KR102487892B1 - 선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송신 장치 및 데이터 수신 장치를 포함하는 선박 중심 직접 통신 시스템은 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯 각각의 특정 위치에 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치에 송신하는 데이터 송신 장치 및 상기 데이터 송신 장치로부터 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환하는 데이터 수신 장치를 포함한다.

Description

선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법{SHIP CENTRIC DIRECT COMMUNICATION AND METHOD OF PERFORMING THEREOF}

본 발명은 선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 의사 잡음 시퀀스(pseudo-random noise sequence)에 원래의 신호를 입력시키면 주파수당 전력밀도가 낮아진 확산대역 스펙트럼 신호를 얻을 수 있고 수신측에서도 동일한 시퀀스의 의사잡음 시퀀스를 사용하면 원 신호를 재생할 수 있도록 하는 선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법에 관한 것이다.

SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization, 단일 반송파 주파수 영역 등화) 전송방식은 기존의 단일 반송파 방식에 Cyclic Prefix(CP)를 추가하여 전송하는 방식이다.

따라서, 수신기에서 복잡한 시간영역 채널등화 방식을 사용하지 않고 주파수 영역에서 채널 등화를 가능하게 하여 주파수 선택적 특성을 갖는 페이딩 채널에서 비교적 간단하게 무선채널 왜곡을 보상할 수 있어 광대역 무선통신 시스템에서 일부 사용되고 있다.

SC-FDE의 채널보상 방식은 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)의 방식과 유사하나 OFDM은 신호의 Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)가 크기 때문에 송신기의 전력효율이 나빠 전력소모가 큰 문제가 있다. 이와 같은 문제는 특히 배터리로 동작하는 통신기기에서 더 심각하다는 문제점이 있다.

하지만, SC-FDE 방식은 단일 반송파 전송방식이기 때문에 PAPR이 OFDM에 비해 상대적으로 작고 결국 송신기의 전력소모를 줄일 수 있어 배터리로 동작하는 시스템에 더 적합하다.

한편, SC-FDE 방식은 단일 반송파 주파수를 사용하므로 복수의 수신기들로 하향 링크 전송 시에는 상호 간 간섭이나 다중 경로 페이딩이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 현재 무선 통신 시스템에서는 하향링크에서는 OFDM 방식을 이용하고 상향링크에서는 SC-FDMA 방식을 사용하는 절충적인 형태를 취한다. 하지만, 지상국 장치와 무인기 간의 통신 링크에서는 어떠한 통신 방식을 사용할지에 대한 프로토콜이 무인기에 따라 상이하다는 문제점이 있다.

한편, 채널 추정을 위해서 송신기는 파일럿 신호를 전송해야 한다. 수신기에서는 송신기가 전송한 파일럿이 왜곡되어 도착한 것을 보고 채널을 추정할 수 있다. 파일럿은 주기적으로 전송해야 하는데 이는 통신기기가 이동 중이거나 주면 환경의 변화가 있을 때 송 수신 간 무선 채널 특성이 시간에 따라 변할 수 있으므로 주기적으로 채널특성을 추정하고 갱신해야 하기 위해서 주기적인 파일럿이 필요하기 때문이다.

따라서 빠르게 이동하는 환경에서는 더 자주 파일럿을 전송해야 하고 이는 파일럿에 의한 오버헤드가 증가하여 실제 사용자 전송속도가 저하되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1275852호는 UW(UNIQUE-WORD)를 사용하는 SC-FD 기반의 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 입력 데이터를 소정의 변조 방식으로 변조하여 데이터 심볼을 출력하는 변조부 및 상기 데이터 심볼의 앞단에 두 개의 UW(unique-word)를 추가하고 상기 데이터 심볼의 뒷단에 한개의 UW를 추가하는 UW 삽입부를 포함하는 내용이 개시되어 있다.

한국공개특허 제10-2022-0111381호는 SC-FDE 방식의 위상 잡음 보상을 위한 송수신 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로, 밀리미터파 이상의 통신 대역에서 SC-FDE(Single Carrier-Frequency Domain Equalizer) 방식의 데이터 송수신에서 위상 잡음을 추정하고 보상하기 위해 데이터를 송수신한다는 내용이 개시되어 있다.

한국등록특허 제10-0989098호는 SC-FDE 시스템에서 GMSK 변조에 기초한 데이터 프레임 생성 방법에 관한 것으로, 제1 데이터 심볼 열과 제2 데이터 심볼 열에 각각 제1 플러시 심볼 및 제로 심볼과 제2 플러시 심볼 및 제로 심볼을 결합함으로써 위상의 불연속성을 방지할 수 있다는 내용이 개시되어 있다.

한국등록특허 제10-1858993호는 SC-FDE 전송 구조에서 파일럿 오버헤드 감소 방법에 관한 것으로, 송신기에서는 파일럿을 가끔 전송하며 수신기에서는 파일럿을 이용하여 채널을 추정하며 파일럿과 파일럿 사이의 채널은 선형보간법을 이용하여 채널을 추정한다는 내용이 개시되어 있다.

(선행기술 1) 한국등록특허 제10-1275852호 (선행기술 2) 한국공개특허 제10-2022-0111381호 (선행기술 3) 한국등록특허 제10-0989098호 (선행기술 4) 한국등록특허 제10-1858993호

본 발명은 기존 해상 모바일 서비스에 할당된 300㎒ 이하의 대역보다 높은 고 주파수(이하 MX) 기반 광대역 통신 기술을 활용하는 MX-S2X 통신을 개발하기 위해 고 주파수 대역을 해상에서 사용할 경우 예상되는 해수면에 의한 다중경로 페이딩 영향을 최소화할 수 있도록 하는 선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 의사 잡음 시퀀스(pseudo-random noise sequence)에 원래의 신호를 입력시키면 주파수당 전력밀도가 낮아진 확산대역 스펙트럼 신호를 얻을 수 있고 수신측에서도 동일한 시퀀스의 의사잡음 시퀀스를 사용하면 원 신호를 재생할 수 있어 변조의 효율성이 좋고 신호의 동기가 빠르며 낮아진 전력밀도에 대역내 간섭이 적은 선박 중심 직접 통신 시스템 및 이의 실행 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 데이터 송신 장치 및 데이터 수신 장치를 포함하는 선박 중심 직접 통신 시스템은 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯 각각의 특정 위치에 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치에 송신하는 데이터 송신 장치 및 상기 데이터 송신 장치로부터 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환하는 데이터 수신 장치를 포함한다.

또한 이러한 목적을 달성하기 위한 선박 중심 직접 통신 시스템의 실행 방법은 데이터 송신 장치가 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯 각각의 특정 위치에 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치에 송신하는 단계, 상기 데이터 수신 장치가 상기 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하는 단계 및 상기 데이터 수신 장치가 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기존 해상 모바일 서비스에 할당된 300㎒ 이하의 대역보다 높은 고 주파수(이하 MX) 기반 광대역 통신 기술을 활용하는 MX-S2X 통신을 개발하기 위해 고 주파수 대역을 해상에서 사용할 경우 예상되는 해수면에 의한 다중경로 페이딩 영향을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 의사 잡음 시퀀스(pseudo-random noise sequence)에 원래의 신호를 입력시키면 주파수당 전력밀도가 낮아진 확산대역 스펙트럼 신호를 얻을 수 있고 수신측에서도 동일한 시퀀스의 의사잡음 시퀀스를 사용하면 원 신호를 재생할 수 있어 변조의 효율성이 좋고 신호의 동기가 빠르며 낮아진 전력밀도에 대역내 간섭이 적다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 중심 직접 통신 시스템을 설명하기 위한 네트워크 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 프레임의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인접 파일럿 사이의 선형 보간 채널 추정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 중심 직접 통신 시스템의 실험 결과를 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

종래의 MUNIN 프로젝트에서는 자율운항선박의 운용에 필요한 통신 요구사항을 분석하여 자율운항선박에 유인선박이 접근하는 랑데부(Rendezvous), 원격 제어(Remote Control), 정보 전송(Telemetry), 레이더 타겟(Radar Targets) 및 HD급 영상(HD Video)의 통신 하한 요구사항을 [표 1]과 같이 제시하였다.

[표 1]

[표 1]에서 제시한 랑데부, 원격제어 등 통신 요구속도는 기존 레거시 해상통신 시스템으로도 수용 가능한 낮은 수준으로 볼 수 있다. 하지만 최근 자율운항선박의 주변 상황 인식, 수집 정보 교환 수요, 디지털 트윈과 같은 육상 모니터링을 고려하면 요구속도는 Mbps급으로 크게 상향되어야 한다.

해상 사고는 발생할 경우 대형 피해를 야기하므로 선박의 자율화, 자동화의 수준이 높을수록 더 높은 통신 성능을 가져야 하며 두 관계에 대한 비용-효율적 비교가 중요하다.

Namgung(2019)에서는 자율운항선박에 필요한 통신 용량을 산정하기 위해 통신 기지국 당 자율운항선박의 수, 주파수 사용 효율, 한 선박 당 요구되는 데이터 양 등을 고려한 산식을 이용하였다.

항구, 항만에서의 VTS 교신의 중요성, 충돌회피와 센서 정보 수집 등을 고려하여 자율운항선박 한 척 당약 0.8㎒의 스펙트럼이 요구됨을 제시하고 우리나라 주요 항구의 선박 분포를 통합 적용하여 다운링크 기준 11.3㎒, 상향 링크 기준 103.9㎒의 스펙트럼이 요구됨을 제시하였다.

육상으로 데이터를 전송하는 상향 링크에 대한 대역폭이 더 많이 요구되는 이유는 현시점에서 아직 자율운항선박의 자율성이 높지 않고 육상에서의 통제가 중요하기 때문인 것으로 해석할 수 있다.

MX-S2X의 비면허대역 주파수 활용 가능성 관련하여 Kumar(2019) 연구에서는 V2X 통신 기술의 해상 사용 가능성과 함께 운용범위를 약 13km로 추정하였고, Kang et al.(2019)에서는 선박 운항자 중심의 네트워킹(S2X) 통신 기술의 개념 정립 필요성을 제기하면서 자율운항선박의 주변 상황 인식을 위한 선박 대 선박 통신에 활용 가능한 AIS 등의 포화상황으로 인해 추가적인 통신 기술의 선제적 도입의 필요성을 강조하였다.

VDES(VHF Data Exchange System)는 선박과 선박, 선박과 해안국 간 AIS, ASM(Application Specific Message), VDE데이터를 송수신하는 차세대 해상무선통신시스템으로 국제표지항로협회(IALA)에서 개발된 기술 기준인 G1139를 기반으로 2021년 ITU-R M.2092의 권고안이 배포되었다.

향후 해양 모빌리티와 자율운항선박 등의 활용성을 고려하면 MX-S2X 통신기술에 요구되는 데이터 전송률은 위의 [표 1]에 따라 최소 3Mbps급 이상이 되어야 한다. VDE 물리계층의 전송속도는 최대 307.2kbps이며, CRC를 제외한 순수 사용자 데이터만으로 계산한다면 실질적인 페이로드 전송속도는 최대 209.4kbps이다. VDE는 기존 AIS의 9.6kbps와 타 통신에 비하여 높은 통신 속도를 제공하나 자율운항선박을 위한 최소한의 요구 속도를 제공할 수 없는 수준이다

해사 안전을 위한 통신은 다양한 형태의 모빌리티를 지원할 수 있는 통신 네트워크를 제공하여야 한다. VDES는 1분에 2,250 슬롯으로 구성되는 TDMA 네트워크를 제공하여 다수의 선박이 혼잡하게 몰리는 해역에서 슬롯 포화가 발생될 수 있다. 향후 예상되는 다수 해양 모빌리티의 네트워크 운용에 제한이 없도록 추가적인 슬롯 여유를 확보하는 등의 개선이 필요한 이유이다.

열악한 해상환경에서 다중경로 페이딩 영향은 반드시 극복되어야 하나 기존의 해상 통신기술에서는 충분한 검토가 이루어지지 않고 있는 실정이다. Kim et al.(2017), Ryu et al.(2018) 연구에서 VDE의 경우 다중경로 페이딩 영향 극복을 위해 Syncword 사용을 고려할 수 있으나 27개의 짧은 심볼로 인하여 충분한 성능을 제공할 수 없다. 그러므로 시간/주파수 동기 및 등화 기능을 위한 해상 환경에서의 영향을 분석하여 다중경로 페이딩 및 도플러 영향을 극복하기 위한 물리계층의 설계는 가장 중요한 연구개발 항목이다.

따라서, 본 발명에서는 기존 해상 모바일 서비스에 할당된 300㎒ 이하의 대역보다 높은 고 주파수(이하 MX) 기반 광대역 통신 기술을 활용하는 MX-S2X 통신을 개발하기 위해 고 주파수 대역을 해상에서 사용할 경우 예상되는 해수면에 의한 다중경로 페이딩 영향을 최소화할 수 있도록 하는 방법을 제시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 중심 직접 통신 시스템을 설명하기 위한 네트워크 구성도이다.

도 1을 참조하면, 선박 중심 직접 통신 시스템은 데이터 송신 장치(100) 및 데이터 수신 장치(200)를 포함한다.

데이터 송신 장치(100)는 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯 각각의 특정 위치에 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치(200)에 송신한다.

먼저, 데이터 송신 장치(100)는 슬롯 시간에 따라 슬롯을 생성한다. 이때, 슬롯 시간은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 중심 직접 통신 시스템이 운용되는 통신 환경의 상관 시간을 고려하여 선박 이동 속도에 의해 산출된다.

이때, 선박의 이동 속도 요구 사항을 최대 50㎞/h로 가정한 경우 최대 도플러 주파수는 111.11㎐이며, 상관 시간은 약 3.8㎳다. 따라서, 본 발명에서는 상관 시간을 고려해 슬롯 시간을 2㎳이다.

상기와 같이, 슬롯 시간이 2㎳인 경우 파일럿 전송이 여러 SC-FDE 심볼 단위로 가능하며 구조 또한 데이터 구조와 동일한 SC-FDE 심볼 형태로 적용 가능하다. 이런 경우, 데이터 심볼과 동일한 FFT 크기를 가지므로 FFT 출력 결과 전체를 채널 추정 및 보상에 사용할 수 있다.

그 후, 데이터 송신 장치(100)는 채널 추정을 위한 파일럿 전송 주기에 따라 슬롯에 파일럿을 배치한다. 이때, 채널 추정을 위한 파일럿 전송 주기는 최대 도플러 주파수 및 주파수 옵셋에 따라 결정된다.

주파수 옵셋의 요구 규격은 VDES를 참조하여 최대 주파수 옵셋 500㎐를 기준으로 적용하였다. 슬롯 시간에서 도플러 주파수를 포함한 최대 주파수 옵셋에 따른 위상 회전은 (111.11㎐ + 500㎐) × 2㎳ ×360도 = 약 440도로, 최대 추정 보상이 가능한 위상 360도를 과하므로 약 1㎳ 단위로 파일럿을 배치해 전송한다.

상기와 같이, 채널 추정을 위한 파일럿 전송 주기는 최대 도플러 주파수 및 주파수 옵셋에 대해 고려되어야 한다. 주파수 옵셋의 요구 규격은 VDES를 참조하여 최대 주파수 옵셋 500㎐를 기준으로 적용하였다.

슬롯 시간에서 도플러 주파수를 포함한 최대 주파수 옵셋에 따른 위상 회전은 (111.11㎐ + 500㎐) × 2㎳ × 360도 = 약 440도로, 최대 추정 보상이 가능한 위상 360도를 초과하므로 약 1㎳ 단위로 파일럿을 배치해 전송한다. 이때, MX-S2X 슬롯 구조는 기본 슬롯당 3개의 파일럿을 할당하며 도 2와 같이 구성된다.

따라서, 슬롯 시간이 2 ms인 경우 1ms 단위로 파일럿을 배치된다. 예를 들어, 데이터 송신 장치(100)는 슬롯의 앞, 중간 및 뒤에 각각에 파일럿을 배치하며 각각의 파일럿을 #1, #2, #3으로 지정할 수 있다.

상기와 같이, 데이터 송신 장치(100)는 슬롯에 파일럿 전송 주기에 따라 파일럿을 배치하는 이유는 파일럿이 각각 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 FFT 출력 보정에 사용하기 위해서이다.

예를 들어, 슬롯의 특정 위치에 파일럿 #1, #2, #3이 배치되어 있는 경우, 파일럿 #1에서 채널 추정한 결과 H1과, 파일럿 #2에서 채널 추정한 결과 H2는 선형 보간하여 Hi12를 도출하는데 사용된다. 이와 같은 방식으로 동작하기 위한 파일럿 배치 및 활용은 도 3에서 설명하기로 한다.

데이터 수신 장치(200)는 데이터 송신 장치(100)로부터 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환한다.

보다 구체적으로, 데이터 수신 장치(200)는 주파수 영역에서 채널 추정 및 보상을 수행한다. 이때, 데이터 수신 장치(200)는 주파수 영역 최소 자승(Least Square : LS) 추정 방식을 이용하여 채널 추정 및 보상을 수행한다. 이때, 채널 추정 및 보상을 위한 연산과정은 다음의 식들과 같다.

[수학식 1]

R_j(k): j번째 수신된 수신 파일럿,

S_j(k): j번째 송신된 송신 파일럿,

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당

H_j(k): R_j(k) 및 S_j(k)에 대한 LS 연산 결과로 획득되는 채널 추정 결과

[수학식 2]

H₁: 파일럿 #1로부터 획득된 LS 연산 결과

H₂: 파일럿 #2로부터 획득된 LS 연산 결과

H₁₂: 파일럿 #1와 파일럿 #2 사이의 선형 보관 결과

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당

C는 파일럿과 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1,

[수학식 3]

H₂₃: 파일럿 #2와 파일럿 #3 사이의 선형 보관 결과

H₂: 파일럿 #2로부터 획득된 LS 연산 결과

H₃: 파일럿 #3로부터 획득된 LS 연산 결과

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당

C는 파일럿과 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1,

상기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]은 Hj(k)에 대한 선형 보간 방식을 나타내며, C는 파일럿과 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1에 해당하며 위치에 따라 왼쪽 파일럿과 오른쪽 파일럿의 채널 추정 결과 반영 비중이 변화한다.

[수학식 4]

σ₁₂: 파일럿 #1와 파일럿 #2 사이의 잡음 분산,

σ₁: 파일럿 #1로부터 획득된 잡음 분산,

σ₂: 파일럿 #2로부터 획득된 잡음 분산,

C는 파일럿과 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1,

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당,

[수학식 5]

σ₂: 파일럿 #2로부터 획득된 잡음 분산,

σ₃: 파일럿 #3로부터 획득된 잡음 분산,

σ₂₃: 파일럿 #1와 파일럿 #2 사이의 잡음 분산,

[수학식 4] 및 [수학식 5]는 잡음 분산에 대한 선형 보간 방식을 나타낸다.

[수학식 6]

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당,

: Hiq(k) 와 noise variance를 이용하여 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error)방식을 적용한 데이터구간 채널보상 필터

[수학식 6]은

와 잡음 분산을 이용하여 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error)방식을 적용한 데이터구간 채널보상 필터 H’iq(k)의 도출 과정을 보여준다.

[수학식 7]

k: 부반송파 번호로 FFT 출력 번호에 해당,

: Ri(k)에 나눔으로 주파수 영역에서 채널 보상한 신호

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 프레임의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 전송 프레임은 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯 각각의 특정 위치에 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된다. 이때, 데이터 심볼은 [표 2]와 같다.

[표 2]

이때, 데이터 전송 요구조건(≥ 3Mbps)을 만족하기 위하여 데이터 송신 장치(100)는 슬롯 당 18개의 데이터 심볼을 할당하며, 채널 코덱은 CTC(Convolutional Turbo Code) 1/2, QPSK 변조 방식, 심볼율은 약 6.144㎒로, 슬롯 시간은 초당 500개의 슬롯이 할당되도록 설계를 고려하면 데이터 전송률은 4.448Mbps가 가능하다.

SC-FDE용 CP(Cyclic Prefix) 길이는 채널 응답에서 유효 성분 중 최대지연보다 크게 설계하여 다중경로에 의한 ISI 영향을 제거하기 위함이다. 해상 환경에서의 채널 응답을 측정한 경우 고려해야 할 최대 지연 시간은 2.2㎲이며 이는 국내 해상 환경도 비슷할 것으로 추정하여 CP 길이는 2.6㎲로 설계하며 심볼율 기준 16심볼로 할당한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인접 파일럿 사이의 선형 보간 채널 추정 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 데이터 수신 장치(200)는 데이터 송신 장치(100)로부터 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿(Pilot #1, Pilot #2, Pilot #3)을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환한다.

데이터 수신 장치(200)는 파일럿 #1에 대해서 파일럿 #1로부터 획득된 잡음 분산(σ₁) 및 파일럿 #1로부터 획득된 LS 연산 결과(H₁)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하고, 파일럿 #2에 대해서 파일럿 #2로부터 획득된 잡음 분산(σ₂) 및 파일럿 #1로부터 획득된 LS 연산 결과(H₂)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하고, 파일럿 #3에 대해서 파일럿 #3로부터 획득된 잡음 분산(σ₃) 및 파일럿 #3로부터 획득된 LS 연산 결과(H₃)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간한다.

그리고, 파일럿 #1가 수신된 파일럿 #2가 수신될 때까지의 선형 보간 결과(H₁₂)는 파일럿 #1로부터 획득된 LS 연산 결과(H₁), 파일럿 #2로부터 획득된 LS 연산 결과(H₁), 파일럿 #1 및 파일럿 #2 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고, 잡음 분산(σ₁₂)은 파일럿 #1로부터 획득된 잡음 분산(σ₁), 파일럿 #2로부터 획득된 잡음 분산(σ₂), 파일럿 #1 및 파일럿 #2 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출된다.

그리고, 파일럿 #2가 수신된 파일럿 #3가 수신될 때까지의 선형 보간 결과(H₁₂)는 파일럿 #2로부터 획득된 LS 연산 결과(H₂), 파일럿 #3로부터 획득된 LS 연산 결과(H3), 파일럿 #2 및 파일럿 #3 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고, 잡음 분산(σ₂₃) 파일럿 #2로부터 획득된 잡음 분산(σ₂), 파일럿 #3로부터 획득된 잡음 분산(σ₃), 파일럿 #2 및 파일럿 #3 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출된다.

상기와 같이, 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환한다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 중심 직접 통신 시스템의 실험 결과를 설명하기 위한 그래프이다.

도 4 내지 도 8을 참조하면, 동작 시험 결과 스펙트럼 상에서 그림 6의 등화기 입력 신호의 스펙트럼은 다중경로 페이딩으로 인해 주파수 선택적 페이딩 스펙트럼 형태를 보이지만 등화기의 출력 신호는 다중경로 영향이 극복된 스펙트럼을 확인할 수 있다.

도 5에서는 등화기 입력 심볼에 비해 출력 심볼은 뚜렷한 QPSK 성상점을 확인할 수 있다. 해상 통신 환경에 대한 채널 모델에 대하여 VDE 물리계층의 BER 성능을 확인하고, 동일한 해상 채널에 대한 MX-S2X 물리계층의 성능 분석 및 설계의 타당성을 확인한다.

해상통신용 다중경로 페이딩 채널은 Delay & Power profile을 적용하였고 VDE와 MX-S2X는 운용 주파수가 각각 161.8375㎒와, 2.4㎓로 다름에 따라 적용되는 도플러 주파수는 각각 7.4925㎐와 111.11㎐를 적용하였다. 그리고 Rician K-factor는 LOS(Line-Of-Sight)가 보장되는 경우를 가정하여 14㏈(약 25.1)로 한다.

이하에서는, 다중경로 페이딩 채널 모델에 대한 VDE 100㎑ 대역폭 모드의 모의시험 결과와 실해역 시험 결과를 비교하여 Yang(2010)의 다중경로 페이딩 채널 모델에 대한 타당성을 확인한다. VDE 100㎑ 대역폭 모드에 대AWGN 및 Yang(2010) 의 다중경로 페이딩 채널 모델 하에서의 성능은 각각 도 6 및 도 7과 같다.

도 6은 Link ID 11 및 17로 π/4-QPSK 변조 및 Turbo 코드 부호율 1/2을 적용한 결과이고, 도 7는 Link ID 19로 16QAM 변조 및 Turbo 코드 3/4을 적용한 결과이다. 상기 결과 모두 BER=1×10-4 기준으로 다중경로 페이딩 채널의 성능이 AWGN 성능 대비 약 8㏈ 정도 열화되며, 다중경로 페이딩 채널의 성능이 Error-floor 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 Error-floor 경향은 실해역 시험에서 선박국 수신 SNR이 충분한 환경에서도 측정한 PSR(Packet Success Ratio)의 측정결과 에러가 발생됨을 확인할 수 있다.

이러한 시험 결과는 다중경로에 의한 ISI 영향으로 볼 수 있으며, 그 효과는 주파수 영역에서 주파수 선택적 페이딩으로 나타나고 신호의 품질을 열화 시킨다. 신호 품질을 열화 시키는 정도는 Delay & Power profile이 대상 신호에 미치는 영향으로 판단할 수 있는데, 정량적으로 판단하기 쉬운 방법은 채널 모델에 정의한 최대 지연 시간이 심볼 단위 상에 미치는 영향으로 판단할 수 있다.

도 8은 MX-S2X 물리계층의 BER 성능을 분석한 결과이다. AWGN 채널에서는 SNR 1.6dB에서 BER 1×10-4의 성능을 보였으며, Yang(2010) 채널 모델에 대한 SNR상의 영향력을 확인하기 위해 그림4의 등화기를 거치지 않고 채널보상을 적용하지 않는 경우의 성능을 분석해 본 결과 BER은 약5×10-1로 정상적인 통신 채널을 제공하지 못하는 것으로 확인되었다. MX-S2X 물리계층의 성능을 확인하기 위해 등화기에서 채널보상을 한 경우의 성능을 분석해 본 결과 SNR 3.5dB에서 BER 1×10-4의 성능을 보임으로, AWGN 대비 약 2dB 열화 범위 내에서 동작하는 것으로 확인되었다.

채널보상 기능을 미적용할 경우 MX-S2X의 symbol rate는 6.144㎒이므로 Yang(2010) 채널 모델의 최대 지연 2.2㎲는 MX-S2X 심볼 약 13.52 심볼에 해당한다. 이런 Delay Profile의 영향은 VDE 심볼 내에 다른 크기와 다른 위상으로 수신되는 간섭으로 작용하여 ISI 영향으로 인한 수신 신호 품질의 열화를 발생시킨다. MX-S2X에서의 최대 지연의 영향은 다른 크기와 다른 위상뿐만 아니라 다른 심볼 간 신호가 합산됨으로 인해 더욱 성능 열화에 큰 영향을 받는다.

등화기를 적용한 경우 Error-floor가 나타나지 않았으며, 특히 SNR 2dB 열화 범위 내에서 동작하는 것으로 분석된 것은 등화기의 신호 추정 방법 및 보상 방법이 적합하고, 슬롯 구조상 충분한 Training sequence가 할당되었으며, 채널 추정의 정확도를 높이기 위한 파일럿의 배치와 Coherence time 내 슬롯이 전송되도록 설계한 것 모두 적합하다고 볼 수 있다. 다시 말해, SNR이 높음에도 불구하고 발생했던 Error-floor는 물리 계층의 적합한 설계로 개선된 것으로 판단된다.

한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 데이터 송신 장치,
200: 데이터 수신 장치,

Claims (2)

1. 데이터 송신 장치 및 데이터 수신 장치를 포함하는 선박 중심 직접 통신 시스템에 있어서,
   슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯의 앞, 중간 및 뒤에 각각 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치에 송신하는 데이터 송신 장치; 및
   상기 데이터 송신 장치로부터 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하고, 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환하는 데이터 수신 장치를 포함하고,
   상기 데이터 수신 장치는
   상기 복수의 파일럿 중 제1 파일럿에 대해서 제1 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ1) 및 제1 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H1)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하고, 상기 복수의 파일럿 중 제2 파일럿에 대해서 제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ2) 및 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H2)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하고, 상기 복수의 파일럿 중 제3 파일럿에 대해서 상기 제3 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ3) 및 상기 제3 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H3)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하고,
   상기 제1 파일럿이 수신된 후 제2 파일럿이 수신될 때까지의 선형 보간 결과(H₁₂)는 상기 제1 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H1), 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H2), 제1 파일럿 및 제2 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제2 파일럿 및 제3 파일럿 사이의 선형 보간 결과(H₂₃)는 상기 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H₂), 제3 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H₃), 제2 파일럿 및 제3 v파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제1 파일럿 및 상기 제2 파일럿 사이의 잡음 분산(σ₁₂)은 상기 제1 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ1), 상기 제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ2), 상기 제1 파일럿 및 상기 제2 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제2 파일럿 및 상기 제3 파일럿 사이의 잡음 분산(σ₂₃)은 제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ₂), 제3 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ₃), 제2 파일럿 및 제3 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는
   선박 중심 직접 통신 시스템.
   
2. 데이터 송신 장치가 슬롯 시간에 따라 생성된 복수의 슬롯, 파일럿 전송 주기에 따라 상기 복수의 슬롯의 앞, 중간 및 뒤에 각각 배치된 채널 추정을 위한 복수의 파일럿 및 상기 복수의 파일럿 사이에 배치된 데이터 심볼로 구성된 전송 프레임을 링크 채널을 통해 데이터 수신 장치에 송신하는 단계;
   상기 데이터 수신 장치가 상기 전송 프레임을 수신하면 상기 전송 프레임의 복수의 슬롯 각각에 대한 복수의 파일럿을 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하는 단계; 및
   상기 데이터 수신 장치가 상기 채널 보상된 신호를 다시 시간 영역 심볼로 변환하는 단계를 포함하고,
   상기 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하여 상기 복수의 파일럿 사이에 있는 데이터에 대한 채널 보상을 실행하는 단계는
   상기 복수의 파일럿 중 제1 파일럿에 대해서 제1 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ1) 및 제1 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H1)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하는 단계;
   상기 복수의 파일럿 중 제2 파일럿에 대해서 제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ2) 및 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H2)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하는 단계; 및
   상기 복수의 파일럿 중 제3 파일럿에 대해서 상기 제3 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ₃) 및 상기 제3 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H₃)를 이용하여 주파수 영역에서 채널 추정후 선형 보간하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 파일럿 및 상기 제2 파일럿 사이의 선형 보간 결과(H₁₂)는
   상기 제1 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H1), 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H2), 제1 파일럿 및 제2 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제2 파일럿 및 제3 파일럿 사이의 선형 보간 결과(H₂₃)는
   상기 제2 파일럿으로부터 획득된 LS 연산 결과(H₂), 파일럿 #3로부터 획득된 LS 연산 결과(H3), 파일럿 #2 및 파일럿 #3 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제1 파일럿 및 상기 제2 파일럿 사이의 잡음 분산(σ₁₂)은
   상기 제1 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ1), 상기 제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ2), 상기 제1 파일럿 및 상기 제2 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출되고,
   상기 제2 파일럿 및 상기 제3 파일럿 사이의 잡음 분산(σ₂₃)은
   제2 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ₂), 제3 파일럿으로부터 획득된 잡음 분산(σ₃), 제2 파일럿 및 제3 파일럿 사이의 데이터 심볼 개수 +1(C)를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는
   선박 중심 직접 통신 시스템의 실행 방법.

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