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문제 정의
- 본 논문에서는 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN에 대해 소개하고 다양한 무선통신규격들과 비교하여 Koinonia WFAN의 우수성을 도출하였다. 비교를 위해 Bluetooth 시스템을 이용한 ASMT에 대한 소개와 ASMT의 기능적 한계를 제시하였다.
- 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 무선 기술을 이용한 WFAN을 구성하고 그 성능을 평가해 본다. WFAN을 위한 모뎀은 최근 WPAN 분야에서 연구개발이 진행 중인 바이너리 CDMA (Code Division Multiple Access)[6-8] 기반 Koinonia 무선 네트워크를 사용한다[9].
- 본 절에서는 실제 전투기 실내외의 무선 채널 환경에서 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN의 무선 데이터 통신실험을 진행하여 성능을 분석함으로써 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN의 구축이 가능한지를 보이도록 한다. 다양한 전투기 기종 중에서 KT-1, F-16K, 그리고 F-15K 의 실내외 환경에서 실험이 이뤄졌으며, Koinonia 시스템은 KWPA1100칩셋과 MAX2822 RF 칩셋을 이용하였고, 채널대역폭 8MHz, 데이터 율 RATE4, 그리고 1024 바이트의 페이로드 길이를 이용하였다.
제안 방법
- ARM/AMBA 플랫폼의 프로세서로는 저전력 내장형 ARM7TDMI (ARM7 Thumb, Debug support, Multiplier, Incircuit emulator interface) 코어를 사용하였으며, AHB (Advanced High performance Bus) 시스템 버스와 APB (Advanced Peripheral Bus) 주변 장치 버스를 적용하였다. ARM7TDMI는 AHB Wrapper를 통해서 AHB 버스에 연결된다.
- 전투기를 위한 Koinonia WFAN의 망 운영방법은 먼저 무선네트워크를 구성하기 전에 모든 외부폭탄에 저장된 MAC 주소 목록을 조종사 휴대기기에 먼저 입력해 둔다. 그리고 조종사 휴대기기는 주파수의 모든 채널(0부터 9까지)에서 피코넷의 존재여부와 에너지 검출 값을 이용하여 채널의 전파간섭 상태를 파악한다. 이 결과를 토대로 피코넷이 존재하지 않고 전파간섭 상태가 가장 양호한 주파수 채널을 찾아 마스터가 되어 피코넷을 형성하고 슬레이브의 합류를 기다린다.
- 비교를 위해 Bluetooth 시스템을 이용한 ASMT에 대한 소개와 ASMT의 기능적 한계를 제시하였다. 또한 Koinonia WFAN을 이용한 전투기 무선 운영 시험을 통해 전투기 무선망 구축 가능성을 타진해 보고 망 구축 시 필요한 운영방법을 제시하였다.
- 또한 최근 해외 적용사례인 ASMT와 비교 분석하여 Koinonia 시스템을 WFAN에 적용하였을 때의 우수성을 살펴본다. 또한 Koinonia 시스템이 WFAN에 적용되었을 때, Koinonia 시스템의 요구 사양, 전투기 무선망의 구현개념 및 구현 방법론을 제시하며, 전투기 무선망 통신 시험결과를 제시한다. 결과를 통해 Koinonia 시스템은 WFAN 구축과 같은 국방 무선망 구축에 적합한 솔루션이라 결론을 내도록 한다.
- 본 논문에서는 이를 SoC (System on Chip)로 구현한다. 또한 구현된 Koinonia 시스템을 전투기 무선응용에 적용이 가능한 다른 무선 시스템과 비교한다.
- 또한 최근 해외 적용사례인 ASMT와 비교 분석하여 Koinonia 시스템을 WFAN에 적용하였을 때의 우수성을 살펴본다. 또한 Koinonia 시스템이 WFAN에 적용되었을 때, Koinonia 시스템의 요구 사양, 전투기 무선망의 구현개념 및 구현 방법론을 제시하며, 전투기 무선망 통신 시험결과를 제시한다.
- 망의 통신 상태를 점검하기 위해서 마스터와 슬레이브간 50:50의 비율로 송수신하게 한 후 수신신호 세기 (RSSI: Received Signal Strength Indication) 및 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio), 패킷 에러율 (PER: Packet Error Rate)등을 체크한다. 마스터와 슬레이브의 송신출력은 최대 15dBm으로 조정한 후 슬레이브의 위치를 변경하면서 수신상태를 모니터링한다.
- 슬레이브의 전원이 인가되고, 마스터로부터 망 접속이 허용되면 마스터와 슬레이브간의 무선 데이터 링크가 형성된다. 망의 통신 상태를 점검하기 위해서 마스터와 슬레이브간 50:50의 비율로 송수신하게 한 후 수신신호 세기 (RSSI: Received Signal Strength Indication) 및 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio), 패킷 에러율 (PER: Packet Error Rate)등을 체크한다. 마스터와 슬레이브의 송신출력은 최대 15dBm으로 조정한 후 슬레이브의 위치를 변경하면서 수신상태를 모니터링한다.
- 먼저 KT-1 전투기의 채널환경에서 Koinonia WFAN을 실험한 결과를 보도록 한다. 그림 7은 KT-1 전투기의 WFAN 구축환경을 보여주고 있다.
- CAMB (Constant Amplitude Multicode Biorthogonal) 부호화 기술을 기반으로 하는 Koinonia 시스템은 크게 MAC (Media Access Control layer) 블록과 PHY (PHYsical layer) 블록으로 구성된다[9]. 본 논문에서는 이를 SoC (System on Chip)로 구현한다. 또한 구현된 Koinonia 시스템을 전투기 무선응용에 적용이 가능한 다른 무선 시스템과 비교한다.
- 본 논문에서는 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN에 대해 소개하고 다양한 무선통신규격들과 비교하여 Koinonia WFAN의 우수성을 도출하였다. 비교를 위해 Bluetooth 시스템을 이용한 ASMT에 대한 소개와 ASMT의 기능적 한계를 제시하였다. 또한 Koinonia WFAN을 이용한 전투기 무선 운영 시험을 통해 전투기 무선망 구축 가능성을 타진해 보고 망 구축 시 필요한 운영방법을 제시하였다.
- 시스템 동작 중에도 필요에 따라 PLL의 클럭 증배율을 재설정 할 수 있다. 소비전력을 최소화하기 위해 3가지 동작 모드 (RUN, HALT, SLEEP)를 제공한다.
- Timer와 WDT (Watch-Dog Timer)의 인터럽트 신호 발생 간격은 ARM 프로세서가 설정할 수 있게 하여 활용성을 높였다. 외부 호스트와의 통신을 위하여 USB 1.1 및 16C550 Compatible UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)를 APB 슬래이브로 구성하였다. 그 외에도 ARM 프로세서에 하드웨어 인터럽트를 발생시키는 인터럽트 컨트롤러, 외부 EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)과의 통신을 위한 3-wire Serial Interface, 그리고 사용자 인터페이스를 위한 8-bit GPIO (General Purpose Input Output)가 있다.
- 두 종류의 차이점은 전원부에 있으며, 접착제를 이용하여 기체에 부착 할 수 있는 SWSC-103은 내장 배터리를 이용하고 발사기 내부에 직접 조립이 가능한 SWSC-103E는 외부로부터 28V의 DC전원을 공급받아야 한다. 전원부를 제외한 다른 블록을 살펴보면축 센서, 온도센서 두 종류의 센서와 아날로그 센서 데이터를 디지털화 하는 ADC, 그리고 디지털 데이터를 원격으로 전송할 수 있는 Radio Transceiver (XCVR)로 구성된다. XCRV는 상용규격인 Bluetooth나 Zigbee를 이용하여 데이터를 전송한다.
- 외부폭탄도 주파수 채널을 검사하여 피코넷이 존재하는 채널을 파악하고 파악된 피코넷을 대상으로 피코넷 내의 마스터에게 순차적으로 합류를 요청한다. 합류요청을 받은 피코넷 내의 마스터는 네트워크를 구성하기 전 입력받은 외부폭탄들의 MAC 주소 목록과 합류를 요청한 외부폭탄의 MAC 주소가 일치하는지를 파악한다. 만약 결과가 일치하면 합류를 승인하게 되고 합류를 요청한 외부폭탄은 피코넷에 합류하여 슬레이브로 동작하게 된다.
대상 데이터
- 본 절에서는 실제 전투기 실내외의 무선 채널 환경에서 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN의 무선 데이터 통신실험을 진행하여 성능을 분석함으로써 Koinonia 시스템을 적용한 WFAN의 구축이 가능한지를 보이도록 한다. 다양한 전투기 기종 중에서 KT-1, F-16K, 그리고 F-15K 의 실내외 환경에서 실험이 이뤄졌으며, Koinonia 시스템은 KWPA1100칩셋과 MAX2822 RF 칩셋을 이용하였고, 채널대역폭 8MHz, 데이터 율 RATE4, 그리고 1024 바이트의 페이로드 길이를 이용하였다.
- 암호화는 AES-128 그대로 사용하며 12mm×12mm 288 FBGA(Fine Ball-Grid Array)로 제작되었다.
이론/모형
- 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 무선 기술을 이용한 WFAN을 구성하고 그 성능을 평가해 본다. WFAN을 위한 모뎀은 최근 WPAN 분야에서 연구개발이 진행 중인 바이너리 CDMA (Code Division Multiple Access)[6-8] 기반 Koinonia 무선 네트워크를 사용한다[9]. Koinonia 시스템을 각종 무선 네트워크의 상용 규격들과 비교 분석한 결과에 의하면 WFAN에 적합함을 예측할 수 있으며 Koinonia 시스템을 이용하여 실제 전투기 환경에서 운용 시험을 수행함으로서 전투기 실내외 무선망 구축에 대한 적용 가능성을 확인한다.
성능/효과
- 과로 판명 되었다. KT-1의 통신링크 중에서 가장 전파 감쇄가 취약할 것으로 예상되는 지점인 전투기 후면의 내부전기 공급장치 부분에 슬레이브를 배치하고 통신실험을 한 결과 수신신호 세기는 -75dBm 이상 이었으며, SNR 또한 13dB 이상이였고, PER 5%이하였다.
- WFAN을 위한 모뎀은 최근 WPAN 분야에서 연구개발이 진행 중인 바이너리 CDMA (Code Division Multiple Access)[6-8] 기반 Koinonia 무선 네트워크를 사용한다[9]. Koinonia 시스템을 각종 무선 네트워크의 상용 규격들과 비교 분석한 결과에 의하면 WFAN에 적합함을 예측할 수 있으며 Koinonia 시스템을 이용하여 실제 전투기 환경에서 운용 시험을 수행함으로서 전투기 실내외 무선망 구축에 대한 적용 가능성을 확인한다.
- APB 버스에는 비교적 저속의 블록들이 연결된다. Timer와 WDT (Watch-Dog Timer)의 인터럽트 신호 발생 간격은 ARM 프로세서가 설정할 수 있게 하여 활용성을 높였다. 외부 호스트와의 통신을 위하여 USB 1.
- 또한 Koinonia 시스템이 WFAN에 적용되었을 때, Koinonia 시스템의 요구 사양, 전투기 무선망의 구현개념 및 구현 방법론을 제시하며, 전투기 무선망 통신 시험결과를 제시한다. 결과를 통해 Koinonia 시스템은 WFAN 구축과 같은 국방 무선망 구축에 적합한 솔루션이라 결론을 내도록 한다.
- 표 5에 F-16K 전투기에 대한 무선 운영 시험 결과를 나타내었다. 결과에 의하면 슬레이브 위치를 날개 밑과 포탄 밑 부분으로 배치한 후 RSSI를 측정한 결과 -65dBm 이상이였으며 SNR은 15dB 이상이였다. F-16K의 케노피 재질이 특수하기 때문에 케노피 개폐에 대한 영향도 측정하였으나, 2.
- 표 4에 나타난 시험결과에 의하면 수신신호 세기는-56dBm 이상 이었으며, SNR은 17dB 이상, PER은 2%이하로 측정되었다. 따라서 조정석내부와 날개밑 포탄과의 통신 링크는 방해물 (날개 및 전투기 기체외부)이 있더라도 RSSI가 Koinonia 수신 가능한 최소 수신전력 레벨인 -82dBm 보다 높게 측정되었기 때문에 통신 품질은 충분히 양호한 결과로 판명 되었다.
- 또한 슬레이브를 전투기 조정석에서 20m 이격시킨후 실험한 결과 RSSI는 -65dBm 부터 -70dBm, SNR 17dB 이상이였고 PER 2%이하였다. 결국 KT-1 전투기에서 Koinonia 시스템을 활용한 전투기 무선 운영시험에서는 RSSI가 최소-75dBm이였으며 Koinonia 수신 가능한 최소 수신전력 레벨인 -82dBm을 넘는 수준이었다.
후속연구
- F-15K에서는 F-16K와 비슷한 실험결과가 도출되었으며 후면부와의 통신은 F-16K처럼 RSSI 가 -80dBm 근방이였다. KWPAN1200 (Koinonia V2.0) 칩셋은 KWPAN1100 (Koinonia V1.1)에 비하여 3dB정도 성능이 우수하기 때문에 추후로 KWPAN1200과 고성능 RF 칩셋 (MAX2830, MAX2829, AL2230 등)을 이용하여 F-15K의 조정석과 후면부와의 통신실험을 추가로 진행할 예정이며, 이 실험결과가 양호하다면 전투기 실내외 무선망 구축은 충분히 가능할 것이다.
- 개활지 실험 결과에서 ASMT 시스템은 이격거리 90피트(27.432m)내에서 원활한 통신품질을 나타냈으며, 추후 금속애물을 사이에 놓은 상태에서 30피트의 이격거리를 두고 실험할 예정이라 밝혔다. 일반적으로 Bluetooth는 서비스 반경이 수m에서 수십m 까지로 매우 짧은 편이다.
- 현재까지 제작된 Koinonia SoC 칩은 ARM7 TDMI기반 마이크로콘트롤러를 사용하므로 처리속도가 비교적 느린 편이기 때문에 Koinonia 구동작업을 제외한 다른 프로세싱이 곤란한 실정이다. 따라서 추후로는 ARM9계열의 마이크로 콘트롤러를 적용한 Koinonia 칩셋을 제작할 예정이며, 멀티미디어 코덱과 RF 칩셋 SiP (Single-in-line Package)나 SoC 등의 칩 제작이 이뤄질 것으로 예상된다. 또한 무선 통신 분야에서 보안 문제가 대두 되고 있기 때문에 암호화도 AES-128보다 보안성이 철저한 알고리즘을 사용할 예정이며 다양한 Koinonia 버전의 간단한 스펙이 표 2에 나타나 있다.
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