be expressed by Equation (2).

송신신호 s(t)는 수학식 2와 같이 Nb개의 서로 다른 밴드에 대해

을 곱해줌으로써 각 각의 밴드에 대해 변조과정을 거친 후, Nb개의 밴드에 대한 각 각의 변조된 신호들을 합한다. Transmission signal s(t) for Nb different bands as shown in Equation 2

After a modulation process for each band by multiplying by , modulated signals for each of the Nb bands are summed.

도 2에서 수신신호를 r(t)라 하였을 때 r(t)는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.In FIG. 2, when the received signal is referred to as r(t), r(t) can be expressed by Equation 3.

L은 전체 다중 경로의 수를 나타내며 l은 l번째의 다중 경로를 나타낸다.

는 l경로에 있는 채널 응답 계수를 나타내며

는 가우시안 잡음을 나타낸다. 수신신호를 Nb개의 서로 다른 밴드에 대해 복조 후, LPF(Low Pass Filter) 및 등화기를 통과한 k번째 밴드의 출력신호를

라 했을 때, 도 2에 도시된 복호기 입력신호 z(t)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. L represents the total number of multi-paths, and l represents the l-th multi-path.

is the channel response coefficient in the l path,

represents Gaussian noise. After demodulating the received signal for Nb different bands, the output signal of the kth band passing through the LPF (Low Pass Filter) and equalizer is

, the decoder input signal z(t) shown in FIG. 2 can be expressed as Equation (4).

여기서, 등화기는 DFE(Decision Feedback Equalizer)일 수 있다. DFE 또는 판정 궤환 등화기는 이전에 검파한 심볼들이 지금 판정할 심볼에 영향을 미치는 ISI(Inter symbol Interference) 영향을 제거하기 위해 이전 판정값을 다시 이용하는 비선형 등화기이다.Here, the equalizer may be a decision feedback equalizer (DFE). A DFE or decision feedback equalizer is a non-linear equalizer that reuses a previous decision value to remove the Inter symbol Interference (ISI) effect that previously detected symbols affect the symbol to be judged now.

수신된 신호는 도 2와 같이 각 주파수를 분할하기 위해 정합 필터를 사용하여 각 채널의 정보를 획득하고 난 후, 등화기에서 다중 경로 간섭을 각 밴드에서 제거하고 복호기의 성능을 판단하는 임계값 결정을 하여 복호기의 오류 복호 성능 한계에 접근하는 밴드에 해당 되는 데이터를 복호한다. The received signal uses a matched filter to divide each frequency, as shown in FIG. 2, after obtaining information on each channel, the equalizer removes multipath interference from each band and determines the threshold value for determining the performance of the decoder to decode the data corresponding to the band approaching the error decoding performance limit of the decoder.

이때

는 k번째 밴드에 대한 가중치를 나타낸다. 수신된 신호는 도 2에 도시된 바와 같이, 각 주파수를 분할하기 위해 정합 필터를 사용하여 각 채널의 정보를 획득하고 난 후, 등화기에서 다중 경로 간섭을 각 밴드에서 제거하고 각각의 밴드에서 출력되는 값을 합하여 복호기로 입력된다. 이때 각 밴드에서의 성능이 전체 복호기의 성능에 영향을 주기 때문에 각 밴드에서의 출력값에 대한 가중치를 상기 수학식 4와 같이 정의한다. At this time

denotes a weight for the k-th band. As shown in FIG. 2, the received signal uses a matched filter to divide each frequency to obtain information on each channel, and then the equalizer removes multipath interference from each band and outputs it in each band. The resulting values are summed and input to the decoder. In this case, since performance in each band affects the performance of the entire decoder, a weight for an output value in each band is defined as in Equation 4 above.

가중치는 송수신단이 미리 알고 있는 프리앰블 신호의 오류율을 근거로 판단한다. 프리앰블 신호의 오류율이 크면 성능이 열악한 밴드이므로 가중치를 낮게 주고, 프리앰블 신호의 오류율이 작으면 성능이 좋은 밴드이므로 상대적으로 높은 가중치를 두어 복호기의 성능을 향상시킨다. 실시 예에서, 가중치를 할당하는 방법은 프리앰블 신호의 오류율이 10^- ¹이하이면 반복부호는 오류를 모두 수정할 능력이 있기 때문에 도 4와 같이 할당할 수 있다. 여기서, 오류율(Bit Error Rate, 이하 BER이라 한다)은 디지털 통신에서 나타나는 잡음, 왜곡 등 아날로그적 특성 변화에 따라, 디지털 신호가 영향 받는 정도를 종합적으로 평가할 수 있는 값으로, 전송된 총 비트수에 대한 오류 비트수의 비율을 의미한다.The weight is determined based on the error rate of the preamble signal known in advance by the transceiver. When the error rate of the preamble signal is large, the performance of the decoder is improved by giving a low weight because it is a band with poor performance. In an embodiment, in the method of allocating weights, ^{if the error rate of the preamble signal is 10 -} ¹ or less, since the repetition code has the ability to correct all errors, it can be assigned as shown in FIG. 4 . Here, the bit error rate (hereinafter referred to as BER) is a value that can comprehensively evaluate the degree to which a digital signal is affected by changes in analog characteristics such as noise and distortion appearing in digital communication. It means the ratio of the number of error bits to

도 4를 참조하면, 프리앰블 BER의 범위가 1) BER<

인 경우, 가중치 1을 부여하고, 2)

< BER <

인 경우, 가중치 0.9를 부여하고, 3)

< BER <

인 경우, 가중치 0.8을 부여하고, 4)

< BER <

인 경우 가중치 0.2를 부여하고, 5)

< BER 인 경우, 가중치 0.1을 부여한다.4, the range of the preamble BER is 1) BER<

, give a weight of 1, and 2)

< BER <

, give a weight of 0.9, 3)

< BER <

, give a weight of 0.8, and 4)

< BER <

In case of , a weight of 0.2 is given, 5)

If < BER, a weight of 0.1 is assigned.

실시 예에서는, 프리앰블 BER의 범위가

< BER <

인 경우에, 가중치를 0.1 내지 1을 부여하되, BER이 크면 가중치를 작게 부여하고, BER이 작으면 가중치를 크게 부여한다. 실시 예에서는 전술한 BER의 범위와 가중치의 범위를 구체적으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 통신 시스템의 성능, 환경, 응용에 따라 다양하게 설정할 수 있음은 물론이다. In an embodiment, the range of the preamble BER is

< BER <

In the case of , a weight of 0.1 to 1 is given, but if the BER is large, a small weight is given, and if the BER is small, a large weight is given. Although the above-described BER range and weight range have been described in detail in the embodiment, the present invention is not limited thereto, and can be set in various ways according to the performance, environment, and application of the communication system.

다시 도 2를 참조하면, 등화기의 출력 값

는 판정 궤환 등화기(Desision Feedback Equalizer, 이하 DFE라 한다)의 출력 값으로 수신 신호로부터 등화기에서 추정된 외부정보(extrinsic) 값이다.

와

의 차를 임계값 결정 파라미터에 적용하여 각 밴드에 대한 신호를 합한 뒤 역-인터리빙 하여 계산되어 복호기(Iterative Decoder)로 입력된다. 외부입력 값

는 복호기의 출력 값으로써 사후 확률 값을 계산하여 0 또는 1의 오류 값을 보정할 수 있는 값이다. 이러한

와

의 차이 값을 다시 인터리빙 하여

를 계산하여 LMS-DFE 등화기에 입력된다.

를 업데이트 하여 오류 값을 보정하는 방법을 취하게 되는데, 반복횟수가 늘어남에 따라 업데이트 하는 오류 보정 값이 송신하고자하는 원 신호에 가깝게 되어 BER 성능이 향상된다. 이러한 수신부 전체를 반복하는 터보 등화 방식은 복호된 데이터의 외부 정보를 등화기에 피드백하는 터보 등화기를 구성함으로써 성능을 향상시킬 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the output value of the equalizer

is an output value of a decision feedback equalizer (hereinafter referred to as DFE) and is an extrinsic value estimated by the equalizer from a received signal.

Wow

Apply the difference to the threshold determination parameter to sum the signals for each band, then de-interleave it to calculate it and input it to the decoder (Iterative Decoder). external input value

is a value capable of correcting an error value of 0 or 1 by calculating a posterior probability value as an output value of the decoder. Such

Wow

By interleaving the difference values of

is calculated and input to the LMS-DFE equalizer.

The method of correcting the error value is taken by updating In the turbo equalization method that repeats the entire receiver, performance can be improved by configuring a turbo equalizer that feeds back external information of the decoded data to the equalizer.

이하 도 5 내지 11을 참조하여, 실시 예에 따른 수중 통신 성능 향상을 위한 가중화된 다중 밴드 수신 방법 및 장치를 이용한 실험 및 결과를 상세히 설명한다. Hereinafter, experiments and results using a weighted multi-band reception method and apparatus for improving underwater communication performance according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 5 to 11 .

도 5를 참조하면, 송신기로는 NEPTUNE D/17/BB를 사용하였고 수신기는 B&K 8106을 사용하였다. 송수신기 사이의 거리는 최대 360m로 하였다. 그리고 송·수신기는 수면 아래 2m에 위치시켰다. Referring to FIG. 5 , NEPTUNE D/17/BB was used as a transmitter and B&K 8106 was used as a receiver. The distance between the transceivers was set at a maximum of 360 m. And the transmitter/receiver was placed 2m below the water surface.

도 6은 실험을 위한 파라미터를 나타낸다. 송신신호는 프리앰블 256 비트와 부호화율 1/3을 가지는 터보 부호화 비트 336 비트 총 592 비트이며, QPSK 변조하여 296 symbols로 구성하였다. 송수신단의 필터는 roll-off factor 0.35를 가지는 SRRC(Square Root Raised Cosine Filter)를 적용하였으며, 복호기의 내부 반복 횟수는 5회로 하였으며, 터보 등화기의 전체 반복 횟수는 최대 6회로 진행하였다. 전송율은 1kbps, 도 7에 도시된 것처럼, 각 밴드의 중심 주파수는 12kHz, 16kHz, 20kHz, 24kHz, 샘플링 주파수는 192kHz를 적용하였다.6 shows the parameters for the experiment. The transmission signal is a total of 592 bits, with 256 bits of preamble and 336 bits of turbo encoding bits having a coding rate of 1/3, and it is QPSK modulated and composed of 296 symbols. SRRC (Square Root Raised Cosine Filter) with a roll-off factor of 0.35 was applied to the filter at the transceiver stage, and the internal repetition number of the decoder was set to 5, and the total number of repetitions of the turbo equalizer was performed up to 6 times. The transmission rate was 1 kbps, and as shown in FIG. 7 , the center frequencies of each band were 12 kHz, 16 kHz, 20 kHz, 24 kHz, and the sampling frequency was 192 kHz.

도 8은 송신 신호에서 각 밴드의 패킷 구조를 나타내며, 송신신호는 가장 먼저 0.5초 동안 신호의 전송 시작을 알기 위한 LFMB(Linear Frequency Modulation Begin) 신호와 2초의 사일런스 구간을 둔 뒤, preamble 비트와 송신 데이터, 다시 2초 동안의 사일런스 구간, 마지막으로 신호의 끝을 나타내는 0.5초 동안의 LFME(Linear Frequency Modulation End) 신호가 한 패킷으로 구성되어 있다. 8 shows the packet structure of each band in the transmission signal, the transmission signal is first provided with an LFMB (Linear Frequency Modulation Begin) signal to know the start of signal transmission for 0.5 seconds and a silence period of 2 seconds, followed by a preamble bit and transmission Data, a silence period for 2 seconds, and a LFME (Linear Frequency Modulation End) signal for 0.5 seconds, which finally indicates the end of the signal, are composed of one packet.

도 9는 Nb=4 인 경우 송신 신호의 패킷 구조를 나타낸다. 도 8의 개별 밴드의 패킷 구조의 형태가 Nb=1, Nb=2, Nb=4에 위치하게 되고, 각 밴드 사이에 2초 동안의 사일런스 구간을 적용하여 다중 밴드 송신 신호 패킷구조를 형성한다. 사일런스 구간은 데이터가 송신되는 동안 패킷간의 간섭을 회피할 수 있도록 충분히 길게 설계되었고, 프리앰블 데이터는 수신되는 신호의 정확한 동기 획득과, 판정 궤환 등화기에서 다중 경로를 추정하기 위해 사용되었다. 9 shows a packet structure of a transmission signal when Nb=4. The packet structure of each band in FIG. 8 is located at Nb=1, Nb=2, and Nb=4, and a silence period for 2 seconds is applied between each band to form a multi-band transmission signal packet structure. The silence period is designed to be long enough to avoid inter-packet interference while data is being transmitted, and the preamble data is used to obtain accurate synchronization of the received signal and to estimate multipath in the decision feedback equalizer.

도 10은 밴드의 수를 1개에서 2개, 4개로 증가시켰을 경우 BER 성능을 나타내며, 4개의 다중 밴드를 사용하는 경우에는 등화기와 복호기 간의 전체 반복횟수를 6회 수행하였을 때, 모든 데이터를 오류없이 복호하였다. 4*의 경우에는 밴드수가 4개인 경우 동일한 데이터를 몇분 후 재전송시 성능을 나타내며, 이는 수중 환경의 변화로 반복횟수를 증가시켜도 성능 개선되지 않음을 알 수 있다. 10 shows the BER performance when the number of bands is increased from 1 to 2 and 4, and when 4 multi-bands are used, when the total number of iterations between the equalizer and the decoder is performed 6 times, all data are erroneous. decoded without it. In the case of 4*, when the number of bands is 4, the performance is shown when the same data is retransmitted after a few minutes.

도 11은 실시 예에 따라 프리앰블 데이터의 오류율을 분석한 후 preamble의 오류율에 따라 도 4에 도시된 가중치를 적용하여 성능을 분석한 것이다. f4 밴드의 프리앰블 데이터의 오류율이 안 좋아지는 것을 확인하였고, 성능을 향상시키기 프리앰블 오류율을 기반으로 가중치를 설정하여 반영한 결과 반복 횟수가 1회인 경우 모든 데이터를 오류 없이 복호하는 것을 확인하였다.11 shows performance analysis by applying the weight shown in FIG. 4 according to the error rate of the preamble after analyzing the error rate of preamble data according to an embodiment. It was confirmed that the error rate of the preamble data of the f4 band was not good, and as a result of setting and reflecting weights based on the preamble error rate to improve performance, it was confirmed that all data was decoded without errors when the number of repetitions was one.

실시 예에서, 다중 밴드 전송에 있어서 동일 데이터의 서로 다른 주파수에 전송한 결과 동일한 송수신 거리에서 서로 다른 특성 때문에 각 밴드에서 서로 다른 오류율을 가진다. 이는 오류율이 높은 밴드가 복호기의 성능을 감소시켜 전체적인 성능을 감소시킴을 알 수 있으므로 송수신간의 서로 알고 있는 프리앰블 데이터의 오류율을 획득하여 오류율이 높은 밴드에는 가중치를 작게 할당하고 오류율이 낮은 밴드에는 가중치를 높게 할당하는 각 밴드별 서로 다른 가중치를 할당함으로써 성능 향상을 가져올 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 방법 및 장치는 장거리 은밀 수중통신, 무인 수중 로봇 제어, 수중 네트웍 소나 체계등에 적용되는 성능 향상된 모뎀기법으로 활용될 수 있다.In an embodiment, in multi-band transmission, as a result of transmitting the same data at different frequencies, each band has different error rates due to different characteristics at the same transmission/reception distance. It can be seen that a band with a high error rate reduces the performance of the decoder, thereby reducing the overall performance. Therefore, by acquiring the error rate of the preamble data known to each other between transmission and reception, a small weight is assigned to a band with a high error rate, and a weight is assigned to a band with a low error rate. Performance can be improved by allocating different weights to each band that is highly allocated. In addition, the method and apparatus according to the embodiment can be utilized as a performance-enhanced modem technique applied to long-distance covert underwater communication, unmanned underwater robot control, an underwater network sonar system, and the like.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.

본 발명의 일 실시 예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비 분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비 분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. An embodiment of the present invention may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and non-volatile media, removable and non-removable media. Also, computer-readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes 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 includes any information delivery media.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. . Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims

calculating an error rate of preamble data for each band with respect to a plurality of received signals output through equalizers for different bands;
assigning different weights to the plurality of received signals based on the calculated error rates;
de-interleaving the sum signal obtained by summing the plurality of received signals to which different weights are given, and performing decoding on the de-interleaved sum signal; and
repeating the entire step by feeding back the decoded output value to the equalizer,
The error rate (BER) of the preamble data is

inside

The method of claim 1,
and interleaving a difference between the output value and the deinterleaved sum signal, and inputting the interleaved result value to each equalizer.

delete

The method of claim 1,
The received signal is a weighted multi-band signal reception method, characterized in that defined as in Equation (3).
[Equation 3]

(where L is the total number of multipaths, l is the lth multipath,

where l is the channel response coefficient in the path,

is the Gaussian noise, and D is

is the transmit signal (s(t)))

5. The method of claim 4,
The transmission signal is
A bit string (D) of N + n one packet data in which n preamble bits are inserted is defined as in Equation 1 below,

for Nb different bands.

A method for receiving a weighted multi-band signal, characterized in that the modulated signal is modulated for each band by multiplying by .

6. The method of claim 5,
The output signal of the k-th band passing through the equalizer is

If ,
The weighted multi-band signal reception method, characterized in that the plurality of reception signals to which different weights are given are defined as in Equation (4) below.
[Equation 4]

(here,

is the weight for the kth band)

A recording medium recording a program for executing the method according to any one of claims 1, 2, and 4 to 6 on a computer.

A weighted multi-band signal receiving apparatus, comprising:
Memory; and
including a processor;
The processor calculates an error rate of the preamble data for each band with respect to a plurality of received signals output through equalizers for each of the different bands,
Different weights are given to the plurality of received signals based on the calculated error rate,
inverse-interleaving the sum signal obtained by summing the plurality of received signals to which the different weights are given, and performing decoding on the inverse-interleaved sum signal;
repeating error rate calculation, weighting, and decoding by feeding back the decoded output value to the equalizer;
The processor is
The error rate (BER) of the preamble data is

inside

9. The method of claim 8,
The processor is
and interleaving a difference between the output value and the deinterleaved sum signal, and inputting the interleaved result value to each equalizer.

delete