수중 초음파의 Multipath 해석과 디지탈 통신 시스템의 구현

임용곤(Yong-Kon Lim),박종원(Jong-Won Park),김영길(Young-Kil Kim) 대한전자공학회 1996 대한전자공학회 학술대회 Vol.1996 No.11

A Broadband FIR Beamformer for Underwater Acoustic Communications

최영철,임용곤,Choi, Young-Chol,Lim, Yong-Kon The Korea Institute of Information and Commucation 2006 한국정보통신학회논문지 Vol.10 No.12

수중음향통신을 위한 빔형성 기법은 대역폭이 반송주파수에 비해서 큰 광대역 신호 특성을 고려해야한다. 수중 음향통신에서는 협대역 신호가정이 성립하지 않는다. 본 논문에서는 기저 대역 배열신호 모델을 이용한 수중음향통신 광대역 FIR 빔형성기에 대해서 논한다. 반송주파수 25Hz, 심볼 속도 5kHz인 QPSK 방식의 수중음향통신에 있어서 광대역 FIR 빔형성기를 고려했다. 배열 센서는 8개의 등방형 센서로 구성된 선형등간격 구조이고, 센서간 간격은 반송주파수 파장의 절반이다 컴퓨터 모의실험을 통하여 각 센서에 길이가 2인 FIR 필터를 채택하고 탭간 간격이 심볼 주기의 1/4일 때 광대역 FIR 빔형성기는 최적 신호 대 간섭잡음비에 근접하였으며, 기존의 통상적인 협대역 빔형성기보다 신호 대 간섭 잡음비가 0.5dB 향상된 결과를 보였다. 광대역 FIR 빔형성기의 성능은 FIR 필터 길이가 특정 값 이상으로 커지면 더 나빠지고, 탭간 간격이 심볼 주기의 절반보다 작으면 탭간 간격은 성능에 영향을 주지 않았다. 탭간 간격 이 심볼 주기와 같은 경우에, 훈련 신호열이 통상적인 경우보다 더 많이 필요하였다. Beamforming for underwater acoustic communication (UAC) is affected by the broadband feature of UAC signal, which has relatively low currier frequency as compared to the signal bandwidth. The narrow-band assumption does not hold good in UAC. In this paper, we discuss a broadband FIR beamformer for UAC using the baseband equivalent way signal model. We consider the broadband FIR beamformer for QPSK UAC with carrier frequency 25kHz and symbol rate 5kHz. Array geometry is a uniform linear way with 8 omni-directional elements and sensor spacing is the half of the carrier wavelength. The simulation results show that the broadband n beamformer achieves nearly optimum signal to interference and noise ratio (SINR) and outperforms the conventional narrowband beamformer by SINR 0.5dB when two-tap FIR filter is employed at each sensor and the inter-tap delay is a quarter of the symbol interval. The broadband FIR beamformer performance is more degraded as the FIR filter length is increased above a certain value. If the inter-tap delay is not greater than half of the symbol period, SINR performance does not depend on the inter-tap delay. More training period is required when the inter-tap delay is same as the symbol period.

초음파를 이용한 수중 버스트 전송에서 높은 과샘플율 기반 QPSK 수신기의 프레임동기 방안

박종원,김승근,임용곤,김영길,Park Jong-Won,Kim Seung-Geun,Lim Young-Kon,Kim Youngkil 한국음향학회 2005 韓國音響學會誌 Vol.24 No.8

본 논문에서는 초음파를 이용한 수중 버스트 QPSK 전송에서 높은 과샘플율을 갖는 수신기에서의 프레임 동기방법에 대하여 제안한다. 제안한 프레임 동기 검출기에서는 두 번 반복되는 16심벌 길이의 CAZAC 신호열 중 가운데 16심벌을 취하여 이 심벌열과 수신 신호의 샘플과의 상관값을 계산한 후, 문턱값과 비교하여 프레임 동기를 검출한다. 또한, 설계한 프레임 동기 검출기의 성능의 근사값을 유도하였으며, 시뮬레이션을 통하여 유도한 성능 근사값이 실험값과 잘 맞음을 확인하였다. In this paper, we present a frame synchronization scheme for high oversampling rate based QPSK receiver system in the underwater acoustic burst transmission. The proposed frame synchronization scheme determines the frame synchronization by comparing a threshold value with the correlation between the received symbol sequence and rotated 16-symbol length CAZAC sequence, which is made by dividing into two 8-symbol length sequences and then concatenating the latter sequence and the former one. If the correlation value is bigger than the threshold value, the frame detector determines that the frame synchronization is achieved at that sample. Also, the approximated performance of designed frame detector is derived and it is well fit the simulated result.

해상 VHF 모뎀의 송신전력 모니터링을 위한 결합기 및 정류회로 설계

김승근,성소영,임용곤,박동국,Kim, Seung-Geun,Sung, So-Young,Lim, Young-Kon,Park, Dong-Kook 한국정보통신학회 2010 한국정보통신학회논문지 Vol.14 No.12

The design of coupling and rectifying circuits for the maritime VHF digital modem is investigated in this paper. To monitor the transmitting power of the modem, a directional coupler which is used to extract a small fraction of the transmitter signal power, and a rectifying circuit which make DC voltage proportional to the coupled rf power are designed and fabricated. The parallel-coupled line coupler with directivity of above 25 dB at 160 MHz bands is designed and it is shown that the output voltage of the rectifying circuit is linearly changing from 0.85 V to 1.6 V when the transmitting power of the modem is varying from 1 W to 25 W. The proposed coupler and rectifying circuits are expected to be suitable for maritime VHF digital modem. 본 논문은 해상용 VHF 디지털 모뎀의 구성요소 중 하나인 방향성 결합기 및 정류회로의 설계에 관한 것이다. 모뎀을 통해 송신되는 전력을 모니터링하기 위해, 송신 신호의 일부를 추출하는 방향성 결합기와, 결합된 RF 신호에 비례하는 DC 전압을 만들어내는 정류회로를 설계 제작하였다. 160 MHz 대역에서 25 dB 이상의 지향성을 갖는 평행 결합 선로 결합기를 구현하여, 모뎀 송신 전력이 1 W ~ 25 W로 변할 때 정류회로의 출력 전압이 약 0.85 V ~ 1.6 V로 선형적으로 변하는 것을 확인하였다. 제안된 결합기 및 정류회로는 해상용 VHF 디지털 모뎀에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

수중음향통신 링크 해석

최영철,변성훈,임용곤,Choi, Young-Chol,Byun, Sung-Hoon,Lim, Yong-Kon 한국정보통신학회 2007 한국정보통신학회논문지 Vol.11 No.8

수중음향통신 링크는 육상에서의 통신 링크와 비교했을 때, 물과 공기라는 매질의 차이, 음파와 전자기파라는 전달 파의 차이로 인하여 링크 해석에 있어서 수중음향통신 환경 고유의 특성을 고려한 링크 해석이 필요하다. 본 논문에서는 수중에서 음파를 이용한 무선통신의 매질로서 바다 속을 경로 손실, 흡음, 환경 잡음 측면에서 수중음향통신 링크 예산 수립에 적합하도록 음향학 기반의 지식을 해석하고 고찰하였다. 우리나라 연안에서의 흡음 계수 및 잡음 레벨에 대해서 분석하고 흡음 계수 및 잡음 레벨을 고려한 수중음향통신 주파수 대역 선정 방법을 제시하였다. 또한, 수중음향채널 링크 해석 결과의 적용 예로서 수중음향통신 시스템에서 널리 사용되고 있는 주파수 대역 중에서 25kHz 중심 주파수를 사용하고 전송 속도 10kbps, 목표 전달 거리 1km, 목표 비트 오율 $10^{-3}$인 QPSK 수중음향통신 시스템의 천해 동작환경을 고려한 이상적인 AWGN 환경에서의 링크 예산 수립 예를 보였다. The electro-magnetic wave propagates through the air in the terrestrial communications, but the acoustic wave propagates through the seawater in the underwater acoustic communication(UAC). It makes the differences between the UAC link and the well hon air communication links. In this paper, we have studied path loss, absorption and ambient noise of the ocean as a medium for UAC. We have analyzed the absorption coefficient and ambient noise level of the coastal area of South Korea and suggested a strategy for the selection of the frequency band by considering the absorption coefficient and ambient noise level. Also, we present an illustrative example of a link budget for the QPSK UAC system which has carrier frequency 25kHz, bit rate 10kbps, range 1km and BER $10^{-3}$ in the shallow water environment with an ideal AWGN assumption.

디지털 선박의 통합 연동 시스템 구현

박종원,성소영,임용곤,윤창호,김승근,Park, Jong-Won,Sung, So-Young,Lim, Yong-Kon,Yun, Chang-Ho,Kim, Seung-Geun 한국정보통신학회 2012 한국정보통신학회논문지 Vol.16 No.6

항해시스템은 통합항해시스템(INS 또는 IBS)을 중심으로 운항과 관련된 시스템과 장비들이 통합되고 있고, 추진시스템은 통합제어감시시스템(ICMS, IPMS, IMCS 등)을 중심으로 추진제어, 전력제어, 기타 제어시스템 등이 통합되고 있다. 본 논문은 선박의 통합화와 관련하여 선박에서 사용되는 다양한 인터페이스를 네트워크 기반으로 통합시켜주며, 네트워크를 통해 전송된 신호를 다양한 인터페이스를 갖는 장비에 제공해 주기 위해 개발된 통합연동시스템에 대한 설계 및 구현결과를 기술하고 있다. Thus, all systems and sensors corresponding to navigation are integrated to an INS (Integrated Navigation System) or an IBS (Integrated Bridge System). Propulsion automation systems, propulsion systems, auxiliary systems, and power management systems are integrated to an ICMS (Integrated Control and Monitoring System), an IPMS (Integrated Platform Management System), and IMCS (Integrated Monitoring and Control System). This paper introduces the results of designing and implementing an Integrated Interface System which ties up diverse system interfaces via network and inversely converts network signals into a proper interface signal type connected to other systems.

25 kHz 대역에서 PN 신호열을 이용한 거제 천해역 수중음향통신 채널 특성 분석

김승근,김시문,임용곤,Kim, Jae-Gap,Kim, Sea-Moon,Lim, Young-Kon 한국음향학회 2007 韓國音響學會誌 Vol.26 No.8

본 논문에서는 천해역에서 PN 신호열의 자기상관특성을 이용하여 수중 초음파통신 채널 특성을 측정하는 방법과 수신 신호 샘플 데이터로부터 수중통신 채널 특성 분석 결과에 대하여 기술한다. 수중음향통신 채널의 특성을 측정하기 위하여 두개의 PN 신호를 I-채널 및 Q-채널 데이터로 사용하여 QPSK 심볼을 생성하고, 5 kHz 심볼율과 25 kHz 반송파를 갖는 신호로 변조하여 전송한다. 수신부는 송신기에서 675 m와 1492 m 떨어진 위치에서 수신 신호를 샘플링하여 저장한다. 저장된 샘플 데이터를 이용하여 산란 함수, 상관 시간, 지연전력 프로파일, spaced-tone 자기상관함수, 지연 확산 및 상관 대역폭을 각각의 음파 전파 거리에 대하여 분석한다. 또한, 분석한 채널 특성을 토대로 수중 전송 시스템 설계 및 구현을 위한 설계 지침을 제안한다. In this paper, the measuring method of underwater acoustic communication channel characteristics in the shallow water using the autocorrelation characteristic of PN sequence and the undorwater communication channel analysis results from the received signal sample data are described. For measuring the underwater acoustic communication channel characteristics, two PN sequences are used as a transmitted data of I-channel and Q-channel of QPSK symbol and QPSK signal is transmitted with symbol rate of 5 kHz and carrier frequency of 25 kHz. In the receiver the received signal, which pass through 675 m and 1492 m, is sampled and then stored. Using the stored sample data, the scattering function, coherent time, delay power profile, spaced-tone autocorrelation function, delay spread, and coherent bandwidth of each propagation distance cases are analyzed. Based on the analysis results, several guidelines are suggested for the design and implementation of underwater transmission system.

수중음향통신을 위한 적응 결정궤환 등화기

최영철,박종원,임용곤,Choi, Young-Chol,Park, Jong-Won,Lim, Yong-Kon 한국정보통신학회 2009 한국정보통신학회논문지 Vol.13 No.4

본 논문에서는 2007년 11월 거제 연안에서 실해역 실험을 통하여 취득한 데이터를 이용하여 수중음향통신을 위한 적응 결정제환 등화기의 비트 오율 성능 분석 결과에 대해서 논한다. 전방먹임 필터 길이, 되먹임 필터 길이, 훈련신호열 길이, 시간지연 등의 변수를 변화시키면서 RLS 알고리듬을 적용한 적응 결정궤환 등화기의 비트 오율을 분석한 결과, 오류정정부호를 적용하지 않았을 때, 전달 거리 9.7km, 4km에서 각각 $4{\times}10^2\;and\;1.5{\times}10^{-2}$ 비트 오율을 얻었다. 얻어진 $10^{-2}$ 수준의 비트 오율은 오류정정부호를 적용할 경우에 $10^{-3}$ 이하로 낮아지므로, 적응 결정궤환 등화기는 모뎀의 무게 및 부피가 작아야 하는 자율무인잠수정에서 고속의 통신 수단을 제공할 수 있는 기술로서 활용 가치가 클 것으로 예상된다. In this paper, we present bit error rate(BER) performance of an adaptive decision feedback equalizer(DFE) using experimental data. The experiment was performed at the shore of Geoje in November 2007. The BER of the adaptive DFE whose tap weight is updated by RLS is described with change of feedforward filter length, feedback filter length, training sequence length, and delay, which shows that the uncoded average BER is $4{\times}10^2\;and\;1.5{\times}10^{-2}$ with transmission range of 9.7km and 4km, respectively. The BER of the adaptive DFE can be lower than 10-3 by a forward error correction code and therefore the adaptive DFE may be a good candidate for a high speed AUV communications since the volume and weight of the underwater acoustic modem should be small because of the restricted space and power in the battery-operated AUV.

수중 이동체 통신망을 위한 접속제어 프로토콜의 설계 및 구현

신동우(Dong-Woo Shin),임용곤(Yong-Kon Lim),김영길(Young-Kil Kim) 한국해양공학회 1997 韓國海洋工學會誌 Vol.11 No.4

This paper proposes a new efficient MAC(Media Access Control) protocol to establish the ultrasonic communication network for underwater vehicles, which ensures a certain level of maximum throughput regardless of the propagation delay of ultrasonic and allows fast data transmission through the multiple ultrasonic communication channel.<br/> A MAC protocol for underwater communication network that allows 'peer-to-peer' communication between a surface ship and multiple underwater systems is designed, and the proposed control protocol is implemented for its verification.

해상 환경에서의 무선 이동 통신을 위한 선박용 Ad-hoc 네트워크 운용 시나리오

김영범,장경희,윤창호,박종원,임용곤,Kim, Young-Bum,Chang, Kyung-Hi,Yun, Chang-Ho,Park, Jong-Won,Lim, Yong-Kon 한국정보통신학회 2009 한국정보통신학회논문지 Vol.13 No.10

육상에서는 기지국을 통해 고속의 무선 통신 시스템을 사용하고 없는 반면, 해상의 경우 기지국을 설치하는데 제약이 따르고, 이로 인해 긴 전송거리를 갖는 저속의 MF/HF 대역 모뎀을 주로 사용 하고 있다. 고속 전송을 위해 해상위성통신이 사용되기도 하지만, 비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 낮은 비용으로 전송속도를 증가시키기 위해서는 Vehicular Ad-hoc Network (VANET)과 같은 기지국이 없는 상황에서 단말간의 통신이 가능한 네트워크의 구성이 필요한데, 해상의 경우 육상과는 다른 환경적인 특징들을 갖기 때문에 본 논문에서는 해상에서의 Ad-hoc 네트워크를 Nautical Ad-hoc Network (NANET) 이라 칭하며 NANET을 위한 시나리오를 설정하고, 시나리오 별 Multiple Access 및 Duplex 방식을 분석한 후, NANET을 구축하기 위한 주요 후속 연구 주제들을 정리하여 해상 무선 통신 연구를 위한 기본적인 Guide Line을 제시한다. In terrestrial communications, high data rate transmission can be achieved by splitting the coverage area into small cells through base stations and reusing the resource efficiently. However, the geographical features of maritime communications require the long transmission range, and it is not practical to install base station on the sea to set up the similar deployment as the terrestrial communications, so MF/HF band modem with low data rate are currently utilized for maritime communications. And the expensive satellite communication via Inmarsat is the conventional solution for the high data rate transmission on the sea. To reduce the cost, Ad-hoc network is proposed to apply on the sea, which requires no base station for the peer-to-peer communications. In this paper, we denominate this maritime environment specific Ad-hoc network as Nautical Ad-hoc Network (NANET). Furthermore, the deployment scenario for the NANET, and the analysis on multiple access and duplexing schemes for the NANET are discussed in this paper, which serves as the cornerstone for the further NANET research and development.