OTFS 기반 수중음향통신 성능 분석 연구

PERFORMANCE ANALYSIS OF UNDERWATER ACOUSTIC COMMUNICATION BASED ON OTFS

수중음향통신 채널 환경은 음속의 물리적 특성과 해수면, 해저면 및 산란체에 의해 다중 경로와 도플러 효과가 나타난다. 이와 같은 요소는 심볼간 간섭과 반송 주파수간 간섭이 발생한다. 이러한 현상은 기존 직교 주파수 분할다중화 (OFDM) 변조 기법에서는 성능 저하의 원인이 된다. 또한 시간-주파수 영역에서 채널 추정 및 보상하는 것은 정확한 채널 추정이 어려우며 높은 연산 복잡도를 갖는다. 이를 해결하기 위해 직교 시간 주파수 공간(OTFS) 기법이 제안되었다. OTFS는 OFDM과 같이 시간-주파수 영역이 아닌 지연-도플러 영역에서 심볼 맵핑, 채널 추정 및 보상을 수행하여 성능을 향상시켰다. 본 논문에서는 OTFS와 OFDM을 수중 통신 환경 파라미터에 맞춰 성능 비교를 수행하였으며 실험을 통해 OTFS가 OFDM에 비해 다중 경로와 도플러 효과가 나타나는 환경에서 강인함을 확인할 수 있었다.

In underwater acoustic communication channels, the physical characteristics of sound speed, as well as reflections from the sea surface, seabed, and other scatterers, cause multipath and Doppler effects. These factors lead to intersymbol interference (ISI) and inter-carrier interference (ICI). Such phenomena result in performance degradation in conventional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) techniques. Additionally, estimating and compensating for the channel in the time-frequency domain is challenging due to the difficulty of accurate channel estimation and high computational complexity. To address these issues, the Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) techniques has been proposed. Unlike OFDM, OTFS performs symbol mapping, channel estimation, and compensation in the delay-Doppler domain, thereby enhancing performance. This paper compares the performance of OTFS and OFDM tailored to underwater communication environment parameters. Experimental results demonstrate that OTFS is more robust than OFDM in environments with multipath and Doppler effects.