무인 이동체 제어용 통신 기술 개발

가. 지상 CNPC 무선 인터페이스 규격 (1) 무인기 운용 시나리오

무인기 제어용 통신 (CNPC, Control and Non-Payload Communcation) 시스템 개발 과정에서 요구 되는 무인기의 동작 및 운용 과정의 시나리오를 기술한다. 이륙 전 단계에서의 무인기와 지상통제국

P2P (Point-to-Point)형에서 채널은 GCS가 주파수관할청 (SA, Spectrum Authority)으로부터 할당받 은 상하향링크 주파수 채널을 의미한다. P2P형 무인기 CNPC 시스템은 이륙 전에는 1개의 CNPC 채

이동 예정인 Airspace Volume 상에서 사용가능한 CNPC 채널 set (Primary 또는 Primary+Backup 채

P2MP (Point-to Multi Point)형의 채널은 상향링크의 경우 TDMA (Time Division Multiple Access)방 식을 지원하기 때문에 무인기 CNPC를 위해 이용하는 지상무선국 (GRS, Ground Radio Station)이 SA

다수의 무인기를 효율적으로 운용할 수 있는 무인기 제어용 통신 주파수 자원의 효율적 활용 기술이 필요하다. 이를 위해 무인기 CNPC 시스템에서는 무인기 채널의 할당, 정보 데이터량에 따른 프레임율 변화, 하향링크 주파수 채널 및 대역폭 변경, 상향링크 주파수 채널 및 슬롯 변경과 같은 다양한 주파 수 활용 방안을 고려 할 수 있다.

MOPS에서 CNPC 시스템의 상향링크의 경우 TDMA 방식을 사용하며, 초당 20 프레임의 전송율을 갖 는다. 무인기의 운용 과정에서 상향링크로 전송할 정보량이 20프레임에 미치지 못할 경우 해당 사용 자 UA1에 대한 프레임율을 낮추고 이를 다른 비어있는 슬롯들을 다른 사용자 UA2에 할당하여 사용하 는 방식을 고려할 수 있다. 이를 그림 1에 나타내었다.

그림 1 프레임율 변화에 따른 활용

그림 1에서 상향링크 전송 과정에서 첫번째 사용자 UA1로 전송할 정보량이 20Hz의 프레임율에 미 치지 못할 경우 이를 다른 사용자 UA2에서 활용하는 것을 나타내었으며, 이러한 방식을 적용한다면 한정된 상향링크 주파수의 활용도를 높일 수 있을 것이다. 하지만 무인기 CNPC 시스템의 하향링크와 상향링크의 전송 정보량을 고려할 때 하향링크의 경우가 보다 높을 것으로 보이며, 하향링크의 경우 무인기와 GCS간 거리차 등을 고려하여 FDMA 방식을 고려하고 있으므로 상향링크가 추가적인 자원의 활용이 용이하지 않다. 따라서 상향링크의 프레임율 변화에 따른 추가적인 활용이 가능하다고 할지라 도 활용도는 거의 없을 것으로 보이며, 이러한 프레임율 변화에 대응하여 빈 슬롯에 다른 사용자에게 할당하기 위해서 요구되는 시스템의 복잡도 증가와 안정성을 최우선적으로 고려하는 무인기 CNPC 시 스템을 고려할 때 상향링크에서 프레임율 변화에 따른 TDMA 방식에서 빈 슬롯의 활용은 고려하지 않기로 한다. 또한 프레임율 변화에 따른 TDMA 방식은 SA에서 GRS에 일정 시간 동안 고정적인 상향 링크 시간 슬롯을 할당하는 채널 할당 방식과도 부합하지 않는다.

MOPS의 CNPC 시스템에서 무인기 운항 중 사용 채널 및 대역폭의 변경을 고려할 수 있다. 상향링 크에서는 TDMA 방식을 사용하므로 이러한 사용 채널의 변경 및 대역폭의 변경은 사용 주파수 대역 또는 슬롯의 변경 및 추가적인 슬롯의 할당 및 반납을 의미하고, 하향링크의 경우 FDMA 방식을 사용 하므로 사용 채널의 변경 및 대역폭의 변경은 사용하는 주파수 대역의 이동 및 데이터 클래스의 변경 을 의미한다. 사용 채널의 변경은 인근 GRS 또는 다른 무인기로부터의 간섭 및 채널 환경의 변화 등 에 의해 요구 될 수 있으며, 대역폭의 변경은 전송할 정보량의 변화에 의해 요구 될 수 있다.

TDMA 방식을 사용하는 무인기 CNPC 시스템의 상향링크 프레임의 구성에서는 각 UA의 Data class 에 따라 사용하는 슬롯의 수가 다르게 적용된다. 즉 Data class 1은 1개의 슬롯을 사용하고, Data class 2는 두개의 슬롯을, Data class 3은 세개의 슬롯을 사용하여 상향링크 전송을 하게 된다. 여기서 Data

class에 따른 각각의 슬롯에서 다른 프레임 구성을 가지게 되어 있어, 한 UA에서 추가적인 슬롯 할당이 필요할 경우 반드시 현재 슬롯에 이웃한 슬롯들을 할당하거나, 이웃한 빈 슬롯이 존재하지 않을 경우 추가적인 슬롯을 포함하여 요구하는 Data class에 따라 전체가 옮겨가야 하는 문제점이 있다. 그리고 이러한 정보는 SA에 통보가 되어야 하고 승인이 이루어져야 하기 때문에 복잡하다. 따라서 P2P기반 CNPC링크와 P2MP기반 CNPC링크에서의 SA기반 채널할당 방식을 같이 가져가기 위해 다음과 같이 TDMA 시간 슬롯을 할당함으로써 GRS의 시간 슬롯 재조정은 고려하지 않는다. 물론 GRS에서 시간 슬 롯을 재종하지 않기 때문에 자원을 효율적으로 사용하지 못하는 점은 있으나 SA 측면에서 채널 할당 및 관리의 복잡도를 줄일 수 있는 장점이 있다. P2P의 경우에도 GCS가 SA에 요구 Data Class에 따라 다른 상·하향링크 주파수 대역폭을 요청하게 되는데, 사용되고 있는 협대역 채널 (예, Data Class 1) 들이 중간 중간 사용하고 있어 광대역 채널 (예, Data Class 4)을 확보하기 어려울 경우, SA는 기존 사 용되고 있는 협대역 채널을 재배치하지 않고 광대역 채널이 확보될 때까지 광대역 채널을 요구하는 GCS에 채널을 할당해 주지 않는 방식을 고려하고 있다. 이런 경우 GCS는 광대역 채널을 SA로부터 확 보할 수 있을 때까지 기다리거나 Data Class를 낮추어 확보 가능한 협대역 채널을 요청할 수 있다.

그림 2 무인기 CNPC 상향링크에서 채널 및 대역폭의 변화

이러한 상황은 FDMA 방식을 사용하는 무인기 CNPC 시스템의 하향링크에서도 비슷하게 나타난다.

즉 CNPC를 위해 요구되는 Data class에 따라 대역폭이 변하게 되며, 현재 사용하고 있는 대역에 바로 이웃한 대역을 추가로 활용하거나, 전체 대역폭을 이동하여 사용하게 된다. 따라서 CNPC 하향링크에 서도 Data class에 따라 프레임 구성 형태와 대역폭이 달라지므로 GCS와 UA간에 서로 정확히 전환 시점에 대한 사전 통보 및 확인이 필요하다.

BW of DC1

f

f

f

f

f

f CH change

DC change

CH & DC change

그림 3 무인기 CNPC 하향링크에서 채널 및 대역폭의 변화

이러한 무인기 운항 중 사용 채널 및 대역폭의 변경은 무인기의 안정적인 운항이라는 측면에서 긍 정적인 면과 부정적인 면을 동시에 가진다. 긍정적인 측면은 무인기 운항 중 안정적인 통신을 제공하 기 위해 불가피하게 발생될 수 있는 간섭 등의 문제에 채널 변경과 같이 대응할 수 있는 수단을 확보 할 수 있고, GCS에서는 전송할 정보량에 따라서 대역폭을 조정하여 사용할 수 있어 대역의 활용도가 높아지게 된다. 이와는 반대로 부정적인 측면은 시스템의 복잡도 증가와 채널 및 대역폭 변경과정에 서의 무인기 운항의 안정성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 채널의 변경 과정을 운용 시나리 오에 포함하고 그 절차에 대해 분석하기로 한다.

핸드오버는 하나의 GRS에서 다른 GRS로 무인기 CNPC 통신 링크가 이관되는 과정을 말한다. 무인 기 CNPC 시스템에서 P2P 또는 P2MP의 경우 동일한 채널과 대역폭을 그대로 다음 GRS에서 사용하는 경우와 채널과 대역폭을 변경하여 다음 GRS에서 사용하는 경우를 고려할 수 있다. 이러한 핸드오버 과정은 무인기 CNPC 시스템의 안정성에 매우 중요한 요소이므로 운용 시나리오에 포함하고 그 절차 에 대해 분석하기로 한다.

그림 4 무인기 CNPC 핸드오버 과정의 채널 및 대역폭의 변화

(다) 무인기 탑재 CNPC 모뎀 초기 설정

무인기 CNPC 시스템에서 무인기의 운항 전 GRS와 무인기간 사용할 CNPC 채널 주파수 및 채널 대 폭에 대한 초기 설정이 필요하다. 무인기 CNPC 시스템의 운항전 통신 초기 설정과정은 그림 5와 같 이 자동(Autonomous)설정과 수동(Manual)설정 방식 중 하나를 선택한다.

그림 5 무인기의 이륙전 통신 초기 설정

그림 5에서 먼저 이륙전에 GCS에서 주파수 관할청(SA)에 GRS와 무인기 사이의 CNPC 상하향링크 및 하향링크 통신 주파수 채널 및 대역폭 할당을 요청하고, 주파수 관할청은 사용 가능한 CNPC 채널

1개 set (1 primary + 1 back-up channels or 1 primary channel)을 GCS에 할당한다. GCS는 할당 받은 CNPC 채널 1개 set을 바탕으로 GCS와 유무선으로 연결된 GRS의 CNPC 통신링크를 설정 한다.

무인기의 CNPC 통신 설정은 할당된 무선 자원 정보를 무인기에 조종사가 직접 입력하는 수동 방식 과 GRS를 통해 무인기에 전달하는 자동 방식이 있을 수 있다. 따라서 이 두가지 방식에 대한 시나리 오를 정의하고자 한다.

□ 수동 설정 방식

무인기에서 사용할 무선자원 정보를 조종사가 직접 무인기에 설정 하는 방식이다. 조종사 또는 운 용 관리자가 GCS로부터 무인기에 입력할 정보를 전달받아서 무인기에 직접 입력하는 다양한 방식을 고려할 수 있다. 스마트폰 또는 PC에 설치된 CNPC 설정 프로그램을 이용하여 Wifi, 블루투스 또는 기 존 LTE와 같은 무선망을 통해 무인기에 직접통신 설정을하는 방식과, 무인기에 장착된 입력장치를 통 해 직접 입력하는 방식도 고려할 수 있다. 이를 그림 6에 나타내었다.

그림 6 무인기의 이륙전 수동 할당

- 스마트폰 또는 테블렛 PC에 설치된 CNPC 설정 프로그램을 이더넷, USB, Wifi, 블루투스 또는 기존 LTE 등 무선통신망을 통한 설정 방식

- 무인기에 장착된 입력장치를 통해 직접 입력하는 방식

이러한 수동 설정 방식은 조종사가 무인기에 직접 입력하고 이를 간단한 ACK 만으로 확인할 수 있 어 간단한 프로토콜로 동작 가능한 방식이라고 할 수 있다. 다만 무인기 인근에 수동으로 통신 설정 을 할 조종사 또는 운용관리인이 대기하여야만 한다.

이러한 수동 설정 방식은 조종사가 무인기에 직접 입력하고 이를 간단한 ACK 만으로 확인할 수 있 어 간단한 프로토콜로 동작 가능한 방식이라고 할 수 있다. 다만 무인기 인근에 수동으로 통신 설정 을 할 조종사 또는 운용관리인이 대기하여야만 한다.