I. 서 론
최근 국방 분야뿐만 아니라 민간 영역에서도 수중음향통신에 대한 연구가 활발하여 진행되고 있다. 이러한 수중 음향통신 시스템의 성능을 결정하는 요인에는 송수신기 사이의 거리에 따른 전달 손실과 다중 경로 전달 과정으로 인한 인접 심볼 사이의 간섭, 시스템 자체의 잡음과 해양의 배경 잡음, 해면 및 해저에 의한 산란 및 반사에 의한 잔향, 송수신기의 이동에 의한 도플러 효과 등이 있다.[1],[2]
수중 음향통신에서는 가용한 주파수 자원이 한정되어 있으므로 기존 무선통신에서 활용되는 기술을 그대로 적용하기에는 어려운 점이 많으며, 특히 통신은 접근성 및 신뢰성 등이 고려되어야 한다.
만약 보안성이 고려되어야 하는 은밀 수중음향통신이라면 Direct Sequence-Spread Spectrum Phase Shift Keying(DS-SS PSK) 변조 전송이나 Frequency Hopped-Spread Spectrum Frequency Shift Keying(FH-SS FSK) 변조 전송 시스템 등 다양한 방식을 고려할 수 있으며, 시스템의 종류에 따라 동기화 기법이 결정된다. 따라서 제한된 자원으로 인하여 하나의 통신방식으로 모든 요구사항을 만족시킬 수 없으므로 다양한 환경에서도 신뢰성을 확보하기 위한 각종 동기화 기술들을 필요로 한다.[3],[4],[5],[6]
수중 음향통신은 해저, 해수면, 수심 등의 시공간 변화에 의해 다중경로 전달특성이나 도플러 확산이 성능에 영향을 미치므로 시스템 설계 시 이를 극복할 수 있는 동기화 기술이 절대적으로 필요하다. 다양한 전송방식이나 변조 방식을 활용한 통신 기술들은 다양한 환경에서도 신뢰성을 확보하기 위해서 적합한 동기 기술을 사용하여야 하며, 그 중에 가장 기본이 되는 것이 본 논문에서 기술하고자 하는 프레임 동기이다.
장거리 수중음향통신에서 동기화는 1990년 초반에 동기 변조방식인 PSK 방식이 사용되며 연구가 시작되었다.[6] 이 연구에서 패킷 동기는 정확히 이루어진 상황을 가정하였으며, 송수신기의 움직임에 대한 고려가 이루어지지 않았다. 그러나 2000년대에는 이러한 가정을 해소하기 위한 연구가 이루어진다. References [3]과 [7]에서는 송수신기의 움직임을 고려한 도플러 주파수의 문제점을 제시하고 패킷 동기를 포함하여 도플러 주파수를 보상하는 알고리즘이 제시되었다. 위 논문의 특징은 패킷 구조의 맨 앞부분과 뒷부분에 Linear Frequency-Modulated(LFM) 신호를 추가하여 이를 이용하여 동기화 과정을 수행한다. 하지만 이는 근거리 수중음향통신에서는 가능할 수 있으나, 장거리 수중음향통신 채널에서는 수신 Signal to Noise Ratio(SNR)이 낮은 상황으로 인하여 LFM chirp 신호의 적절한 수신 전력을 보장할 수 없는 문제점이 있다. 또한 Reference [8]에서는 보다 우수한 성능을 갖는 패킷 동기를 위하여 LFM 대신 Symmetrical Triangular LFM(STLFM) 신호를 사용하였다. 특히 송수신기의 움직임에 의해 발생하는 도플러 주파수를 Fast Fourier Transform(FFT)를 이용하여 추정하였다. 현재까지 수중음향통신에서 Pseudo Noise(PN) 코드만을 이용하여 패킷 동기를 수행하는 연구는 매우 드문 상황이다.
본 논문에서는 수중 음향통신의 특성을 반영한 채널 시변동성에 강인한 프레임 동기화 기법을 제안한다. 제안하는 동기화 기법을 통해 송신기와 수신기 사이의 프레임 시점의 불일치 및 음파 지연에 의해 발생되는 정도가 큰 타이밍 오차를 복구한다. 또한, PN코드의 상관값을 계산하는 과정에서 동기누적과 비동기 누적을 사용하여 도플러 주파수 및 확산에 의한 영향에 대해 보다 강인한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
II. 송․수신기 설계
동기화 기법은 송신기에서 전송되는 신호의 유형에 따라 결정된다. 전송 방식으로는 크게 burst 데이터 전송 방식, DS-SS 전송 방식, FH-SS 전송 방식, Multi-Carrier(MC) 전송 방식 등 여러 형태로 분류 가능하다. 또한 변조 방식은 대표적으로 PSK 계열과 FSK 계열로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 프레임 동기의 성공 여부와 성능을 검토하기 위해 Binary Phase Shift Keying(BPSK) 변조 방식을 사용한 burst 데이터 전송방식을 채택하였다.
Fig. 1은 송신기 구조를 나타낸다. 송신기는 크게 프레임 생성기, 상승 여현 펄스 정형 필터(raised cosine pulse shaping filter), up-conversion으로 구성된다. 프레임 생성기의 입력은 메시지 데이터, PN 시퀀스 생성기, “0”값 삽입으로 이루어진다.
Fig. 2는 프레임 생성기에 의해 만들어진 프레임 구조를 가리킨다. 프레임의 맨 앞단은 PN 시퀀스로 구성된 Preamble이며, 다음은 메시지 데이터, 마지막으로 “0” 값을 통해 프레임의 시작과 끝을 구분할 수 있는 Guard interval이 존재한다. 펄스 정형 필터를 통과한 후의 신호 는 다음과 같다.
| $$u(t)=\sum_n^{}d(n)p(t-nT),$$ | (1) |
여기서 는 메시지 데이터(비트)의 주기이며, 는 펄스 정형 필터를 나타낸다. 따라서 송신기 최종 단에서 전송되는 신호는 다음과 같이 표현할 수 있다.
| $$s(t)=A_tu(t)\cos(2\pi f_ct),$$ | (2) |
여기서 는 송신기 이득, 는 반송파 주파수를 나타낸다.
본 논문에서는 수중 환경 채널에서 통신을 위한 타이밍 동기화 시험을 위하여 Fig. 3과 같이 수신기를 설계하였다. 만일 송수신기의 반송파 주파수가 일치한다고 가정하면, 수중 환경을 통과한 수신 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
| $$\underline r(t)=A_r\sum_{l=1}^L\alpha_l(t)u(t-\tau_l)\exp\left\{\theta_{\mathit l}(t)\right\}=r^I(t)+jr^Q(t),$$ | (3) |
여기서 밑줄(_)은 복소(complex) 신호를 나타내며, 는 수신 신호의 크기, 은 다중 경로의 수, 은 -번째 경로 신호의 진폭 변화, 은 -번째 경로 신호의 시간 지연, 은 -번째 경로 신호의 위상 변화를 나타낸다. 본 논문에서 수행하고자 하는 프레임 동기는 Eq. (3)에서 신호의 세기가 가장 큰 경로의 시간 지연을 찾는 것이다. 예를 들어, 2번째 경로신호 의 세기가 가장 크다면 를 찾는 것이다. 따라서 2-번째 경로 신호를 제외한 나머지 모든 신호는 간섭신호가 된다.
III. 프레임 동기화 설계
프레임 동기화는 수중 통신에서 송신측과 수신측 사이의 프레임 시점의 불일치 및 음파 지연에 의해 발생되는 타이밍 오차를 복구하는 것을 의미한다. 따라서 프레임 동기는 동기화 과정에서 가장 우선적으로 수행되어야만 한다. 이는 어떤 전송방식이나 변조 방식을 사용하든 동일하게 적용된다. 프레임 동기 이후 최종적으로 위상 동기를 통해 PSK 신호를 복조할 수 있다.
본 논문에서는 Fig. 4와 같이 3단계 프레임 동기 알고리즘을 수행한다. 1~2-STEP에서는 미리 알고 있는 PN 시퀀스를 활용하여 시작 타이밍을 검출하고 프레임을 동기화하는 단계이며, 3-STEP에서는 프레임 동기가 제대로 이루어졌는지 Minimum Mean Square Error(MMSE)를 통해 검증하는 단계이다.
STEP 1은 신호의 존재 여부를 확인하는 과정이며, 데이터의 수신이 시작되는 지점을 Synchronization 1과 Synchronization 2 과정을 거처 검출하게 된다.
STEP 1의 Synchronization 1에서는 현재 bit에서 이전 bit 간 이동 평균값을 확인한다. 이때, Eq. (4)에서와 같이 이동 평균값이 미리 결정한 Threshold 값 이상일 경우 신호가 존재함을 인식하고 그 지점을 검출한다.
| $$\frac1N\sum_{i=1}^NA_s(i)>Threshold,$$ | (4) |
여기서 는 수신신호 진폭의 -번째 샘플 데이터이며, 은 bit 단위의 샘플 수이다. STEP 1의 Synchronization 2에서는 Synchronization 1에서 결정된 지점으로부터 1-bit 내 샘플 데이터 중 신호 세기가 가장 큰 지점을 시작 지점으로 재설정 한다. STEP 1에서는 신호의 존재 유무만 판단하므로 STEP 2 과정을 통해 데이터 프레임을 생성하고 정밀하게 탐색할 필요가 있다.
STEP 1을 수행하고 검출된 신호의 시작지점을 바탕으로 STEP 2에서는 데이터 프레임을 생성하고, Eq. (5)와 같이 PN 코드와 상호상관을 확인하여 프레임이 동기화 되었는지를 확인한다.
| $$\widehat{R_{xy}}\;(m)=\left\{\begin{array}{l}\sum_{n=0}^{N-m-1}x_n+my_n^\ast,\;m\geq0\\\widehat{R_{yx}}(-m),\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;m<0\end{array}\right.,$$ | (5) |
여기서 과 은 상호상관을 확인하고자 하는 두 신호이며, 은 상호상관 시퀀스이다.
STEP 2는 생성된 프레임을 분할하여 상호상관 값을 확인하는 Synchronization 3 과정과, 상호 상관 값을 통해 프레임의 시작점을 정밀 탐색하는 Synchronization 4 과정을 거처 프레임 동기화를 수행한다.
STEP 2의 Synchronization 3에서는 STEP 1에서 결정된 시작 지점으로 Fig. 5의 와 와 같이 프레임을 생성하고, PN 코드 와 상호상관 값을 구한다. 이때 PN 코드의 비율에 따라 만큼 프레임을 분할하는데 이 과정을 동기누적이라 하며 을 동기누적 계수라 한다. 동기누적 수행 후 생성된 와를 각각 제곱하여 합산하며 이 과정을 만큼 수행한다. 이 과정을 비동기 누적이라 하며, 을 비동기 누적 계수라 한다. 동기누적과 비동기 누적을 수행한 결과로 의 최대가 되는 지점을 메시지 데이터의 시작지점으로 결정한다.
STEP 2 Synchronization 3에서 결정된 시작점으로 SETP 2 Synchronization 4에서는 다시 상호상관을 확인한다. 확인 결과 새로운 프레임과 PN 코드 간 지연이 발생한 경우에는 프레임의 시작점을 지연시간만큼 이동한다. 이 과정을 반복 수행하여 프레임의 시작점과 PN 코드의 시작점이 일치하면 프레임의 시작점을 확정한다.
STEP 3에서는 STEP 1과 STEP 2에서 검출한 시작 지점으로 프레임을 구성하고, 프레임 동기가 이루어졌는지 검증하는 단계이다. 검증방법으로는 인접 심볼 사이의 간섭과 잡음으로 인한 오차의 제곱의 기대치가 최소가 되도록 등화기 계수를 결정하는 최소 평균자승오차(MMSE) 방법을 적용하는 등화기를 설계하였다.[9] MMSE 등화기에서 최소화하고자 하는 목적함수는, 이 등화기 출력 샘플치 와 message data 간의 오차를 제곱한 기대치이다.
| $$MSE=E\left\{\left|q(mT)-a_{m-d}\right|^2\right\}=E\left\{\left|\sum_{i=0}^{K-1}c_iy(mT-iT)-a_{m-d}\right|^2\right\}=c^T\left[R_y\right]c-2c^Tr_{ya}+E\left\{a_{m-d}^2\right\}.$$ | (6) |
이것을 최소화 하는 등화기의 최적 tap 계수벡터 c는 Eq. (6)을 c에 관하여 미분한 결과를 영으로 놓음으로써 구해진다.
| $$\begin{array}{l}\frac d{dc}MSE=2\left\{R_y\right\}c-2r_{ya}=0\\:\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;c=\left[R_y\right]^{-1}r_{ya}.\end{array}$$ | (7) |
STEP 3에서 설계한 MMSE 등화기를 수행하여 프레임 동기를 검증하고, PN 코드를 검출한다.
IV. 호수실험 및 결과
수중환경 채널 및 수중 음향통신을 위한 타이밍 및 위상 동기화 성능 확인을 위해 경상북도 문경시에 위치한 경천호에서 호수실험을 수행하였다. Fig. 6과 같이 송수신단 사이의 거리는 450 m ~ 500 m 사이로 설정하였으며, 송신기는 수심 5 m 지점에, 수신기는 수심 30 m에 설치하였다. 실험 당시 수면으로부터 바닥면까지의 수심은 약 40 m 내외로 관측되었으나 위치에 따라 변동이 있었다. 송신 프로젝터로는 Neptune사의 D/17/BB 모델을 사용하였고, 수신 하이드로폰에는 B&K사의 8106 모델을 사용하였다. 실험은 송수신기가 고정된 경우뿐만 아니라 수신기가 약 2노트 내외로 이동하는 실험이 수행되었다. 비록 송수신기가 고정된 경우라 하더라도 이들을 장치한 보트가 바람의 영향으로 천천히 표류하였다. 송수신기는 Table 1과 같이 설정하였고, 송신 신호 구조는 Fig. 2와 같이 설계하여 수행하였다.
Table 1. Experimental parameter.
| Modulation | BPSK |
| Carrier Frequency | Hz |
| Sampling Frequency | Hz |
| PN Code | 128-bit |
| Data Rate | 500 bps |
송신 신호는 신호의 변화를 보상하기 위하여 데이터 중간 지점에 preamble을 추가하였으며, 프레임 간 인접 심볼 사이의 간섭을 방지하기 위하여 충분한 Guard interval을 추가하였다. Table 2와 같이 수신기를 고정하였을 경우와 이동하였을 경우로 구분하여 실험을 수행하였다. 모든 파라메타는 동일하며, 수신 SNR만 2 dB 차이가 난다.
Table 2. Experimental parameter.
| Experiment | Fix | Move |
| Preamble length | 128-bit | 128-bit |
| Message Data length | 128-bit | 128-bit |
| Gard interval | 32-bit | 32-bit |
| SNR | 18.3 dB | 20.1 dB |
각각의 실험에 대하여 신호의 시작 지점을 검출하기 위하여 Fig. 3의 STEP 1 과정을 수행하였다. 이때 Synchronization 1의 문턱치(threshold)는 0.008로 설정하였고, Fig. 7과 같이 신호의 시작지점을 검출하고, 검출된 시작점에서 1-bit 단위의 샘플 중 신호 세기가 가장 강한 지점으로 재설정한다.
STEP 1에서 검출한 신호의 시작점으로 프레임을 생성하고 STEP 2의 Synchronization 3에서는 Fig. 4와 같이 PN 코드의 비율에 따라 Table 3에 주어진 값을 사용하여 동기 누적과 비동기 누적의 과정을 수행하였다. 총 누적횟수는 128로 동일하다.
본 실험의 PN 코드 길이는 128-bit이므로 Table 3과 같이 동기 누적 계수는 128, 64, 32로 설정하였고, 비동기 누적 계수는 1, 2, 4로 설정하였다. STEP 2의 Synchronization 3을 수행한 결과는 다음과 같다.
Table 3. STEP 2-synchronization 3 parameters.
| Coherent integration (NC) | Non-coherent integration (NNC) |
| 128 | 1 |
| 64 | 2 |
| 32 | 4 |
Fig. 8은 Experiment 1의 수신기가 고정 상태이며, 동기 누적 계수와 상관없이 데이터 프레임과 PN 코드 간 프레임이 일치하는 지점을 확인할 수 있었다. Fig. 9는 Experiment 1의 수신기가 이동 상태이며, 다중경로 전달 현상으로 인하여 프레임이 일치하는 지점을 확인하기 어려웠으나, 동기 누적 계수를 변화 하여 프레임의 시작 지점을 확인할 수 있었다. STEP 2의 Synchronization 3에서 검출한 프레임의 시작점으로 프레임을 재구성하고, STEP 2의 Synchronization 4에서 다시 PN 코드와의 상호상관을 확인한다. 두 신호간의 지연시간을 확인하여 반복적으로 시작위치를 이동하고 상호상관 값을 확인하면서 프레임 동기화를 진행하였다. 각각의 프레임 별 STEP 2의 과정을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
Fig. 10과 같이 수신기가 고정 상태인 경우에는 각 프레임 별로 프레임의 시작 위치를 명확하게 확인 할 수 있었다. Fig. 11과 같이 수신기가 이동상태 인 경우에는 다중경로로 인한 인접신호 사이의 간섭으로 STEP 2 과정을 수행하면서 프레임의 시작 위치가 Fig. 12과 같이 보정되었다.
STEP 3 단계에서는 STEP 1과 STEP 2 단계에서 수행한 프레임 동기화를 검증하기 위하여 등화기 계수가 5인 MMSE 등화기를 설계하고 알고리즘을 수행하였다. 각각의 프레임에 대해 STEP 3 단계를 수행한 결과는 Figs. 13, 14와 같다.
STEP 3 과정 이후 프레임 동기가 검증되면 위상 복구 및 동기 누적 등을 수행하여 타이밍 동기 등 BPSK 복조를 수행하게 된다.
V. 결 론
본 논문에서는 채널 시변동성에 강인한 송수신 모델을 제안하고, 송신 신호의 특성을 반영한 3-STEP의 프레임 동기화 기법을 제안하였다. STEP 1에서는 신호의 존재 유무를 검출하는데 목적을 두었으며, STEP 2에서는 프레임의 시작점을 정밀 탐색하여 프레임 동기화를 수행하였다. STEP 3에서는 STEP 1과 STEP 2에서 수행한 프레임 동기화가 제대로 이루어졌는지 검증하였다. 수중환경 채널 및 수중음향통신을 위한 타이밍 및 위상 동기화 성능 확인을 위해 경상북도 문경시에 위치한 경천호에서 호수실험을 수행하였으며, 제안하는 프레임 동기화 기법을 적용하였다. 수신기가 고정 상태인 경우는 처음에 예상했던 프레임 시작 위치와 프레임 동기 이후 변동이 거의 없었으나 이동 중일 때는 다중 경로 전달 과정으로 인한 인접 신호 사이의 간섭으로 인하여 프레임의 시작 위치가 프레임 동기화이후 보정이 되는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 동기누적을 감소시켜 도플러 주파수의 영향을 줄임으로써 얻을 수 있었다. 프레임 동기화 이후 MMSE 등화기를 통하여 프레임 동기를 검증하였고, 수신 신호에서 PN 부호를 검출할 수 있었다.
