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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 구성을 바탕으로 구현되는 통신 시스템을 자세하게 서술하고 이에 대한 시뮬레이션 및 실제로 측정된 수치적인 실험결과를 통해 제안된 통신시스템의 성능을 보여주도록 한다.
- 본 논문에서는 이종의 이동통신망을 사용한 병렬 송수신 시스템을 가진, 무인항공기탑재용 대용량 통신시스템을 제안하였다. 무인항공기 통신시스템은 넓은 커버리지를 가져야 하고, 높은 전송속도가 보장되어야 하며, 네트워크 상태에 대한 안정성이 보장되어야 한다.
- 이러한 근거로 일반적인 이동통신망을 그대로 적용한 무인항공기 통신시스템 구현시, 커버리지 확보 문제와 더불어 불안정한 네트워크 상태를 가지며 대용량의 영상정보를 전송할 수 없는 무인항공기용 통신 시스템으로 제한되게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 본 논문에서는 통신망 구성으로 인해 서비스 제공 사업자의 추가적 비용부담을 발생시키지 않는 것을 전제로 한 무인항공기용 통신 시스템 개발을 목표로 두어 논의하고자 한다. 이는 현재 서비스되고 있는 이동통신 시스템을 활용한 무인항공기용 통신 시스템 개발을 가정 하여 바로 적용될 수 있는 현실성 있는 시스템을 뜻한다.
제안 방법
- FCC단에서 입력된 정보를 동일한 양의 데이터로 나누어 기가비트 이더넷을 사용하여 WiBro 또는 HSDPA 모뎀을 사용하고 있는 모듈에 분배하도록 한다. 분배시에는 GCS에서 전송된 ACK를 확인 후에 ACK가 온 모듈에 한하여 보내도록 한다.
- FCC의 각 모듈마다 독립적으로 송신한 정보에 대하여 GCS에서 정보의 수신이 이루어졌음을 알리는 ACK을 생성하여 FCC의 각 모듈에 보내도록 한다.
- 위의 세 가지 해결과제에 대한 결과를 종합해 보면, 다수의 WiBro와 HSDPA를 이용한 이종의 이동통신망을 사용한 병렬송수신 시스템이 넓은 커버리지, 높은 전송속도의 보장, 네트워크 트래픽에 대한 안정성의 세 가지 조건을 모두 만족시킴을 알 수 있다. 그러므로 이상의 조건을 만족시키는 이종의 이동통신망을 사용한 병렬송수신 시스템을 가진 무인항공기탑재용 대용량 통신시스템을 제안하였다. 향후 연구로는 n개의 이종의 이동통신망을 이용한 통신시스템 구성 시 각 통신망 모뎀의 사용비율에 대한 연구가 있을 수 있다.
- 네트워크 트래픽에 대한 전송속도를 측정하기 위해 모뎀의 개수가 2개로 동일하다는 전제 하에 실험을 진행하도록 하였다. 그러므로 총 2개의 Modem을 사용할 경우에 2개의 WiBro, 2개의 HSDPA, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 3가지 경우에 대해서 실험을 진행하였다. 또한 측정을 위해 그림10과 같이 각 경로상의 평균 전송속도를 측정하였다.
- 넓은 커버리지의 효과를 증명하기에 앞서 그림7과 같은 시스템 구조는 그림8과 동일한 커버리지를 가지고 있으므로 2개의 WiBro를 사용한 그림8의 구조를 가지는 시스템과 2개의 HSDPA를 사용한 그림8의 구조를 가지는 시스템과 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 그림9의 구조를 가지는 시스템의 비교를 통해 커버리지 성능을 분석하기로 한다.
- 네트워크 트래픽에 대한 전송속도를 측정하기 위해 모뎀의 개수가 2개로 동일하다는 전제 하에 실험을 진행하도록 하였다. 그러므로 총 2개의 Modem을 사용할 경우에 2개의 WiBro, 2개의 HSDPA, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 3가지 경우에 대해서 실험을 진행하였다.
- 둘째, WiBro와 HSDPA를 병렬로 연결하고 다수의 통신 채널을 구성하여 전송속도를 높임으로써 앞서 제기된 병목현상 문제를 해결하고 대용량의 정보를 전송할 수 있도록 한다.
- 또한 WiBro와 HSDPA을 함께 사용한 경우의 성능과 비교하기 위해, 시스템에 사용된 총 모뎀의 개수가 4개로 고정되어 있을 때의 WiBro와 HSDPA의 비율에 따른 총 전송속도의 증가를 알기위해 그림14,15와 같은 시뮬레이션을 하였다. 그림 14는 그림 12에 근거하여 만들어졌고, 그림 15는 그림 13에 근거하여 만들어졌다.
- 본 논문에서는 그림 1과 같은 무인항공기 통신 시스템을 제안하도록 한다. FCC는 Flight Control Center 로서 무인항공기에 탑재되는 메인 탑재체이다.
- 시뮬레이션 결과를 살펴보면 n개의 WiBro와 n개의 HSDPA 모뎀을 사용 시의 총 전송속도는 그림 12,13과 같다. 시뮬레이션을 위하여 WiBro와 HSDPA의 성능은 각 이동통신망의 제공사에서 제공되는 각 이동통신망의 평균 속도를 이용하였다. WiBro의 성능은 WiBro를 서비스 하고 있는 KT WiBro, WiBro-wave2를 기준으로 하였고 WiBro Uplink Speed = 1.
- 이러한 시뮬레이션과 모델링을 통한 수치적인 실험결과를 통해서 나타난 제안된 시스템의 성능을 살펴보도록 한다.
- 이에 대한 근거를 살펴보면 다음과 같다. 제안된 시스템의 GCS단은 1개의 이더넷 카드를 사용하여, 여러 개의 병렬 다운로드가 실행되는 구조이다. GCS에서 병렬 다운로드 실행시 병렬 프로세스의 증가가 이루어지게 된다.
데이터처리
- 그러므로 총 2개의 Modem을 사용할 경우에 2개의 WiBro, 2개의 HSDPA, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 3가지 경우에 대해서 실험을 진행하였다. 또한 측정을 위해 그림10과 같이 각 경로상의 평균 전송속도를 측정하였다. 각 경로는 동일한 시간동안에 이동한 거리이므로 그림 10의 평균속도는 이동체에서의 동일한 시간동안의 평균 전송속도를 의미한다.
- 본 절에서는 Matlab을 이용하여 시뮬레이션을 하고 실험 모델링을 통한 수치적인 결과를 통해서 무인항공기용 통신시스템의 성능분석을 하고 그 결과를 분석하도록 한다.
성능/효과
- 3kbps 의 평균속도가 측정되었다. HSDPA는 HSDPA 폰을 사용하여 HSDPA 모뎀을 구성하여 사용하였고 HSDPA Uplink Speed = 44.7kbps, HSDPA Downlink Speed = 111.7kbps의 평균속도가 측정되었다. 이러한 성능에 기초한 이동통신망 모뎀 개수에 따른 무인항공기용 통신 시스템의 전송속도는 그림 13과 같다.
- 그림12과 그림13의 시뮬레이션 결과에 따르면 WiBro만 사용했을 경우 HSDPA가 0개일 때의 그래프를 의미하므로 WiBro 모뎀의 개수에 따라 전송속도가 증가함을 확인할 수 있었다. HSDPA만 사용하였을 경우에는 WiBro모뎀의 개수가 0인 지점의 값들을 의미하므로 HSDPA의 증가에 따라 전송속도가 증가함을 확인할 수 있었다. 그러므로 WiBro 또는 HSDPA의 개수가 증가할 때 전송속도의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있었고, WiBro만 사용한 경우가 HSDPA만 사용한 경우보다 전송속도의 증가폭이 더 크다는 것도 확인할 수 있다.
- HSDPA만 사용하였을 경우에는 WiBro모뎀의 개수가 0인 지점의 값들을 의미하므로 HSDPA의 증가에 따라 전송속도가 증가함을 확인할 수 있었다. 그러므로 WiBro 또는 HSDPA의 개수가 증가할 때 전송속도의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있었고, WiBro만 사용한 경우가 HSDPA만 사용한 경우보다 전송속도의 증가폭이 더 크다는 것도 확인할 수 있다.
- 그러므로 커버리지를 고려했을 때 경로 8과 같은 음영지역에서의 통신시스템의 작동을 통해 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 통신 시스템이 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
- 그림12 와 그림 13의 시스템의 성능을 살펴보면, HSDPA의 경우에는 평균 속도에 기초한 그림 12의 경우에는 와이브로 모뎀의 개수가 1개일 때 까지 HSDPA에 따른 전송속도의 증가가 이루어지고, 실측치에 기초한 시뮬레이션인 그림13의 경우 2개일 때까지 전송속도의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있었다. 즉, 그림 12의 WiBro모뎀의 개수가 1개 이상일 때와 그림 13의 WiBro모뎀의 개수가 3개 이상일 때 HSDPA 모뎀의 수가 늘어나면 총 전송속도가 감소하는 현상이 측정되었는데, 이는 식(1)에서의 #에 의한 것으로 볼 수 있다.
- 또한 모뎀의 개수가 고정되어 있을 때 HSDPA만 사용한 통신시스템보다 HSDPA와 WiBro를 같이 사용한 시스템 또는 WiBro만 사용한 시스템의 성능이 전송속도의 측면에서 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 네트워크 상태에 대한 안정성은 2개의 HSDPA를 사용한 경우가 가장 크고, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 경우, 2개의 WiBro를 사용한 경우의 순서로 안정성이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 HSDPA와 WiBro를 이용한 통신시스템의 경우 HSDPA의 사용 비율이 높을수록 안정성이 향상됨을 알 수 있다.
- 둘째, 고화질의 영상 등의 대용량의 정보를 전송하기에는 현재 이동통신 시스템의 전송성능이 정보 전송량을 모두 처리할 수 없어 병목현상이 발생한다. 그러므로 현재의 단일 이동통신 시스템으로는 고품질의 영상통신을 사용하게 되는 무인항공기에서의 사용에 적합하지 않게 된다.
- 표준편차의 크기가 작을수록 네트워크 상태에 대한 안정성이 가장 높음을 뜻한다. 따라서 네트워크 상태에 대한 안정성은 2개의 HSDPA를 사용한 경우가 가장 크고, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 경우, 2개의 WiBro를 사용한 경우의 순서로 안정성이 줄어듬을 확인할 수 있었다.
- 네트워크 상태에 대한 안정성은 2개의 HSDPA를 사용한 경우가 가장 크고, 1개의 WiBro와 1개의 HSDPA를 사용한 경우, 2개의 WiBro를 사용한 경우의 순서로 안정성이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 HSDPA와 WiBro를 이용한 통신시스템의 경우 HSDPA의 사용 비율이 높을수록 안정성이 향상됨을 알 수 있다.
- 그림14,15에 따르면 HSDPA와 WiBro를 동시에 사용한 경우의 전송속도는 HSDPA만 사용한 경우보다 크고, WiBro만 사용한 경우보다 작다는 것을 확인할 수 있다. 또한 WiBro의 비율이 증가할수록 총 전송속도의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있다.
- 이러한 결과를 일반화하면 WiBro만 사용한 통신시스템보다 HSDPA와 WiBro를 같이 사용한 시스템 또는 HSDPA만 사용한 시스템의 성능이 커버리지 측면에서 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한 WiBro의 커버리지가 수도권지역이고 HSDPA의 커버리지가 국내 전체임을 고려할 때 WiBro와 HSDPA를 사용한 통신 시스템이 수도권 이외의 지역에서 HSDPA망을 사용하여 통신할 수 있으므로 커버리지 측면에서 성능이 우수하고 넓은 커버리지를 보장 할 수 있음을 알 수 있다.
- 그림12,13,14,15에 의한 결과를 일반화 하면 1개의 HSDPA 또는 1개의 WiBro를 사용한 시스템보다 다수의 HSDPA또는 WiBro를 사용한 시스템이 전송속도 증가하였음을 알 수 있다. 또한 모뎀의 개수가 고정되어 있을 때 HSDPA만 사용한 통신시스템보다 HSDPA 와 WiBro를 같이 사용한 시스템 또는 WiBro만 사용한 시스템의 성능이 전송속도의 측면에서 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한 n개의 모뎀 사용시 성능 저하점 이하의 WiBro와 HSDPA의 모뎀수의 결정이 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 그림12,13,14,15에 의한 결과를 일반화 하면 1개의 HSDPA 또는 1개의 WiBro를 사용한 시스템보다 다수의 HSDPA또는 WiBro를 사용한 시스템이 전송속도 증가하였음을 알 수 있다. 또한 모뎀의 개수가 고정되어 있을 때 HSDPA만 사용한 통신시스템보다 HSDPA 와 WiBro를 같이 사용한 시스템 또는 WiBro만 사용한 시스템의 성능이 전송속도의 측면에서 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한 n개의 모뎀 사용시 성능 저하점 이하의 WiBro와 HSDPA의 모뎀수의 결정이 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 셋째, 이동통신망은 음영지역이나 기지국의 위치, 안테나의 방향 등에 따라 현저한 성능차이를 보일 뿐 아니라 이동통신망을 동시에 사용하는 타 사용자에 의해 예측 불가능한 네트워크 트래픽이 발생하게 되므로 이는 통신 시스템의 안정성을 저하시키는 요인이 된다. 반면에 무인항공기는 빠른 이동환경속도를 가지는 비행체이므로 안정적인 모니터링이 필요한 만큼 통신시스템의 안정성이 요구된다.
- 위의 세 가지 해결과제에 대한 결과를 종합해 보면, 다수의 WiBro와 HSDPA를 이용한 이종의 이동통신망을 사용한 병렬송수신 시스템이 넓은 커버리지, 높은 전송속도의 보장, 네트워크 트래픽에 대한 안정성의 세 가지 조건을 모두 만족시킴을 알 수 있다. 그러므로 이상의 조건을 만족시키는 이종의 이동통신망을 사용한 병렬송수신 시스템을 가진 무인항공기탑재용 대용량 통신시스템을 제안하였다.
- 이러한 결과를 일반화하면 WiBro만 사용한 통신시스템보다 HSDPA와 WiBro를 같이 사용한 시스템 또는 HSDPA만 사용한 시스템의 성능이 커버리지 측면에서 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한 WiBro의 커버리지가 수도권지역이고 HSDPA의 커버리지가 국내 전체임을 고려할 때 WiBro와 HSDPA를 사용한 통신 시스템이 수도권 이외의 지역에서 HSDPA망을 사용하여 통신할 수 있으므로 커버리지 측면에서 성능이 우수하고 넓은 커버리지를 보장 할 수 있음을 알 수 있다.
- 또한 그림 10의 경로에 따른 전송 속도의 분포는 그림 11에 나타나 있다. 이러한 커버리지 맵에 있는 3가지 통신 시스템에 의한 성능을 살펴보면 경로8에 해당하는 WiBro음영지역에서 이종의 이동통신망을 활용한 그림 9의 구조인 통신시스템이 WiBro 음영지역에서 HSDPA망만을 사용하여 통신시스템이 동작하므로 통신시스템의 음영지역에서의 안정성을 확인할 수 있고, 그림10,11의 경로 8과 같은 WiBro의 커버리지가 아닌 지역에서도 HSDPA망을 사용하여 통신시스템을 지속적으로 동작시킬 수 있다는 점을 알 수 있다.
- 무인항공기 통신시스템은 넓은 커버리지를 가져야 하고, 높은 전송속도가 보장되어야 하며, 네트워크 상태에 대한 안정성이 보장되어야 한다. 제안된 시스템의 성능분석을 위해서 시뮬레이션과 실측을 하였는데 넓은 커버리지의 경우 WiBro를 이용한 시스템보다 HSDPA와 WiBro를 이용한 시스템 또는 HSDPA를 이용한 시스템이 성능이 뛰어남을 확인할 수 있었다. 높은 전송속도의 경우에는 1개의 HSDPA 또는 1개의 WiBro를 사용한 시스템보다 다수의 HSDPA또는 WiBro를 사용한 시스템이 전송속도 증가하였음을 알 수 있다.
- 첫째, WiBro와 HSDPA를 함께 사용하여 통신 시스템을 구성하여 WiBro는 수도권 지역을, HSDPA는 한반도 전역을 커버할 수 있도록 한다.
- 첫째, 무인항공기용 통신시스템은 전송 가능지역이 넓어야 하는데, HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)를 제외한 WiBro나 HSUPA(High Speed Uplink Packet Access) 등의 통신 커버리지는 한반도 전역이 아닌 부분적으로 존재해 있으므로 HSDPA를 제외한 다른 이동통신시스템은 무인항공기용 통신시스템으로 적합하지 않다. 그리고 고도에 따라 신호의 수신율이 지상에 비해 낮아지거나 통신가능고도가 달라 질 수 있으나, 이는 지상에서의 커버리지가 확보될 경우 어레이 안테나를 사용하여 수신율 확보 문제 및 통신가능고도를 해결할 수 있으므로, 이를 통해 공중에서도 수신율을 유지한다[2].
- 또한 Wibro와 HSDPA의 실측치에 근거한 시뮬레이션도 진행하였는데, 이는 시뮬레이션시 그림12와는 다르게 WiBro와 HSDPA의 평균속도를 그림 13에 나와 있는 서울시 송파구에 위치한 올림픽 공원 주변에서의 측정된 평균속도를 이용하였음을 뜻한다. 측정시 WiBro는 WiBrowave1을 사용하였고 WiBro Uplink Speed = 76.5kbps, WiBro Downlink Speed = 191.3kbps 의 평균속도가 측정되었다. HSDPA는 HSDPA 폰을 사용하여 HSDPA 모뎀을 구성하여 사용하였고 HSDPA Uplink Speed = 44.
후속연구
- 그러므로 이상의 조건을 만족시키는 이종의 이동통신망을 사용한 병렬송수신 시스템을 가진 무인항공기탑재용 대용량 통신시스템을 제안하였다. 향후 연구로는 n개의 이종의 이동통신망을 이용한 통신시스템 구성 시 각 통신망 모뎀의 사용비율에 대한 연구가 있을 수 있다.
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