수중음향통신에서 프레임 동기와 심볼 타이밍 동기에 대한 연구

Abstract

Underwater acoustic communication has limited underwater channel characteristics such as channel characteristics, delay time, and Doppler frequency caused by the mobility of transmitter and receiver and sea level variability, making it difficult to apply the existing ground radio communication method. In particular, the time delay of the signal occurs due to the mobility of the transmitter and receiver and the propagation delay of sound waves. So the synchronization process is essential. In the synchronization process, frame synchronization for checking the start point of the transmission signal and symbol timing synchronization generated by time delay are required. Therefore, in this paper, transmitter and receiver structure suitable for timing synchronization of the BPSK modulated signal is designed. The transmission signal should be detected and compensated for a change in a received signal due to a Doppler frequency caused by a channel environment using a synchronization algorithm. Therefore, in this paper, we propose an algorithm that acquires a starting point and symbol timing of data through a frame synchronization algorithm of 2-STEP and an algorithm that compensates for time delays within symbol. An algorithm structure for detecting the start point and Doppler frequency of the received signal was applied by performing frame synchronization twice between Probe and Preamble. In addition, the starting point of the frame can be obtained through the Noncoherent correlation algorithm in STEP 1 of frame synchronization, and the starting point of the frame and the initial Doppler frequency can be obtained more accurately with an algorithm to compensate the received signal in STEP 2. In addition, the timing error of data caused by time delay after frame synchronization is applied by applying a Symbol Timing Recovery(STR) algorithm that detects timing error values using Gardner's Timing Error Detector (TED) algorithm. The purpose of this paper is to verify the performance of the transmitter and receiver and synchronization algorithm through simulation and sea experiments and to proceed with the synchronization process with more stable performance. As a result of the frame synchronization algorithm, the position of the frame was confirmed in most signals, and the BER results showed that data errors were reduced in most signals when timing synchronization was performed through the symbol timing synchronization algorithm.|수중 음향 통신에서는 다중 경로에 의한 주파수 선택적 페이딩 채널 환경으로 인한 채널 특성의 변화와 지연 시간의 변화, 송수신기의 이동성과 해수면의 변동성으로 발생하는 도플러 주파수 등의 수중 채널 특성과 가용 가능한 주파수 대역이 한정적이므로 기존의 지상 무선 통신의 방식을 그대로 적용하기에는 많은 어려움이 있다. 특히 송수신기의 이동성, 음파의 전파 지연 등으로 인해 신호의 시간 지연이 발생하는데, 동기화 과정이 필수적이다. 동기화 과정 안에서도 송신 신호의 시작지점을 확인하기 위한 프레임 동기와 시간 지연으로 발생하는 심볼 타이밍 동기가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 BPSK 변조 신호의 타이밍 동기 화에 맞는 송수신기 구조를 설계한다. 전송 신호는 채널 환경으로 인해 발생하는 도플러 주파수에 의한 수신 신호의 변화를 동기화 알고리즘을 이용하여 검출 및 보상해야 한다. 따라서 본 논문에서는 2-STEP의 프레임 동기 알고리즘과 심볼 단위 이내의 시간 지연을 보상하는 알고리즘을 통해 데이터의 시작지점과 심볼 단위 타이밍을 획득하는 알고리즘을 제안한다. Probe와 Preamble을 두 번 프레임 동기를 진행하여 수신 신호의 위치 와 도플러 주파수를 검출하는 알고리즘 구조를 적용하였다. 또한, 프레임 동기의 STEP 1 과정에서 비동기 방식 상관 알고리즘을 통한 대략적인 프레임의 시작지점을 획득하는 동시에 Sliding FFT 알고리즘을 통해 대략적인 프레임의 시작지점과 초기 도플러 주파수를 획득하여 STEP 2 과정에서 수신 신호에 초기 도플러 주파수를 보상하는 알고리즘으로 프레임의 시작지점을 보다 정확하게 획득할 수 있다. 또한, 프레임 동기 이후 시간 지연으로 인해 발생하는 데이터의 타이밍 오차를 Gardner 방식의 TED(Timing Error Detector) 알고리즘을 이용하여 타이밍 에러값을 검출하는 STR(Symbol Timing Recovery) 알고리즘을 적용하여 심볼 단위 타이밍 동기를 진행한다. 송수신기와 동기화 알고리즘의 성능은 시뮬레이션과 해상실험을 통해 검증하고 보다 안정적인 성능으로 동기화 과정을 진행하는 것이 본 논문의 목적이다. 해상실험 결과를 통해 프레임 동기 알고리즘 결과 대부분의 신호에서 프레임의 위치를 확인하였고, BER 결과에서 심볼 타이밍 동기 알고리즘을 통해 타이밍 동 기를 진행했을 때 대부분의 신호에서 데이터 에러가 감소하는 것을 확인하였다.