[논문]심우주 통신 시스템에서 대용량 Telemetry 데이터 전송을 위한 Deferred NAK Mode 시뮬레이터 구현

홍희진; 이주병; 윤동원; 현광민

doi:10.5139/jksas.2010.39.1.69

심우주 통신 시스템에서 대용량 Telemetry 데이터 전송을 위한 Deferred NAK Mode 시뮬레이터 구현
Implementation of Deferred NAK Mode Simulator for Large-Volume Telemetry Data Transmission in Deep Space Communication Systems 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.1, 2011년, pp.69 - 75

홍희진 (한양대학교 융합전자공학부) , 이주병 (한양대학교 융합전자공학부) , 윤동원 (한양대학교 융합전자공학부) , 현광민 (강릉원주대학교 정보통신공학과)

초록
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우리나라는 우주 개발의 일환으로 달 탐사를 위한 달 탐사선과 달 착륙선의 발사를 계획하고 있다. 향후 멀티미디어 기반의 달 탐사 정보를 전송하기 위해서는 대용량 Telemetry 데이터를 전송하기 위한 통신 시스템을 구축하는 것이 필요하다. CCSDS 표준에서는 신뢰성 있는 원거리 심우주 통신 시스템을 위한 ARQ 기법으로 Deferred NAK mode를 권고하고 있다. 본 논문에서는 달 탐사선과 지상국 및 우주 환경 모델을 반영하여 Deferred NAK mode 통신 시스템 시뮬레이터를 구현하며, 시뮬레이터에는 대용량 Telemetry 데이터를 전송하기에 적합한 변조 방식과 터보 부호화 기법을 사용한다. 시뮬레이션을 통해 Telemetry 데이터의 전송 성능을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As part of its space development program, Korea has a plan for the launch of a lunar orbiter and a lunar lander. To enable the transmission of lunar information based on multimedia, it is necessary to construct a communication system that is capable of transmitting large-volume telemetry data. The CCSDS standard recommends the deferred NAK mode as ARQ scheme for reliable long-distance deep-space communication systems. In this paper, we implement a space communication system simulator in the deferred NAK mode using models of the lunar orbiter, the earth station, and the space environment. The simulator employs modulation techniques and turbo coding schemes for transmitting large-volume telemetry data. We analyze the transmission performance of telemetry data through the simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 달 탐사 Telemetry 데이터를 전송하기 위한 달 탐사선과 지상국 및 우주 통신 환경 모델을 이용하여 대용량 데이터를 전송하기 위한 변조 방식과 터보 부호화 기법을 기반으로 Deferred NAK mode 시뮬레이터를 구현하였다. 변조 방식은 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK, 4+12+16 APSK을 적용하였으며, 터보 부호화 기법의 부호율은 1/2, 1/3, 1/4, 1/6을 적용하였다.

가설 설정

지상국 안테나의 경우 실제 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에서 심우주 통신을 위해 사용하는 S, X 대역의 DSS-24 (Deep Space Station 24)와 Ka 대역의 DSS-25를 바탕으로 크기가 직경 34m의 파라볼라 안테나로 가정한다. 달 탐사선은 지상국과 같은 대규모의 냉각기를 설치하기 어려우므로, 달 탐사선의 잡음 온도는 NASA의 권고에 의거하여 500K로 가정한다[3]. 달 탐사선의 전력은 20W, 안테나 크기는 0.
달 탐사선은 지상국과 같은 대규모의 냉각기를 설치하기 어려우므로, 달 탐사선의 잡음 온도는 NASA의 권고에 의거하여 500K로 가정한다[3]. 달 탐사선의 전력은 20W, 안테나 크기는 0.5m로 가정한다. 달 탐사선과 지상국 링크에서 손실 요소로는 약 38만Km의 원거리로 인한 자유공간손실, 대기 감쇠, 전리층 손실, 강우 감쇠, 달 전속 밀도 손실, 안테나 회로 손실, 지향 손실 등이 있다.
전송 데이터는 10Mbyte, 패킷 사이즈는 1Kbyte로 하였다. 데이터 전송 속도는 50Mbps, 지구와 달 사이의 거리를 고려한 전파 지연은 1.28초로 가정한다.
달 탐사 Telemetry 데이터를 전송하는 송신단은 달 탐사선으로, 수신단은 지상국으로 가정하여 실제 달 탐사에 사용되는 국외의 예를 바탕으로 기준모델을 설정한다. 지상국 안테나의 경우 실제 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에서 심우주 통신을 위해 사용하는 S, X 대역의 DSS-24 (Deep Space Station 24)와 Ka 대역의 DSS-25를 바탕으로 크기가 직경 34m의 파라볼라 안테나로 가정한다. 달 탐사선은 지상국과 같은 대규모의 냉각기를 설치하기 어려우므로, 달 탐사선의 잡음 온도는 NASA의 권고에 의거하여 500K로 가정한다[3].
APSK 변조 방식에서 링(ring) 비율은 부호율에 따라 변하는데[9], 본 논문에서는 CCSDS에서 권고하고 있는 터보 부호율에 맞추어 [10]에서 제시된 링 비율을 고려한다. 터보 부호의 반복 복호화 횟수는 반복 성능의 변화가 크지 않은 5회로 가정한다. 표 3에 시뮬레이션 구동 환경을 나타내었다.

제안 방법

APSK 변조 방식에서 링(ring) 비율은 부호율에 따라 변하는데[9], 본 논문에서는 CCSDS에서 권고하고 있는 터보 부호율에 맞추어 [10]에서 제시된 링 비율을 고려한다. 터보 부호의 반복 복호화 횟수는 반복 성능의 변화가 크지 않은 5회로 가정한다.
본 연구에서는 먼저 Telemetry 달 탐사 데이터 전송을 위한 통신 시스템을 모델링한다. 달탐사선과 지상국 및 우주 환경을 모델링한 후 이를 기반으로 한 Deferred NAK mode 시뮬레이터를 구현한다. 변조 방식으로 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), 8PSK (Phase Shift Keying), 4+12 APSK (Amplitude and Phase Shift Keying), 4+12+16 APSK 변조 방식을 적용하며, 채널 부호화 기법으로 1/2, 1/3, 1/4, 1/6 부호율의 터보 부호화 기법을 적용한다.
달 탐사선 - 지상국 링크에서 대용량 Telemetry 데이터를 전송하기 위한 변조 방식은 고속 전송을 고려한 고차 변조 방식뿐만 아니라 송신단의 전력 운용과 원거리 채널 환경을 고려하여 보다 성능이 좋은 변조 방식도 겸하여 사용해야 한다. 따라서 본 연구에서는 4+12 APSK, 4+12+16 APSK의 고차 변조 방식 및 OQPSK, 8PSK 변조 방식을 적용하여 성능을 비교 분석하였다[5],[6]
달탐사선과 지상국 및 우주 환경을 모델링한 후 이를 기반으로 한 Deferred NAK mode 시뮬레이터를 구현한다. 변조 방식으로 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), 8PSK (Phase Shift Keying), 4+12 APSK (Amplitude and Phase Shift Keying), 4+12+16 APSK 변조 방식을 적용하며, 채널 부호화 기법으로 1/2, 1/3, 1/4, 1/6 부호율의 터보 부호화 기법을 적용한다. 시뮬레이터를 통해 변조 방식 및 터보 부호화 기법의 부호율에 따른 전송 성능을 도출하고 분석한다.
본 논문에서는 달 탐사 Telemetry 데이터를 전송하기 위한 달 탐사선과 지상국 및 우주 통신 환경 모델을 이용하여 대용량 데이터를 전송하기 위한 변조 방식과 터보 부호화 기법을 기반으로 Deferred NAK mode 시뮬레이터를 구현하였다. 변조 방식은 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK, 4+12+16 APSK을 적용하였으며, 터보 부호화 기법의 부호율은 1/2, 1/3, 1/4, 1/6을 적용하였다. Deferred NAK mode 시뮬레이터를 통해 일정 패킷 사이즈에서 변조 방식마다 부호율에 따른 전송 성능을 도출하였으며 시뮬레이션 결과로 채널 상태에 따른 대용량 Telemetry 데이터의 Effective Throughput을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 먼저 Telemetry 달 탐사 데이터 전송을 위한 통신 시스템을 모델링한다. 달탐사선과 지상국 및 우주 환경을 모델링한 후 이를 기반으로 한 Deferred NAK mode 시뮬레이터를 구현한다.
패킷의 오류 여부를 검출하기 위해 순환 중복 검사(CRC: Cyclic Redundancy Check) 기법을 사용한다. 송신단은 각 패킷마다 CRC 오류 검출 비트를 추가하고 수신단에서는 송신단과 동일한 CRC 생성 다항식을 통해 패킷의 오류 여부를 검출한다. 수신단에서는 오류가 있는 패킷 정보를 저장하고 있으며 버퍼단위로 일괄적인 재전송을 요구한다.
변조 방식으로 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), 8PSK (Phase Shift Keying), 4+12 APSK (Amplitude and Phase Shift Keying), 4+12+16 APSK 변조 방식을 적용하며, 채널 부호화 기법으로 1/2, 1/3, 1/4, 1/6 부호율의 터보 부호화 기법을 적용한다. 시뮬레이터를 통해 변조 방식 및 터보 부호화 기법의 부호율에 따른 전송 성능을 도출하고 분석한다.
시뮬레이터의 데이터 전송 성능을 알아보기 위해 모의 실험을 수행하였다. 전송 데이터는 10Mbyte, 패킷 사이즈는 1Kbyte로 하였다.

대상 데이터

시뮬레이터는 그림 4와 같이 송신단, 채널, 수신단으로 구성되며, 프로토콜 계층은 점선으로 구분하였다. 물리계층에서 변복조 방식, 데이터링크계층에서 채널 부호화 및 복호화, 전송계층에서 ARQ 기법을 사용한다.

이론/모형

시뮬레이터는 그림 4와 같이 송신단, 채널, 수신단으로 구성되며, 프로토콜 계층은 점선으로 구분하였다. 물리계층에서 변복조 방식, 데이터링크계층에서 채널 부호화 및 복호화, 전송계층에서 ARQ 기법을 사용한다. 시뮬레이터의 ARQ Processor는 Deferred NAK mode를 수행한다.
터보 부호의 복호화는 반복 복호를 사용하여 연판정을 하며, 연판정의 통계적인 측정은 로그 우도비(LLR: Log-Likelihood Ratio)값을 이용한다. 반복 복호 횟수를 늘릴수록 비트 오류 성능은 더욱 좋지만 복잡한 복호화 과정과 반복 시간으로 인해 처리 시간이 길어진다.
패킷의 오류 여부를 검출하기 위해 순환 중복 검사(CRC: Cyclic Redundancy Check) 기법을 사용한다. 송신단은 각 패킷마다 CRC 오류 검출 비트를 추가하고 수신단에서는 송신단과 동일한 CRC 생성 다항식을 통해 패킷의 오류 여부를 검출한다.

성능/효과

변조 방식은 OQPSK, 8PSK, 4+12 APSK, 4+12+16 APSK을 적용하였으며, 터보 부호화 기법의 부호율은 1/2, 1/3, 1/4, 1/6을 적용하였다. Deferred NAK mode 시뮬레이터를 통해 일정 패킷 사이즈에서 변조 방식마다 부호율에 따른 전송 성능을 도출하였으며 시뮬레이션 결과로 채널 상태에 따른 대용량 Telemetry 데이터의 Effective Throughput을 확인할 수 있었다. 본 시뮬레이터는 MATLAB SIMULINK 기반으로 구현되어, 파라미터 변화를 통해 송신단, 수신단, 채널 환경 설정과 구동 환경을 유연하게 변경할 수 있도록 구성되어 있으며, 앞으로 달 탐사를 위한 다양한 심우주 통신 시스템 성능 도출을 위하여 활용 가능할 것이다.
또한 각 변조방식에서 부호율이 낮을수록 낮은 E_b/N₀에서 최대 전송률을 갖는다. 본 시뮬레이션 결과를 통해 채널 상태에 따라 변조 방식 및 부호율에 따른 대용량 Telemetry 데이터의 Effective Throughput을 확인할 수 있다.

후속연구

Deferred NAK mode 시뮬레이터를 통해 일정 패킷 사이즈에서 변조 방식마다 부호율에 따른 전송 성능을 도출하였으며 시뮬레이션 결과로 채널 상태에 따른 대용량 Telemetry 데이터의 Effective Throughput을 확인할 수 있었다. 본 시뮬레이터는 MATLAB SIMULINK 기반으로 구현되어, 파라미터 변화를 통해 송신단, 수신단, 채널 환경 설정과 구동 환경을 유연하게 변경할 수 있도록 구성되어 있으며, 앞으로 달 탐사를 위한 다양한 심우주 통신 시스템 성능 도출을 위하여 활용 가능할 것이다. 이를 바탕으로 향후 채널상태에 따른 최적의 패킷 사이즈를 도출하는 연구를 수행할 예정이다.
본 시뮬레이터는 MATLAB SIMULINK 기반으로 구현되어, 파라미터 변화를 통해 송신단, 수신단, 채널 환경 설정과 구동 환경을 유연하게 변경할 수 있도록 구성되어 있으며, 앞으로 달 탐사를 위한 다양한 심우주 통신 시스템 성능 도출을 위하여 활용 가능할 것이다. 이를 바탕으로 향후 채널상태에 따른 최적의 패킷 사이즈를 도출하는 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	달 탐사선의 잡음 온도를 500K로 가정하는 이유는 무엇인가?	지상국 안테나의 경우 실제 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에서 심우주 통신을 위해 사용하는 S, X 대역의 DSS-24 (Deep Space Station 24)와 Ka 대역의 DSS-25를 바탕으로 크기가 직경 34m의 파라볼라 안테나로 가정한다. 달 탐사선은 지상국과 같은 대규모의 냉각기를 설치하기 어려우므로, 달 탐사선의 잡음 온도는 NASA의 권고에 의거하여 500K로 가정한다[3]. 달 탐사선의 전력은 20W, 안테나 크기는 0.
	달 탐사선과 지상국 링크에서 손실 요소로는 무엇이 있는가?	5m로 가정한다. 달 탐사선과 지상국 링크에서 손실 요소로는 약 38만Km의 원거리로 인한 자유공간손실, 대기 감쇠, 전리층 손실, 강우 감쇠, 달 전속 밀도 손실, 안테나 회로 손실, 지향 손실 등이 있다. 국외 심우주 통신에서 사용하는 주요 주파수인 S, X, Ka 대역을 고려하여, 표 1에 S, X, Ka 주파수 대역별로 Telemetry 데이터 전송을 위한 기준모델의 세부사항을 나타내었다[4]
	국제 우주 통신 권고 규격인 CCSDS에서는 어떤 방식을 권고하고 있는가?	CCSDS에서는 4Mbps 미만의 중속 Telemetry 데이터 전송을 위해 BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), OQPSK 변조 방식을 권고 하고 있으며, 고속 데이터 전송을 위해 표 2에 나타낸 것 같은 APSK 계열의 고차 변조 방식을 고려하고 있다. 달 탐사선 - 지상국 링크에서 대용량 Telemetry 데이터를 전송하기 위한 변조 방식은 고속 전송을 고려한 고차 변조 방식뿐만 아니라 송신단의 전력 운용과 원거리 채널 환경을 고려하여 보다 성능이 좋은 변조 방식도 겸하여 사용해야 한다.

참고문헌 (11)

이상률, “우리나라 달 탐사의 기술 개발 방향”, KSAS 매거진 3권 1호, 한국항공우주학회, pp. 51-57, 2009년.
"Report Concerning Space Data System
A. Kwok, "34-m and 70-m Command",
이우주, 현광민, 조경국, 윤동원, "Design and Performance Analysis of Downlink in Space Communications System for Lunar Exploration", 한국우주과학회지 27권 1호, pp. 51-57, 2010년.
"Radio Frequency and Modulation
“Research and Development for Space
"Report Concerning Space Data System
Daniel C. Lee and Wonseok Baek,

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“Digital video broadcasting (DVB); Second
Jaeyoon Lee, Dongweon Yoon, and

원문보기 상세보기
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