A Study on Optimal Multiband Receiver Structure of Sub-Band FSK for Performance Improvement in Underwater Acoustic Communications

수중에서는 수심에 따른 음속 구조, 해수면의 변화, 전송 거리, 해저 지형 등 다양한 특성으로 인해 수중음향통신의 성능 저하를 일으킨다. 이러한 수중음향통신 환경에서 시공간 변화에 의해 도플러 확산이나 다중 경로 전달 특성이 성능에 영향을 주기 때문에 이를 극복할 수 있는 채널 부호 및 변·복조 기술은 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 성능 향상을 위한 최적의 수신기 구조를 설계하기 위해 다음 세 가지 방안을 고려한다. 첫째, 부 대역을 이용하여 MFSK 변조 방식을 활용하는 방법을 제안한다. MFSK 변조 방식에서 부호화 비트에 따라 변조되는 주파수가 결정되는 기존 방식과는 다르게 부호화된 비트를 블록으로 나누어 각 블록의 첫 번째 비트가 블록에 할당되어진 중심주파수를 결정하며 그 다음 비트들이 각 중심 주파수의 부 대역 주파수를 결정하는 구조이다. 이러한 구조는 계층적으로 전송되는 비트의 중요도에 따라 주파수 대역을 나눌 수 있어 중요한 비트에 대하여 성능을 향상시키는 방법이다. 둘째, 채널 부호화된 동일한 정보를 여러 주파수 대역으로 나누어 전송하는 다중 밴드 통신 기법을 적용하였다. 이는 도플러와 다중 경로에 의한 특정 주파수의 선택적 페이딩을 극복할 수 있으므로 통신의 신뢰성을 향상시킨다. 셋째로 성능 향상을 위해서 부호화율 1/3을 가지는 터보 부복호화기를 적용하였으며, 수신단에서는 등화기와 터보 복호기의 전체 반복으로 인하여 성능을 향상시키는 터보 등화기의 구조를 적용하였다. 그러나 다중 밴드 통신 기법에서 어느 특정한 밴드의 성능이 열화되어 전체적인 성능의 감소를 초래할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 각 밴드에서 송신자와 수신자가 모두 알고 있는 프리엠블을 이용하여 각 밴드의 가중치를 설정하고 전체적인 성능을 향상시키는 가중치 알고리즘을 적용하였다. 또한 도플러 추정 및 패킷 동기 알고리즘을 적용하여 복호된 데이터의 성능 분석을 한다. 또한 다중 밴드에 있어서 특정한 밴드에서 오류율이 높으면 전체 오류율이 높아질 수 있으므로 오류율이 높은 밴드에 대해서는 가중치를 낮게 할당 하고 오류율이 낮은 밴드에 대해서는 가중치를 높게 할당하는 가중치 알고리즘을 제안한다. 이러한 가중치 할당 알고리즘은 본 논문에서는 추정 BER(Bit Error Rate) 알고리즘을 이용하여 적용하였다. 추정 BER 알고리즘은 복조된 데이터와 복호 후에 다시 재부호화 시킨 데이터의 경판정 값과 비교하여 오류를 산정하는 방식이다. 복조된 데이터가 신뢰성이 있으면 추정 BER의 오류율은 낮을 것이며, 반대로 복조된 데이터가 신뢰성이 없다면 추정 BER의 오류율은 높을 것이므로 이에 따라 각 밴드에서 오류율에 따른 가중치를 설정하는 방식이다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 본 논문에서 제시된 시스템의 성능을 분석하기 위하여 단거리 호수 실험과 장거리 해상 실험을 진행하였다. 터보 등화 기법의 반복 횟수가 증가할수록, 다중 밴드 수가 증가할수록, 다중 밴드에서 밴드 별 가중치를 적용하였을 때 패킷의 전송 성공률이 높아짐을 나타냈다.The performance of underwater acoustic communication mainly depends on multi-path propagation characteristics, Doppler-spread, and frame synchronization. To improve performance, Using the MFSK(M-ary Frequency Shift Keying) modulation method, Sub-Band FSK is coded-bits are divided into groups, and center frequency and Sub-Band are determined by coded-bits of each group. Sub-Band FSK method can divide frequency bands according to the importance of bits transmitted. Therefore, it is a way to improve performance for important bits. In underwater communications, frame synchronization which indicate start of frame is very important part of affecting on performance. Finding the correct frame is directly related to performance, and even if only one sample is missed, it lead to performance degradation. In this thesis, after Doppler compensation, two types of frame synchronization algorithms are presented. First type is to find start of frame by correlation between received and transmitted preamble data which are known to transmitter and receiver side. Second type is to find which peak point has lower preamble error rates among adjacent several peak points. The conventional underwater communication methods use preamble as the training symbol of an equalizer to remove the effects of multi-path and synchronous acquisition of phase and frequency of encoded data field. However, since the performance of encoded data can be also predicted based on the error rate of preamble data, the error rate of un-coded preamble is used to predict the error rate of encoded data field. and to improve performance. This thesis presented efficient receiver structure using Multiband Sub-Band FSK for underwater communication. In order to improve performance in multi-path underwater channel with low SNR, this thesis presented multiband technology, which allocates the same data to different frequency bands, and it overcomes the frequency-selective fading due to underwater multi-path and Doppler spread. In other words, the multiband communication technology overcomes various underwater channel environments and extends propagation distances, thereby improving both performance and propagation efficiency. However, high error rates in a particular band for multiple bands can increase the overall error rate. The estimation BER algorithm is a method of calculating the number of errors in demodulated data and re-coded data after decoding. If the demodulated data is reliable, the estimated BER is low, whereas if the demodulated data is unreliable, the estimated BER is high, so the weights are set in each band accordingly. This thesis proposes a weighting algorithm that allocates low weights for bands with high estimated BER and high weights for bands with low estimated BER. Based on simulation results, thesis analyzed the performance in short-range lake experiments and long-range sea experiments. As the number of bands increases, As the number of iterations increases when applying turbo equalization method, In multibands, more packet transmission success rates were shown when band-specific weights were applied. Therefore, This thesis presented an efficient receiver structure using sub-band processing for underwater communication.1. 서 론 1 2. Sub-Band FSK 기반 수중 음향 통신 송수신 모델 알고리즘 3 2.1 단일 밴드 Sub-Band FSK 신호의 송수신 모델 3 2.2 다중 밴드 Sub-Band FSK 신호의 송수신 모델 6 2.3 터보 등화 구조 8 3. 채널 신뢰도 및 가중치 추정 11 3.1 수신 신호의 SNR을 이용한 채널 신뢰도 추정 11 3.2 추정 BER을 이용한 채널 신뢰도 추정 및 가중치 추정 13 3.2.1 채널 신뢰도 측정 13 3.2.2 다중 밴드의 밴드 별 가중치 값 추정 15 4. 시뮬레이션 및 실험 결과 분석 18 4.1 시뮬레이션 성능 분석 18 4.1.1 단일 밴드 Sub-Band FSK 성능 분석 19 4.1.2 다중 밴드 Sub-Band FSK 성능 분석 22 4.2 실험 결과 분석 24 4.2.1 실험 환경 24 4.2.2 송신 신호 패킷 구성 27 4.2.3 단일 밴드 프레임 동기 실험 결과 분석 (2020년 5월) 29 4.2.4 다중 밴드 실험 결과 분석 (2021년 3월) 31 4.2.5 장거리 실험 결과 분석 (2020년 11월) 33 5. 결 론 37 감사의 글 39 참 고 문 헌 41Maste