Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. July 2021. 304-313
https://doi.org/10.7776/ASK.2021.40.4.304

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 신호 설계

  •   2.1 전송 신호 설계

  •   2.2 수신 처리 과정

  • III. 시뮬레이션 및 결과

  • IV. 해상실험 환경 및 결과

  •   4.1 실험 장비 및 신호 구성

  •   4.2 실험 환경

  •   4.3 실험 결과

  • V. 결 론

I. 서 론

수중 음향 채널은 다중경로 전달, 주파수 선택적 페이딩, 낮은 전파 속도 및 좁은 대역폭을 갖는다는 특성이 있다. 음향신호의 전파 속도가 낮기 때문에 송수신기 사이의 이동이나 해류로 인한 도플러 천이 및 확산현상이 발생할 수 있으며, 해수면과 해저면 등의 경계면에 따라 다중경로 전달에 의해 신호의 중첩이 발생하여 심볼간 간섭을 유발할 수 있다. 또한 주파수 선택적 페이딩과 높은 잡음 간섭으로 인해 수중음향통신 장애가 자주 발생할 수 있다. 따라서 안정적이고 신뢰할 수 있는 수중음향통신 시스템을 구축하는 것은 도전적인 과제이며, 수중 채널은 시간적, 공간적으로 복잡한 특성을 갖고 있다.[1]

통신 방식 가운데 대역확산 통신은 초기에는 군사적 목적으로 사용해왔으며, 낮은 Signal-to-Noise Ratio (SNR)을 갖는 환경에서 강인한 신호를 만들기 위해 광대역 신호로 확산하여 전송하는 방법이다. 대역확산 기법을 사용한 통신방법에는 직접수열(Direct Sequence, DS), 시간도약(Time Hopping, TH) 및 주파수 도약(Frequency Hopping, FH) 방식 등이 있다.[2] 이 가운데 직접수열 대역확산 방식은 배경 잡음 속에 신호를 은닉하고, 도청을 방지하는 효과를 제공하며, 다중경로 전달에 의한 문제를 완화할 수 있다. 하지만 대역확산 과정으로 인하여 전송속도가 느려지며, 그로 인해 패킷의 길이도 길어져 도플러 확산의 영향을 많이 받을 수 있는 단점을 갖는다. 이처럼 전송속도가 감소하는 문제점을 보완하기 위해 하나의 심볼에 다수의 순환된 Pseudo Noise(PN) 시퀀스를 중첩함으로써 전송률을 높이는 중첩된 직접수열 대역확산 방식이 제안되었다.[3]

직접수열 대역확산 방식의 수중음향통신과 관련된 대표적인 연구를 살펴보면 Yang과 Yang[4]은 3.4 km의 송수신기 사이의 거리에서 실험을 수행하였다. 이 때 송신기와 수신기는 고정되어 있는 환경에서 17 kHz의 반송 주파수와 4 kHz의 대역폭을 사용하였고, 전송률은 8 bps로 하여 1% 이하의 비트 오류율을 나타내었음을 발표하였다. 또한 변형된 직접수열 대역확산 방식으로써 각 심볼당 127개의 칩과 300 Hz의 반송 주파수를 사용하여 161 km 거리에서 0.4 bps의 전송율로 실험을 수행한 결과가 보고되었다.[5] 국내의 경우에는 동해의 3 km 송수신 거리에서 100 bps 전송률과 4 kHz 대역폭을 사용한 직접수열 대역확산 방식으로 전송실험을 수행한 결과를 보고한 사례[6]가 있으나 아직까지 그 이상의 장거리에서 직접수열 대역확산 방식으로 전송 실험을 수행한 결과를 보고한 사례는 부족하다.

본 논문에서는 직접수열 대역확산 방식에 대해 동해에서 수행한 장거리 전송 해상실험 결과를 제시한다. 실험에서 송신기와 수신기 사이의 거리는 약 20 km였으며, 약 3 kn의 속력으로 송신기가 이동하였다. 기존의 직접수열 대역확산 방식과 이와 같은 심볼 전송율을 갖는 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 신호를 각각 전송하였고, 그 결과를 제시한다. 아울러 해상실험에서 획득한 음속분포도를 이용하여 계산된 채널 특성을 이용한 시뮬레이션 결과를 제시한다.

본 논문 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 대역확산 방식과 중첩된 직접수열 대역확산 신호의 송수신 과정을 포함한 신호설계를 설명하고, 제 3장에서는 벨홉(Bellhop) 모델 기반의 채널 모델링을 통한 시뮬레이션 결과를 서술한다. 4장에서는 해상실험을 위한 파라메타와 실험결과를 제시하고, 마지막으로 결론은 제5장에서 서술한다.

II. 신호 설계

2.1 전송 신호 설계

대역확산 통신은 변조할 때 요구되는 대역폭을 초과한 대역폭을 사용하는 대역폭을 확산하는 방법이다. 보통 PN 시퀀스를 활용하며, 직접수열 대역확산 통신 방식은 Phase Shift Keying(PSK) 신호에 확산 신호를 적용하여 대역폭을 확산한다. 여기서 PN 시퀀스 안의 하나의 펄스를 칩이라 하고, 확산된 하나의 심볼에 들어가는 칩의 비트율을 칩율라고 한다.[7]

수행된 실험에는 기존의 직접수열 대역확산 방식과 중첩된 직접수열 대역확산 방식으로 각각 변조한 신호를 사용하였으며, 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 신호는 Fig. 1의 블록도와 같은 과정으로 처리되었다.

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Fig. 1.

Transceiver structure of the superimposed DSSS.

기존의 직접수열 대역확산 방식에서는 확산 시퀀스마다 하나의 심볼이 변조된다. 벡터 형식으로 표현된 i번째 심볼의 변조 신호는 다음과 같다.

(1)
x(i)=s(i)c,

여기서 s(i)는 전송되는 심볼을 나타내며, c는 확산 수열인 PN 시퀀스를 나타낸다. 실험에서는 확산 수열로써 m-sequence를 사용하였다.[8] 그러나 Eq. (1)처럼 심볼당 하나의 정보를 전송하는 대신에 중첩된 직접수열 대역확산 방식에서는 각 심볼마다 순환 이동 시킨 PN 시퀀스들을 겹쳐서 심볼을 구성한다.[3] 이 때 순환 이동 행렬은 다음과 같이 정의된다.

(2)
T=01×(M-1)1IM-10(M-1)×1,

여기서 IM-1 은 행과 열이 모두 M-1 크기인 단위 행렬을 나타내고, M은 PN 시퀀스의 길이이다. 또한 01×(M-1)M-1개의 모든 원소가 0으로 이루어진 행벡터이다. Eq. (2)의 행렬 T는 1회 순환 이동시키는 행렬이며, TNN 번 순환 이동시키는 행렬로 정의된다. 이 행렬을 심볼 구성에 적용하면 아래의 식과 같다.

(3)
x(i)=j=0N-1s(i;j)Tj×Nc,

s(i;j)에서 j는 j번째로 전송되는 비트를 의미하며, i는 i번째 전송되는 심볼을 의미한다.

예를 들어 위의 식에서 3개의 비트를 중첩하여 하나의 심볼을 구성하기 위해 N이 3이라고 한다면 Fig. 1과 같은 형태가 된다. Fig. 1은 기저대역 모델로써 표현한 것으로써 3개의 비트 가운데 첫 번째 비트는 순환 이동되지 않은 PN 시퀀스를 곱하고, 두 번째 비트는 3만큼 이동, 세 번째 비트는 6만큼 이동시킨 PN 시퀀스를 해당하는 데이터 비트와 곱하여 확산한 뒤 이들을 모두 합하여 하나의 심볼을 구성한다.

2.2 수신 처리 과정

송신부에서 대역확산 후 중첩된 신호 x(i)가 채널을 통과해 수신된 신호는 다음과 같이 표현된다.

(4)
y(i)=H^(i)x(i)+n(i),

여기서 H^(i)는 채널 임펄스 응답 함수로 구성된 (M×M) 행렬이며, 채널 행렬 [H^(i)]m,n=h(i;m-n)로 정의할 수 있다. 여기서 [H^(i)]m,n은 행렬 H^(i)에서 m번째 행과 n번째 열에 위치한 성분을 의미한다. 채널 행렬의 첫 번째 열은 [h(i;0),...,h(i;D),0(M-D-1)×1]T 이며, 여기서 D는 M보다 작은 최대 지연확산의 길이로써 정수로 표현되어야 하기 때문에 아래와 같이 나타낼 수 있다.[3]

(5)
Dτmax/Tc,

여기서 τmax 는 최대 지연 확산을 나타내고, Tc 는 칩 지속시간을 나타낸다. 또한 식에서 은 소수점 이하 버림을 의미한다. 다중경로는 기본적으로 (D+1) 칩에 분산된다. 행렬 각각의 성분은 지연시간 차를 칩 간격으로 등분했을 때 얻어지며, 채널 임펄스 응답 행렬로 나타낼 수 있다. 또한 n(i)은 부가적인 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise, AWGN)이다. Eq. (2)의 순환 이동 행렬을 변형하여 아래와 같이 표현할 수 있다.

(6)
Th=01×(M-1)0IM-10(M-1)×1,

Eq. (6)를 이용하여 채널 임펄스 응답 행렬을 아래 식과 같이 표현된다.

(7)
H^(i)=d=0Dh(i;d)Thd.

수신부에서는 송신부에서 대역확산된 신호가 채널을 통과하여 수신된 신호에 대해 먼저 프레임, 주파수 및 위상을 포함한 각종 동기화 과정을 수행한 후 원래의 순환 이동되기 전의 PN 시퀀스를 다시 곱하여 역 확산을 통해 수신 신호를 원래의 신호로 복조한다. 수신된 신호의 시간 및 주파수 등의 동기가 이루어졌다는 가정하에 PN 시퀀스를 통한 역 확산을 수행하게 되면, Fig. 2의 예와 같은 상관 특성 결과가 나타나게 된다. 이 그림은 하나의 심볼에 (-1,1,-1)인 3개의 비트 정보가 중첩되어 있는 경우에 해당하며, 그림으로부터 각 비트 값을 결정할 수 있다. 또한 지연 도착한 신호는 역 확산이 되지 않으므로 다중경로 전달에 의한 인접 심볼 사이의 간섭도 극복할 수 있다.

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Fig. 2.

(Color available online) Example of correlation property.

III. 시뮬레이션 및 결과

해상실험 과정에서 획득한 Fig. 3의 음속분포를 이용하여 벨홉 모델 기반의 시뮬레이션으로 채널 전달 특성을 구한 뒤 이에 통신 신호를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 채널 환경은 실제 해상실험과 유사하게 구성하였으며, 송수신기 사이의 거리는 20 km로 설정하였다. 채널 모델링으로부터 수심 약 229 m에 위치한 수신단에서의 채널 임펄스 응답은 Fig. 4와 같은 결과를 나타내었다.

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Fig. 3.

Measured sound speed profile.

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Fig. 4.

(Color available online) Channel impulse response by Bellhop model.

Fig. 4와 같은 전달 특성을 갖는 채널을 이용하여 기존의 직접수열 대역확산방식과 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 성능을 시뮬레이션을 통해 비교하였다. 신호의 전송률은 8 bps로 설계되었으며, 프리앰블은 255 비트의 m-sequence를 연속적으로 2회 반복 사용하여 510 비트를 512 bps로써 약 1 s 길이로 전송하였다. 정보 데이터의 길이는 3×104개의 비트로 하였고, 각 비트는 63개의 칩으로 확산하였다. 백색 가우시안 잡음은 SNR이 30 dB가 되도록 첨가하였다. 시뮬레이션 결과 기존의 직접수열 대역확산 방식의 비트 오류율은 0, 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 경우 N = 3일 때 0.0028의 결과를 나타내었다. 두 방식의 성상도 결과 일부를 Fig. 5에 나타내었는데 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 성상도가 기존의 직접수열 대역확산 방식에 비해 더 퍼져 있음을 볼 수 있다.

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Fig. 5.

(Color available online) Constellation in simulation, (a) conventional DSSS, (b) superimposed DSSS.

IV. 해상실험 환경 및 결과

4.1 실험 장비 및 신호 구성

해상실험을 위한 송신기는 Neptune Sonar에서 제작한 T161 모델[9]로써 Free Flooded Ring(FFR) 형태의 프로젝터이고, 실험 당시 음원의 준위는 170 dB로 하였다. 수신기는 16채널 선배열 센서들을 사용하였으며, 실험에 사용된 수신 선배열은 각각의 센서가 2.8 m 간격으로 수직 배열을 이루고 있다. 이 수신 배열은 부이에 달려 해상에 투하되어 신호를 수신하였으며, 실험 당시 수신기의 중심은 수심 약 250 m로 하여 16개의 수신기는 약 229 m ~ 271 m 구간에 위치하였다. 수신 신호는 16,384 Hz의 샘플링 주파수로 내장된 저장장치에 기록되었다. 직접수열 대역확산 신호의 전송률은 8 bps로 설계되었으며, 중첩된 직접수열 대역확산 방식에서는 기존의 직접수열 대역확산 신호와 심볼 전송율은 같으나 3개의 비트를 하나의 심볼에 중첩시켜 결국 24 bps가 되도록 하였다. 정보 데이터의 길이는 336 비트로 하였고, 각 비트는 63개의 칩으로 확산하였다. 반송파 주파수는 2,500 Hz, 대역폭은 512 Hz를 사용하였다. 실험에 사용된 데이터 패킷의 구성은 Fig. 6에 나타내었다. 대략적인 시작점을 찾기 위해 64 비트의 프로브 신호를 삽입하여 512 bps로써 약 125 ms 길이로 전송하였고, 데이터 프레임의 정확한 시작점을 찾기 위해 프리앰블을 사용하였다. 프리앰블은 255 비트의 m-sequence를 연속적으로 2회 반복 사용하여 510 비트를 512 bps로써 약 1 s 길이로 전송하였다.

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Fig. 6.

Frame structure.

4.2 실험 환경

해상실험은 2020년 11월 포항 인근 해역에서 수행되었으며, 실험 기간 중에 날씨는 비교적 양호하였다. 1척의 선박만을 사용하였기 때문에 수신기는 부이를 활용하여 해상에 투하하였고, 선박에 설치된 송신기는 수신 배열과 거리가 멀어지는 방향으로 약 3 kn 속력으로 이동하면서 신호를 송신하였다. 실험환경은 Fig. 7과 같다.

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Fig. 7.

(Color available online) Geometry of transmitter and receiver array in sea trial.

실험 과정에서 수중의 음속분포도를 측정하였으며 이는 앞선 Fig. 3에 나타내었다. 그리고 측정한 수중 음속분포를 사용하여 벨홉 모델 기반의 시뮬레이션으로 전달 손실을 산출하였다. 실험이 진행된 해상에서 송신기와 수신기 사이의 수심은 일정하지 않았음을 고려하여 20 km 구간에서 계산된 전달 손실은 Fig. 8과 같이 나타났으며, 그림으로부터 약 20 km 부근에서 수신기들이 위치한 수심에서의 전달 손실이 상대적으로 낮은 환경임을 확인할 수 있다.

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Fig. 8.

(Color available online) Transmission loss.

통신 신호 전송에 앞서 채널의 전달 특성을 측정하였는데 이를 위해서 선형 주파수 변조된 신호를 일정한 시간 간격으로 반복 송신하였다. 신호의 반송파 주파수는 2,750 Hz, 대역폭은 1,536 Hz, 핑과 핑 사이의 간격은 0.5 s, 각각의 핑 길이는 0.03125 s로 하였다. 채널 임펄스 응답을 구하기 위해 정합 필터를 사용하였는데 약 20 km 거리에서 수심 약 229 m에 위치한 수신단에서의 채널 임펄스 응답 특성은 Fig. 9와 같이 측정되었다. 송신기의 이동으로 인하여 시간에 따른 기울기의 변화가 보이며, 다중경로 전달이 지속적으로 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 또한 도플러 뱅크를 이용하여 지연-도플러 확산 함수를 통해 평균적인 도플러 천이 주파수를 확인하였으며, Fig. 10에 보이는 것과 같이 약 –3 Hz의 도플러 천이 주파수가 발생됨을 확인하였다. 이를 보정하여 도출한 채널의 전력 지연 프로파일을 Fig. 11에 나타내었는데 다수의 다중경로가 관측되기는 하지만 직접 경로에 비해 그 크기 차이가 16 dB 이상으로 나타나 그 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

(Color available online) Channel impulse response at 20 km.

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Fig. 10.

(Color available online) Delay-Doppler spread function at 20 km.

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Fig. 11.

(Color available online) Power delay profile at 20 km.

4.3 실험 결과

전달거리 약 20 km에서 중첩된 직접수열 대역확산 방식으로 수신된 신호 가운데 1개 심볼의 상관 특성은 Fig. 12와 같은 결과가 나타났는데 하나의 심볼에 3개의 비트 (-1,1,-1)가 이동 중첩되어 있는 특성을 확인할 수 있다.

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Fig. 12.

(Color available online) Comparison of correlation characteristics of simulation and received signal.

송신기가 이동하는 환경이므로 앞서 제시한 채널 특성에서도 나타나듯이 도플러 주파수 천이 현상이 발생하며, 이는 통신 성능에 영향을 미친다. 이를 보정하기 위해 수신처리 과정에서 프리앰블 구간의 신호를 이용하여 도플러 천이 주파수를 추정하고 이를 데이터 구간에서 보정 처리하였다. 또한 Fig. 10에 보이는 것과 같은 도플러 확산으로 인한 미세 주파수 변동성을 보정하기 위해 평균 도플러 천이 주파수를 보정한 이후에 Phase Locked Loop(PLL)을 사용하여 위상을 보정하였다. 수신된 16개 채널 가운데 첫 번째 채널에서 도플러 천이 주파수 및 위상 보정 전후의 성상도를 Figs. 1314에 나타내었다. Fig. 14에서 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 성상도가 기존의 직접수열 대역확산 방식의 성상도에 비해 다소 확산된 결과가 나타났는데, 이는 앞선 시뮬레이션 결과와 유사한 경향임을 볼 수 있다. 이는 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 경우 중첩으로 인하여 SNR이 낮아지는 효과가 있어 발생하는 현상으로 보인다. 즉, 하나의 심볼에 중첩되어 있는 각각의 비트는 원래 전송 정보가 포함된 신호이지만 이들 서로는 잡음의 역할을 하게 된다. 이러한 성능을 나타내기 위한 방법으로써 출력 SNR을 산출하였다. 기존 문헌의 정의에 따라서 출력 SNR은 송신된 심볼과 각종 처리과정을 거쳐 측정된 심볼 추정치 사이의 평균제곱 오차의 역수로 표현되며, 이는 Eq. (8)과 같다[10].

(8)
OutputSNR-1=E|In-I^n|2,

위의 식에서 In은 n번째 정보 심볼 값이며, In^는 심볼의 추정치이다. E[]은 기댓값으로써 여기서는 평균으로 구하였다. 16개 채널에서 두 종류의 직접수열 대역확산 방식에 대한 출력 SNR을 Fig. 15에 나타내었다. 그림에서 가로축은 채널 번호를 의미하며, 1번부터 16번까지 나타내었다. 출력 SNR은 기존의 직접수열 대역확산 방식은 평균 14.1 dB을 보였고, 중첩된 직접수열 대역확산 방식은 평균 8.9 dB로 측정되었다.

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Fig. 13.

(Color available online) Constellation before Doppler shift compensation, (a) conventional DSSS, (b) superimposed DSSS.

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Fig. 14.

(Color available online) Constellation after Doppler shift and phase compensation, (a) conventional DSSS, (b) superimposed DSSS.

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Fig. 15.

(Color available online) Comparison of output SNR of the conventional DSSS and the superimposed- DSSS.

이들 방식들은 모두 동일한 에너지로 전송되었으며, 같은 심볼 전송율을 갖고 있지만 중첩된 직접수열 대역확산 방식은 하나의 심볼에 3개의 비트 정보를 포함하고 있기 때문에 기존의 직접수열 대역확산 방식에 비해 전송율이 3배 높아지면서 신호의 길이는 기존의 직접수열 대역확산 방식에 비해 그만큼 짧은 것을 볼 수 있어 전송 효율이 증가하게 된다.

16개 모든 채널마다 비부호화된 비트 오류율에 대한 결과를 Fig. 16에 나타내었다. 1번 채널이 해수면과 가장 가까이 위치한 채널이며, 16번 채널이 가장 깊은 수심에 위치한 채널이다. 실험 결과에서 비부호화된 비트 오류율은 최소 0(0/336)부터 최대 0.0089(3/336)까지 채널마다 약간의 차이가 났으나 대부분 10-2 이하로 나타났다. 평균 비트 오류율은 기존의 직접수열 대역확산 방식의 경우 3.7 × 10-5, 중첩된 직접수열 대역확산 방식의 경우 5.9 × 10-4로 나타났다. 기존의 직접수열 대역확산 방식의 비트 오류율 성능이 평균적으로 중첩된 직접수열 대역확산 방식보다 나은 것으로 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 대부분의 채널에서 비트 오류율은 0으로 나타났고, 또한 가장 높은 비부호화된 비트 오류율도 0.0089로 나타나 기존의 문헌[11]에 따라 비부호화된 비트 오류율이 10-1 이하이면 채널 부호화 기법이 적용될 경우 데이터의 복호는 오류 없이 대부분 복호될 가능성이 크다고 판단된다.

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Fig. 16.

(Color available online) Uncoded bit error rate of the conventional DSSS and the superimposed DSSS signal.

V. 결 론

본 논문에서는 동해에서 수행된 직접수열 대역확산 방식의 수중음향통신 신호 전송 결과를 제시하였다. 이 때 기존의 직접수열 대역확산 기법의 낮은 전송률 문제를 극복하기 위해 하나의 심볼에 다수의 순환된 PN 시퀀스를 중첩함으로써 전송율을 높이는 중첩된 직접 수열 대역확산 방식도 적용하였다. 송수신기 사이 거리 약 20 km에서 수행된 실험 결과는 두 가지 방법 모두 복호 가능한 범위 내의 낮은 비트 오류율을 나타내었다. 기존의 직접수열 대역확산 방식의 단점인 낮은 전송율 문제를 보완하기 위해 적용된 중첩된 직접수열 대역확산 기법과의 비트 오류율 비교를 통해 이 방법 역시 중장거리 통신에 적합할 것으로 판단된다.

향후 연구 내용으로는 수백 km 이상의 장거리 수중음향통신에 대한 연구와 더 높은 신뢰성과 효율성을 갖는 전송방식에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

Acknowledgements

본 연구는 국방과학연구소의 연구비 지원(과제번호 : UD200010DD)으로 이루어졌습니다.

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