452 박희진, 김동현, 김재수, 송희천, 한주영 장거리환경에서수중음향통신시스템의성능을예측하고검증하기위한시뮬레이터에대한연구가필요하다. 수중음향통신은전자기파에비해낮은반송주파수를이용하는음파를사용하므로데이터전송률이낮다. 따라서데이터전송률을높이기위한방안으로 MIMO(Multi

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1 한국음향학회지제 37 권제 6 호 pp. 451~456 (2018) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.6 (2018) pissn : eissn : 중장거리다중송신채널환경에서수중음향통신시뮬레이터성능분석및검증 Performance analysis and verification of underwater acoustic communication simulator in medium long-range multiuser environment 박희진, 1 김동현, 1 김재수, 2 송희천, 3 한주영 4 (Heejin Park, 1 Donghyeon Kim, 1 J. S. Kim, 2 Hee-Chun Song, 3 and Joo Young Hahn 4 ) 1 한국해양과학기술원 - 한국해양대학교해양과학기술전문대학원, 2 한국해양대학교해양공학과 3 Scripps Institution of Oceanography, 4 국방과학연구소 (Received August 31, 2018; revised October 22, 2018; accepted November 22, 2018) 초록 : 최근장거리수중음향통신연구가활발하게진행되고있다. 장거리수중음향통신연구를위한해상실험은해양환경의영향을크게받고높은비용과많은시간이소요된다. 따라서장거리환경에서수중음향통신시스템의성능을예측하고검증하기위한시뮬레이터에대한연구가필요하다. 본논문에서는장거리수중음향통신시뮬레이터의개발을목적으로중장거리다중송신환경에서수중음향통신시뮬레이터로서 VirTEX(Virtual Time series EXperiment) 의성능을분석하고, 해상실험결과와비교검증하였다. 송신신호는탐침을위한 Chirp신호와 16QAM 방식으로변조된통신신호를사용하였다. VirTEX를통해수신신호를모의하고다중송신환경에의해발생하는채널간간섭을적응수동형시역전을이용하여보상하여통신성능을분석하였다. 또한 2005년 7월이탈리아의 Elba island 북쪽해역에서수행한 FAF05(Focused Acoustic Field 2005) 실험데이터와비교하여이를검증하였다. 핵심용어 : 적응수동형시역전, VirTEX(Virtual Time series EXperiment), 채널간간섭, 수중음향통신 ABSTRACT: UAComm (Underwater Acoustic Communication) is an active research area, and many experiment has been performed to develop UAComm system. In this paper, we investigate the possibility of modifying and applying VirTEX (Virtual Time series EXperiment) to medium long range MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) UAComm of about 20 km range for the analysis and performance prediction of UAComm system. Since VirTEX is a time-domain simulator, the generated time series can be used in HILS (Hardware In the Loop Simulation) to develop UAComm system. The developed package is verified through comparing with the sea-going FAF05 (Focused Acoustic Field 2005) experimental data. The developed simulator can be used to predict the performance of UAComm system, and even replace the expensive sea-going experiment. Keywords: Adaptive passive time reversal, VirTEX (Virtual Time series EXperiment), Inter-channel ICI (Interference), Underwater acoustic communication system PACS numbers: Tj Dh I. 서론 최근장거리수중음향통신연구가활발하게진행 Corresponding author: J. S. Kim (jskim@kmou.ac.kr) Department of Ocean Engineering, Korea Maritime and Ocean University, 727 Taejong-ro, Youngdo-gu, Busan 49112, Republic of Korea (Tel: , Fax: ) 이논문은 2018년도한국음향학회춘계학술대회에서발표하였던논문임. 되고있다. [1,2] 하지만국내의수중음향통신에대한연구는단거리에국한되어있으므로 [3,4] 장거리수중음향통신에대한연구의필요성이증대되고있다. 장거리수중음향통신을목적으로해상시험을진행할경우, 저주파음원의높은비용, 인력, 장비등이요구되며해양환경의영향을많이받는다. 따라서 451

2 452 박희진, 김동현, 김재수, 송희천, 한주영 장거리환경에서수중음향통신시스템의성능을예측하고검증하기위한시뮬레이터에대한연구가필요하다. 수중음향통신은전자기파에비해낮은반송주파수를이용하는음파를사용하므로데이터전송률이낮다. 따라서데이터전송률을높이기위한방안으로 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신이제안되었다. [5,6] 하지만 MIMO 통신은다중음원에의한채널간간섭이발생해통신성능이저하되는단점이있다. MIMO 통신은통신성능개선을위해채널간간섭에대한보상이필요하다. 본논문에서는장거리수중음향통신시뮬레이터의개발을목적으로중장거리다중송신환경에서수중음향통신시뮬레이터의성능을분석하였다. 시뮬레이터의환경은 2005년 7월이탈리아의 Elba island 북쪽해역에서수행한 FAF05 (Focused Acoustic Field 2005) 의환경을사용하였다. [7,8] 송신기와수신기의거리는 20 km이며, 중장거리에해당한다. [9] 인접심볼간간섭과다중송신환경에의해발생하는채널간간섭에의해저하된통신성능을개선하기위해, 시뮬레이터를통해구현한수신신호에기연구된수동형시역전과적응수동형시역전을적용하였다. 또한기연구된 FAF05 데이터와통신성능을비교하여검증하였다. 본논문의구성은다음과같다. II장에서는수중음향통신시뮬레이터와시뮬레이션에사용된실험환경및신호에대해설명한다. III장에서는통신성능개선을위해사용한수동형시역전과적응수동형시역전에대해설명하고 IV장에서시뮬레이터를통해획득한수신신호를바탕으로통신성능을분석하고해상실험데이터와비교한다. 마지막으로 V장에서결론을맺는다. 수신신호를생성하는모델이다. VirTEX는음파전달에있어서직관적인이해가가능하며거리종속환경에서도사용할수있다는장점이있다. 또한수신기의움직임을반영할수있어도플러효과를고려할수있다는장점이있다. 단점으로는고주파에서는비교적정확한채널을구현하지만, 중 저주파대역에서는채널구현의정확성이비교적낮다. 또한채널을구현할때단일주파수를사용하므로, 실제해양환경을구현할때한계가있다. [10-13] 2.2 시뮬레이션환경본논문에서는 2005년 7월에이탈리아북쪽해역에서실시한 FAF05 의환경을이용하여시뮬레이션을수행하였다. 시뮬레이션에서사용된음속구조와실험환경은 Fig. 1과같다. [7] 실험해역의해수면정보와해저면지형은 FAF05 실험에서측정되지않았으므로해수면파형은고려하지않았으며해저면은평탄하다고가정하였다. 송신기는수심 88 m, 101 m, 113 m의깊이에 3채널이배치된다. 수신기는수심 48 m ~ 110 m에 2 m의일정한간격으로 32채널이배치된다. 송신기와수신기 Fig. 1. The geometry of simulation. II. 수중음향통신시뮬레이터 2.1 VirTEX VirTEX(Virtual Timeseries EXperiment) 는 Ray theory 를기반으로한음파전달모델인 BELLHOP 을이용하여채널을구현하고, 시간영역에서콘볼루션을통해음향환경정보를송신신호에적용하여가상의 Fig. 2. Configuration of the transmitted signal packet. 한국음향학회지제 37 권제 6 호 (2018)

3 중장거리다중송신채널환경에서수중음향통신시뮬레이터성능분석및검증 453 사이의거리는 20 km 이며, 전체수심은 120 m 이다. 송신기와수신기는정지상태이다. 2.3 전송신호전송신호의구성은 Fig. 2와같다. 전송신호는탐침음원으로사용할 Chirp 신호와통신용데이터신호로구성된다. 샘플링주파수는 12 khz 이며전송신호의중심주파수는 3.5 khz이다. Chirp 신호는 2.5 khz에서 4.5 khz의주파수대역을가진다. 데이터신호는 16 QAM 변조방식을사용하였다. 인접심볼간간섭을줄이기위해 roll-off factor 가 1인 RRC(Root Raised Cosine) 필터를변조와복조과정에서정합필터로사용하였다. 데이터신호는 400개의비트를가지는프리앰블과 15,600개의비트로구성된다. 데이터신호의전송률은 4 kbps이며, Chirp 신호의길이는 0.3 s, 데이터신호의길이는 10 s이다. [8] 2.4 신호대잡음비시뮬레이션을통해획득한수신신호에는잡음이고려되지않았으므로, 실제환경과유사하게모의하고자잡음을삽입하였다. 실제해상실험데이터에서각수신채널의신호대잡음비를계산하고평균을취하여입력신호대잡음비를산출하였다. 시뮬레이터를통해구현한수신신호가실제해상실험데이터와동일한입력신호대잡음비를갖도록백색가우시안잡음을생성해삽입하였다. III. 수동형시역전 3.1 수동형시역전시역전처리는수신신호를시간영역에서반전시켜재전파하면송신기에집속되는가역성의원리를이용한다. [14-17] Fig. 3과같이 개의송신기와 개의수신기가있는다중송신채널환경에서의수신신호는 Eq. (1) 과같이수식으로나타낼수있다.. (1) Fig. 3. Schematic diagram of multiuser communications using passive time reversal. 은 번째수신기에서의수신신호, 은 번째송신기에서의송신신호, 은 번째송신기와 번째수신기사이의전달함수, 은콘볼루션연산자를의미한다. 수동형시역전은전달함수를구하여수치적정합필터를수행하는것으로시간영역에서 Eq. (2), 주파수영역에서 Eq. (3) 과같이수식으로나타낼수있다.. (2). (3) 과 는각각수동형시역전을통해재구성된시간영역과주파수영역에서의 번째송신기에서의송신신호를의미한다. [17] 를복조하여통신성능을분석하게된다. 3.2 적응수동형시역전 적응수동형시역전처리는수신신호를시간영역에서반전시킨후, 전달함수에가중치를부여해재전파하는것이다. [13,18,19] 개의송신채널과 개의수신채널이존재할때, 번째송신기와 개의수신기사이의전달함수는 으로 Eq. (4) 과같이정의할수있다.. (4) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.6 (2018)

4 454 박희진, 김동현, 김재수, 송희천, 한주영 가중벡터는전달함수에가중치를부여하기위해이용되며, 번째송신신호의가중벡터 은 Eq. (5) 와같이수식으로나타낼수있다. Eq. (5) 에서 K는 CSDM(Cross Spectral Density Matrix) 이며 Eq. (6) 와같이수식으로나타낼수있다. 는행렬역변환을위한대각부하 (Diagonal loading) 이며, 여기서 는임의의매우작은상수이고, 는단위행렬이다. 그이유는시뮬레이션을수행할때해수면과해저면을평탄하다고가정하였고조류에의한수신기의움직임을고려하지않았기때문이다. 따라서해수면의 K K. (5) (a) (b) K. (6) (c) (d). (7) 가중벡터를이용해적응수동형시역전을수행한결과는 Eq. (7) 과같이나타난다. 은적응수동형시역전을통해재구성된 번째송신기에서의송신신호를의미한다. [17,13] 의역푸리에변환결과를복조하여통신성능을분석하게된다. (e) Fig. 4. Constellation results using passive time reversal mirror. (a) VirTEX at user 1 (b) FAF05 at user 1 [13] (c) VirTEX at user 2 (d) FAF05 at user 2 [13] (e) VirTEX at user 3 (f) FAF05 at user 3 [13] (f) IV. 통신성능분석 본절에서는시뮬레이터를이용해구현한수신신호에수동형시역전과적응수동형시역전을수행하여재구성된송신신호를복조하여통신성능을분석하였다. 통신성능은송신신호의비트정보와복조된수신신호의비트정보의오차의비율인비트오율을비교하여분석한다. 또한시뮬레이션분석결과를기연구된 FAF05 해상실험데이터와비교하여검증하였다. [13] Fig. 4는수동형시역전을적용해인접심볼간간섭을보상해복조한결과를성상도에나타낸것이다. Fig. 4의 (a), (c), (e) 는시뮬레이터로모의한신호의성상도이다. 비트오율은 0.97 %, 0.88 %, 1.22 % 이다. Fig. 4의 (b), (d), (f) 는해상실험데이터의성상도이다. [8] 비트오율은 0.46 %, 2.45 %, 1.32 % 이다. 시뮬레이터로모의한신호의비트오율은해상실험데이터와 0.51 %, 1.57 %, 0.1 % 의차이를보였다. (a) (c) (e) (b) (d) Fig. 5. Constellation results using adaptive passive time reversal mirror. (a) VirTEX at user 1 (b) FAF05 at user 1 [13] (c) VirTEX at user 2 (d) FAF05 at user 2 [13] (e) VirTEX at user 3 (f) FAF05 at user 3 [13] (f) 한국음향학회지제 37 권제 6 호 (2018)

5 중장거리다중송신채널환경에서수중음향통신시뮬레이터성능분석및검증 455 파형정보와해저면의지형정보를측정하여반영하고, 조류에따른수신기의움직임을고려한다면시뮬레이터의정확도가증가할것이다. [11] Fig. 5는적응수동형시역전을적용해인접심볼간간섭뿐만아니라다중송신채널환경에서발생하는채널간간섭을보상해복조한결과를성상도에나타낸것이다. Fig. 5의 (a), (c), (e) 는시뮬레이터로모의한신호의성상도이다. 비트오율은모두 0.00 % 이다. Fig. 5의 (b), (d), (f) 는해상실험데이터의성상도이다. [8] 비트오율은 0.08 %, 0.00 %, 0.01 % 이다. 수동형시역전보다적응수동형시역전을적용하였을때통신성능이월등히높은것을확인할수있다. 다중송신채널환경에서통신성능저하의주원인인채널간간섭이적응수동형시역전에서원활하게보상되는것을알수있다. V. 결론 본논문에서는 20 km의중장거리다중송신채널환경에서 VirTEX 시뮬레이터의수중음향통신성능을분석하였다. 시뮬레이터를이용해모의한수신신호의통신성능을 FAF05 데이터와비교하여 20 km에서시뮬레이터의성능을검증하였다. 시뮬레이션과해상실험데이터와의통신성능은각송신위치에서 0.51 %, 1.57 %, 0.1 % 의차이를가진다. 이러한차이는해수면과해저면의정보를반영하지않은상황에서발생했으며허용가능한오차의범위로판단된다. 또한 MIMO 환경에서발생하는채널간간섭을적응수동형시역전을통해보상하여, 통신성능이개선됨을확인하였다. 추후연구로 20 km 이상의다중송신채널환경에서수신기의이동에의한도플러효과와해수면과해저면정보를 VirTEX 시뮬레이터에적용시킨다면장거리수중음향통신시뮬레이터를개발및검증할수있을것으로판단된다. 감사의글 본논문은국방과학연구소의지원으로수행되었음 (UD170022DD). References 1. H. C. Song, S. Cho, T. Kang, and W. S. Hodgkiss, Long-range acoustic communication in deep water using a towed array, J. Acoust. Soc. Am. 129, (2011). 2. T. Shimura, H. Ochi, and H. C. Song Experimental demonstration of multiuser communication in deep water using time reversal, J. Acoust. Soc. Am. 134, (2013). 3. S. H. Oh, G. H. Byun, and J. S. Kim, Performance improvement of underwater acoustic communication using ray-based blind deconvolution in passive time reversal mirror (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 35, (2016). 4. K. H. Choi, S. H. Kim, J. W. Choi, H. S. Kim, and B. N. Kim, Algorithm and experimental verification of underwater acoustic communication based on passive time reversal mirror in multiuser environment (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 35, (2016). 5. A. C. Singer, J. K. Nelson, and S. S. Kozat, Signal processing for underwater acoustic communications, in IEEE Communications Magazine, (2009). 6. D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, The state of the art in underwater acoustic telemetry, IEEE J. Ocean. Eng. 25, 4-27 (2000). 7. S. I. Kim, G. F. Edelmann, W. A. Kuperman, W. S. Hodgkiss, and H. C. Song, Spatial resolution of time-reversal arrays in shallow water, J. Acoust. Soc. Am. 110, (2001). 8. H. C. Song, J. S. Kim, and W. S. Hodgkiss, Crosstalk mitigation using adaptive time reversal, J. Acoust. Soc. Am. 127, (2010). 9. F. Mosca, and T. Shimura, Low-frequency acoustic source for AUV long-range communication, Mast Europe, 1-9 (2011). 10. M. Siderius and M. B. Porter, Modeling broadband ocean acoustic transmissions with time-varying sea surfaces, J. Acoust. Soc. Am. 124, (2008). 11. J. S. Kim, Virtual time series experiment (VirTEX) simulation tool for underwater acoustic communication, Proc. 09 Acoustic Society America Conf., 2174 (2009). 12. J. S. Kim, H. C. Song, W. S. Hodgkiss, M. Dzieciuch, and M. B. Porter, Dynamic channel modeling with a time-evolving sea surface, Proc. 10 European Conference on Underwater Acoustic, (2010). 13. S. H. Oh, H. S. Kim, J. S. Kim, J. H. Cho, J. H. Chung, and H. C. Song, Performance Analysis of Underwater Acoustic Communication Systems Using Underwater Channel Simulation Tool, (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, (2012). The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.6 (2018)

6 456 박희진, 김동현, 김재수, 송희천, 한주영 14. M. Fink, Time-reversal mirrors, J. Phys. D: Appl. Phys.26, (1993). 15. W. A. Kuperman, W. S. Hodgkiss, H. C. Song, T. Akal, C. Ferla, and D. R. Jackson, Phase conjugation in the ocean : Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror, J. Acoust. Soc. Am. 103, (1998). 16. H. C. Song and W. S. Hodgkiss, Multiuser communication using passive time reversal, IEEE J. Ocean. Eng. 32, (2007). 17. M. J. Eom, J. S. Kim, J. H. Cho, H. Y. Kim, and I. Sung, Algorithm and experimental verification of underwater acoustic communication based on passive time-reversal mirror (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, (2014). 18. J. S. Kim, H. C. Song, and W. A. Kuperman, Adaptive time-reversal mirror, J. Acoust. Soc. Am. 109, (2001). 19. M. J. Eom, S. H. Oh, J. S. Kim, and S. M. Kim, Algorithm and experimental verification of underwater acoustic communication based on passive time reversal mirror in multiuser environment, (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 35, (2016). 김재수 (J. S. Kim) 송희천 (Hee Chun Song) 1981 년 : 서울대학교조선공학과공학사 1984 년 : 미국 University of Florida, 해양공학공학석사 1989 년 : 미국 MIT, 해양공학, 수중음향공학박사 1990 년 ~1991 년 : 국방과학연구소선임연구원 1999 년 ~ 2001 년 : 미국 Scripps 해양연구소 Visiting Scientist 2009 년 ~ 2010 년 : 미국 Scripps 해양연구소 Visiting Scientist 1991 년 ~ 현재 : 한국해양대학교해양공학과교수 1978 년 : 서울대학교조선공학과공학사 1980 년 : 서울대학교조선공학과공학석사 1990 년 : 미국 MIT, 해양공학, 수중음향공학박사 1991 년 ~ 1995 년 : 한국해양연구소선임연구원 1996 년 ~ 현재 : 미국 Scripps 해양연구소연구원 저자약력 박희진 (Heejin Park) 2017 년 2 월 : 한국해양대학교해양공학과공학사 2017 년 3 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 - 한국해양대학교해양과학기술전문대학원석사과정 한주영 ( Joo Young Hahn) 1997년 2월 : 한양대학교지구해양과학과학사 2000년 2월 : 한양대학교지구해양과학과석사 2004년 8월 : 한양대학교지구해양과학과박사 2005년 8월 ~ 현재 : 국방과학연구소 김동현 (Donghyeon Kim) 2013 년 2 월 : 한국해양대학교해양공학과공학사 2015 년 2 월 : 한국해양대학교해양공학과공학석사 2017 년 3 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 - 한국해양대학교해양과학기술전문대학원박사과정 한국음향학회지제 37 권제 6 호 (2018)