A Study on the Multi-Carrier System for Throughput Enhancement in Underwater Channel Environments

Studies applying multiple carrier method such as OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) or FMT(Filtered Multi-Tone) to Underwater acoustic communication(UAC) system are actively under way as UAC is utilized in the various fields and the demand of high speed data transmission increases. In the existing OFDM method, the use of virtual carrier, which is inserted not to affect the adjacent channel in the frequency domain, and the cyclic prefix, which is used to reduce the impact of Inter Symbol Interference and Inter Channel Interference, decrease the throughput. In particular, the length of cyclic prefix to be used becomes longer under water since underwater has a rapidly changing channel characteristic, and the data throughput diminishes because it has to allocate more subcarrier on virtual carrier. This study therefore suggests FMT-OFDM system, a combination of OFDM and FMT, for the purpose of enhanced throughput in the underwater channel environment. Besides, in this study, channel is modeled based on data measured in real sea and the performance is analyzed after setting system parameters. 논문 15-40-06-26 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-06 Vol.40 No.06 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2015.40.6.1193 1193 ※ 본 연구결과는 국토해양부의 “수중 광역 이동통신 시스템 기술개발” 과제에서 수행된 연구결과 중 일부임을 밝히며, 연구비 지원에 감사드립니다. First Author : Hoseo University Department of Information and Telecommunication Eng., minsang@hoseo.edu, 정회원 ° Corresponding Author : Hoseo University Department of Oceanic IT Eng., taehoim@hoseo.edu, 정회원 * Hoseo University Department of Information and Telecommunication Eng., 정회원 ** Sangmyung University Department of Information and Telecommunication Eng., 정회원 *** Korea Research Institute of Ships and Ocean Eng.(KRISO), 종신회원 논문번호:KICS2015-05-153, Received May 21, 2015; Revised June 16, 2015; Accepted June 16, 2015 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-06 Vol.40 No.06 1194 그림 1. 실측데이터 측정지역 Fig. 1. Measurement area map I. 서 론 최근 해양 생태계 연구 및 자원탐사, 인명구조, 군 사적 목적 등 사람이 직접 작업할 수 없는 환경에서 AUV(Autonomous Unmmanded Vehicle)를 활용한 원격 작업이 증가함에 따라 수중음향통신 기술의 중요 성이 대두되고 있다 . 따라서 향후 수중에서도 원활한 원격 작업을 위해 음파를 사용한 고속의 데이터 서비 스가 요구될 것이며, 이러한 요구를 만족하기 위해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 과 FMT(Filtered Multi-Tone)와 같은 다중반송파 전 송방식을 수중에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다 . 일반적으로 수중 채널 환경은 수온과 수심, 염분 등 의 영향으로 인하여 장소와 계절에 따라 급격하게 변 화하고, 수중생물 및 해면과 해저면, 해양 생물 등에 의해 발생하는 다중경로 페이딩의 영향으로 신호의 심볼 간 간섭이 증가하여 통신성능의 저하를 초래한 다. 따라서 극심한 채널변화를 갖는 수중 채널 환경에 서 단일반송파 전송방식을 사용하게 되면 주파수 선 택적 채널이 되어 이를 보상하기 위해 복잡한 등화기 의 설계가 필요하지만 다중반송파 방식을 사용하면 각 부반송파 단위로 데이터 심볼의 채널 등화를 수행 하기 때문에 간단한 등화기를 사용하여 심볼 복원이 가능해진다 . 그러나 실제 수중 채널 환경에서 상관대역폭은 불 과 수십~수백 Hz로 작기 때문에 OFDM을 적용하기 위해 각 부반송파의 대역폭을 상관대역폭보다 작게 설계하게 되면 부반송파의 개수증가로 FFT 사이즈가 증가하여 시스템의 복잡도가 증가하게 되고, 극심한 채널변화를 갖는 수중 채널 환경은 부반송파 간 인접 채널에 영향을 증가시키므로 인접 채널간의 영향을 줄이기 위해 사용하는 가상 부반송파(virtual carrier) 개수의 증가를 초래하여 데이터 전송량이 감소된다. 따라서 수중 채널 환경에서 신뢰성 있는 고속의 데이 터 통신 및 전송량 증대를 위해 기존의 OFDM 시스 템과 FMT 시스템을 결합한 FMT-OFDM 시스템을 제안한다. FMT-OFDM 시스템은 전체 사용 주파수 대역에서 multi-band를 생성하고 각 sub-band에 OFDM을 수행 하는 방식으로 OFDM 시스템과 부반송파의 개수는 동일하지만 sub-band 내의 OFDM 부반송파의 개수는 감소하여 FFT 사이즈를 감소시키고 FMT의 사용으로 부반송파 간의 인접 채널 간섭이 감소하므로 가상 부 반송파의 개수를 감소시켜 데이터 전송량을 증대시킬 수 있다. 본 논문의 II장에서는 측정환경 설명과 수중 채널 환경에 적합한 FMT-OFDM 시스템 연구를 위해 실해 역에서 측정한 데이터를 분석하였으며, III장에서는 FMT-OFDM 시스템의 구조도에 대해 설명한다. IV장 에서 FMT-OFDM 시스템의 성능 검증을 위한 시뮬레 이션 결과를 보이고, 끝으로 V장에서 본 논문의 결론 을 맺는다. II. 측정 환경 및 수중 채널 분석 그림 1은 측정데이터 측정 장소인 거제도 앞바다와 송신측과 수신측의 위치(35°1'48.43"N 128°37'28.3 1"E와 35°2'3.64"N 128°38' 14.35"E)를 나타낸 그 림이다. 그림 2에는 본 측정에 사용한 (a)선박과 (b)선박 내 부에 설치한 측정 장비, (c)송신 센서와 (d)수신센서가 보인다. 거제도 앞바다는 수심이 약 40m이며 송수신기의 입수 깊이는 해면 반사파와 해저면 반사파의 반사 거 리를 동일하도록 전체 수심의 중간 지점인 20m에 위 치시켰고 송수신 선박간의 거리에 따른 수중 채널 특 성의 변화를 알아보기 위해 선박과 수신 선박 간의 거 리를 100m에서 1500m까지 다르게 하여 데이터를 송 수신 하였다. 본 논문에서는 수중 채널 환경에 적합한 FMT-OFDM 시스템의 파라미터 선정과 채널 모델링 을 위해 실측데이터 분석을 하였으며, 측정데이터 분 석의 신뢰성을 높이기 위해 각 거리별로 9~15회 반복 하여 데이터를 수집하였다 . 송신신호는 BPSK 변조 방식을 사용하여 1023개의 PN 코드를 반복해서 전송 하였고, 데이터의 전송률은 5kbps였으며, 25kHz의 반 송주파수로 데이터를 전송하였다. 그림 3은 거제도 천 논문 / 수중 채널 환경에서 전송량 증대를 위한 다중반송파 시스템에 관한 연구 1195 (a) 선박 (b) 선박 내부의 측정장비