KR20220152007A - Low power/high efficiency underwater communication system and method for underwater internet of things - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수중 통신 시스템 및 그 수중 통신방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파일럿 심볼 전송, 스크램블링, 중첩 변조 기법에 기반한 처프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum; CSS) 변조방식을 이용하며, 수중 사물인터넷을 위하여 수중에서의 소모되는 전력을 최소화하며 주파수 효율을 높일 수 있는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템 및 그 수중 통신방법에 관한 것이다.The present invention relates to an underwater communication system and an underwater communication method thereof, and more particularly, uses a Chirp Spread Spectrum (CSS) modulation method based on pilot symbol transmission, scrambling, and superposition modulation techniques, and provides an underwater Internet of Things (IoT). It relates to a low-power / high-efficiency underwater communication system and an underwater communication method for underwater IoT, which can minimize power consumption in water and increase frequency efficiency.
수중사물인터넷의 경우 넓은 해역, 장치 구축 비용, 배터리 교체 비용 등을 고려하면 육상 사물인터넷보다 더 넓은 커버리지를 요구한다. 반면 수온, 염도, 용존산소량 등 수중 환경 센싱 데이터의 경우 시간에 따른 변화량이 크지 않다. 따라서 수중사물인터넷을 위한 수중 음향 통신에 요구되는 전송 속도는 그리 크지 않다. In the case of underwater IoT, a wider coverage is required than land IoT, considering the wide sea area, device construction cost, and battery replacement cost. On the other hand, in the case of underwater environmental sensing data such as water temperature, salinity, and dissolved oxygen, the change over time is not large. Therefore, the transmission speed required for underwater acoustic communication for the underwater IoT is not very high.
육상 통신과 비교하여 수중사물인터넷을 위한 수중 음향 통신이 갖는 특징은 수중 채널의 변화량이 매우 크다는 점이다. 수중 환경은 조류, 파도, 수심에 따른 수온 차이 등 다양한 환경적 요소로 인해 시간에 따른 변화량이 크다. Compared to terrestrial communication, the characteristic of underwater acoustic communication for underwater IoT is that the amount of change in the underwater channel is very large. The underwater environment has a large change over time due to various environmental factors such as tides, waves, and water temperature differences according to water depth.
수중 음향 통신에 사용되는 음파의 수중 전달 속도는 약 1500m/s이다. 수중 음향 통신에 사용되는 주파수 대역이 수 kHz에서 수십 kHz임을 고려할 때 음파의 전달 속도는 매우 느리다고 할 수 있다. 이러한 음파의 느린 전달 속도로 인해 시간에 따른 수중 채널의 변화량은 상대적으로 더 크게 되며, 이는 수중 음향 통신의 성능을 크게 저해하는 요인이 된다.The propagation speed of sound waves used in underwater acoustic communication in water is about 1500 m/s. Considering that the frequency band used for underwater acoustic communication is several kHz to several tens of kHz, it can be said that the propagation speed of sound waves is very slow. Due to the slow propagation speed of the sound wave, the amount of change in the underwater channel over time becomes relatively large, which greatly impedes the performance of underwater acoustic communication.
수중 음향 통신에서 시간에 따른 수중 채널의 변화는 수신 신호에 도플러 현상을 유발한다. 더 나아가 느린 음파 전달 속도 때문에 시간에 따라 수신 신호의 시작 위치가 빠르게 변화할 수 있다. In underwater acoustic communication, a change in an underwater channel over time causes a Doppler phenomenon in a received signal. Furthermore, because of the slow propagation speed of sound waves, the start position of the received signal may rapidly change over time.
육상 통신의 경우 전파의 전달 속도가 빛의 속도와 동일하기 때문에 프리앰블(preamble)과 같은 알려진 신호를 기반으로 시간 동기화를 수행하고 시간 오차를 보상하면 그 뒤에 수신되는 신호의 시작점은 변하지 않는다고 가정할 수 있다. In the case of terrestrial communication, since the propagation speed of radio waves is the same as the speed of light, it can be assumed that the starting point of the signal received afterwards does not change if time synchronization is performed based on a known signal such as a preamble and the time error is compensated. have.
하지만, 수중 음향 통신의 경우 시간 동기화를 수행하고 시간 오차를 보상했더라도 수중 채널의 변화로 인해 그 뒤에 수신되는 신호의 시작점이 변할 수 있다. 일정 수신 신호 구간마다 변화된 시작점을 보상하지 않을 경우 통신 시스템의 성능은 매우 크게 저하될 수 있다.However, in the case of underwater acoustic communication, even if time synchronization is performed and the time error is compensated for, the starting point of a signal received thereafter may change due to a change in an underwater channel. If the changed starting point is not compensated for every predetermined received signal interval, the performance of the communication system can be greatly degraded.
수중사물인터넷이 갖는 또 다른 특징은 별도의 전원 공급이 매우 어렵다는 점이다. 수중에 설치된 장치의 경우 설치 및 회수에 필요한 비용과 시간이 매우 크다. 따라서, 한 번 설치된 경우 장시간의 운용이 매우 중요하다. 이를 위해서는 수중 음향 통신에 소모되는 전력의 최소화가 필요하다. Another characteristic of the underwater IoT is that it is very difficult to supply a separate power source. In the case of a device installed underwater, the cost and time required for installation and recovery are very high. Therefore, once installed, long-term operation is very important. To this end, it is necessary to minimize the power consumed in underwater acoustic communication.
통신 시스템에서는 송신 신호 송출을 위한 신호 증폭에 가장 많은 전력이 소모된다. 따라서, 통신 시스템의 주파수 효율 또는 전송 속도를 증가시킬 수 있다면 신호 송출 횟수를 감소시킬 수 있고, 따라서 통신 시스템의 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있다.In a communication system, the most power is consumed for signal amplification for transmitting a transmission signal. Therefore, if the frequency efficiency or transmission speed of the communication system can be increased, the number of signal transmissions can be reduced, and thus power consumption of the communication system can be greatly reduced.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 파일럿 심볼 전송, 스크램블링, 중첩 변조 기법에 기반한 처프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum; CSS) 변조방식을 이용하며, 수중 사물인터넷을 위하여 수중에서의 소모되는 전력을 최소화하며 주파수 효율을 높일 수 있는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템 및 그 수중 통신방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above problems, and uses a Chirp Spread Spectrum (CSS) modulation method based on pilot symbol transmission, scrambling, and superposition modulation techniques, and consumes water in water for the underwater Internet of Things. An object of the present invention is to provide a low-power / high-efficiency underwater communication system and an underwater communication method for underwater IoT that can minimize power consumption and increase frequency efficiency.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템은, 매 송신 심볼 블록마다 길이 L인 비트를 전송하되, 상기 길이 L인 비트를 상기 길이 L보다 작은 길이의 비트들로 분배하고, 분배된 각각의 비트에 대응하여 심볼 변조, CSS(Chirp Spread Spectrum) 변조, 랜덤 시퀀스 선택에 기반하여 기저대역 송신신호 블록을 생성하여 전송하는 송신기; 및 상기 송신기로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록에 기반하여 상기 길이 L인 비트를 검출하는 수신기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a low-power / high-efficiency underwater communication system for underwater IoT transmits bits of length L in every transmission symbol block, and transmits bits of length L to the length L A transmitter for generating and transmitting baseband transmission signal blocks based on symbol modulation, CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation, and random sequence selection in response to each of the distributed bits; and a receiver configured to detect the bit having the length L based on the baseband received signal block received from the transmitter.
여기서, 상기 송신기는, 상기 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배하는 비트 분배기;를 포함할 수 있다.Here, the transmitter may include a bit divider for distributing the bit of length L into three bits of length L1, length L2, and length L3, respectively.
또한, 상기 송신기는, 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환하는 제1변환기; 및 상기 제1변환기에 의해 변환된 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 심볼 변조기;를 더 포함할 수 있다.In addition, the transmitter may include: a first converter for converting a bit having a length L1 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and a symbol modulator for converting the decimal number converted by the first converter into one of 2 L1 symbols.
또한, 상기 송신기는, 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환하는 제2변환기; 및 상기 제2변환기에 의해 변환된 십진수에 기반하여 다음의 식에 따라 CSS 심볼을 생성하는 CSS 변조기;를 더 포함할 수도 있다.In addition, the transmitter may include a second converter for converting a bit having a length L2 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and a CSS modulator for generating a CSS symbol according to the following equation based on the decimal number converted by the second converter.
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.here, Is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
또한, 상기 송신기는, 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환하는 제3변환기; 및 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택하는 랜덤 시퀀스 선택기;를 더 포함할 수도 있다.In addition, the transmitter includes a third converter for converting a bit having a length L3 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and among a total of 2 L3 sequences determined in advance. the second sequence A random sequence selector for selecting; may be further included.
또한, 상기 송신기는, 상기 심볼 변조기, 상기 CSS 변조기 및 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 생성된 신호와 파일럿 신호에 기반하여 다음과 같은 식에 따라 기저대역 송신신호 블록을 생성할 수 있다.In addition, the transmitter may generate a baseband transmission signal block according to the following equation based on signals and pilot signals generated by the symbol modulator, the CSS modulator, and the random sequence selector.
여기서, 은 기저대역 송신신호 블록, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터, 는 상기 파일럿 신호, 는 상기 심볼 변조기에 의해 생성되는 신호, 는 상기 CSS 변조기에 의해 생성되는 신호, 그리고 는 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 선택된 번째 시퀀스이다.here, is a baseband transmission signal block, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols, is the pilot signal, Is a signal generated by the symbol modulator, is a signal generated by the CSS modulator, and is selected from a total of 2 L3 sequences previously determined by the random sequence selector. is the second sequence.
상기 수신기는, 상기 기저대역 수신신호 블록의 파일럿 신호에 기반하여 시간을 동기화하는 시간 동기화부;를 포함할 수 있다.The receiver may include a time synchronization unit for synchronizing time based on a pilot signal of the baseband received signal block.
상기 시간 동기화부는 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 시간 축에서 수신신호와 파일럿 신호의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정한다.When the pilot symbol is a polyphase sequence, the time synchronization unit estimates the starting point of the received signal block through cross-correlation between the received signal and the pilot signal on the time axis.
또한, 상기 시간 동기화부는 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, CSS 복조과정을 통해 시간 오차를 추정한다. In addition, when the pilot signal is a CSS symbol, the time synchronizer estimates a time error through a CSS demodulation process.
상기 수신기는, 동기화된 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하며, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 이용하여 송신정보를 검출하는 CSS 복조기;를 더 포함할 수 있다.The receiver may further include a CSS demodulator that performs DFT (Discrete Fourier Transform) on each synchronized signal and detects transmission information using a value having the largest magnitude among DFT outputs of each signal and an index of the value. can
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법은, 수중 통신 시스템에 의해 수행되는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법에 있어서, 송신기가 매 송신 심볼 블록마다 길이 L인 비트를 전송하되, 상기 길이 L인 비트를 상기 길이 L보다 작은 길이의 비트들로 분배하고, 분배된 각각의 비트에 대응하여 심볼 변조, CSS 변조, 랜덤 시퀀스 선택에 기반하여 기저대역 송신신호 블록을 생성하여 전송하는 단계; 및 수신기가 상기 송신기로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록에 기반하여 상기 길이 L인 비트를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of Things is a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of Things performed by an underwater communication system, The transmitter transmits bits of length L in every transmission symbol block, divides the bits of length L into bits of length less than the length L, and in response to each of the distributed bits, symbol modulation, CSS modulation, random sequence generating and transmitting a baseband transmission signal block based on the selection; and detecting, by a receiver, the bit having the length L based on the baseband received signal block received from the transmitter.
전술한 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법은, 상기 송신기가 상기 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The above-described low-power/high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of Things may further include distributing, by the transmitter, the bit of length L into three bits of length L1, length L2, and length L3, respectively.
전술한 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법은, 상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및 심볼 변조기가 상기 변환된 길이 L1인 비트의 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.The low-power/high-efficiency underwater communication method for the above-described underwater Internet of Things includes: converting, by the transmitter, a bit having a length L1 among three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and converting, by a symbol modulator, the converted decimal number of bits having a length L1 into one of 2 L1 symbols.
전술한 수중 통신방법은, 상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및 CSS 변조기가 상기 변환된 길이 L2인 비트의 십진수에 기반하여 다음의 식에 따라 CSS 심볼을 생성하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.The above-described underwater communication method includes: converting, by the transmitter, a bit having a length L2 among three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and generating, by the CSS modulator, a CSS symbol according to the following equation based on the converted decimal number of bits having the length L2.
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.here, Is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
전술한 수중 통신방법은, 상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및 랜덤 시퀀스 선택기가 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.The above-described underwater communication method includes: converting, by the transmitter, a bit having a length L3 among three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and among a total of 2 L3 sequences in which a random sequence selector is predetermined. the second sequence It may further include; step of selecting.
상기 송신기는, 상기 심볼 변조기, 상기 CSS 변조기 및 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 생성된 신호와 파일럿 신호에 기반하여 다음과 같은 식에 따라 기저대역 송신신호 블록을 생성할 수 있다.The transmitter may generate a baseband transmission signal block according to the following equation based on signals and pilot signals generated by the symbol modulator, the CSS modulator, and the random sequence selector.
여기서, 은 기저대역 송신신호 블록, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터, 는 상기 파일럿 신호, 는 상기 심볼 변조기에 의해 생성되는 신호, 는 상기 CSS 변조기에 의해 생성되는 신호, 그리고 는 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 선택된 번째 시퀀스이다.here, is a baseband transmission signal block, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols, is the pilot signal, Is a signal generated by the symbol modulator, is a signal generated by the CSS modulator, and is selected from a total of 2 L3 sequences previously determined by the random sequence selector. is the second sequence.
전술한 수중 통신방법은, 상기 수신기가 상기 기저대역 수신신호 블록의 파일럿 신호에 기반하여 시간을 동기화하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.The above-described underwater communication method may further include time synchronization based on a pilot signal of the baseband received signal block by the receiver.
여기서, 상기 수신기는 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 시간 축에서 수신신호와 파일럿 신호의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정한다.Here, when the pilot symbol is a polyphase sequence, the receiver estimates the starting point of the received signal block through cross-correlation between the received signal and the pilot signal on the time axis.
또한, 상기 수신기는 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, CSS 복조과정을 통해 시간 오차를 추정한다.In addition, when the pilot signal is a CSS symbol, the receiver estimates a time error through a CSS demodulation process.
전술한 수중 통신방법은, 상기 수신기가 동기화된 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하며, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 이용하여 송신정보를 검출하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.In the above-described underwater communication method, the receiver performs Discrete Fourier Transform (DFT) on each synchronized signal, and detects transmission information using a value having the largest magnitude among DFT outputs of each signal and an index of the value. ; may be further included.
본 발명에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템 및 그 수중 통신방법은, 파일럿 심볼 전송, 스크램블링, 중첩 변조 기법에 기반한 처프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum; CSS) 변조방식을 이용함으로써, 수중 사물인터넷을 위하여 수중에서의 소모되는 전력을 최소화하며 주파수 효율을 높일 수 있다.A low-power/high-efficiency underwater communication system and an underwater communication method for underwater IoT according to the present invention use a Chirp Spread Spectrum (CSS) modulation method based on pilot symbol transmission, scrambling, and superposition modulation techniques, For the Internet of Things, power consumption in water can be minimized and frequency efficiency can be increased.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 송신기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 길이 L인 비트를 예시한 도면이다.
도 4는 길이 L인 비트로부터 분배된 길이 L1, 길이 L2, 및 길이 L3인 비트를 예시한 도면이다.
도 5는 도 2에 나타낸 수신기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 파일럿 기반 심볼 변조 및 랜덤 시퀀스 기법이 적용된 CSS 시스템의 비트오류율 성능을 기존 CSS 시스템과 비교한 도면이다.1 is a diagram schematically showing the configuration of a low-power / high-efficiency underwater communication system for underwater IoT according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically showing the configuration of the transmitter shown in FIG. 1;
3 is a diagram illustrating a bit of length L.
4 is a diagram illustrating bits of length L1, length L2, and length L3 distributed from bits of length L;
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the configuration of the receiver shown in FIG. 2 .
6 is a flowchart illustrating a low-power/high-efficiency underwater communication method for underwater IoT according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram comparing bit error rate performance of a CSS system to which a pilot-based symbol modulation and random sequence technique is applied according to an embodiment of the present invention with that of an existing CSS system.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described through exemplary drawings. In describing the reference numerals for the components of each drawing, the same numerals indicate the same components as much as possible, even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing an embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description will be omitted.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used to describe components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, the element may be directly connected, coupled, or connected to the other element, but not between the element and the other element. It should be understood that another component may be “connected”, “coupled” or “connected” between elements.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing the configuration of a low-power/high-efficiency underwater communication system for underwater IoT according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템은 송신기(100) 및 수신기(200)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , a low-power/high-efficiency underwater communication system for underwater IoT according to an embodiment of the present invention includes a
이때, 송신기(100)는 매 송신 심볼 블록마다 길이 L인 비트를 전송하되, 길이 L인 비트를 길이 L보다 작은 길이의 비트들로 분배하고, 분배된 각각의 비트에 대응하여 심볼 변조, CSS(Chirp Spread Spectrum) 변조, 랜덤 시퀀스 선택에 기반하여 기저대역 송신신호 블록을 생성하여 전송한다. At this time, the
또한, 수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록에 기반하여 길이 L인 비트를 검출한다.Also, the
여기서, 송신기(100)는 도 2에 도시한 바와 같이, 비트 분배기(102), 제1변환기(104), 제2변환기(106), 제3변환기(108), 심볼 변조기(110), CSS 변조기(112), 랜덤시퀀스 선택기(114), 파일럿신호 생성기(116) 및 송신신호 생성기(118)를 포함할 수 있다.Here, as shown in FIG. 2, the
비트 분배기(102)는 매 심볼 블록의 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배한다. 여기서, 길이 L인 비트는 도 3에 도시한 바와 같이, 이진수의 자리수가 L개인 비트를 말한다. 즉, 길이 L비트는 2L이다. 이때, 길이 L인 비트는 데이터 비트이거나 데이터 비트에 순환중복검사(CRC: Cyclic Redundancy Check), 오류정정부호(error-correction code), 인터리빙(interleaving)과 같은 기법들이 적용된 결과 비트일 수 있다. The
비트 분배기(102)는 자리수가 L인 비트를 도 4에 도시한 바와 같이, 자리수가 각각 L1, L2 및 L3인 세 개의 비트로 분배할 수 있다. 여기서, L1, L2 및 L3는 수신기(200)의 복조를 위한 필수 파라미터로서, L = L1 + L2 + L3이다. 여기서, 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트는 각각 심볼 변조, CSS 변조 및 랜덤시퀀스 선택에 대응한다.The
L1, L2 및 L3의 값은 물리 혹은 상위 계층에서의 다른 신호를 통해 수신기(200)에 전달될 수 있다. 예를 들면, 물리 계층의 경우, 프리앰블의 ID에 포함시킬 수 있으며, 특정 심볼에 해당 정보를 포함시킬 수도 있다. 또한, 상위 계층의 경우, 해당 심볼 송신 전에 해당 계층의 프로토콜을 통해 미리 수신기(200)에 해당 값들을 전달할 수도 있다. Values of L1, L2, and L3 may be transmitted to the
비트 분배기(102)는 시스템의 운용에 따라 높은 통신 성공률이 요구되는 경우에는 L1과 L3을 감소시키고, 높은 전송속도가 요구되는 경우에는 L1과 L3을 적절히 증가시킬 수 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예는 처프 확산 스펙트럼 변조 방식을 기반으로 하기 때문에 L2는 최소 2보다 크거나 같아야 한다. 여기서, L2는 4에서 14 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다. 또한, L1 또는 L3는 0일 수 있다.The
기존 CSS 통신 방식의 경우, L2에 따라 전송률이 결정된다. 반면, 본 발명의 경우, 동일한 시간 동안 L1 + L3만큼의 비트를 추가적으로 전송할 수 있기 때문에 전송률을 증가시킬 수 있다. CSS 통신의 경우, 전송률을 희생하여 장거리 통신을 가능하게 하는 기법임을 감안할 때, 본 발명의 실시예는 기존의 CSS 통신 방식의 전송률을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 1kHz 대역폭을 갖고 L2 = 8인 통신 시스템을 고려하면, 기존 CSS 통신 방식의 경우 전송률은 31.25bps이다. L1 = 3, L2 = 8, L3 = 3인 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전송률은 54.6875bps로, 기존의 CSS 통신 방식 대비 75%가 향상되었다.In the case of the existing CSS communication method, the transmission rate is determined according to L2. On the other hand, in the case of the present invention, since as many bits as L1 + L3 can be additionally transmitted during the same time period, the transmission rate can be increased. Considering that CSS communication is a technique that enables long-distance communication at the cost of transmission rate, the embodiment of the present invention can greatly improve the transmission rate of the existing CSS communication method. For example, considering a communication system having a bandwidth of 1 kHz and L2 = 8, the transmission rate is 31.25 bps in the case of the existing CSS communication method. The transmission rate of the communication system according to the embodiment of the present invention in which L1 = 3, L2 = 8, and L3 = 3 is 54.6875 bps, which is 75% higher than that of the existing CSS communication method.
본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전송률 향상은 기존 CSS 통신 대비 향상된 고속 통신을 가능하게 한다. 반대로, 전송률 향상은 동일한 크기의 데이터를 전송할 때 더 짧은 시간이 요구됨을 의미한다. 이는 배터리에 의존하는 수중 통신의 특성상 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있음을 의미한다.Improving the transmission rate of the communication system according to the embodiment of the present invention enables improved high-speed communication compared to conventional CSS communication. Conversely, an increase in transmission rate means that a shorter time is required to transmit data of the same size. This means that power consumption can be greatly reduced due to the characteristics of underwater communication that depends on a battery.
제1변환기(104)는 비트 분배기(102)에 의해 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환한다. 이때, 제1변환기(104)에 의해 변환된 십진수를 라고 명명한다.The
제2변환기(106)는 비트 분배기(102)에 의해 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환한다. 이때, 제2변환기(106)에 의해 변환된 십진수를 라고 명명한다.The
제3변환기(108)는 비트 분배기(102)에 의해 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환한다. 이때, 제3변환기(104)에 의해 변환된 십진수를 라고 명명한다.The
심볼 변조기(110)는 제1변환기(104)에 의해 변환된 길이 L1인 비트에 해당하는 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 2L1진 변조를 수행한다. 이때, 심볼 변조기(110)는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM 등의 대표적인 변조기법을 이용할 수 있다. 여기서, 길이 L1 비트에 해당하는 십진수 가 심볼 변조기(110)에 의해 변환된 값을 라고 명명한다.The
CSS 변조기(112)는 제2변환기(106)에 의해 변환된 십진수에 기반하여 수학식 1에 따라 CSS 심볼을 생성한다.The CSS modulator 112 generates a CSS symbol according to
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.here, is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
수학식 1은 주파수가 증가하는 up-chirp CSS 심볼로서, 만일 CSS 변조기(112)가 주파수가 감소하는 down-chirp CSS 심볼 생성기라고 하더라도 본 발명에는 영향을 미치지 않는다.
랜덤시퀀스 선택기(114)는 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택한다. 랜덤 시퀀스는 동일한 시퀀스 간의 자기 상관(autocorrelation)이 낮으며, 서로 다른 시퀀스 간의 상호 상관(crosscorrelation)이 낮은 특성을 가져야 한다. 이러한 특징을 갖는 이진 시퀀스(1 또는 -1)에는 gold code, hadamard code, maximal length sequence 등이 있으며, 잘 설계된 다항식(polynomial)에 의해 성성될 수 있다. 이와 같은 특성을 만족한다면, 이진 시퀀스가 아닌 Zadoff-Chu sequence와 같은 polyphase sequence가 사용될 수 있다. 이때, 수신기(200)의 구현 및 계산 복잡도를 고려하면 이진 시퀀스가 선호될 수 있다.The
파일럿신호 생성기(116)는 수신기(200)에서 각 심볼 블록별 시작점을 추정하고 보상하기 위해 필요한 파일럿 심볼을 생성한다. 파일럿 심볼은 랜덤 시퀀스나 CSS 심볼이 사용될 수 있으며, 이에 따라 수신기(200)에서의 시간 오차 추정방식이 달라진다. The
랜덤 시퀀스는 데이터 심볼의 랜덤 시퀀스와 마찬가지로 이진 시퀀스나 polyphase sequence가 사용될 수 있다. 파일럿 신호로 CSS 심볼을 사용할 경우, 데이터 심볼의 CSS 심볼과 반대 방향의 chirp 신호를 사용하여야 한다. 예를 들면, 데이터 심볼의 CSS 심볼이 up-chirp 신호이면 파일럿 신호의 CSS 심볼은 down-chirp 신호이어야 한다. 파일럿 심볼은 심볼 블록과 상관 없이 같은 신호를 사용할 수 있다. 이 경우, 첨두 전력 대 평균 전력비(PAPR: Peak-to-Avarage Power Ratio)가 증가할 수 있기 때문에 심볼 블록 인덱스에 따라 서로 다른 파일럿 신호를 사용할 수 있다. 반면, 장치/사용자 구분 목적으로 서로 다른 파일럿 신호가 사용될 수도 있다.As with the random sequence of data symbols, a binary sequence or a polyphase sequence may be used as the random sequence. When a CSS symbol is used as a pilot signal, a chirp signal in the opposite direction to the CSS symbol of the data symbol must be used. For example, if the CSS symbol of the data symbol is an up-chirp signal, the CSS symbol of the pilot signal must be a down-chirp signal. The pilot symbol can use the same signal regardless of the symbol block. In this case, since a peak-to-average power ratio (PAPR) may increase, different pilot signals may be used according to symbol block indexes. On the other hand, different pilot signals may be used for device/user identification purposes.
송신신호 생성기(118)는 심볼 변조기(110), CSS 변조기(112) 및 랜덤시퀀스 선택기(114)에 의해 생성된 신호 , 및 와, 파일럿신호 생성기(116)에서 생성된 파일럿 신호 을 이용하여 수학식 2를 통해 기저대역 송신신호 블록 을 생성한다.The
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터이다. 채널 변화가 작거나 미미해서 심볼 블록 별로 발생하는 시간 오차 변화가 적은 환경일 경우, 값을 증가시키거나 1로 설정하여 송신 전력을 데이터 심볼로 집중시킬 수 있다. here, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols. In an environment where the change in time error for each symbol block is small because the channel change is small or insignificant, By increasing the value or setting it to 1, transmit power can be concentrated on data symbols.
만일, 채널 변화가 커서 심볼 블록 별로 발생하는 시간 오차 변화가 커질 경우, 값을 감소시켜 송신 전력을 파일럿 심볼로 집중시키고, 이를 통해 수신기(200)에서의 시간 오차 추정 성능 향상을 꾀할 수 있다.If the channel change is large, the time error change occurring for each symbol block increases, By reducing the value, transmission power is concentrated on pilot symbols, and through this, time error estimation performance in the
수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록 를 입력 받으며, 시간 동기화부(202), 시간오차 보상부(204), 디스크램블러(206), CSS 복조기(208), 심볼 복조기(210) 및 비트 복조기(212)를 통해 각각 파일럿 신호 기반 시간 오차 추정 및 동기화, 시간 오차 보상, 디스크램블링, CSS 복조, 심볼 복조 및 비트 복조 과정을 거쳐 길이 L인 송신 비트를 검출한다.The
파일럿 기반 시간 동기 방식은 파일럿 신호의 종류에 따라 달라진다. 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 수학식 3과 같이 시간축에서 수신 신호와 파일럿 신호와의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정할 수 있다.The pilot-based time synchronization method differs according to the type of pilot signal. If the pilot symbol is a polyphase sequence, the starting point of the received signal block can be estimated through cross-correlation between the received signal and the pilot signal on the time axis as shown in Equation 3.
[수학식 3][Equation 3]
또한, 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, 파일럿 신호에 대한 CSS 복조 과정을 통해 시간 오차를 추정할 수 있다. 만일, 파일럿 신호가 십진수 에 대해 down-chirp 방식으로 생성한 CSS 심볼일 경우, CSS 복조 과정은 수학식 4와 같다.In addition, when the pilot signal is a CSS symbol, a time error can be estimated through a CSS demodulation process for the pilot signal. If the pilot signal is a decimal number In the case of a CSS symbol generated by a down-chirp method for , the CSS demodulation process is as shown in Equation 4.
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 는 down-chirp 방식으로 생성하며, 십진수 0에 대한 CSS 심볼이다. 만일, 송신신호와 수신신호의 시작점이 샘플만큼 차이가 발생하면, CSS 복조에서 의 최대값의 위치가 가 아니라 만큼 차이가 생긴다. 따라서, 시작점 차이인 는 파일럿 신호에 대한 CSS 복조 과정에서의 최대값의 위치 와 송신 파일럿에 해당하는 의 비교를 통해 추정할 수 있다.here, is created by down-chirp method and is a CSS symbol for decimal number 0. If the starting point of the transmission signal and the reception signal is When a difference by sample occurs, CSS demodulation is the position of the maximum value of not difference as much as Therefore, the starting point difference is the position of the maximum value in the CSS demodulation process for the pilot signal and corresponding to the transmit pilot can be estimated through comparison.
시간 동기화부(202)가 파일럿을 이용하여 각 수신 심볼 별 시작점 차이 를 추정하면, 시간오차 보상부(204)는 이를 이용하여 수신 심볼의 시작점을 재조정한다. 예를 들어, 시간오차 보상부(204)는 수신신호 버퍼 혹은 메모리에서 해당 수신 심볼을 처리할 때 해당 수신 심볼의 시작점 차이 를 감안하여 처리하며, 시작점 재조정 후 해당 수신 심볼의 복조를 수행한다.The
디스크램블러(206)는 스크램블링 시퀀스에 대응되는 송신 정보 를 검출하기 위해, 시작점이 재조정된 수신 심볼에 총 2L3개의 시퀀스를 각각 곱하여 디스크램블링을 수행한다. The
CSS 복조기(208)는 서로 다른 시퀀스로 디스크램블링된 신호에 각각 CSS 복조과정을 수행한다. 즉, CSS 복조기(208)는 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하고, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 찾는다. 이때, 시퀀스의 개수가 2L3이기 때문에 최대값과 그 최대값의 인덱스 역시 각각 2L3개 존재한다. 을 시작점이 재조정된 수신 심볼이라 할 때 상기의 과정은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
The CSS demodulator 208 performs a CSS demodulation process on each of the descrambled signals with different sequences. That is, the
[수학식 5][Equation 5]
2L3개의 최대값 과 그 최대값의 인덱스 를 이용하여 송신정보 와 를 수학식 6과 같이 검출할 수 있다.2 L3 maximums and the index of its maximum Transmitted information using Wow can be detected as shown in
[수학식 6][Equation 6]
송신정보 는 최대값 를 이용하여 검출할 수 있다. 이때, 수중 채널, 송수신간 오실레이터 차이 등으로 수신신호의 크기 및 위상이 달라질 수 있으나, 이는 이미 알고 있는 파일럿 신호를 이용하여 보상할 수 있다. 즉, 대신 을 기반으로 심볼 복조를 진행하면, 송신정보 를 검출할 수 있다.transmission information is the maximum can be detected using At this time, the magnitude and phase of the received signal may vary due to underwater channels, differences in oscillators between transmission and reception, etc., but this can be compensated for using a known pilot signal. in other words, instead If symbol demodulation is performed based on can be detected.
, , 를 검출 후 각 십진수를 이진수로 변환 후 송신기(100)에서 적용한 비트 분배방식을 역으로 수행하면, 길이 L인 비트를 검출할 수 있다. , , After detecting , converting each decimal number into binary number and then performing the bit distribution method applied by the
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법을 나타낸 흐름도이다. 본 발명의 실시예에 따른 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법은 도 1에 나타낸 수중 통신 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.6 is a flowchart illustrating a low-power/high-efficiency underwater communication method for underwater IoT according to an embodiment of the present invention. A low-power/high-efficiency underwater communication method for underwater IoT according to an embodiment of the present invention can be performed by the
송신기(100)는 매 심볼 블록의 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배한다(S110). 여기서, 길이 L인 비트는 이진수의 자리수가 L개인 비트를 말한다. 즉, 길이 L비트는 2L이다. 이때, 길이 L인 비트는 데이터 비트이거나 데이터 비트에 순환중복검사(CRC: Cyclic Redundancy Check), 오류정정부호(error-correction code), 인터리빙(interleaving)과 같은 기법들이 적용된 결과 비트일 수 있다. The
송신기(100)는 자리수가 L인 비트를 자리수가 각각 L1, L2 및 L3인 세 개의 비트로 분배할 수 있다. 여기서, L1, L2 및 L3는 수신기(200)의 복조를 위한 필수 파라미터로서, L = L1 + L2 + L3이다. 여기서, 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트는 각각 심볼 변조, CSS 변조 및 랜덤시퀀스 선택에 대응한다.The
L1, L2 및 L3의 값은 물리 혹은 상위 계층에서의 다른 신호를 통해 수신기(200)에 전달될 수 있다. 예를 들면, 물리 계층의 경우, 프리앰블의 ID에 포함시킬 수 있으며, 특정 심볼에 해당 정보를 포함시킬 수도 있다. 또한, 상위 계층의 경우, 해당 심볼 송신 전에 해당 계층의 프로토콜을 통해 미리 수신기(200)에 해당 값들을 전달할 수도 있다. Values of L1, L2, and L3 may be transmitted to the
송신기(100)는 시스템의 운용에 따라 높은 통신 성공률이 요구되는 경우에는 L1과 L3을 감소시키고, 높은 전송속도가 요구되는 경우에는 L1과 L3을 적절히 증가시킬 수 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예는 처프 확산 스펙트럼 변조 방식을 기반으로 하기 때문에 L2는 최소 2보다 크거나 같아야 한다. 여기서, L2는 4에서 14 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다.Depending on the operation of the system, the
기존 CSS 통신 방식의 경우, L2에 따라 전송률이 결정된다. 반면, 본 발명의 경우, 동일한 시간 동안 L1 + L3만큼의 비트를 추가적으로 전송할 수 있기 때문에 전송률을 증가시킬 수 있다. CSS 통신의 경우, 전송률을 희생하여 장거리 통신을 가능하게 하는 기법임을 감안할 때, 본 발명의 실시예는 기존의 CSS 통신 방식의 전송률을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 1kHz 대역폭을 갖고 L2 = 8인 통신 시스템을 고려하면, 기존 CSS 통신 방식의 경우 전송률은 31.25bps이다. L1 = 3, L2 = 8, L3 = 3인 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전송률은 54.6875bps로, 기존의 CSS 통신 방식 대비 75%가 향상되었다.In the case of the existing CSS communication method, the transmission rate is determined according to L2. On the other hand, in the case of the present invention, since as many bits as L1 + L3 can be additionally transmitted during the same time period, the transmission rate can be increased. Considering that CSS communication is a technique that enables long-distance communication at the cost of transmission rate, the embodiment of the present invention can greatly improve the transmission rate of the existing CSS communication method. For example, considering a communication system having a bandwidth of 1 kHz and L2 = 8, the transmission rate is 31.25 bps in the case of the existing CSS communication method. The transmission rate of the communication system according to the embodiment of the present invention in which L1 = 3, L2 = 8, and L3 = 3 is 54.6875 bps, which is 75% higher than that of the existing CSS communication method.
본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전송률 향상은 기존 CSS 통신 대비 향상된 고속 통신을 가능하게 한다. 반대로, 전송률 향상은 동일한 크기의 데이터를 전송할 때 더 짧은 시간이 요구됨을 의미한다. 이는 배터리에 의존하는 수중 통신의 특성상 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있음을 의미한다.Improving the transmission rate of the communication system according to the embodiment of the present invention enables improved high-speed communication compared to conventional CSS communication. Conversely, an increase in transmission rate means that a shorter time is required to transmit data of the same size. This means that power consumption can be greatly reduced due to the characteristics of underwater communication that depends on a battery.
송신기(100)는 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환한다(S120). 이때, 변환된 십진수를 라고 명명한다.The
또한, 송신기(100)는 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환한다. 이때, 변환된 십진수를 라고 명명한다.Also, the
또한, 송신기(100)는 분배된 길이 L1인 비트, 길이 L2인 비트, 및 길이 L3인 비트 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환한다. 이때, 변환된 십진수를 라고 명명한다.Also, the
송신기(100)는 변환된 길이 L1인 비트에 해당하는 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 2L1진 변조를 수행한다(S130). 이때, 송신기(100)는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM 등의 대표적인 변조기법을 이용할 수 있다. 여기서, 길이 L1 비트에 해당하는 십진수 가 심볼 변조기(110)에 의해 변환된 값을 라고 명명한다.The
또한, 송신기(100)는 변환된 십진수에 기반하여 수학식 1에 따라 CSS 심볼을 생성한다.In addition, the
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.here, Is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
수학식 1은 주파수가 증가하는 up-chirp CSS 심볼로서, 만일 CSS 변조기가 주파수가 감소하는 down-chirp CSS 심볼 생성기라고 하더라도 본 발명에는 영향을 미치지 않는다.
송신기(100)는 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택한다. 랜덤 시퀀스는 동일한 시퀀스 간의 자기 상관(autocorrelation)이 낮으며, 서로 다른 시퀀스 간의 상호 상관(crosscorrelation)이 낮은 특성을 가져야 한다. 이러한 특징을 갖는 이진 시퀀스(1 또는 -1)에는 gold code, hadamard code, maximal length sequence 등이 있으며, 잘 설계된 다항식(polynomial)에 의해 성성될 수 있다. 이와 같은 특성을 만족한다면, 이진 시퀀스가 아닌 Zadoff-Chu sequence와 같은 polyphase sequence가 사용될 수 있다. 이때, 수신기(200)의 구현 및 계산 복잡도를 고려하면 이진 시퀀스가 선호될 수 있다.The
송신기(100)는 수신기(200)에서 각 심볼 블록별 시작점을 추정하고 보상하기 위해 필요한 파일럿 심볼을 생성한다. 파일럿 심볼은 랜덤 시퀀스나 CSS 심볼이 사용될 수 있으며, 이에 따라 수신기(200)에서의 시간 오차 추정방식이 달라진다. The
랜덤 시퀀스는 데이터 심볼의 랜덤 시퀀스와 마찬가지로 이진 시퀀스나 polyphase sequence가 사용될 수 있다. 파일럿 신호로 CSS 심볼을 사용할 경우, 데이터 심볼의 CSS 심볼과 반대 방향의 chirp 신호를 사용하여야 한다. 예를 들면, 데이터 심볼의 CSS 심볼이 up-chirp 신호이면 파일럿 신호의 CSS 심볼은 down-chirp 신호이어야 한다. 파일럿 심볼은 심볼 블록과 상관 없이 같은 신호를 사용할 수 있다. 이 경우, 첨두 전력 대 평균 전력비(PAPR: Peak-to-Avarage Power Ratio)가 증가할 수 있기 때문에 심볼 블록 인덱스에 따라 서로 다른 파일럿 신호를 사용할 수 있다. 반면, 장치/사용자 구분 목적으로 서로 다른 파일럿 신호가 사용될 수도 있다.As with the random sequence of data symbols, a binary sequence or a polyphase sequence may be used as the random sequence. When a CSS symbol is used as a pilot signal, a chirp signal in the opposite direction to the CSS symbol of the data symbol must be used. For example, if the CSS symbol of the data symbol is an up-chirp signal, the CSS symbol of the pilot signal must be a down-chirp signal. The pilot symbol can use the same signal regardless of the symbol block. In this case, since a peak-to-average power ratio (PAPR) may increase, different pilot signals may be used according to symbol block indexes. On the other hand, different pilot signals may be used for device/user identification purposes.
송신기(100)는 생성된 신호 , 및 와, 생성된 파일럿 신호 을 이용하여 수학식 2를 통해 기저대역 송신신호 블록 을 생성하여 수신기(200)에 전송한다(S140).
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터이다. 채널 변화가 작거나 미미해서 심볼 블록 별로 발생하는 시간 오차 변화가 적은 환경일 경우, 값을 증가시키거나 1로 설정하여 송신 전력을 데이터 심볼로 집중시킬 수 있다. here, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols. In an environment where the change in time error for each symbol block is small because the channel change is small or insignificant, By increasing the value or setting it to 1, transmit power can be concentrated on data symbols.
만일, 채널 변화가 커서 심볼 블록 별로 발생하는 시간 오차 변화가 커질 경우, 값을 감소시켜 송신 전력을 파일럿 심볼로 집중시키고, 이를 통해 수신기(200)에서의 시간 오차 추정 성능 향상을 꾀할 수 있다.If the channel change is large, the time error change occurring for each symbol block increases, By reducing the value, transmission power is concentrated on pilot symbols, and through this, time error estimation performance in the
수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록 를 입력 받으며, 파일럿 신호 기반 시간 오차 추정 및 동기화, 시간 오차 보상, 디스크램블링, CSS 복조, 심볼 복조 및 비트 복조 과정을 거쳐 길이 L인 송신 비트를 검출한다.The
파일럿 기반 시간 동기 방식은 파일럿 신호의 종류에 따라 달라진다. 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 수학식 3과 같이 시간축에서 수신 신호와 파일럿 신호와의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정하고 동기화할 수 있다(S150).The pilot-based time synchronization method differs according to the type of pilot signal. If the pilot symbol is a polyphase sequence, the starting point of the received signal block can be estimated and synchronized through cross-correlation between the received signal and the pilot signal on the time axis as shown in Equation 3 (S150).
[수학식 3][Equation 3]
또한, 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, 파일럿 신호에 대한 CSS 복조 과정을 통해 시간 오차를 추정하고 동기화할 수 있다. 만일, 파일럿 신호가 십진수 에 대해 down-chirp 방식으로 생성한 CSS 심볼일 경우, CSS 복조 과정은 수학식 4와 같다.In addition, when the pilot signal is a CSS symbol, a time error may be estimated and synchronized through a CSS demodulation process for the pilot signal. If the pilot signal is a decimal number In the case of a CSS symbol generated by a down-chirp method for , the CSS demodulation process is as shown in Equation 4.
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 는 down-chirp 방식으로 생성하며, 십진수 0에 대한 CSS 심볼이다. 만일, 송신신호와 수신신호의 시작점이 샘플만큼 차이가 발생하면, CSS 복조에서 의 최대값의 위치가 가 아니라 만큼 차이가 생긴다. 따라서, 시작점 차이인 는 파일럿 신호에 대한 CSS 복조 과정에서의 최대값의 위치 와 송신 파일럿에 해당하는 의 비교를 통해 추정할 수 있다.here, is created by down-chirp method and is a CSS symbol for decimal number 0. If the starting point of the transmission signal and the reception signal is When a difference by sample occurs, CSS demodulation is the position of the maximum value of not difference as much as Therefore, the starting point difference is the position of the maximum value in the CSS demodulation process for the pilot signal and corresponding to the transmit pilot can be estimated through comparison.
수신기(200)는 파일럿을 이용하여 각 수신 심볼 별 시작점 차이 를 추정하면, 이를 이용하여 수신 심볼의 시작점을 재조정한다. 예를 들어, 수신기(200)는 수신신호 버퍼 혹은 메모리에서 해당 수신 심볼을 처리할 때 해당 수신 심볼의 시작점 차이 를 감안하여 처리하며, 시작점 재조정 후 해당 수신 심볼의 복조를 수행한다.The
수신기(200)는 스크램블링 시퀀스에 대응되는 송신 정보 를 검출하기 위해, 시작점이 재조정된 수신 심볼에 총 2L3개의 시퀀스를 각각 곱하여 디스크램블링을 수행한다. The
또한, 수신기(200)는 서로 다른 시퀀스로 디스크램블링된 신호에 각각 CSS 복조과정을 수행한다. 즉, 수신기(200)는 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하고, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 찾는다. 이때, 시퀀스의 개수가 2L3이기 때문에 최대값과 그 최대값의 인덱스 역시 각각 2L3개 존재한다. 을 시작점이 재조정된 수신 심볼이라 할 때 상기의 과정은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
In addition, the
[수학식 5][Equation 5]
2L3개의 최대값 과 그 최대값의 인덱스 를 이용하여 송신정보 와 를 수학식 6과 같이 검출할 수 있다(S160).2 L3 maximums and the index of its maximum Transmitted information using Wow Can be detected as in Equation 6 (S160).
[수학식 6][Equation 6]
송신정보 는 최대값 를 이용하여 검출할 수 있다. 이때, 수중 채널, 송수신간 오실레이터 차이 등으로 수신신호의 크기 및 위상이 달라질 수 있으나, 이는 이미 알고 있는 파일럿 신호를 이용하여 보상할 수 있다. 즉, 대신 을 기반으로 심볼 복조를 진행하면, 송신정보 를 검출할 수 있다.transmission information is the maximum can be detected using At this time, the magnitude and phase of the received signal may vary due to underwater channels, differences in oscillators between transmission and reception, etc., but this can be compensated for using a known pilot signal. in other words, instead If symbol demodulation is performed based on can be detected.
, , 를 검출 후 각 십진수를 이진수로 변환 후 송신기(100)에서 적용한 비트 분배방식을 역으로 수행하면, 길이 L인 비트를 검출할 수 있다(S170). , , After detecting and converting each decimal number to binary number, if the bit distribution method applied by the
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 파일럿 기반 심볼 변조 및 랜덤 시퀀스 기법이 적용된 CSS 시스템의 비트오류율(BER: Bit Error Rate) 성능을 기존 CSS 시스템과 비교한 도면이다. 성능 분석은 총 다섯 가지 경우의 CSS 시스템 성능을 비교하였다. 7 is a diagram comparing bit error rate (BER) performance of a CSS system to which a pilot-based symbol modulation and random sequence technique is applied according to an embodiment of the present invention with that of an existing CSS system. Performance analysis compared CSS system performance in a total of five cases.
도 7을 참조하면, 첫 번째(1. CSS without pilot)는 파일럿을 포함한 어떤 기법도 사용하지 않은 기존 CSS 시스템의 성능이다. 또한, 두 번째(2. CSS + pilot)는 기존 CSS 시스템에 파일럿 신호만 적용한 시스템의 성능이다. 또한, 세 번째(3. CSS + pilot + scrambling)는 기존 CSS 시스템에 파일럿 신호와 랜덤 시퀀스를 적용한 성능이다. 또한, 네 번째(4. CSS + pilot + modulation)는 기존 CSS 시스템에 파일럿 신호와 심볼 변조 기법을 적용한 시스템의 성능이다. 또한, 다섯 번째(5. CSS + pilot + scrambling + modulation)는 기존 CSS 시스템에 파일럿 신호, 랜덤 시퀀스, 심볼 변조 기법을 적용한 시스템의 성능이다. Referring to FIG. 7, the first (1. CSS without pilot) is the performance of the existing CSS system without using any technique including pilot. In addition, the second (2. CSS + pilot) is the performance of a system in which only a pilot signal is applied to the existing CSS system. In addition, the third (3. CSS + pilot + scrambling) is the performance of applying a pilot signal and a random sequence to the existing CSS system. In addition, the fourth (4. CSS + pilot + modulation) is the performance of the system applying the pilot signal and symbol modulation technique to the existing CSS system. In addition, the fifth (5. CSS + pilot + scrambling + modulation) is the performance of a system in which pilot signal, random sequence, and symbol modulation techniques are applied to the existing CSS system.
여기서, 시스템의 대역폭은 1kHz이며, L1 = 2, L2 = 8, L3 = 2로 가정하였다. 이 때, 전술한 다섯 가지 시스템의 전송률은 각각 31.25bps, 31.25bps, 39.0625bps, 39.0625bps, 46.8750bps로 주어진다. Here, it is assumed that the bandwidth of the system is 1 kHz, L1 = 2, L2 = 8, and L3 = 2. At this time, the transmission rates of the aforementioned five systems are given as 31.25 bps, 31.25 bps, 39.0625 bps, 39.0625 bps, and 46.8750 bps, respectively.
실제 수중에서의 통신 채널을 모의하기 위해 다중 경로의 지연 시간이 랜덤하게 변하도록 하였다. 또한 수중 채널의 시변동성을 고려하기 위해 각 다중 경로에 서로 다른 도플러 효과를 적용하였다. In order to simulate an actual underwater communication channel, the delay time of the multi-path was changed randomly. In addition, to consider the temporal variability of the underwater channel, different Doppler effects were applied to each multipath.
도 7은 송수신기 사이의 상대 속도가 0.1m/s의 표준편차를 갖는 연속균등분포(uniform distribution)를 가질 때, 전술한 다섯 가지 시스템의 성능을 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있듯이 첫 번째 방식인 기존 CSS 시스템의 경우 시변동성에 의한 도플러 효과가 발생할 경우 매우 심한 성능 열화가 발생하여 통신이 불가능함을 알 수 있다. 반면, 본 발명에서 제안한 두 번째에서 다섯 번째까지 방식의 경우, 도플러 효과에 강인한 성능을 보여준다. 7 shows the performance of the five systems described above when the relative velocity between the transmitter and receiver has a uniform distribution with a standard deviation of 0.1 m/s. As can be seen in the graph, in the case of the first method, the existing CSS system, when the Doppler effect occurs due to time variability, very severe performance degradation occurs, making communication impossible. On the other hand, the second to fifth methods proposed in the present invention show robust performance against the Doppler effect.
두 번째와 네 번째 방식을 비교해보면, 파일럿 신호에 심볼 변조 기법을 적용하더라도 성능 열화가 발생하지 않는다. 또한, 네 번째 방식은 두 번째 방식보다 전송률이 높기 때문에 본 발명에서 제안하는 심볼 변조 기법이 성능 열화 없이 전송률을 향상시킬 수 있는 효과적인 방식임을 의미한다. 또한, 세 번째 방식의 경우에 랜덤 시퀀스를 통해 데이터 전송률은 증가하지만 두 번째나 네 번째 방식에 비해 성능 열화가 발생함을 알 수 있다. Comparing the second and fourth methods, performance degradation does not occur even when the symbol modulation technique is applied to the pilot signal. In addition, since the fourth method has a higher data rate than the second method, it means that the symbol modulation technique proposed in the present invention is an effective method for improving the data rate without performance degradation. In addition, in the case of the third method, although the data transmission rate increases through the random sequence, it can be seen that performance deterioration occurs compared to the second or fourth method.
마지막으로 다섯 번째 방식은 랜덤 시퀀스와 심볼 변조 기법을 동시에 적용한 기법이다. 세 번째 방식과 비교하여 심볼 변조 기법 적용을 통해 추가적인 데이터 전송률 향상을 얻는 동시에 성능 열화는 없는 것을 확인할 수 있다. Finally, the fifth method is a method in which a random sequence and a symbol modulation method are simultaneously applied. Compared to the third method, it can be confirmed that additional data rate improvement is obtained through the application of the symbol modulation technique and there is no performance degradation.
성능 비교 분석을 통해 본 발명에서 제안한 방식을 적용하면 수중 채널의 시변동성에 의해 심한 도플러 현상이 발생하는 환경에서도 기존 CSS 시스템 대비 안정적인 성능을 확보할 수 있을 뿐 아니라 데이터 전송률도 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.Through performance comparison analysis, it was found that if the method proposed in the present invention is applied, not only can stable performance be secured compared to the existing CSS system, but also the data transmission rate can be improved even in an environment where severe Doppler phenomenon occurs due to time variability of the underwater channel. can
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Embodiments according to the present invention have been described above, but these are merely examples, and those skilled in the art will understand that various modifications and embodiments of equivalent range are possible therefrom. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the following claims as well as those equivalent thereto.
Claims (20)
상기 송신기로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록에 기반하여 상기 길이 L인 비트를 검출하는 수신기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.Bits of length L are transmitted in every transmission symbol block, and the bits of length L are divided into bits of length less than the length L, and symbol modulation and chirp spread spectrum (CSS) modulation are performed in response to each of the distributed bits. , a transmitter for generating and transmitting a baseband transmission signal block based on random sequence selection; and
a receiver for detecting the bit of length L based on the baseband received signal block received from the transmitter;
Characterized in that it comprises a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
상기 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배하는 비트 분배기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.The method of claim 1, wherein the transmitter,
a bit divider dividing the bit of length L into three bits of length L1, length L2 and length L3, respectively;
Characterized in that it comprises a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환하는 제1변환기; 및
상기 제1변환기에 의해 변환된 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 심볼 변조기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.The method of claim 2, wherein the transmitter,
a first converter converting a bit having a length L1 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
a symbol modulator for converting the decimal number converted by the first converter into one of 2 L1 symbols;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환하는 제2변환기; 및
상기 제2변환기에 의해 변환된 십진수에 기반하여 다음의 식에 따라 CSS 심볼을 생성하는 CSS 변조기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템:
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.The method of claim 3, wherein the transmitter,
a second converter converting a bit having a length L2 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
a CSS modulator generating a CSS symbol according to the following equation based on the decimal number converted by the second converter;
Low-power / high-efficiency underwater communication system for underwater IoT, characterized in that it further comprises:
here, Is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환하는 제3변환기; 및
미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택하는 랜덤 시퀀스 선택기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.The method of claim 4, wherein the transmitter,
a third converter for converting a bit having a length L3 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
Out of a total of 2 L3 sequences determined in advance the second sequence a random sequence selector for selecting;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
상기 심볼 변조기, 상기 CSS 변조기 및 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 생성된 신호와 파일럿 신호에 기반하여 다음과 같은 식에 따라 기저대역 송신신호 블록을 생성하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템:
여기서, 은 기저대역 송신신호 블록, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터, 는 상기 파일럿 신호, 는 상기 심볼 변조기에 의해 생성되는 신호, 는 상기 CSS 변조기에 의해 생성되는 신호, 그리고 는 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 선택된 번째 시퀀스임.The method of claim 5, wherein the transmitter,
Based on the signals and pilot signals generated by the symbol modulator, the CSS modulator, and the random sequence selector, a baseband transmission signal block is generated according to the following equation, characterized in that low power / high efficiency for underwater IoT Underwater communication system:
here, is a baseband transmission signal block, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols, is the pilot signal, Is a signal generated by the symbol modulator, is a signal generated by the CSS modulator, and is selected from a total of 2 L3 sequences previously determined by the random sequence selector. is the second sequence.
상기 기저대역 수신신호 블록의 파일럿 신호에 기반하여 시간을 동기화하는 시간 동기화부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.The method of claim 1, wherein the receiver,
a time synchronization unit for synchronizing time based on the pilot signal of the baseband received signal block;
Characterized in that it comprises a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
상기 시간 동기화부는 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 시간 축에서 수신신호와 파일럿 신호의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.According to claim 7,
The time synchronization unit estimates the starting point of the received signal block through cross-correlation of the received signal and the pilot signal on the time axis when the pilot symbol is a polyphase sequence, a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater IoT .
상기 시간 동기화부는 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, CSS 복조과정을 통해 시간 오차를 추정하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.According to claim 7,
The time synchronization unit estimates a time error through a CSS demodulation process when the pilot signal is a CSS symbol.
동기화된 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하며, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 이용하여 송신정보를 검출하는 CSS 복조기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템.The method of claim 7, wherein the receiver,
A CSS demodulator that performs DFT (Discrete Fourier Transform) on each synchronized signal and detects transmission information using a value having the largest magnitude among DFT outputs of each signal and an index of the value;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication system for the underwater Internet of things.
송신기가 매 송신 심볼 블록마다 길이 L인 비트를 전송하되, 상기 길이 L인 비트를 상기 길이 L보다 작은 길이의 비트들로 분배하고, 분배된 각각의 비트에 대응하여 심볼 변조, CSS 변조, 랜덤 시퀀스 선택에 기반하여 기저대역 송신신호 블록을 생성하여 전송하는 단계; 및
수신기가 상기 송신기로부터 수신되는 기저대역 수신신호 블록에 기반하여 상기 길이 L인 비트를 검출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.In the low-power / high-efficiency underwater communication method for underwater IoT, performed by an underwater communication system,
The transmitter transmits bits of length L in every transmission symbol block, divides the bits of length L into bits of length less than the length L, and in response to each of the distributed bits, symbol modulation, CSS modulation, random sequence generating and transmitting a baseband transmission signal block based on the selection; and
detecting, by a receiver, a bit having the length L based on a baseband received signal block received from the transmitter;
Characterized in that it comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
상기 송신기가 상기 길이 L인 비트를 각각 길이 L1, 길이 L2 및 길이 L3인 세 개의 비트들로 분배하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 11,
distributing, by the transmitter, the bit of length L into three bits of length L1, length L2 and length L3, respectively;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L1인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및
심볼 변조기가 상기 변환된 길이 L1인 비트의 십진수를 2L1개의 심볼 중의 하나로 변환하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 12,
converting, by the transmitter, a bit having a length L1 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
converting, by a symbol modulator, the decimal number of the converted length L1 bits into one of 2 L1 symbols;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L2인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및
CSS 변조기가 상기 변환된 길이 L2인 비트의 십진수에 기반하여 다음의 식에 따라 CSS 심볼을 생성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법:
여기서, 는 n차 심블 블록의 십진수 β에 대해 생성된 CSS 심볼, M은 의 길이로서 2L2, B는 CSS 심볼의 실제 대역폭, 그리고 Fs는 기저대역의 샘플링 주파수이다.According to claim 13,
converting, by the transmitter, a bit having a length L2 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
generating, by a CSS modulator, a CSS symbol according to the following equation based on the converted decimal number of bits of length L2;
Low-power / high-efficiency underwater communication method for underwater IoT, characterized in that it further comprises:
here, is a CSS symbol generated for the decimal number β of the nth order symbol block, M is 2 as the length of L2 , B is the actual bandwidth of CSS symbols, and Fs is the baseband sampling frequency.
상기 송신기가 상기 비트 분배기에 의해 분배된 세 개의 비트들 중 길이 L3인 비트를 십진수로 변환하는 단계; 및
랜덤 시퀀스 선택기가 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 번째 시퀀스인 를 선택하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 14,
converting, by the transmitter, a bit having a length L3 among the three bits distributed by the bit divider into a decimal number; and
From a total of 2 L3 sequences for which a random sequence selector is predetermined the second sequence selecting;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
상기 심볼 변조기, 상기 CSS 변조기 및 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 생성된 신호와 파일럿 신호에 기반하여 다음과 같은 식에 따라 기저대역 송신신호 블록을 생성하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신 시스템:
여기서, 은 기저대역 송신신호 블록, 는 파일럿 심볼과 데이터 심볼 간의 전력을 조절하는 파라미터, 는 상기 파일럿 신호, 는 상기 심볼 변조기에 의해 생성되는 신호, 는 상기 CSS 변조기에 의해 생성되는 신호, 그리고 는 상기 랜덤 시퀀스 선택기에 의해 미리 결정된 총 2L3개의 시퀀스 중에서 선택된 번째 시퀀스임.The method of claim 15, wherein the transmitter,
Based on the signals and pilot signals generated by the symbol modulator, the CSS modulator, and the random sequence selector, a baseband transmission signal block is generated according to the following equation, characterized in that low power / high efficiency for underwater IoT Underwater communication system:
here, is a baseband transmission signal block, Is a parameter for adjusting power between pilot symbols and data symbols, is the pilot signal, Is a signal generated by the symbol modulator, is a signal generated by the CSS modulator, and is selected from a total of 2 L3 sequences previously determined by the random sequence selector. is the second sequence.
상기 수신기가 상기 기저대역 수신신호 블록의 파일럿 신호에 기반하여 시간을 동기화하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 11,
synchronizing, by the receiver, a time based on a pilot signal of the baseband received signal block;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
상기 수신기는 파일럿 심볼이 polyphase sequence인 경우, 시간 축에서 수신신호와 파일럿 신호의 상호 상관을 통해 해당 수신신호 블록의 시작점을 추정하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 17,
When the pilot symbol is a polyphase sequence, the receiver estimates the starting point of the received signal block through cross-correlation of the received signal and the pilot signal on the time axis.
상기 수신기는 파일럿 신호가 CSS 심볼인 경우, CSS 복조과정을 통해 시간 오차를 추정하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 17,
Wherein the receiver estimates a time error through a CSS demodulation process when the pilot signal is a CSS symbol.
상기 수신기가 동기화된 각 신호에 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행하며, 각 신호의 DFT 출력 중 크기가 가장 큰 값과 그 값의 인덱스를 이용하여 송신정보를 검출하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수중 사물인터넷을 위한 저전력/고효율 수중 통신방법.According to claim 17,
performing DFT (Discrete Fourier Transform) on each synchronized signal by the receiver, and detecting transmission information using a value having the largest magnitude among DFT outputs of each signal and an index of the value;
Characterized in that it further comprises, a low-power / high-efficiency underwater communication method for the underwater Internet of things.
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KR1020210059429A KR102479134B1 (en) | 2021-05-07 | 2021-05-07 | Low power/high efficiency underwater communication system and method for underwater internet of things |
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KR1020210059429A KR102479134B1 (en) | 2021-05-07 | 2021-05-07 | Low power/high efficiency underwater communication system and method for underwater internet of things |
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2021
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