저작자표시

저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

工學碩士 學位論文

은밀 수중음향통신을 위한 PN 코드 설계

A Design of PN Code for Covert Underwater Acoustic Communication

指導敎授 金 基 萬

2016 年 月 2

韓國海洋大學校 大學院 電 波 工 學 科

李 亨 雨

을

本 論文 李亨雨의 工學碩士 學位論文 으로 認准 함.

: ( )

委員長 工學博士 趙 炯 來 印

: ( )

委 員 工學博士 鄭 智 元 印

: ( )

委 員 工學博士 金 基 萬 印

2016 年 月 2

韓國海洋大學校 大學院

목 차

제 장 서론

제 장 수중음향 채널 특성 수중 채널 특성

전달 손실 확산 손실 흡수 손실 다중 경로

도플러 효과 잡음

제 장 은밀 수중음향통신 기법 직접수열 대역확산 기법

기존의 의사 잡음 코드

제안한 코드 코드 비교 분석

도플러 주파수 추정 성능 분석 채널 추정 성능 비교

제 장 모의실험 및 호수실험 결과 모의실험 결과

호수실험 결과 호수실험 결과

제 장 결론

참고문헌

DS-SS using multi PN code

제 장 서 론

과거 해양에 관한 연구는 군사적인 목적에 국한되어 수중음원 탐지 및 추적에 관한 연구가 주를 이루었다 하지만 최근 해양 자원 개발이 활발 해지면서 해양에 대한 관심이 고조되고 다양한 분야에서의 연구가 진행 되고 있다 해양환경 모니터링에서부터 수중 센서 네트워크를 위한 통신 기법까지 다양한 연구가 국내외에서 이루어지고 있다 특히 해양에서 의 수중음향통신은 해양 연구의 필수적인 기술로써 응용분야가 확대되고 있는 추세이다 최근에는 개인의 보안 또는 군사적 목적으로 피감청

피탐지

특성을 가진 수중음향통신에 대하여 활발히 연구가 진행 중이다 이와 같은 수중음향통신을 은밀 수중음향통신이라 한다 은밀 수중음향통신 시스템은 송신 신호가 의도된 수신기 외에는 다른 수신기에 의해 감청되지 않기 위해 설계된 통신 시스템으로 적절한 신호체계를 이 용하여 제 자에 의해 검파될 확률이 낮게 하는데 목적이 있다 은밀 통신 시스템의 특징은 잡음 속에서의 통신 즉 낮은

영역에서 동작이 되어야 하는데 대표적인 통신 방식으로 대역확산 통신기 법이 있다 하지만 이러한 장점들은 송 수신 측간의 정확한 동기 가 이루어진다는 전제하에 가능하다 정확한 동기화를 위하 다양한 방법들이 있는데 본 논문에서는 다양한 방법 중에서 코 드의 성능을 통하여 이러한 목적을 만족하는 방법에 대하여 소개한다

직접수열 대역확산 기법에서 확산 코드를 사용한 확산 역확산 과정으 로 인하여 제 자가 감청하지 못하도록 하는 효과 그리고 확산 코드를 사 용하여 도플러 주파수 추정 및 등화기에 사용된다 이러한 확산 코드로

코드를 사용하고 있다 일반적으로 수중음향통신에서는 사용하는 코 드를 몇 가지 소개하면 먼저 랜덤한 이진 비트로 구성된 이 다 생성 방법이 간단하다는 장점을 가지고 있으나 코드가 로 구성되 어 보안성에 취약하다는 단점을 가지고 있다 이러한 약점을 보완하기 위 해 다위상으로 구성된 코드가 제안되었다 대표적으로

시퀀스가 있다 시퀀스는 에 비해 피감청 특 성 및 상관 특성이 우수하여 확산 코드 및 주파수 오프셋 채널추정에 사 용하기가 좋다 이런 시퀀스에 수중 채널을 고려한 가중치를 부여 하여 우수한 피감청 특성을 가지면서 채널에 의한 영향을 최소하하여 주 파수 오프셋 등화기에 사용하기 좋도록 자기 상관 특성이 우수한

시퀀스가 제안되었다 하지만 채널을 미리 알고 있다는 것은 불가능하기 때문에 직접수열 대역확산 기 법에 적용할 때 문제가 발생한다 그래서 본 논문에서는 임의의 채널에서 도 사용 가능하도록 시퀀스의 가중치를 수정한 시퀀스를 제안하 였다 제안한 방법은 기존에 로 구성된 가중치에 사이로 관심영 역을 세분화 시키는 것으로 그 성능을 모의실험과 호수실험을 통하여 비 교 및 분석하였다 모의실험은 실제 호수실험을 통하여 얻은 음속 구조를 사용하여 수행하였다

본 논문의 제 장에서는 수중음향 채널의 특성에 관련된 내용을 소개하 였다 수중음향 채널의 특성 및 수중음향통신에서 성능에 직접적인 영향 을 미치는 성분이 신호감쇄 다중경로 도플러 효과 및 잡음에 관련된 내 용을 기술하였다 제 장에서는 은밀 통신 기법 중에서 직접수열 대역확 산 기법에 대하여 소개하고 기존에 사용되고 있는 코드에 대하여 소 개한다 그리고 기존에 사용되는 시퀀스의 가중치를 새롭게 제 안하는 방법을 제안하고 시퀀스의 성능을 모의실험을 통하여 비교하였다 제 장에서는 모의실험 및 호수실험을 통하여 직접수열 대역확산 통신 기법의 성능을 비교하였으며 마지막으로 제 장에서는 결론 및 향후 연 구 방향에 대하여 기술하였다

제 장 수중음향 채널 특성

수중 채널 특성

해양환경에서 음향신호의 특성은 음향신호의 위치 깊이 시간에 따라 변화한다 또한 해수의 염도와 온도에 대해서도 음향신호의 물리적 특성 은 많은 변화를 일으킨다 이러한 해수에서의 음향신호의 물리적 특성의 변화는 수중음향 채널 특성을 변화시켜 수중음향통신에 어려움을 가중시 킨다 수중음향 채널에서 사용가능한 대역폭 및 전송거리는 전송손실 및 소음수준에 따른 에 의해 달라지며 수중음향통신 시스템의 성능은 잔향 및 다중 경로 등에 의한 신호왜곡 정도에 따라 달라진다 또한 채널 의 특성은 시간의 변화와 시스템의 위치에 따라 달라진다 즉 수중 환경 에서 음향 신호는 수심 수온 전송거리 해수면의 변화 해저면의 상태 등 의 영향으로 인해 다양하면서 복잡하게 변화하는 특성을 지니고 있다 수 중에서 음향의 전달은 직접파와 더불어 해수면과 해저면의 반사파들에 의 해 원거리까지 전달되어 간다 이러한 수중 채널 특성 이외에 수중음향통 신 시스템의 성능을 결정하는 요인에는 음향 신호의 거리에 따른 전달 손 실과 다중경로 전달 과정으로 인한 인접 신호 사이의 간섭 시스템 자체 의 잡음과 해양의 배경 잡음 해면 및 해저에 의한 산란 및 반사에 의한 잔향 및 송 수신기의 이동에 의한 도플러 효과 등이 있다 특히 천해의 경우 해수면과 해저면의 반사 및 굴절 등으로 인한 다중경로를 포함한 다 양한 특성으로 인해 수중음향통신의 성능 저하를 일으키며 심해에 비해 음향이 전달되는 형태가 복잡하다 또한 해저면의 상태에 따른 신호의 지

연은 진흙의 경우 모래의 경우 까지 신호의 지연이 발생하 기도 하며 음원에서 발생한 신호의 주파수가 차단 주파수의 이하일 경우 원거리까지 전파되지 못하는 상황도 발생한다 최근에는 대용량 데 이터 전송 및 고속 데이터 전송이 요구됨에 따라 넓은 대역폭을 필요로 하며 일반적으로 수중환경에서의 전송거리는 채널 대역폭에 따라 크게 단계로 분류할 수 있다 이를 에 나타내었다 전송거리와 채널 대역폭은 서로 반비례 관계를 가지며 전송 거리가 증가 할수록 대역폭이 줄어들어 데이터 전송효율이 떨어진다

Range [km] Bandwidth [kHz]

Very long 1000 < 1

Long 10 ~ 1000 2 ~ 5

Medium 1 ~ 10 ≈ 10

Short 0.1 ~ 1 20 ~ 50

Very short < 0.1 > 100

전달손실

해수는 음향의 전파에 있어 복잡한 매질의 특성을 가지고 있다 또한 해수면과 해저면에 의해서도 음향의 전달은 많은 영향을 받는다 바다 속 을 진행하는 음향신호는 지연 왜곡되고 신호의 세기는 약해지게 된다 전 달손실은 음향이 해양에서 전파되면서 나타나는 많은 현상중의 하나로 음 향신호가 해양환경에 의해 받는 다양한 영향을 나타낸다고 할 수 있다 전달손실은 크게 신호의 확산에 의해 나타나는 확산손실과 신호의 감쇄에 의한 감쇄손실로 나눌 수 있다 감쇄손실은 음향신호의 흡수 산란 수중

채널환경의 변화등과 관련되어 나타난다

확산 손실

이상적인 매질의 환경에서 작은 음원에 의해 발생한 음파는 등방향성을 가지고 진행한다 이렇게 진행된 음파는 구형으로 파면을 형성하며 퍼지 게 된다 음원에 의해 발생된 파워는 구의 표면에 균등하게 분포되어 방 출된다 음파가 진행함에 따라서 구의 표면적이 넓어짐에 따라 음파의 세 기도 약해지게 된다 그러므로 확산손실은 주파수와는 독립적으로 음파가 진행하는 거리에 대해 지수함수적으로 변화하는데 식 과 같이 표현된 다

_{}  log

이때 은 거리 를 나타낸다 이러한 은 온도와 염 도에 의해 해수의 특성변화가 심하지 않은 심해에서 주로 발생한다 천해의 경우는 날씨에 의한 해수의 온도 및 염도의 변화가 많이 발생한 다 온도와 염도의 변화는 해수의 밀도에 영향을 주게 되며 해수의 밀도 의 변화는 해수의 다양한 층을 형성하게 된다 이렇게 위 아래로 형성된 층에 의해 음파는 층의 경계면을 넘어 전달되지 못하고 음파의 전달이

형태로 확산된다 의 손실은

식 와 같다

_{}  log

흡수 손실

흡수손실은 확산손실과 다른 형태로 거리에 따라 변화한다 흡수손실은 음향의 에너지가 열로 변화하는 과정을 수반하며 이는 해수에서 음향신호 가 전파되면서 발생하는 음향에너지의 실제 손실이 된다 해수의 염분과

수온에 의해 비선형적으로 흡수되는 손실을 말한다 이는 식 과 같이 표현된다

_{}  log×

이때 은 거리 를 나타내며



  ^

^_

^

여기서



 

이다 식 를 보면 흡수계수는 주파수가 높거나 밀도가 작 은 얕은 수심일수록 증가함을 알 수 있다 는 높은 주파수일수록 흡수 계수가 증가하며 이전까지는 흡수계수가 수심 보다는 수온 에 영향을 많이 받지만 이상부터는 흡수계수가 수온보다는 주파 수에 더 큰 영향을 받음을 보여준다

확산손실과 흡수손실을 더한 전달손실은 식 와 같이 표현된다

 ×log

 × ×^{ } 확산손실 흡수손실

이때 는 확산 계수를 나타내며 일 경우 일 경우 가 된다 은 전송거리를 나타낸다 전송 거리가 짧은 근거리의 경우 확산손실에 의한 감쇄가 크기 때문에 확산계 수에 의해 신호의 감쇄량이 결정되고 전송거리가 늘어날수록 주파수에 따른 흡수손실이 증가함을 나타낸다 수중음향통신 시스템을 설계함에 있 어서 전송거리와 반송파의 주파수에 따른 신호의 감쇄를 충분히 고려해야 만 한다

수중음향 채널에서 주파수에 따른 전달손실 및 잡음은 수중음향통신 시

스템에서 전송거리 대역폭 및 간의 관계를 결정한다 협대역 에서 수신부의 은 다중경로와 도플러 효과를 포함하지 않는 것을 가정하며 식 과 같다

   × ×



이때 은 송신신호 레벨을 의미하며 는 수신부의 대역폭을 의미한 다

다중 경로

해양에는 다양한 형태의 불균질한 매질과 경계면이 존재한다 해수 중 에는 플랑크톤부터 물고기 떼와 같이 다양한 크기의 물체가 존재하며 파 도에 의한 거친 해수면과 해저면의 지형은 이러한 음향학적인 불균질한 매질과 경계면의 대표적인 경우이다 이러한 불균질성은 그 체적과 경계 면에서 음향신호의 일부 또는 전부를 반사하거나 산란시키게 되는데 이 러게 다양한 경로로 신호가 전달되는 현상을 다중경로 전달이라 한다

와 같은 다중경로에 의해 수신된 신호는 수중음향통신 시스템에

서 수신부에 인접 심벌간의 간섭 을 발생

시키고 상대적으로 을 떨어뜨려 통신시스템의 신뢰성 저하를 가져오 는 가장 큰 원인이기도 하다 특히 천해환경에서는 직접파와 대부분 해수 면과 해저면의 잔향에 의한 다중경로 신호가 합해져서 신호가 수신되며 심해의 경우 송 수신기가 해수면 혹은 해저면에 위치할 경우 잔향으로 인 한 다중경로가 발생할 수도 있으나 대부분은 잔향 과 음선 이 휘어져 진행되는 현상에 의해 발생하게 된다 잔향에 의 한 다중경로 신호 전파는 에서 보는 바와 같이 해수면과 해저면에 의해 발생하는 음향 신호의 반사 및 산란 을 의미하 며 은 수심에 따른 수온의 기울기 변화에 따라 음파의 전송

속도가 달라지는 현상을 의미한다 일반적으로 수직 채널의 경우 대부분 해수면의 후방 산란에 의해 짧은 시간의 다중경로 확산이 생기는 반면 수평 채널의 경우 매우 긴 다중경로 확산이 생길 수 있 다 특히 천해환경에서는 직접파와 대부분 해수면과 해저면의 잔향에 의 한 다중경로 신호가 합해져서 신호가 수신되며 심해의 경우 송 수신기가 해수면 혹은 해저면에 위치할 경우 잔향으로 인한 다중경로가 발생할 수 도 있으나 대부분은 현상에 의해 다중경로가 발생한다 심해 의 경우 지연 확산의 정도는 깊이와 송 수신기 간 거리의 함수로 나타난 다

그림 수중에서 음파 신호의 다중 경로 전달

은 와 같은 을 가질 경우 송신기의

위치에 따른 음선의 진행 구조와 음선의 진행 경로에 음파가 전송되지 않 는 음영구간이 존재할 경우의 음선의 진행 구조를 나타내고 있다 이러한

음선의 진행구조는 이상적인 조건에서 음선의 진행방향을 예상 가능하게 해준다 하지만 실제 음선 구조를 예측하기 위해 수십 년 동안 많은 연구 자들이 연구를 진행하고 있으나 해수면의 상태 해수층의 경계조건 음파 의 전송 속도 등과 같은 복잡성에 따라 채널이 변화하므로 정확한 예측은 어렵다

그림 음속 구조

그림 음영 지역의 경로 다이어그램

에서 송신 신호 에서 송신 신호

도플러 효과

도플러 효과는 기본적으로 송수신단의 움직임이나 해수면의 파도 등에 반사등에 기인하지만 육상의 무선통신에 사용되는 전파에 비해 상대적으 로 느린 음파의 속도에 의해 육상의 무선통신에 비해 더욱 큰 도플러 효 과가 발생하게 되어 수중음향통신 시스템의 성능에 상당한 영향을 미친 다 특히 수중음향통신에서 파도 혹은 해류에 의한 송 수신기의 움직임 은 음향신호가 전달될 때 다중경로와 도플러 효과가 합해져 더욱 복잡한

채널 환경을 생성한다 그로 인해 도플러 효과는 수신부에 인접 심벌들 사이의 간섭을 발생시켜 수중음향통신 시스템의 신뢰성을 저하시키는 결 과를 초래한다 이와 같은 도플러 효과는 식 과 같이 표현된다

_  _

_



대역폭과 심벌 구간 사이의 곱이 보다 작으면 무시할 수 있으나 보다 크게 되면 통신 성능에 상당한 영향을 준다 도플러 확산은 단일 주파수 확산과 연속적인 주파수 확산을 발생시킨다 전자의 경우 수신부에서 쉽 게 보상되나 후자의 경우 보상하기 어렵다 특히 고속 데이터 전송기법의 경우 높은 반송 주파수를 사용하기 때문에 넓은 대역폭의 사용이 가능하 지만 반대로 높은 전송손실뿐만 아니라 높은 주파수에 비례하여 높은 도 플러 확산을 가지게 되는 문제점이 발생한다

잡음

제 장 은밀 수중음향통신 기법

은밀 수중음향통신을 위해 다양한 변조기법이 있는데 본 장에서는 코드로 인해 특성이 뛰어나며 다중 경로에 의한 신호 왜곡이나 재밍 에 강인한 특성을 가진 직접수열 대역확산 기법을 소개한다 또한 직접수 열 대역확산에 사용되는 코드를 소개하고 자기상관 특성이 우수하며 다위상으로 구성되어 높은 특성을 갖는 코드를 제안한다

직접수열 대역확산 기법

직접수열 대역확산 기법은 기저 대역의 신호를 매우 넓은 대역폭의 디 지털 신호로 직접 변조하여 확산시키는 방식이다 과 같이 송수신 기 간의 신호에 상관관계가 적은 코드를 부여하고 단말기는 서로 약속된 코드만을 사용함으로 원하지 않는 신호는 잡음으로 처리하고 원하는 신호 만 추출한다 차 변조시킨 데이터를 직접 고속의 직교성을 갖는 코 드와 재 변조하여 전송하는 방식으로 전송 신호를 광대역의 주파수에 걸 쳐 확산시킴으로서 전력량을 최소화 할 수 있다 송신측에서는 데이터로 변조된 반송파를 직접 고속의 확산 부호를 이용하여 다시 변조하여 스펙 트럼 대역을 확산시켜 전송하고 수신측에서는 송신측에서 이용한 확산 부 호와 동기되고 동일한 역 확산 부호를 이용하여 원래의 스펙트럼 대역으 로 환원시킨 다음 복조하는 방식이다

그림 시스템 블럭도

수신단에서 신호 확산 신호를 수신한 후에는 다음 에서 관찰할 수 있는 것과 같이 전송에 사용된 펄스열과 같은 펄스열을 다시 곱하여 원래의 신호로 복조시킬 수 있다 송신기에서 대역확산으로 사용된 확산 파형으로 확산 시키면 수신기에서는 확산 코드 파형을 곱하여 역 확산된 파형으로 신호를 복원할 수 있는데 이 과정을 역확산 이라고 한다 직접 시퀀스 대역확산 방식의 장점은 송신기 신호의 출력 주파수 효율이 비확산 데이터변조 반송파의 출력 주파수 효율보다 낮게 유지되고 동일 대역을 사용하는 협대역 주파수 채널과 간섭 확률이 낮다

그림 의 확산과 역확산

기존의 코드

^ 

그림 의



_  ≤  ≤   _

 



  

 

_^

min

∥

∥

^ 



 





_^_







_^  ^{ }  ^{ }

_  

   

  _ _    _^_{× }

  



 ^ ^^

_ _

 ^

_ arg_   

      



∥

∥

 

 

_  ^{ arg}   

 ^_{  }



_ _

  min

∥

∥

그림 ^WeCAN 시퀀스의 자기 상관 특성

제안한 코드

    cos  

 

_{  }^

  _











_ _



_ _

⋯ _{ }

⋱ ⋮

⋮ ⋱

_{ }⋯

⋱ _

_ _

_{  }^





_



∥

∥

_

 





_{  }^

  ^   arg



^



_^



그림 각 시퀀스의 자기 상관 특성

코드 비교 분석

도플러 주파수 추정 성능 비교

그림 각 시퀀스의

채널 추정 성능 비교

그림 채널 임펄스 응답

그림 각 시퀀스의 채널 평균 오차

제 장 모의실험 및 호수실험 결과

모의실험 결과

그림 모의실험 환경 경천호

그림 모의실험 환경

음속 구조 채널응답 특성 음선 분포

그림 부호화되지 않은 비트오류율

호수실험 결과

그림 호수 실험 블록도

그림 호수실험 구성

그림 수중음향 채널 특성 채널 임펄스 응답 산란 함수

호수실험 결과

그림 멀티 PN 코드를 사용한 DS-SS

DS-SS using multi-PN code

그림 수중음향 채널 특성 채널응답 특성 산란 함수

제 장 결 론

확산 코드를 사용하여 잡음 속에서도 통신이 가능하며 확 산 코드의 복잡성으로 인하여 피감청 특성도 동시에 지닌 통신 기법으로 확산 코드 즉 코드의 성능에 에 영향을 미친다

감사의 글