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문제 정의
- 본 논문에서는 음성무전기에서 사용하는 음성신호 대신에 디지털신호를 사용하여 항공기의 비행정보 등 전술정보를 상호 공유할 수 있는 전술데이터링크 송수신기(음성무전기 + 데이터모뎀)를 설계한다. 음성무전기의 반이중(Half-Duplex) 통신특성을 이용하여 TDMA 방식의 네트워크를 고안하였다.
제안 방법
- 음성무전기가 보유한 고유의 특성인 ‘PTT Attack Time’, ‘PTT Release Time’ 및 ‘AGC Time’을 고려하여 프레임 구조를 설계하였다. Fig. 4와 같이 송신 준비 시간(PTT Attack Time)과 송신 지연시간(PTT Release Time)을 중첩시키고, 수신 대기시간(AGC Time)을 연속적으로 할당하여 시간 자원을 효율적으로 사용하는 프레임 구조를 설계하였다.
- 구현한 전술데이터링크 송수신기 성능을 확인하기 위하여 Field Test 비행시험을 하기 전에 Modeling & Simulation Lab 기법을 사용하여 송수신기 성능을 고찰하였다.
- 지상 송신기와 항공기 탑재 수신기가 지형지물(산)에 차단되면 통신이 되지 않는다. 따라서 실제 비행시험에서 발생하는 항공기 운항고도와 비행경로 등 항공기 위치 및 한반도 지형에 고려한 전술데이터 링크 통신 성능을 분석하였다. 한반도 지형지물을 고려한 Aeronautical Propagation Modeling ITU-R P.
- 송신기와 수신기 거리가 100 200km에서 페이딩 손실은 5dB로 추정하였다. 또한 Doppler 손실은 항공기 운항속도 600km를 고려하여 0.5dB 정도로 추정하였다.
- 음성무전기의 반이중(Half-Duplex) 통신특성을 이용하여 TDMA 방식의 네트워크를 고안하였다. 또한, 무선채널에서 디지털 정보를 안정적으로 전송하기 위한 CPFSK 변조기법, 심볼 동기기법 및 프레임 동기기법을 적용한 데이터모뎀을 구현한다. TDMA(Time Division Multiple Access) 네트워크 동기 구조를 설계하여 다수의 사용자(플랫폼)가 TDMA 네트워크를 안정적으로 유지하게 한다.
- 음성무전기를 이용하여 전술데이터링크 송수신기를 구현하기 위하여 음성무전기에 적합한 12초에 40개의 타임 슬롯을 수용하는 프레임구조를 설계하였다. 또한, 음성무전기에 데이터를 실기 위해 CPFSK 변복조방식의 데이터모뎀을 설계하였고, 전술데이터링크를 TDMA 네트워크을 운용하기 위한 NTR 개념의 도입하였다.
- 실험실에서 측정한 송수신기 실험 자료를 기반으로 Link budget Tool을 사용하여 전술데이터링크 최대 통달거리를 유추하였다. 또한, 전술데이터링크 운용환경을 고려한 항공기 운항고도 및 거리에 따른 한반도 지형 영향을 분석하여 항공기 운항고도 및 거리 따른 데이터통신 수신감도를 분석하여 전술데이터링크 성능을 예측하였다.
- 노드 플랫폼(Slaver)은 NTR 메세지 수신시간을 기준으로 내부의 타이밍을 조정하여 자신에게 할당된 타임 슬롯번호에서 전술정보를 송신한다. 본 논문에서 구현한 전술데이터링크는 중심국 플랫폼의 기준 시간정보를 기반한 TDMA 네트워크 망 동기를 설계하였다. Fig.
- 본 논문에서 사용한 반이중 통신방식의 무전기특성을 이용하여 Fig. 5와 같이 TDMA 프레임 구조를 설계하고, 데이터 통신방식은 8ksps CPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying) 변복조방식이다. 타임슬릇 당 300msec 소요되며 심볼은 2,400개 할당한다.
- 본 논문에 사용된 시험주파수는 국방과학연구소 항공시험장에서 사용되고 300Mhz 후반의 값이다. 본 논문에서는 UHF 대역의 주파수 225～400Mhz 중에서 대표적인 값(상,중,하)으로 주파수에 대한 통달거리분석을 수행한다. Table 3에서 주파수 값(225, 400Mhz)에 따른 전파통달거리(Path Distance) 시뮬레이션을 Table 4 및 Table 5에서 수행한다.
- 구현한 전술데이터링크 송수신기 성능을 확인하기 위하여 Field Test 비행시험을 하기 전에 Modeling & Simulation Lab 기법을 사용하여 송수신기 성능을 고찰하였다. 실험실에서 측정한 송수신기 실험 자료를 기반으로 Link budget Tool을 사용하여 전술데이터링크 최대 통달거리를 유추하였다. 또한, 전술데이터링크 운용환경을 고려한 항공기 운항고도 및 거리에 따른 한반도 지형 영향을 분석하여 항공기 운항고도 및 거리 따른 데이터통신 수신감도를 분석하여 전술데이터링크 성능을 예측하였다.
- 실험실에서 획득한 실험치, 즉 음성무전기 수신감도-97dBm를 Link budget에 적용하여 데이터통신의 최대 통달거리를 예측한다. 음성무전기 송신출력 40dBm, 송/수신 안테나 이득 0dBi 및 거리에 따른 무선구간 전파손실은 정성적으로 산출이 가능하다.
- 음성무전기가 보유한 고유의 특성인 ‘PTT Attack Time’, ‘PTT Release Time’ 및 ‘AGC Time’을 고려하여 프레임 구조를 설계하였다.
- 음성무전기를 이용하여 전술데이터링크 송수신기를 구현하기 위하여 음성무전기에 적합한 12초에 40개의 타임 슬롯을 수용하는 프레임구조를 설계하였다. 또한, 음성무전기에 데이터를 실기 위해 CPFSK 변복조방식의 데이터모뎀을 설계하였고, 전술데이터링크를 TDMA 네트워크을 운용하기 위한 NTR 개념의 도입하였다.
- 본 논문에서는 음성무전기에서 사용하는 음성신호 대신에 디지털신호를 사용하여 항공기의 비행정보 등 전술정보를 상호 공유할 수 있는 전술데이터링크 송수신기(음성무전기 + 데이터모뎀)를 설계한다. 음성무전기의 반이중(Half-Duplex) 통신특성을 이용하여 TDMA 방식의 네트워크를 고안하였다. 또한, 무선채널에서 디지털 정보를 안정적으로 전송하기 위한 CPFSK 변조기법, 심볼 동기기법 및 프레임 동기기법을 적용한 데이터모뎀을 구현한다.
- 전술데이터링크 송수신기 성능을 Link Budget 및 전파전파 모델링 같은 M&S 기법을 사용하여 항공기 운항에 따른 최대 데이터통신 통달거리를 예측하였다.
- 전술데이터링크 송수신기 성능을 실제 비행시험으로 검증하였다. 지상 통신실험실에 송수신기를 설치하고 항공기 및 차량에 송수신기를 탑재하여 데이터통신과 TDMA 전술데이터링크 연동시험을 수행하였다.
- 전술데이터링크 송수신기 성능을 실증적으로 확인하기 위하여, 송수신기를 항공기, 차량 및 지상에 설치하여 비행시험을 통하여 데이터통신 통달거리와 TDMA 네트워크 전술데이터링크 연동을 확인한다.
- 전술데이터링크 운용환경인 한반도 지형영향과 항공기 운항고도 및 운항경로에 따른 송수신기 성능을 HTZ warfare tool로 시뮬레이션을 수행하여 데이터통신 통달거리를 예측한다.
- 전술데이터링크 송수신기 성능을 실제 비행시험으로 검증하였다. 지상 통신실험실에 송수신기를 설치하고 항공기 및 차량에 송수신기를 탑재하여 데이터통신과 TDMA 전술데이터링크 연동시험을 수행하였다. 실제 전술정보 메시지는 항공기/차량에 장착한 GPS 안테나로부터 항공기 운항에 따른 실시간으로 항공기/차량 위치정보를 사용하였다.
- 전술데이터링크 송수신기 성능을 Link Budget 및 전파전파 모델링 같은 M&S 기법을 사용하여 항공기 운항에 따른 최대 데이터통신 통달거리를 예측하였다. 최종적으로 송수신기를 항공기, 차량 및 지상의 플랫폼에 설치하여 통달거리 160km와 고속 이동상태 500 km/h에서 TDMA 네트워크 전술데이터링크 연동을 확인하였다.
- 음성무전기 송신출력 40dBm, 송/수신 안테나 이득 0dBi 및 거리에 따른 무선구간 전파손실은 정성적으로 산출이 가능하다. 하지만 무선채널 페인딩 손실(Fading loss)은 ground to air 무선채널에 적합한 2 ray model을 적용하여 Fig. 20과 같이 시뮬레이션 결과를 획득하였다. 송신기와 수신기 거리가 100 200km에서 페이딩 손실은 5dB로 추정하였다.
대상 데이터
- 본 논문에 사용된 시험주파수는 국방과학연구소 항공시험장에서 사용되고 300Mhz 후반의 값이다. 본 논문에서는 UHF 대역의 주파수 225～400Mhz 중에서 대표적인 값(상,중,하)으로 주파수에 대한 통달거리분석을 수행한다.
- 본 논문에서 사용한 음성무전기(ARC-232)의 실측한 PTT Attack Time, PTT Release Time 및 AGC Time은 Table 1과 같으며, 한 개의 타임 슬릇 당 데이터통신에 필요한 음성무전기 준비시간(PTT Guard Time = PTT Release Time + AGC Time)은 210msec 이다.
- 지상 통신실험실에 송수신기를 설치하고 항공기 및 차량에 송수신기를 탑재하여 데이터통신과 TDMA 전술데이터링크 연동시험을 수행하였다. 실제 전술정보 메시지는 항공기/차량에 장착한 GPS 안테나로부터 항공기 운항에 따른 실시간으로 항공기/차량 위치정보를 사용하였다.
- 전술정보 메시지 210bits에 CRC(Cylindric Redundancy Check) bit와 무선채널을 보상을 위하여 컨벌루션 코딩(코딩율 3/4)을 수행하여 타임 슬롯 당 400 데이터가 생성된다. 데이터 bit 0은 8KHz 한주기 파형에 Symbol mapping하며, 메시지 bit 1은 4KHz 반주기 파형에 Symbol mapping한다.
- 타임 슬롯 0번, 20번, · · · 36번(녹색) 18개는 지상 통신실험실에 할당하고 1번, 21번, · · · 37번(회색) 18개는 항공기에 할당하며 18번, 19번, 38번, 39번(회색) 4개는 차량에 각각 할당하였다.
- 항공기, 차량, 지상 통신실험실 3개의 플랫폼(연동점) 을 Fig. 24와 같이 40개의 타임 슬롯을 각각 할당하여 TDMA 네트워크를 구성하였다. 타임 슬롯 0번, 20번, · · · 36번(녹색) 18개는 지상 통신실험실에 할당하고 1번, 21번, · · · 37번(회색) 18개는 항공기에 할당하며 18번, 19번, 38번, 39번(회색) 4개는 차량에 각각 할당하였다.
이론/모형
- CPFSK waveform 복조는 다음 수식 (2)와 같으며, 위상동기를 사용하지 않은 non-coherent 방식을 사용한다.
- 따라서 실제 비행시험에서 발생하는 항공기 운항고도와 비행경로 등 항공기 위치 및 한반도 지형에 고려한 전술데이터 링크 통신 성능을 분석하였다. 한반도 지형지물을 고려한 Aeronautical Propagation Modeling ITU-R P.528-2을 적용하여 HTZ warfare Tool을 사용하여 항공기(수 신기) 수신감도를 분석하였다. 항공기(수신기 고도) 10,000ft, 및 지상 실험실(송신기 고도) 15m 및 전파경로 모델 IF-77을 적용하여 Fig.
성능/효과
- 본 논문의 TDMA 전술데이터링크 데이터통신은 PTT Guard time이 210msec으로 인하여 실제적인 데이터 전송시간이 50msec이므로 음성무전기연동 송수신기는 약 30% 전송효율성을 가진다.
- 실험실 환경(AWGN 환경)에서의 전술데이터링크 송수신기 데이터 통신성능은 음성무전기의 수신감도에 의존하며 패킷 손실률(PER : Packet Error Rate) 99% 이상을 만족하는 음성무전기 수신신호(감도)는 Table 2와 같이 -97dBm으로 확인하였다. 여기서 BER 기준 10E-3 기준인 음성통신에서는 최저 수신감도가 -103 dBm로 데이트 시트에 규정되어있다[5].
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