주파수 선택적 수중 음향 채널에서 FFT 기반의 임계값 추정 주파수 다이버시티 성능 연구

Abstract

수중 주파수 선택적 다중경로 채널은 경계면의 물리적 특성변화에 따라 수중 음향 통신의 성능이 변동되는 환경 지배적 통신 채널이다. 특히 다중경로를 통해 전파되는 송신 신호는 채널의 경계면 변동에 따라 주파수 선택성과 페이딩 변동성을 가지고 있어 수중 음향 통신 시스템의 통신 성능에 시변적으로 영향을 준다. 본 논문에서는 수중 음향 통신의 성능향상을 위해 주파수 선택성과 페이딩 영향 감소 기법으로 FFT (Fast Fourier Transform) 기반의 임계값 추정 알고리즘을 주파수 다이버시티에 적용하였다. 최근 수중 음향 통신 시스템의 성능향상을 위해 FSK (Frequency Shift keying), BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 등의 디지털 변조 방식이 적용되고 있다. 또한, 오류감소를 위해 전방 오류 정정 기법(Forward Error Correction, FEC), 등화기(equalizer) 등이 적용되고 있지만, 채널의 환경적 요인에 의해 성능은 제한적이다. 본 논문에서는 FFT 기반의 임계값 추정 알고리즘을 주파수 다이버시티 적용에 앞서 수중 다중경로 채널의 변동 특성 분석을 위해 LFM (Linear Frequency Modulation) 신호를 사용하여 채널을 분석하였다. 수중 다중경로의 시간 지연, 상관 대역폭, 주파수 선택성의 변동을 확인하였으며, 지연확산과 심벌 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)에 따른 대역폭 제한을 상관 대역 분석을 통해 확인하였다. 채널 분석을 바탕으로 수중 음향 통신에서 적용되는 대표적인 디지털 변조 기법 중 4-FSK (4-Frequency Shift keying), BPSK, QPSK의 성능 비교를 통해 다중경로 채널에 강인한 방식을 제시하였다. 실험 결과에서 4-FSK 기법이 상대적으로 우수한 성능을 보였으며, 위상 변조 기법인 BSPK와 QPSK 기법의 경우 오류가 약 10배 이상 발생하였다. 위상 변조 기법의 주파수 오프셋과 길쌈 부호기법을 통한 성능향상 방법 연구에서 QPSK 기법에 길쌈 부호기법을 적용하면, 4 dB의 이득이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, SNR (Signal-to-Noise Ratio)에 따른 주파수 오프셋이 성능감소에 영향을 주었다. 이를 바탕으로 FFT 기반의 임계값 추정 알고리즘을 적용한 주파수 다이버시티 기법을 제안하였으며, 단일 채널에서 성능이 가장 우수한 채널과 비교하면 BER (Bit Error Rate)는 최대 0.037까지 감소하였으며, 최대 97.53 %의 오류 개선율을 보였다. 또한, 기존의 선택 합성법과 비교하였을 때, gard band가 충분히 넓은 대역에서는 기존의 선택 합성법의 성능이 더 우수하였다. 그러나, 좁은 대역에서 본 논문에서 제시한 알고리즘을 적용하면 BER이 0.034 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 논문에서 제시한 알고리즘을 적용하면 좁은 주파수 대역을 사용해야 하는 수중 음향 통신에서 전송성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

The underwater communication channels are characterized by multipath fading due to boundary surface reflection. Frequency selectivity changes according to the fluctuation of the boundary surface in this channel, which degrades the performance of the underwater communication system. In this paper, we evaluated the performance of frequency diversity applying FFT (Fast Fourier Transform)-based threshold estimation algorithm as a communication performance improvement technique by time-varying frequency selectivity fluctuations. Using the LFM (Linear Frequency Modulation) signal, it was confirmed the time delay, correlation bandwidth, and frequency selectivity change according to the underwater multipath change. In addition, as a result of comparing the performance of 4-FSK (4-Frequency Shift Keying), BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) among digital modulation techniques, it was confirmed that the performance of 4-FSK was the best due to the frequency offset. In order to improve the performance of the QPSK modulation technique that is affected by the frequency offset, a convolutional code is applied. It was confirmed that a gain of 4 dB occurred when the convolutional code was applied. When the FFT-based threshold estimation algorithm presented in this paper was applied, the BER (Bit Error Rate) was reduced up to 0.037, and the error improvement rate was up to 97.53 %. In addition, compared with the existing selective combining, the BER decreased by 0.034 in a narrow band. Therefore, it was confirmed that the underwater acoustic communication performance can be improved by applying the algorithm presented in this paper.