[논문]VDL 모드 2 데이터링크 시스템 설계 및 구현

배중원; 김현경; 김인규; 김태식

문제 정의

본 논문에서는 차세대 항행시스템 환경 하에서 기존 ACARS 기반 시설을 활용할 수 있는 AOA 프로토콜을 사용하여, 항공교통업무 애플리케이션을 구현에 활용될 수 있는 VDL Mode 2 공대지 데이터링크 시스템 설계 및 제작 결과를 제시한다.
본 논문에서는 현재 항공이동통신 기술 중에서 단기 전망으로 가장 활용성이 우수하고 기존시설과 호환성이 유지되어 가까운 미래에 구축이 유력시 되는 VDL 모드 2 시스템의 설계 및 제작 결과를 제시하였다.
본 연구는 개발된 장비의 구성품 단위 및 운용시험장 비의 기능. 성능시험을 완료하였으며, 현재 인터페이스 시험을 수행하고 있는 단계에 있다.

제안 방법

ADS 정보는 ADS 모니터 창에 정보가 텍스트로 시현되고, 지도상에 항공기의 궤적이 표시될 수 있도록 설계되었다.
975~ 137MHz의 RF 신호를 D8PSK 변복조기가 처리할 수 있도록 주파수를 상향 또는 하향 변환시키는 상하향 변환기, RF 신호를 데이터로 변조 혹은 복조하는 D8PSK 변복조기, 전체모듈을 제어하고 CMU와 통신을 수행하는 MAC과 전원공급기로 구성되어 있다. CMU는 상용의 임베디드 컴퓨터를 구입하여 DLS, VME, AOA를 S/W로 구현하였다. VDRe 그림 14와 같이 5장의 보드로 구성되며 케이스는 항공기 탑재를 고려하여 RTCA 규격을 만족하도록 제작하였다.
따라서, DLS는 서브 네트워크로부터 전달받은 패킷 또는 MAC으로부터 전달받은 비트단위의 프레임들을 재조합하고, 중복된 프레임들의 검사 등을 수행한다. DLS의 프로토콜은 ISO 13239의 HDLC (High-Level Data Link Control)을 항공통신 ATN 망에 적합하도록 일부를 수정한 AVLC (Aviation VHF Link Control) 프로토콜을 사용하며 프레임 형태는 표 2와 같이 구성된다.
또한 AOA망을 포함하여 DSP와 CMU에 장입하였다. VDL M2 전체시스템의 운용평가를 위해서 운용 시 험 장비 를 개 발하였으며 CPDLC, ADS, AFN 기능을 포함하였다.
VDRe VDL M2 칩셋이 가용하지 않으므로 FPGA를 기반으로 제작하였다. VDRe 고출력 증폭기, 117.
개발된 시스템의 기능과 성능을 검증하기 위하여 간략히 ATN 호환 이진기반 CPDLC/ADS 애플리케이션을 구현한 운용시험장비를 설계하였다. 탑재 운용시험장비(AAS)의 경우 보잉 B777 기종의 FANS 시스템인터페이스를 차용하여 설계하였고, 지상 운용시험장비(GAS)에는 ADS 정보에 기반한 항공기 이동궤적을 지도상에 도시하고, CPDLC 메시지를 처리하도록 구성하였다.
DLS/DLES. 구성되는 지상국(GS)과 VME 및 AOA 프로토콜로 구성되는 데이터링크 서비스 처리 장치(DSP)로 설계하였다. 탑재시스템은 지상 스테이션과 핸드오프를 제외하고는 한 개의 링크를 형성하지만 지상기지국은 여러 개의 탑재시스템과 링크를 형성한다.
한다. 그러나 현재 ATN 규격은 비용 대 효과를 고려하여 상용의 IP 기반 프로토콜을 도입하려는 추세이며' 현재까지 완벽히 검증된 ATN 망과 라우터가 개발되어 있지 않은 상황으로 현실적으로 8208 프로토콜을 활용할 수 없는 상황이므로' 본 연구에서는 AOA 프로토콜을 구현하여 사용 자간 데이터 전송을 수행하는 방식을 채택하였다.
탑재 통신장비는 통신관리장치 (CMU)와 VHF 송수신장치 (VDR)로 이루어지며, 지상 통신장비는 데이터링크 서비스 처리 장치(DSP)와 지상국(GS)으로 이루어진다. 또한 AOA망을 포함하여 DSP와 CMU에 장입하였다. VDL M2 전체시스템의 운용평가를 위해서 운용 시 험 장비 를 개 발하였으며 CPDLC, ADS, AFN 기능을 포함하였다.
또한 송수신 프레임의 분해 및 재조합, 프레임 동기화, 비정상 프레임의 거절, 프레임 오류의 제어, RF 채널의 선택, 주소의 인식, 응답 없는 수신 단에 대한 초기화, FCS 생성 등의 기능을 수행한다.
탑재 운용시험장비(AAS)의 경우 보잉 B777 기종의 FANS 시스템인터페이스를 차용하여 설계하였고, 지상 운용시험장비(GAS)에는 ADS 정보에 기반한 항공기 이동궤적을 지도상에 도시하고, CPDLC 메시지를 처리하도록 구성하였다. 또한 운용시험장비는 송수신기의 기본 통신 성능을 점검하기 위한 Loop-back 기능을 포함하도록 설계 하였다.
탑재/지상 통신장비는 기능 . 성능 시험과 환경시험 용도로 각 3조를 제작하였다. 시험평가를 고려한 전체 시스템 구성은 그림 3과 같다.
설계 . 제작된 VDL M2 데이터링크 시스템은 OSI 7 계층을 기준으로 물리계층, 데이터링크 계층 및 서브네트워크계층을 포함하며 탑재 통신장비와 지상 통신장비로 구성된다. 탑재 통신장비는 통신관리장치 (CMU)와 VHF 송수신장치 (VDR)로 이루어지며, 지상 통신장비는 데이터링크 서비스 처리 장치(DSP)와 지상국(GS)으로 이루어진다.
탑재 운용시험장비(AAS)의 경우 보잉 B777 기종의 FANS 시스템인터페이스를 차용하여 설계하였고, 지상 운용시험장비(GAS)에는 ADS 정보에 기반한 항공기 이동궤적을 지도상에 도시하고, CPDLC 메시지를 처리하도록 구성하였다. 또한 운용시험장비는 송수신기의 기본 통신 성능을 점검하기 위한 Loop-back 기능을 포함하도록 설계 하였다.
탑재운용시험장비 (AAS)는 노트북을 사용하여 CPDLC, ADS, AFN 기능을 Windows 응용프로그램으로 구현하였다.

대상 데이터

AOA는 탑재용의 AOA2220A 모듈과 지상용의 AOA2220G 모듈로 구분되며 AOA 모듈과 상위 운용시험장비와의 인터페이스를 담당하는 Wrapper 코드를 제작하였다. 운용시험장 비에서 상위계층으로 전송되는 CPDLC, ADS 메시지 프레임은 표 4와 같다.
CMU는 상용의 임베디드 컴퓨터를 구입하여 DLS, VME, AOA를 S/W로 구현하였다. VDRe 그림 14와 같이 5장의 보드로 구성되며 케이스는 항공기 탑재를 고려하여 RTCA 규격을 만족하도록 제작하였다.
본 연구를 통해 개발된 VDL M2 시스템은 항공기용의 탑재 통신장비와 지상국용의 지상 통신장비로 구성된다. 탑재/지상 통신장비는 기능 .
탑재 통신장비는 그림 4와 같이 D8TSK 변복조 방식의 물리계층과 매체접근제어(MAC) 기능을 수행하는 VHF 송수신장치 (CD玦 VHF Data Radio)와 링크관리개체 (LME: Link Management Entity), 데이터링크서비스(DLS: Data Link Service) 서브계층 및 서브네트워크계층의 기능을 수행하는 통신 관리 장치 (CMU: Communication Management Unit)로 분할되는 구조를 채택하였다.
그림 16은 제작된 지상용 VDR의 형상을 나타낸다. 탑재용과 지상용 안테나는 구매품을 사용하였다.

이론/모형

VDL M2의 MAC 서브계층은 다중접속을 위해 p-persistent CSMA 알고리즘을 이용한다. 이를 통해 모든 기지국들은 채널 획득을 위한 동등한 기회를 가지는 동시에 시스템 성능을 최대로 하면서 전송 지연과 충돌을 최소화 한다.

후속연구

VDL M2 기반 애플리케이션은 ATN 전환의 중간 단계에서, 대중화된 ACARS 기반 환경과 기존 응용프로그램과의 호환성을 최대한 유지하며 새로운 VDL M2 데이터링크 기술을 수용 가능한 AOA (ACARS Over AVLC) 프로토콜 환경하에서 우선 적용될 것으로 전망된다.
성능시험을 완료하였으며, 현재 인터페이스 시험을 수행하고 있는 단계에 있다. 구성품 시험결과 기본적인 기능 및 성능은 모두 규격을 만족하고 있는 것으로 확인되었으며, 향후 지상 통합시험 및 비행시험을 통해 본격적인 시험평가를 수행할 계획이다.

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