[논문 리뷰] Transmission of Video Image in Underwater Acoustic Communication

Han Zhang, Jun Yang|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 26.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 오비탈 각운동량(OAM) 음향 비트를 복수의 위상 전하(+1에서 +8)로 다중화하여 실시간으로 영상 이미지를 전송하는 실시간 수중 음향 통신 시스템을 제시한다. 시스템은 온오프 키(Keying)을 통해 변조되며 스펙트럼 효율이 8 (bit/s)/Hz에 도달하여, 대역폭 제약에도 불구하고 OAM 다중화가 수중 통신 용량을 크게 향상시킬 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Acoustic communication is currently considered as the best way to transmit information over long distances under water, since acoustic waves have lower attenuation in water than the other information transmission media. However, current information transmission rates of the underwater acoustic communication is usually limited by low-frequency bandwidth due to the large attenuation which characterized in high-frequency sound waves in water. Spiral acoustic beams with helical wavefront dislocations carrying orbital angular momentum have been applied to acoustic levitation and capture. Recently, harnessing the orthogonality and the infinite dimension of Hilbert space in underwater acoustic communication has been considered promising. Here, we construct a real-time underwater acoustic communication system to transmit video image. The system multiplexes eight orbital angular momentum topology charges ranging from +1 to +8 and encoded with on-off keying modulation format, achieving a spectral efficiency of 8 (bit/s)/Hz. This demonstration suggests that multiplexed information-carrying orbital angular momentum acoustic beams presents tremendous potential for increasing the capacity of underwater communication systems.

연구 동기 및 목표

• 좁은 대역폭과 고주파 손실로 인한 수중 음향 통신의 제한된 데이터 전송 속도를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 음파에서 오비탈 각운동량(OAM)의 활용 가능성을 탐색하기 위해.
• OAM 다중화를 이용해 영상 이미지를 전송할 수 있는 실시간 시스템을 설계하고 구현하기 위해.
• 수중 환경에서 수직적인 OAM 상태를 사용하여 고용량 통신을 위한 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 통제된 수중 환경에서 온오프 키(Keying) 변조를 적용한 OAM 비트를 활용한 실질적 영상 전송을 시연하기 위해.

제안 방법

• 데이터 스트림을 다중화하기 위해 위상 전하가 +1에서 +8까지인 여덟 가지 별개의 OAM 모드를 사용한다.
• 각 OAM 모드는 디지털 정보를 인코딩하기 위해 온오프 키(Keying, OOK)로 변조된다.
• 음향 파면은 오비탈 각운동량을 지닌 형태로 형상화되어 나선형 파면 결함을 생성한다.
• 수신기에서 다중화된 신호를 분리하기 위해 힐베르트 공간 내 OAM 상태의 수직성을 활용한다.
• OAM 변조된 신호를 생성하고 전송하며 복호화하는 실시간 신호 처리 체인을 구현한다.
• 영상 전송 성능을 테스트하기 위해 통제된 수중 환경에서 통신 링크를 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수중 음향 통신에서 OAM 다중화가 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 수중 환경에서 OAM 변조된 음향 비트를 사용해 실시간 영상 전송이 가능한가?
• RQ3 실제 수중 채널 조건에서 OAM 상태의 수직성이 어떻게 작용하는가?
• RQ4 OOK 변조를 사용해 다수의 OAM 모드를 활용할 경우 도달 가능한 데이터 전송 속도와 스펙트럼 효율은 얼마인가?
• RQ5 다중경로 및 노이즈와 같은 수중 채널 손상 요소가 존재하더라도 시스템이 신뢰성 있는 영상 전송을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 수중 음향 채널을 통해 실시간으로 영상 이미지를 전송하는 데 성공했다.
• 위상 전하가 +1에서 +8까지인 여덟 개의 OAM 모드를 다중화하여 스펙트럼 효율 8 (bit/s)/Hz를 달성했다.
• OAM 비트의 사용은 힐베르트 공간 내 수직 모드를 통해 데이터 스트림의 공간 다중화를 가능하게 했다.
• 각 OAM 모드에 대해 온오프 키(Keying) 변조 형식이 효과적으로 구현되고 복호화되었다.
• 결과적으로 OAM 다중화를 통해 수중 음향 통신의 대역폭 제약를 극복할 수 있음을 확인했다.
• 시연 결과 기존의 낙폭 수중 음향 시스템 대비 데이터 용량이 상당히 증가함을 보여주었다.