KR102711394B1 - Method and apparatus for improving performance for underwater acoustic communication using multi-channel combination of multi-channel receiver - Google Patents
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Abstract
본 기술은 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 기술의 프로세서에 의해 구현되는 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법은, 다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득하는 단계; 상기 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하는 단계; 상기 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출하는 단계; 및 상기 통신신호에 상기 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 상기 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 단계;를 포함한다. 본 기술은 다중채널 수신기로부터 수신된 통신신호의 채널 특성을 선제적으로 분석하고, 이를 이용하여 통신 신호에 채널 특성 기반 가중치를 적용함으로써 통신성능을 향상시키는 방법을 제공할 수 있다.The present technology relates to a method and device for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver. The method for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver implemented by a processor of the present technology includes the steps of: obtaining a communication signal through a multi-channel receiver; predicting a baseband underwater channel impulse response of a training symbol section in the multi-channel receiver; calculating a SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight for each channel using the predicted channel impulse response; and applying the weights to the communication signal to reduce energy of a channel that deteriorates communication performance, and then applying the communication signal to which the weights have been applied to communication demodulation through multi-channel combining. The present technology can provide a method for improving communication performance by preemptively analyzing channel characteristics of a communication signal received from a multi-channel receiver and applying channel characteristic-based weights to the communication signal using the same.
Description
본 발명은 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수중음향 통신채널 특성기반 상대적 가중치를 고려한 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and device for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver, and more specifically, to a method and device for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver considering relative weights based on underwater acoustic communication channel characteristics.
수중에서의 음향 채널은 해양 경계면에 의한 다중경로 특성을 갖고 이러한 다중경로는 시·공간적인 해양환경 변동성에 의해 시간에 따라 변화하기 때문에 수중음향 통신을 어렵게 만든다. Underwater acoustic channels have multipath characteristics due to the ocean boundary, and these multipaths change over time due to spatial and temporal variability in the ocean environment, making underwater acoustic communication difficult.
이를 극복하기 위한 과정으로 다중채널 수신기의 다중채널 결합을 통해 얻을 수 있는 다이버시티 이득(Diversity gain)은 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)를 감소시켜 통신성능을 향상시킬 수 있다. As a process to overcome this, the diversity gain that can be obtained through multi-channel combining of a multi-channel receiver can improve communication performance by reducing inter-symbol interference (ISI).
관련 선행문헌으로, Song(2006)의 "Spatial diversity in passive time reversal communications"은 전 수심에 걸쳐 설치된 배열 수신기의 다중채널 결합을 통해 공간 다이버시티 이득을 얻고 시역전 통신 기법을 적용함으로써 최적의 통신성능을 도출하였다. 이때 각 수신기 수심에 따라 채널 특성이 다르게 나타나며 최적의 통신성능을 보이는 수심이 존재한다(도 1 참조). Song(2006)은 해저면에 위치한 수신기를 시작으로 수신기 개수를 증가시켜가며 시역전 통신 성능을 도출하였고 일정 수신기 개수 이상에 도달했을 때 BER이 0으로 도출되었다(도 2 참조). 이는 통신에 유리한 채널 특성을 갖는 몇 개의 수신기만을 이용함으로써 최적의 성능이 도출될 수 있음을 입증하는 결과이다.As a related literature, "Spatial diversity in passive time reversal communications" by Song (2006) obtained spatial diversity gain through multi-channel combination of array receivers installed over the entire water depth and derived optimal communication performance by applying time-reversal communication technique. At this time, the channel characteristics are different depending on the depth of each receiver, and there is a depth that shows optimal communication performance (see Fig. 1). Song (2006) derived time-reversal communication performance by increasing the number of receivers starting with receivers located on the sea floor, and when it reached a certain number of receivers, the BER was derived as 0 (see Fig. 2). This result proves that optimal performance can be derived by using only a few receivers with channel characteristics favorable for communication.
최(2018)의 "음향채널이 존재하는 천해에서의 수동 시역전 통신성능 분석"은 음향채널이 존재하는 천해환경에서 배열 수신기로 통신신호를 수신했을 때, 에너지가 집중되며 채널 특성이 상대적으로 좋은(RMS 지연확산 ~ 0 ms) 8번째 수신기(수심 49.75m)에서 높은 통신성능을 보임을 확인하였다(도 3 참조). 또한, 수신기 순서에 관계없이 임의의 4개 수신기 조합의 모든 경우에서 통신성능 도출했을 때 채널 특성이 우수한 8번째 수신기를 포함한 경우가 포함하지 않은 경우보다 높은 성능을 보였다(도 4 참조). Choi (2018)'s "Analysis of Passive Time-Reversal Communication Performance in Shallow Waters with Acoustic Channels" confirmed that when communication signals were received by an array receiver in a shallow water environment with acoustic channels, the 8th receiver (depth 49.75 m) with concentrated energy and relatively good channel characteristics (RMS delay spread ~ 0 ms) showed high communication performance (see Fig. 3). In addition, when communication performance was derived for all cases of arbitrary combinations of four receivers regardless of the receiver order, cases where the 8th receiver with excellent channel characteristics was included showed higher performance than cases where it was not included (see Fig. 4).
한편, 다중채널 수신기로부터 수신되는 통신신호는 수신기별로 다른 음향채널 특성을 갖고 그 특성은 해역에 따라 다르기 때문에 각기 다른 성능을 보일 수 있다. 그에 따라 통신에 유리한 채널 특성을 갖는 수신기의 신호를 포함하거나 가중시켰을 때 주어진 환경에서 최적의 통신성능을 얻을 수 있는 가능성이 높아진다. 이에, 본 발명에서는 각 수신기로부터 수신된 통신신호의 채널 특성을 선제적으로 분석하고, 이를 이용하여 통신 신호에 채널 특성 기반 가중치를 적용함으로써 통신성능을 향상시키는 방법을 제안하고자 한다. Meanwhile, communication signals received from multi-channel receivers may exhibit different performances because each receiver has different acoustic channel characteristics and the characteristics may vary depending on the sea area. Accordingly, when signals from receivers with channel characteristics favorable for communication are included or weighted, the possibility of obtaining optimal communication performance in a given environment increases. Accordingly, the present invention proposes a method of improving communication performance by preemptively analyzing the channel characteristics of communication signals received from each receiver and applying channel characteristic-based weights to the communication signals using the same.
본 발명의 실시예는 다중채널 수신기로부터 수신된 통신신호의 채널 특성을 선제적으로 분석하고, 이를 이용하여 통신 신호에 채널 특성 기반 가중치를 적용함으로써 통신성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a method for improving communication performance by preemptively analyzing channel characteristics of a communication signal received from a multi-channel receiver and applying channel characteristic-based weights to the communication signal using the same.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.Meanwhile, other unspecified purposes of the present invention will be additionally considered within a range that can be easily inferred from the following detailed description and its effects.
본 발명의 실시예에 따른 프로세서에 의해 구현되는 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법으로서, 다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득하는 단계; 상기 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하는 단계; 상기 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출하는 단계; 및 상기 통신신호에 상기 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 상기 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 단계;를 포함할 수 있다. A method for improving underwater acoustic communication performance using multi-channel combining of a multi-channel receiver implemented by a processor according to an embodiment of the present invention may include the steps of: obtaining a communication signal through a multi-channel receiver; predicting a baseband underwater channel impulse response of a training symbol interval in the multi-channel receiver; calculating a SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight for each channel using the predicted channel impulse response; and applying the weights to the communication signal to reduce energy of a channel that deteriorates communication performance and then applying the communication signal to which the weights are applied to communication demodulation through multi-channel combining.
상기 예측하는 단계는 최소자승법을 이용할 수 있다. The above prediction step can use the least squares method.
상기 SINR 기반 가중치는 다중경로로 전달되는 상기 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지와, ISI 간섭을 일으키는 나머지 다중경로들의 에너지의 합, 및 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지의 비율에 기초할 수 있다. The above SINR-based weight may be based on a ratio of the multipath energy used for synchronization for demodulation of the communication signal transmitted through multipath, the sum of the energy of the remaining multipaths causing ISI interference, and the background noise energy for the communication signal.
상기 SINR 기반 가중치는 다음 수학식에 의해 결정될 수 있다. The above SINR-based weight can be determined by the following mathematical formula.
여기서, ωSINR,i는 상기 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 SINR 기반 가중치, Pi는 다중경로로 전달되는 상기 i번째 수신기에 수신된 상기 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지, Ii는 상기 동기화한 경로 외에 나머지 다중경로들의 에너지의 합, Ni은 상기 i번째 수신기에 수신된 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지를 각각 나타낸다. Here, ω SINR,i is an SINR-based weight for the communication signal received at the ith receiver among the plurality of receivers, P i is a multipath energy used for synchronization for demodulation for the communication signal received at the ith receiver transmitted through multipaths, I i is the sum of the energies of the remaining multipaths other than the synchronized path, and N i is the background noise energy for the communication signal received at the ith receiver.
상기 RMS 지연확산 기반 가중치는 다중경로로 전달되는 상기 통신신호에 대해 정규화된 다중경로 에너지와 지연 시간의 함수로 나타나는 RMS 지연확산의 역수에 기초할 수 있다. The above RMS delay spread based weight may be based on the reciprocal of the RMS delay spread which appears as a function of normalized multipath energy and delay time for the communication signal transmitted through multipath.
상기 RMS 지연확산 기반 가중치는 다음 수학식에 의해 결정될 수 있다. The above RMS delay spread based weight can be determined by the following mathematical formula.
여기서, ωDS,i는 상기 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 정규화된 다중경로 에너지를, στ,i는 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 다중경로 지연 시간을, TS는 심볼 주기를 각각 나타낼 수 있다. Here, ω DS,i may represent the normalized multipath energy for the communication signal received at the ith receiver among the plurality of receivers, σ τ,i may represent the multipath delay time for the communication signal received at the ith receiver, and TS may represent the symbol period.
상기 다중채널 수신기의 한 예로 음향 벡터센서는 음향 압력 채널과 입자속도 채널을 동시에 수신하는 장치로써, 상기 획득하는 단계에서는 음향 압력과 X, Y, Z 축 중 2 이상의 축들에 대한 입자속도로 구성된 하나 이상의 데이터 세트들을 수신하며, 상기 SINR 기반 가중치 및 상기 RMS 지연확산 기반 가중치의 조합은 상기 음향 압력에 대한 통신신호 크기 보정값(제1 가중치), 상기 2 이상의 축들 중 어느 하나의 축에 대한 통신신호 크기 보정값(제2 가중치) 및 상기 2 이상의 축들 중 어느 하나의 축에 대한 통신신호 크기 보정값(제3 가중치) 등을 제공할 수 있다. As an example of the above multi-channel receiver, the acoustic vector sensor is a device that simultaneously receives an acoustic pressure channel and a particle velocity channel, and in the acquiring step, one or more data sets consisting of acoustic pressure and particle velocities for two or more axes of the X, Y, and Z axes are received, and a combination of the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight can provide a communication signal size correction value for the acoustic pressure (first weight), a communication signal size correction value for one of the two or more axes (second weight), and a communication signal size correction value for one of the two or more axes (third weight).
상기 SINR 기반 가중치 및 상기 RMS 지연확산 기반 가중치 각각은 상기 통신신호의 시역전 통신성능에 대해 양의 상관 관계를 가질 수 있다. Each of the above SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight may have a positive correlation with the pre-transmission communication performance of the communication signal.
상기 제1 내지 제3 가중치들 각각은 0 이상 1 이하의 값을 가질 수 있다. Each of the first to third weights can have a value greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
또한 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 상기의 방법을 수행하기 위한 명령어를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 저장할 수 있다. Additionally, a computer-readable recording medium according to an embodiment of the present invention can store one or more computer programs including commands for performing the above method.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 장치는, 다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득하는 통신신호 획득부; 상기 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하고, 상기 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출하며, 상기 통신신호에 상기 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 상기 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 프로세서; 및 상기 가중치 적용에 따라 개선된 통신신호의 성능을 이미지로 표시하는 디스플레이;를 포함할 수 있다. In addition, an underwater acoustic communication performance improvement device for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver according to an embodiment of the present invention may include: a communication signal obtaining unit for obtaining a communication signal through a multi-channel receiver; a processor for predicting a baseband underwater channel impulse response of a training symbol section in the multi-channel receiver, calculating a channel-specific SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight using the predicted channel impulse response, and applying the weights to the communication signal to reduce energy of a channel that deteriorates communication performance, and then applying the communication signal to which the weights are applied to communication demodulation through multi-channel combining; and a display for displaying the performance of the communication signal improved according to the application of the weights as an image.
본 기술은 다중채널 수신기로부터 수신된 통신신호의 채널 특성을 선제적으로 분석하고, 이를 이용하여 통신 신호에 채널 특성 기반 가중치를 적용함으로써 통신성능을 향상시키는 방법을 제공할 수 있다. This technology can provide a method for improving communication performance by preemptively analyzing channel characteristics of communication signals received from a multi-channel receiver and applying channel characteristic-based weights to the communication signals using the same.
도 1은 종래기술에서 나타내는 (a) 수신기 수심에 따른 시역전 통신의 BER(Bit Error Rate)과 출력 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 성능, (b) 수심 46m와 78m의 통신성상도.
도 2는 종래기술에서 나타내는 해저면에 위치한 수신기를 시작으로 수신기 개수(M)가 증가함에 따른 시역전 음향통신성능으로서, (a) 출력 SNR, (b) BER.
도 3은 종래기술에서 나타내는 수심별 단일 수신기에서 수신된 신호 채널특성((a) 입력 SNR, (b) RMS 지연확산)과, 통신성능 도출 결과((c) 출력 SNR).
도 4는 종래기술에서 나타내는 임의의 4개 수신기를 이용한 시역전 음향통신성능의 분포.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법을 설명하는 흐름도를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기저대역 채널 임펄스 응답(Baseband channel impulse response)의 SINR 계산을 위한 구성요소를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기저대역 채널 임펄스 응답(Baseband channel impulse response)의 RMS 지연확산 계산을 위한 구성요소를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 실험 모식도, (b) 거리에 따라 멀어지는 송신기와 벡터센서의 위치 및 최대/최소 거리, (c) 실험 중 측정된 수직 음속구조를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 (a) SINR 기반 가중치 및 (b) RMS 지연확산 기반 가중치와 시역전 통신성능(출력 SNR)의 상관관계를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가중치 적용 전과 후의 거리별 통신성능 도출 결과를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 수신기별 채널 파라미터 기반 가중치(ωi) 및 가중치 적용 전(γi[n])과 후(zi[n])의 통신신호 에너지를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 통신성능 개선 장치의 하드웨어 구현의 예를 나타내는 도면.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.Figure 1 shows (a) the BER (Bit Error Rate) and output SNR (Signal-to-Noise Ratio) performance of time-reversal communication according to receiver depth in the prior art, and (b) the communication characteristics at depths of 46 m and 78 m.
Figure 2 shows the performance of acoustic communication before and after reversal as the number of receivers (M) increases, starting with a receiver located on the seabed as shown in the prior art. (a) Output SNR, (b) BER.
Figure 3 shows the signal channel characteristics ((a) input SNR, (b) RMS delay spread) received from a single receiver at each depth in the prior art, and the communication performance derivation result ((c) output SNR).
Figure 4 shows the distribution of acoustic communication performance using four arbitrary receivers in the prior art.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing components for calculating SINR of a baseband channel impulse response according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing components for calculating RMS delay spread of a baseband channel impulse response according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing (a) an experimental schematic diagram according to an embodiment of the present invention, (b) the positions and maximum/minimum distances of a transmitter and a vector sensor moving apart according to distance, and (c) a vertical sound velocity structure measured during the experiment.
FIG. 9 is a diagram showing the correlation between (a) SINR-based weights and (b) RMS delay spread-based weights and time-to-reverse communication performance (output SNR) according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the results of deriving communication performance by distance before and after applying weights according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a channel parameter-based weight (ω i ) for each receiver according to an embodiment of the present invention and communication signal energy before (γ i [n]) and after (z i [n]) applying the weight.
FIG. 12 is a drawing showing an example of a hardware implementation of an underwater acoustic communication performance improvement device according to an embodiment of the present invention.
It is to be understood that the attached drawings are provided for reference only to help understand the technical concept of the present invention, and the scope of the rights of the present invention is not limited thereby.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for illustrative purposes only and may be implemented in various forms. Therefore, the actual implemented form is not limited to the specific embodiments disclosed, and the scope of the present disclosure includes modifications, equivalents, or alternatives included in the technical idea described in the embodiments.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although the terms first or second may be used to describe various components, such terms should be construed only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When it is said that a component is "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to that other component, but there may also be other components in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "have" should be understood to specify the presence of a described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined herein.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. When describing with reference to the attached drawings, identical components are given the same reference numerals regardless of the drawing numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted.
본 발명의 실시예에서는 통신성능과 밀접한 관련이 있는 채널 특성을 이용하여 가중치를 적용함으로써 통신성능을 향상시키는 방법을 제안한다. 본 발명의 실시예에서 사용한 가중치를 위한 채널 파라미터는 SINR(Signal-to-Interference plus Noise Ratio)과 RMS 지연확산(Root Mean Squared delay spread)이다. 수중음향 통신채널 특성기반 상대적 가중치를 고려함으로써, 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신 복조에서 수중음향 통신성능을 개선한다. In an embodiment of the present invention, a method is proposed to improve communication performance by applying weights using channel characteristics closely related to communication performance. Channel parameters for weights used in the embodiment of the present invention are SINR (Signal-to-Interference plus Noise Ratio) and RMS delay spread (Root Mean Squared delay spread). By considering relative weights based on underwater acoustic communication channel characteristics, underwater acoustic communication performance is improved in underwater acoustic communication demodulation using multi-channel combining of a multi-channel receiver.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 다중채널 수신기의 다중채널결합을 이용한 수중음향 통신을 위한 수중음향 통신성능 개선 방법(이하, 간단히 '수중음향 통신성능 개선 방법'이라 함)은, 통신신호를 획득하는 단계(S10), 기저대역 수중 임펄스 응답을 예측하는 단계(S20), 가중치들을 산출하는 단계(S30) 및 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 단계(4S0)를 포함한다. FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 5, the method for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combining of a multi-channel receiver (hereinafter simply referred to as “underwater acoustic communication performance improving method”) includes a step of obtaining a communication signal (S10), a step of predicting a baseband underwater impulse response (S20), a step of calculating weights (S30), and a step of applying the same to communication demodulation through multi-channel combining (4S0).
단계(S10)에서는 다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득한다. 다중채널 수신기는 배열 수신기나 벡터센서일 수 있다. In step (S10), a communication signal is acquired through a multi-channel receiver. The multi-channel receiver may be an array receiver or a vector sensor.
배열 수신기는 소정의 배열을 갖는 다수의 수신기들을 포함한다. 이때 각각의 수신기는 음향 압력 채널을 수신한다. 하나의 수신기는 하나의 채널 수신기로서 기능하며 여러 개의 수신기들이 모여 다중채널 수신기를 구성한다. 벡터센서는 음향 압력 채널과 입자속도 채널을 동시에 수신한다. 즉, 벡터센서는 음향 압력(Acoustic pressure)과 X, Y, Z 축 중 2 이상의 축들에 대한 입자속도(Particle velocity)를 수신할 수 있다. 일례로, 벡터센서는 음향 압력과 X, Y 축의 입자속도를 수신할 수 있고, 이 경우 하나의 벡터센서는 3채널 수신기를 구성한다. 다른 예로, 벡터센서는 음향 압력과 X, Y, Z 축의 입자속도를 수신할 수 있고, 이 경우 하나의 벡터센서는 4채널 수신기를 구성한다. 이하에서는 일 실시예에 따른 다중채널 수신기가 4채널 벡터센서인 실시예를 중심으로 설명하기로 한다. The array receiver includes a plurality of receivers having a predetermined array. Each receiver receives an acoustic pressure channel. One receiver functions as a single-channel receiver, and multiple receivers are combined to form a multi-channel receiver. The vector sensor simultaneously receives an acoustic pressure channel and a particle velocity channel. That is, the vector sensor can receive acoustic pressure and particle velocity for two or more axes among the X, Y, and Z axes. For example, the vector sensor can receive acoustic pressure and particle velocity for the X and Y axes, in which case one vector sensor forms a three-channel receiver. For another example, the vector sensor can receive acoustic pressure and particle velocity for the X, Y, and Z axes, in which case one vector sensor forms a four-channel receiver. Hereinafter, a description will be given focusing on an embodiment in which a multi-channel receiver according to one embodiment is a four-channel vector sensor.
일 실시예에 따라, 송신기는 벡터센서로부터 일정 거리 떨어진 지점으로부터 더 멀어지면서 통신신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 수신기는 48번 통신신호를 수신할 수 있고, 따라서 48개의 데이터 세트를 획득할 수 있다. 다만 수신 횟수에 한정하는 것은 아니다. In one embodiment, the transmitter may transmit the communication signal from a point a certain distance away from the vector sensor and moving further away. For example, the receiver may receive the communication signal 48 times, and thus obtain 48 data sets, although the number of receptions is not limited.
이하에서는 하나의 수신기에 수신된 통신신호를 중심으로 설명하기로 하나 이에 한정되지 않으며 다른 수신기에 수신된 통신신호에 대해서도 동일한 과정이 적용될 수 있다.In the following, the description will focus on communication signals received by one receiver, but is not limited thereto, and the same process can be applied to communication signals received by other receivers.
단계(S20)에서는 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답(Baseband channel impulse response)을 예측한다. 기저대역 수중 채널 임펄스 응답은 후술하는 파라미터를 계산하기 위해 예측된다. 임펄스 응답은 훈련심볼(Training symbol)을 이용하여 추정할 수 있으며 최소자승법(Least square)을 이용할 수 있다. In step (S20), the baseband channel impulse response of the training symbol interval is predicted in the multi-channel receiver. The baseband channel impulse response is predicted to calculate the parameters described below. The impulse response can be estimated using training symbols and the least square method can be used.
도 6은 일 실시예에 따른 기저대역 채널 임펄스 응답의 SINR 계산을 위한 구성요소를, 도 7은 일 실시예에 따른 기저대역 채널 임펄스 응답의 RMS 지연확산 계산을 위한 구성요소를 보여준다. FIG. 6 shows components for calculating SINR of a baseband channel impulse response according to one embodiment, and FIG. 7 shows components for calculating RMS delay spread of a baseband channel impulse response according to one embodiment.
수중에서 음향 통신성능은 수신된 신호 에너지와 잡음 에너지의 비율에 따라 달라질 뿐만 아니라 다중경로를 통해 전달되었을 때 어떤 경로를 이용하여 동기화하여 복조하느냐에 따라 다르다. 또한 동기화한 경로 외에 나머지 다중경로들은 ISI를 야기하며 통신성능을 감소시킨다. SINR은 동기화에 사용된 다중경로 에너지(P), 간섭을 일으키는 나머지 다중경로들의 에너지의 합(I), 배경잡음 에너지(N)의 비율로 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다(도 6 참조). Underwater acoustic communication performance varies not only depending on the ratio of received signal energy to noise energy, but also depending on which path is used for synchronization and demodulation when transmitted through multiple paths. In addition, other than the synchronized path, the remaining multipaths cause ISI and reduce communication performance. SINR can be expressed as the ratio of the multipath energy (P) used for synchronization, the sum of the energy of the remaining multipaths causing interference (I), and the background noise energy (N), as shown in the following mathematical expression 1 (see Figure 6).
RMS 지연확산은 채널의 시간 분산 특성을 나타내며 ISI의 발생정도를 예측할 수 있는 중요한 파라미터이다. RMS 지연확산(στ)은 정규화된 다중경로 에너지(Relative intensity)(h2 k)와 지연 시간(Relative delay time)(τk)의 함수로 아래 수학식 2와 같이 표현 가능하다(도 7 참조).RMS delay spread represents the time dispersion characteristics of the channel and is an important parameter that can predict the occurrence of ISI. RMS delay spread (σ τ ) can be expressed as a function of normalized multipath energy (relative intensity) (h 2 k ) and delay time (relative delay time) (τ k ), as shown in the following mathematical expression 2 (see Figure 7).
위 파라미터를 계산하기 위한 채널 임펄스 응답은 상술한 바와 같이 훈련심볼을 이용하여 추정할 수 있으며 최소자승법을 이용할 수 있다. The channel impulse response for calculating the above parameters can be estimated using training symbols as described above and the least squares method can be used.
단계(S30)에서는 단계(S20)에서 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출한다. 구체적으로, 다중채널 수신기에서 수신된 채널의 SINR과 RMS 지연확산을 이용하여 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 계산한다. In step (S30), the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight are calculated for each channel using the channel impulse response predicted in step (S20). Specifically, the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight are calculated using the SINR and RMS delay spread of the channel received by the multi-channel receiver.
i번째 수신기에서 수신된 채널의 SINR 기반 가중치(ωSINR,i)와 RMS 지연확산 기반 가중치(ωDS,i)는 아래 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.The SINR-based weight (ω SINR,i ) and RMS delay spread-based weight (ω DS,i ) of the channel received at the ith receiver can be calculated as shown in the
이때, ωSINR,i는 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 통신신호에 대한 SINR 기반 가중치, Pi는 다중경로로 전달되는 i번째 수신기에 수신된 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지, Ii는 동기화한 경로 외에 나머지 다중경로들의 에너지의 합, Ni은 i번째 수신기에 수신된 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지를 각각 나타낸다. 그리고, ωDS,i는 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 정규화된 다중경로 에너지를, στ,i는 i번째 수신기에서 수신된 통신신호에 대한 다중경로 지연 시간을, TS는 심볼 주기를 각각 나타낸다. Here, ω SINR,i is a SINR-based weight for a communication signal received at the ith receiver among multiple receivers, P i is a multipath energy used for synchronization for demodulation for a communication signal received at the ith receiver transmitted through multiple paths, I i is the sum of the energies of the remaining multipaths excluding the synchronized paths, and N i represents background noise energy for the communication signal received at the ith receiver. In addition, ω DS,i is a normalized multipath energy for the communication signal received at the ith receiver among multiple receivers, σ τ,i is a multipath delay time for the communication signal received at the ith receiver, and TS represents a symbol period, respectively.
여기서 ωSINR,i 및 ωDS,i 은 통신성능과 양의 상관관계를 가짐을 주목한다. 대체로 리니어한 양의 상관관계를 갖는다. 이는 다중채널에서 채널특성을 고려한 웨이팅 팩터의 적용을 보다 직관적이게 한다. 일 실시예에 따라 벡터센서를 활용함에 따라 음향 압력, X, Y, Z 축의 입자속도를 포함하는 적어도 4개의 채널 환경(P, X, Y, Z)이 고려되고, 이러한 다중채널에 대해 통신성능을 저하시킬 수 있는 해당 채널의 신호의 에너지를 감소시키는 과정에 보다 유리하다. 예를 들어, Z 채널이 통신성능에 가장 안 좋은 경우 Z 채널에 대해 가장 낮은 웨이팅 팩터가 부여되도록 하고 상대적으로 통신성능이 좋은 각 채널에 대해 각각 비례적인 웨이팅 팩터가 부여되도록 할 수 있다. 일례로, P, X, Y, Z 순서로 통신성능이 나빠지는 경우, P채널에 가장 높은 웨이팅 팩터로서 0.9의 가중치를, X채널에 그 다음의 0.8의 가중치를, Y채널에 다시 그 다음의 0.7의 가중치를, Z채널에 가장 낮은 웨이팅 팩터로서 0.5의 가중치를 적용할 수 있다. Here, it is noted that ω SINR,i and ω DS,i have a positive correlation with the communication performance. They generally have a linear positive correlation. This makes the application of weighting factors considering channel characteristics in multi-channels more intuitive. According to one embodiment, by utilizing a vector sensor, at least four channel environments (P, X, Y, Z) including acoustic pressure, particle velocities in the X, Y, and Z axes are considered, and it is more advantageous in the process of reducing the energy of the signal of the corresponding channel that may deteriorate the communication performance for these multi-channels. For example, when the Z channel has the worst communication performance, the lowest weighting factor can be assigned to the Z channel, and a proportional weighting factor can be assigned to each channel having relatively good communication performance. For example, if the communication performance deteriorates in the order of P, X, Y, and Z, the P channel can be given a weight of 0.9 as the highest weighting factor, the X channel can be given a weight of 0.8 as the next, the Y channel can be given a weight of 0.7 as the next, and the Z channel can be given a weight of 0.5 as the lowest weighting factor.
만약, 일 실시예에 따른 상술한 각 가중치가 통신성능에 리니어한 양의 관계를 갖지 않는다면, 예를 들어 지수적인 관계를 갖는다면 상술한 바와 같은 비례적인 웨이팅 팩터를 적용하는 것이 쉽지 않다. 일례로 통신성능이 가장 높은 채널과 그 다음 높은 채널간 갖는 가중치 간격이 매우 좁아져 서로 구별이 쉽지 않게 됨을 생각하면 된다. If the weights described above according to one embodiment do not have a linear positive relationship with the communication performance, for example, if they have an exponential relationship, it is not easy to apply the proportional weighting factor described above. For example, consider that the weight interval between the channel with the highest communication performance and the next highest channel becomes very narrow, making it difficult to distinguish between them.
단계(S40)에서는 획득된 통신신호에 단계(S30)에서 산출된 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용한다. In step (S40), the weights calculated in step (S30) are applied to the acquired communication signal to reduce the energy of the channel that deteriorates the communication performance, and then the communication signal with the weights applied is applied to communication demodulation through multi-channel combining.
일 실시예에 따라 상술한 두 개의 가중치들(즉, SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치)을 적용하기 위해 두 개의 가중치들은 조합될 수 있다. 예를 들어 두 개의 가중치들이 조합되어 단일의 가중치(ωi)가 생성될 수 있다. In order to apply the two weights described above (i.e., the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight) according to one embodiment, the two weights can be combined. For example, the two weights can be combined to generate a single weight (ω i ).
각 채널에 적용될 단일 가중치를 순서대로 제1 가중치, 제2 가중치, 제3 가중치, 제4 가중치라 할 때, P채널의 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치가 조합되어 제1 가중치를, X채널의 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치가 조합되어 제2 가중치를, Y채널의 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치가 조합되어 제3 가중치를, 그리고 Z채널의 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치가 조합되어 제4 가중치를 생성할 수 있다. When the single weights to be applied to each channel are, in order, a first weight, a second weight, a third weight, and a fourth weight, the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight of the P channel can be combined to create the first weight, the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight of the X channel can be combined to create the second weight, the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight of the Y channel can be combined to create the third weight, and the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight of the Z channel can be combined to create the fourth weight.
이러한 조합은 제1 내지 제4 가중치들 각각을 하한을 0으로 하는 상한을 1로 하는 범위 내에서의 특정 값을 갖도록 하는 것일 수 있다. 양의 상관관계에서 상대적으로 낮은 채널에 대해서는 비례적으로 낮은 가중치를, 상대적으로 높은 채널에 대해서는 비례적으로 높은 가중치를 특정할 수 있다. 다만 이러한 가중치의 상한 및 하한의 범위에 한정하는 것은 아니며 상대적으로 높은 채널에 대해서는 높은 가중치가 상대적으로 낮은 채널에 대해서는 낮은 가중치가 적용되도록 하는 범위이면 된다. This combination may be such that each of the first to fourth weights has a specific value within a range from a lower bound of 0 to an upper bound of 1. In a positive correlation, a proportionally low weight may be specified for a relatively low channel, and a proportionally high weight may be specified for a relatively high channel. However, this is not limited to the range of the upper and lower bounds of the weights, and a range is sufficient in which a high weight is applied to a relatively high channel and a low weight is applied to a relatively low channel.
일 실시예에 따라, i번째 수신기에서 수신된 신호에 채널 파라미터를 이용하여 계산된 가중치(ωi)를 수신신호(γi[n])에 곱하여 가중치가 적용된 신호(zi[n])를 도출함으로써 통신성능을 저하시킬 수 있는 신호의 에너지를 감소시킨다. 그 후 다중채널 결합을 통한 통신복조에 이용한다. In one embodiment, the energy of a signal that may deteriorate communication performance is reduced by multiplying the received signal (γ i [n]) by a weight (ω i ) calculated using channel parameters for the signal received at the ith receiver to derive a weighted signal (z i [n]). This is then used for communication demodulation through multi-channel combining.
<실험예><Experimental example>
해상실험을 통해 본 발명의 실시예에 따른 효과를 검증하였다. 도 8은 국내 해역(남해)에서 수행된 통신실험으로 벡터센서(Vector sensor)를 수신기로 사용하여 통신신호를 수신하였다. 송신기는 벡터센서로부터 거리 143m부터 670m까지 이동하면서 통신신호를 송신하였고 벡터센서로 수신하였다. 벡터센서는 음향 압력과 X, Y, Z 축의 입자속도를 수신할 수 있으며 각 채널 특성이 다르다. 도 9는 벡터센서 각 성분의 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 통신성능과 비교한 결과로 양의 상관관계를 가짐을 알 수 있다.The effectiveness of the present invention was verified through a sea experiment. Fig. 8 is a communication experiment conducted in domestic waters (South Sea) in which a vector sensor was used as a receiver to receive a communication signal. The transmitter transmitted a communication signal while moving from a distance of 143 m to 670 m from the vector sensor and received it with the vector sensor. The vector sensor can receive acoustic pressure and particle velocity in the X, Y, and Z axes, and each channel characteristic is different. Fig. 9 is a result of comparing the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight of each component of the vector sensor with the communication performance, and it can be seen that there is a positive correlation.
도 10은 벡터센서의 4가지 성분을 이용하여 도출한 시역전 통신성능으로 대부분의 경우에서 가중치 적용 전보다 후에 통신성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서 가중치를 위해 사용한 채널 파라미터는 SINR과 RMS 지연확산으로 이를 조합한 값을 가중치로 사용 가능하다. Fig. 10 is a time-reversal communication performance derived using four components of a vector sensor, and it can be confirmed that in most cases, the communication performance is improved after applying the weights than before. The channel parameters used for the weights in the present invention are SINR and RMS delay spread, and a value obtained by combining these can be used as the weights.
도 11은 RMS 지연확산을 기반한 가중치 및 가중치 적용 전과 후의 통신신호 에너지 예시로 가중치를 적용함으로써 채널 특성이 상대적으로 나쁜 신호의 에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있다. Figure 11 shows an example of communication signal energy before and after weighting and weighting based on RMS delay spread, and it can be confirmed that the energy of a signal with relatively poor channel characteristics is reduced by applying weighting.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다수의 수신기 채널(배열 수신기, 벡터센서 등)을 이용한 수중 통신 분야, 채널 파라미터 기반 가중치 분야, 다이버시티 이득을 이용하는 수중음향 통신 모뎀의 복조 알고리즘, 시변 채널 특성에 따른 수중 음향통신 수신 신호 가중치 적용 알고리즘 및 수신기 디자인에 적용될 수 있다. The method according to the embodiment of the present invention described above can be applied to the field of underwater communication using a plurality of receiver channels (array receivers, vector sensors, etc.), the field of channel parameter-based weighting, the demodulation algorithm of an underwater acoustic communication modem using diversity gain, the underwater acoustic communication reception signal weighting application algorithm according to time-varying channel characteristics, and the receiver design.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 통신성능 개선 장치의 하드웨어 구현의 예를 도시한 도면이다. 일 실시예에 따른 수중음향 통신성능 개선 장치(1000)는 통신신호 획득부(1010), 프로세서(1020), 메모리(1030), 및 디스플레이(1040)를 포함할 수 있다. Fig. 12 is a diagram illustrating an example of a hardware implementation of an underwater acoustic communication performance improvement device according to an embodiment of the present invention. An underwater acoustic communication performance improvement device (1000) according to one embodiment may include a communication signal acquisition unit (1010), a processor (1020), a memory (1030), and a display (1040).
통신신호 획득부(1010)는 다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득할 수 있다. 통신신호 획득부(1010)는 다중채널 수신기에 의해 수신된 통신신호를 획득하기 위한 유·무선 통신모듈 등을 포함할 수 있다. The communication signal acquisition unit (1010) can acquire a communication signal through a multi-channel receiver. The communication signal acquisition unit (1010) can include a wired/wireless communication module, etc. for acquiring a communication signal received by the multi-channel receiver.
프로세서(1020)는 메모리(1030)에 저장된 수중음향 통신성능 개선 모델을 이용하여 획득된 통신신호에 적용할 가중치들을 산출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1020)는 획득된 통신신호로부터 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하고, 이를 이용하여 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출할 수 있다. 그리고 프로세서(1020)는 산출된 가중치들을 획득된 통신신호에 적용하여 통신신호에서 통신성능을 저하시킬 수 있는 신호의 에너지를 감소시키는 보정을 수행하며, 그 후 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용할 수 있다. 다만, 프로세서(1020)의 동작을 이로 한정하는 것은 아니고, 도 5 내지 도 11에서 설명된 동작들을 수행할 수도 있다. The processor (1020) can calculate weights to be applied to the acquired communication signal using the underwater acoustic communication performance improvement model stored in the memory (1030). For example, the processor (1020) can predict a baseband underwater channel impulse response from the acquired communication signal and calculate an SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight using the same. Then, the processor (1020) can apply the calculated weights to the acquired communication signal to perform a correction to reduce signal energy that may deteriorate communication performance in the communication signal, and then apply the correction to communication demodulation through multi-channel combining. However, the operation of the processor (1020) is not limited thereto, and the operations described in FIGS. 5 to 11 may be performed.
메모리(1030)는 수중음향 통신성능 개선 모델을 저장할 수 있다. 메모리(1030)는 일 실시예에 따른 수중음향 통신성능 개선 방법을 수행하기 위해 요구되는 데이터를 임시적으로 또는 영구적으로 저장할 수 있다. 예를 들어, 획득된 통신신호, 예측된 기저대역 수중 채널 임펄스 응답, SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치, 가중치들이 적용된 통신신호, 다중채널결합을 통해 복조된 통신신호도 저장할 수 있다. The memory (1030) can store an underwater acoustic communication performance improvement model. The memory (1030) can temporarily or permanently store data required to perform an underwater acoustic communication performance improvement method according to one embodiment. For example, the memory can also store an acquired communication signal, a predicted baseband underwater channel impulse response, a SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight, a communication signal to which weights are applied, and a communication signal demodulated through multi-channel combining.
디스플레이(1040)는 가중치 적용에 따라 개선된 통신신호의 성능을 이미지로 표시할 수 있다. 디스플레이(1040)는 획득된 통신신호, 예측된 기저대역 수중 채널 임펄스 응답, SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치, 가중치들이 적용된 통신신호, 다중채널결합을 통해 복조된 통신신호도 시각화할 수 있다. The display (1040) can display the performance of improved communication signals as an image according to the application of weights. The display (1040) can also visualize the acquired communication signals, predicted baseband underwater channel impulse responses, SINR-based weights and RMS delay spread-based weights, communication signals with weights applied, and communication signals demodulated through multi-channel combining.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, the devices, methods, and components described in the embodiments may be implemented using a general-purpose computer or a special-purpose computer, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing instructions and responding to them. The processing device may execute an operating system (OS) and software applications running on the OS. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For ease of understanding, the processing device is sometimes described as being used alone, but those skilled in the art will appreciate that the processing device may include multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. For example, a processing device may include multiple processors, or a processor and a controller. Other processing configurations, such as parallel processors, are also possible.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing device or, independently or collectively, command the processing device to perform a desired operation. The software and/or data may be permanently or temporarily embodied in any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, or transmitted signal waves, for interpretation by the processing device or for providing instructions or data to the processing device. The software may be distributed over network-connected computer systems and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on a computer-readable recording medium.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 저장할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and may be recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may store program commands, data files, data structures, etc., singly or in combination, and the program commands recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiment or may be those known to and usable by those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as a hard disk, a floppy disk, and a magnetic tape, optical media such as a CD-ROM, a DVD, magneto-optical media such as a floptical disk, and hardware devices specially configured to store and execute program commands such as a ROM, a RAM, a flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on them. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also included in the scope of the claims described below.
1000 : 수중음향 통신성능 개선 장치
1010 : 통신신호 획득부
1020 : 프로세서
1030 : 메모리
1040 : 디스플레이1000: Underwater Acoustic Communication Performance Improvement Device
1010: Communication signal acquisition unit
1020 : Processor
1030 : Memory
1040 : Display
Claims (11)
다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득하는 단계;
상기 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하는 단계;
상기 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출하는 단계; 및
상기 통신신호에 상기 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 상기 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 단계;를 포함하며,
상기 SINR 기반 가중치는 다중경로로 전달되는 상기 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지와, ISI 간섭을 일으키는 나머지 다중경로들의 에너지의 합, 및 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지의 비율에 기초하는, 수중음향 통신성능 개선 방법. A method for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication demodulation using multi-channel combining of a multi-channel receiver implemented by a processor,
A step of acquiring a communication signal through a multi-channel receiver;
A step of predicting a baseband underwater channel impulse response of a training symbol interval in the above multi-channel receiver;
A step of calculating a channel-specific SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight using the predicted channel impulse response; and
A step of applying the weights to the communication signal to reduce the energy of the channel that deteriorates the communication performance, and then applying the communication signal to which the weights are applied to communication demodulation through multi-channel combining; is included.
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein the SINR-based weighting is based on the ratio of the multipath energy used for synchronization for demodulation of the communication signal transmitted through multipath, the sum of the energy of the remaining multipaths causing ISI interference, and the background noise energy to the communication signal.
상기 예측하는 단계는 최소자승법을 이용하는, 수중음향 통신성능 개선 방법. In the first paragraph,
The above-mentioned predicting step is a method for improving underwater acoustic communication performance using the least squares method.
상기 SINR 기반 가중치는 다음 수학식에 의해 결정되는, 수중음향 통신성능 개선 방법.
여기서, ωSINR,i는 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 SINR 기반 가중치, Pi는 다중경로로 전달되는 상기 i번째 수신기에 수신된 상기 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지, Ii는 상기 동기화한 경로 외에 나머지 다중경로들의 에너지의 합, Ni은 상기 i번째 수신기에 수신된 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지를 각각 나타냄. In the first paragraph,
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein the SINR-based weight is determined by the following mathematical formula.
Here, ω SINR,i is an SINR-based weight for the communication signal received at the ith receiver among a plurality of receivers, P i is a multipath energy used for synchronization for demodulation for the communication signal received at the ith receiver transmitted through multipaths, I i is the sum of the energies of the remaining multipaths other than the synchronized path, and N i represents background noise energy for the communication signal received at the ith receiver.
상기 RMS 지연확산 기반 가중치는 다중경로로 전달되는 상기 통신신호에 대해 정규화된 다중경로 에너지와 지연 시간의 함수로 나타나는 RMS 지연확산의 역수에 기초하는, 수중음향 통신성능 개선 방법.In the first paragraph,
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein the above RMS delay spread-based weight is based on the inverse of the RMS delay spread, which appears as a function of normalized multipath energy and delay time for the communication signal transmitted through multipath.
상기 RMS 지연확산 기반 가중치는 다음 수학식에 의해 결정되는, 수중음향 통신성능 개선 방법.
여기서, ωDS,i는 다수의 수신기들 중 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 정규화된 다중경로 에너지를, στ,i는 i번째 수신기에서 수신된 상기 통신신호에 대한 다중경로 지연 시간을, TS는 심볼 주기를 각각 나타냄. In paragraph 5,
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein the above RMS delay spread-based weight is determined by the following mathematical formula.
Here, ω DS,i represents the normalized multipath energy for the communication signal received at the ith receiver among a plurality of receivers, σ τ,i represents the multipath delay time for the communication signal received at the ith receiver, and TS represents the symbol period.
상기 다중채널 수신기는 음향 압력 채널을 수신하는 수신기의 배열로 이루어진 배열 수신기와 음향 압력 채널 및 X, Y, Z 축 중 2 이상의 축들에 대한 입자속도 채널을 수신하는 벡터센서가 있고,
벡터센서를 예로 상기 SINR 기반 가중치 및 상기 RMS 지연확산 기반 가중치의 조합은 상기 음향 압력에 대한 통신신호 크기 보정값(제1 가중치), 상기 2 이상의 축들 중 어느 하나의 축에 대한 통신신호 크기 보정값(제2 가중치) 및 상기 2 이상의 축들 중 다른 하나의 축에 대한 통신신호 크기 보정값(제3 가중치)을 제공하는, 수중음향 통신성능 개선 방법.In the first paragraph,
The above multi-channel receiver has an array receiver comprising an array of receivers for receiving an acoustic pressure channel and a vector sensor for receiving an acoustic pressure channel and particle velocity channels for two or more axes among the X, Y, and Z axes.
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein a combination of the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight using a vector sensor as an example provides a communication signal size correction value (first weight) for the acoustic pressure, a communication signal size correction value (second weight) for one of the two or more axes, and a communication signal size correction value (third weight) for the other of the two or more axes.
상기 SINR 기반 가중치 및 상기 RMS 지연확산 기반 가중치 각각은 상기 통신신호의 시역전 통신성능에 대해 양의 상관 관계를 갖는, 수중음향 통신성능 개선 방법.In Article 7,
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein each of the SINR-based weight and the RMS delay spread-based weight has a positive correlation with the pre-transmission communication performance of the communication signal.
상기 제1 내지 제3 가중치들 각각은 0 이상 1 이하의 값을 갖는, 수중음향 통신성능 개선 방법.In Article 8,
A method for improving underwater acoustic communication performance, wherein each of the first to third weights has a value greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
다중채널 수신기를 통해 통신신호를 획득하는 통신신호 획득부;
상기 다중채널 수신기에서 훈련심볼 구간의 기저대역 수중 채널 임펄스 응답을 예측하고, 상기 예측된 채널 임펄스 응답을 이용하여 채널별 SINR 기반 가중치와 RMS 지연확산 기반 가중치를 산출하며, 상기 통신신호에 상기 가중치들을 적용하여 통신성능을 저하시키는 채널의 에너지를 감소시킨 이후 상기 가중치들이 적용된 통신신호를 다중채널결합을 통한 통신복조에 적용하는 프로세서; 및
상기 가중치 적용에 따라 개선된 통신신호의 성능을 이미지로 표시하는 디스플레이;를 포함하고,
상기 SINR 기반 가중치는 다중경로로 전달되는 상기 통신신호에 대해 복조를 위한 동기화에 사용된 다중경로 에너지와, ISI 간섭을 일으키는 나머지 다중경로들의 에너지의 합, 및 상기 통신신호에 대해 배경잡음 에너지의 비율에 기초하는, 수중음향 통신성능 개선 장치. As a device for improving underwater acoustic communication performance for underwater acoustic communication using multi-channel combination of a multi-channel receiver,
A communication signal acquisition unit that acquires a communication signal through a multi-channel receiver;
A processor for predicting a baseband underwater channel impulse response of a training symbol interval in the multi-channel receiver, calculating a channel-specific SINR-based weight and an RMS delay spread-based weight using the predicted channel impulse response, applying the weights to the communication signal to reduce energy of a channel that deteriorates communication performance, and then applying the communication signal to which the weights are applied to communication demodulation through multi-channel combining; and
A display that displays the performance of a communication signal improved according to the application of the above weights as an image;
The above SINR-based weighting is based on the ratio of the multipath energy used for synchronization for demodulation of the communication signal transmitted through multipath, the sum of the energy of the remaining multipaths causing ISI interference, and the background noise energy to the communication signal.
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