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문제 정의
- 서론에 이어 본론에서 피아식별 지뢰 시스템 구성 및 운용 개념, 개발 목표를 수록하고, RFID 리더와 RFID 태그 회로 및 시스템 설계 내용을 상세히 기술 하였다. 또한 식별 거리 시험 결과에 대해 정리하고, 개선점 및 향후 계획을 제시하였다. 마지막으로 결론을 통해 전체 논의 내용을 정리하였다.
- 본 논문에서는 민간인 피해를 최소화하기 위해 개발된 원격운용통제탄 체계에 상용 RFID(Radio Frequency Identification) 통신 시스템을 적용하여 피아식별을 하고, 이를 통해 지뢰 기폭을 제어하는 기술을 구현하였다. 원격운용통제탄의 경우 운용자가 2 ～ 3 km 떨어진 지역에서 망원경을 통해 접근한 사람을 식별하여 민간인인지, 아군인지, 적군인지를 판단하여 기폭 명령을 내리도록 운용되고 있다.
제안 방법
- 800 mAh 용량의 리튬 배터리를 적용하고, 저온 사용 할 때를 감안하여 배터리 효율을 80 %로 보았을 때 하루 3시간 RFID 통신 운용되고, 21시간 sleep 상태로 대기하는 것으로 계산하여 총 5.4일의 운용 시간을 확보하였다.
- 이 때 1초 동안 Wake-up과 ID 수집 과정이 이루어지며, 1초는 가드(Guard) 시간이다. RFID 리더 내 제어및 신호처리부 MCU(Micro-Controller Unit)의 클럭(Clock) 오차에 의한 가드 시간 축소 및 충돌을 방지하기 위해 원격조종기가 주기적으로 전체 RFID 리더를재 동기화 하도록 설계하였다.
- 3 V를 바로 공급받아 사용한다. RFID 리더는 헬리컬(Helical) 안테나를 적용하였으며, RFID 태그는 공간이 협소하여 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 형태의 전기적 소형 안테나를 적용하였다. 설계된 RFID 리더와 RFID 태그의 블록도를 Fig.
- RFID 리더를 제작하여 탐지살상장치의 전지함 위에 조립하고, FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 회로를 제작하여 커넥터를 통해 연결하였다. Fig.
- 저 전력 알고리즘을 적용하여 단일 작전 시 최대 소요 기간 이상의 운용 시간을 확보하였으며, 10개 1조로 운용되는 원격운용통제탄 체계의 운용 환경에 맞도록 TDMA 통신 방식을 적용하여 다중 리더 다중 태그 환경에서 RFID 통신간 충돌을 회피하였다. RFID 리더에 통신 채널을 원격 장입하고, RFID 태그에 통신 채널 선택 스위치를 구현하여 적의 탈취나 복제, 재밍에 대응하여 작전 시 통신 채널을 선택적으로 운용할 수 있도록 구성하였다.
- RFID 리더와 RFID 태그 간의 링크 버짓(Link Budget) 분석을 통해 각각의 송수신부에서 확보해야 할 송신 전력(Transmitter Power)과 수신 감도(Receiver Sensitivity) 를 계산하여 충분한 마진(Margin)을 가질 수 있도록 설계하였다.
- 또한, 탐지살상장치는 10대가 1조로 운용되기 때문에 각각의 RFID 통신 시에 충돌이 발생하지 않도록 다중화 설계 기술을 적용한다. RFID 리더와 RFID 태그를 각 5조를 제작하여 다중 리더 다중 태그 환경에서 식별 성능에 문제가 없는지를 실험을 통해 검증한다. 적의 RFID 태그 탈취나 복제나 재밍에 대한 대책으로 통신 채널 선택 기능을 구현하여 작전시 여러 개의 통신 채널 가운데 하나를 선택하여 운용할 수 있도록 구성한다.
- RFID 리더와 RFID 태그에 적용된 송수신부의 수신감도는 -103 dBm으로 10 dB의 마진을 가지도록 설계 하였다.
- RFID 리더와 RFID 태그의 송수신부가 주파수 합성기 회로를 포함하여 주파수 상․하향 변환 시 캐리어 주파수를 변경하여 통신 채널을 변경하도록 구성하였다. 이미 설치되어 있는 탐지살상장치를 일일이 찾아다니면서 RFID 리더의 통신 채널을 바꾸어줄 수 없으므로 원격조종기를 통해 통신 채널을 원격으로 장입할있도록 설계하였다.
- 적의 RFID 태그 탈취나 복제나 재밍에 대한 대책으로 통신 채널 선택 기능을 구현하여 작전시 여러 개의 통신 채널 가운데 하나를 선택하여 운용할 수 있도록 구성한다. RFID 태그를 사용하는 아군 병사에 대한 편의 기능으로 배터리 방전 경고를 LED 점멸 신호를 통해 알려주며, 원격운용통제탄 설치 지역 진입 시 진동 신호를 통해 병사에게 위험 지역에 진입했다는 것을 알려주어 서둘러 위험 지역을 벗어날 수 있도록 한다.
- UHF 대역의 능동형 RFID를 적용하여 원격운용통제탄의 살상 반경의 3배 이상의 충분한 식별 거리를 가지도록 RFID 리더와 RFID 태그의 회로를 구성하였다. 기존 원격운용통제탄 체계와 연동하여 아군 식별 시 자동으로 장전 해제하고, ‘아군 감지’ 메시지를 운용자에게 송신하도록 구성하였다.
- 실내 시험은 다중 경로 전파에 의한 페이딩이 심한 환경을 모의하기 위해 시험을 진행한 것이다. 각 경우에 대해 10회씩 원격조종기를 통해 수동 모드로 식별 명령을 보냈을 때 10회 중 1회라도 응답이 없는 경우 실패로 규정하였다.
- 기존 원격운용통제탄 체계와 연동하여 아군 식별 시 자동으로 장전 해제하고, ‘아군 감지’ 메시지를 운용자에게 송신하도록 구성하였다.
- 원격조종기는 각 RFID 리더의 순번을 정하고, 전체 RFID 리더의 시간을 동기화한다. 동기화가 이루어진 후 각 RFID 리더가 순번에 따라 2초 간격으로 RFID 태그와 통신을 통해 피아식별 과정을 진행한다. 이 때 1초 동안 Wake-up과 ID 수집 과정이 이루어지며, 1초는 가드(Guard) 시간이다.
- 이미 설치되어 있는 탐지살상장치를 일일이 찾아다니면서 RFID 리더의 통신 채널을 바꾸어줄 수 없으므로 원격조종기를 통해 통신 채널을 원격으로 장입할있도록 설계하였다. 또한, RFID 태그에는 병사가 직접 버튼 키나 휠 키를 이용하여 통신 채널을 선택할 수 있도록 설계하였다.
- 병사가 살상 반경에 진입하기 전에 피아식별을 완료할 수 있도록 살상 반경의 3배 이상의 거리에서 아군을 식별할 수 있도록 하며, 단일 작전 시 최대 소요 기간 이상 운용이 가능하도록 한다. 또한, 탐지살상장치는 10대가 1조로 운용되기 때문에 각각의 RFID 통신 시에 충돌이 발생하지 않도록 다중화 설계 기술을 적용한다. RFID 리더와 RFID 태그를 각 5조를 제작하여 다중 리더 다중 태그 환경에서 식별 성능에 문제가 없는지를 실험을 통해 검증한다.
- 반면, 상대적으로 전력 소모가 큰 것이 단점이다. 무기체계에 사용하기 위해서는 통신의 신뢰성이 중요하므로, 상대적으로 우수한 능동형 RFID를 선정하였다. 또한 초지 환경에서 사용하였을 때 RFID 리더와 RFID 태그 모두 송신 회로를 가지고 있어 상황에 따라 송신 전력을 높여 신뢰성을 확보할 수 있는 방향으로 개발을 하는 것이 유리하다고 판단하였다.
- 비자폭 대인지뢰 대체용으로 개발된 원격운용통제탄 체계에 상용 RFID 통신을 적용하여 피아식별 기능을 구현하였다.
- 운용자가 아군이나 민간인을 적군으로 오인하여 기폭 신호를 주더라도 피해를 방지할 수 있다. 서론에 이어 본론에서 피아식별 지뢰 시스템 구성 및 운용 개념, 개발 목표를 수록하고, RFID 리더와 RFID 태그 회로 및 시스템 설계 내용을 상세히 기술 하였다. 또한 식별 거리 시험 결과에 대해 정리하고, 개선점 및 향후 계획을 제시하였다.
- 안테나 방사 효율 저하를 발견하고 이를 개선할 수 있도록 설계를 변경하였다. 안테나 방사 효율 개선이 개선되면 식별 거리가 증가할 수 있을 것으로 예상된다.
- 탐지살상장치의 스위치가 ‘무장’이 되면 RFID 리더가 동작한다. 원격조종기로부터 운용모드(자동/수 동)와 통신 채널 정보를 전송받아 설정하고, RFID 태그를 향해 Wake-up 신호를 송신한다. 이 때 수신 대기 상태에 있던 RFID 태그가 이를 수신하면 자신의 ID (Identification) 정보를 RFID 리더로 송신한다.
- 또한, 적군이 RFID 태그를 탈취 및 복제하여 휴대하면 탐지살상장치는 적군을 아군으로 오인하게 되며 적절한 시점에 폭발하지 못하여 무용지물이 될 수도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 8과 같이 작전 시 여러 개의 통신 채널을 선택적으로 운용할 수 있도록 구현하였다.
- RFID 리더와 RFID 태그의 송수신부가 주파수 합성기 회로를 포함하여 주파수 상․하향 변환 시 캐리어 주파수를 변경하여 통신 채널을 변경하도록 구성하였다. 이미 설치되어 있는 탐지살상장치를 일일이 찾아다니면서 RFID 리더의 통신 채널을 바꾸어줄 수 없으므로 원격조종기를 통해 통신 채널을 원격으로 장입할있도록 설계하였다. 또한, RFID 태그에는 병사가 직접 버튼 키나 휠 키를 이용하여 통신 채널을 선택할 수 있도록 설계하였다.
- 기존 원격운용통제탄 체계와 연동하여 아군 식별 시 자동으로 장전 해제하고, ‘아군 감지’ 메시지를 운용자에게 송신하도록 구성하였다. 저 전력 알고리즘을 적용하여 단일 작전 시 최대 소요 기간 이상의 운용 시간을 확보하였으며, 10개 1조로 운용되는 원격운용통제탄 체계의 운용 환경에 맞도록 TDMA 통신 방식을 적용하여 다중 리더 다중 태그 환경에서 RFID 통신간 충돌을 회피하였다. RFID 리더에 통신 채널을 원격 장입하고, RFID 태그에 통신 채널 선택 스위치를 구현하여 적의 탈취나 복제, 재밍에 대응하여 작전 시 통신 채널을 선택적으로 운용할 수 있도록 구성하였다.
- RFID 리더와 RFID 태그를 각 5조를 제작하여 다중 리더 다중 태그 환경에서 식별 성능에 문제가 없는지를 실험을 통해 검증한다. 적의 RFID 태그 탈취나 복제나 재밍에 대한 대책으로 통신 채널 선택 기능을 구현하여 작전시 여러 개의 통신 채널 가운데 하나를 선택하여 운용할 수 있도록 구성한다. RFID 태그를 사용하는 아군 병사에 대한 편의 기능으로 배터리 방전 경고를 LED 점멸 신호를 통해 알려주며, 원격운용통제탄 설치 지역 진입 시 진동 신호를 통해 병사에게 위험 지역에 진입했다는 것을 알려주어 서둘러 위험 지역을 벗어날 수 있도록 한다.
- 제작된 RFID 리더와 RFID 태그를 활용하여 식별 거리 시험을 시행하였다. Fig.
- 채널 선택 기능은 RFID 태그를 탈취, 복제 혹은 적의 재밍에 대응하기 위해 구현하였다. 작전 시 약속된 통신 채널을 통해서만 RFID 통신이 이루어지도록 한다.
대상 데이터
- 병사 지향 각에 따라 태그의 전면이 지향하는 방향도 달라진다. 야외 시험은 평지 풀밭과 수풀이 우거진 초지에서 시행하였고, 실내 시험은 건물 내 복도에서 수행하였다. 실내 시험은 다중 경로 전파에 의한 페이딩이 심한 환경을 모의하기 위해 시험을 진행한 것이다.
- 원격운용통제탄의 운용 시 작전 지역에 탐지살상장치를 배치한다. 탐지살상장치는 10개 1조로 운용되며 1개 탐지살상장치는 일정 거리의 살상 반경을 가진다. 병사 접근 시 살상 반경 이전에 탐지살상장치 내 RFID 리더와 병사가 휴대하고 있는 RFID 태그 간 통신이 이루어져 아군이 식별되면, 탐지살상장치에 아군 식별정보를 전달하여 자동으로 장전을 해제하는 동시에 무선 통신을 통해 원격조종기로 “아군감지”라는 경고 메시지를 표시하여 운용자에게 아군이 원격운용통제탄의 살상 반경 내에 진입하였음을 알려준다.
- 탐지살상장치는 10개 1조로 운용된다. 따라서 RFID 리더 10개가 동시에 동작을 하게 되며, RFID 태그의 경우도 분대나 소대 단위로 병사들이 움직이게 되면 최소 10개 이상의 태그가 동시에 통신을 시도하게 된다.
이론/모형
- RFID 무선 통신 시스템은 원격운용통제탄의 살상반경 이상의 식별 거리를 구현할 수 있도록 UHF 대역의 능동형 RFID를 사용하는 ISO/IEC 18000-7 표준 규격을 적용하였다[2]. 능동형의 경우 RFID 태그가 자체 전원과 송신 회로를 구비하고 있어 자신의 정보가 포함된 신호를 능동적으로 송신하는 것이 가능하다.
- 이에 대응하여 대인지뢰 대체 무기체계인 ‘원격운용통제탄’이 개발되었다. 원격운용통제탄은 탐지부와 살상부를 분리 운용하여 원격으로 운용자가 기폭장치를 통제하는 운용자 중심의 무기체계(MILT : Man-In-The-Loop) 설계 개념이 적용되었다[1].
- RFID 통신의 식별이 일정 거리에서 이루어지고, 10개의 탐지살상장치가 2열, 살상 반경 간격으로 설치되어 있을 경우 한 명의 병사가 접근할 시에 최소 5개 이상의 RFID 리더와 RFID 태그 간에 통신이 발생할수 있다. 이 때 RFID 리더 간의 충돌을 회피할 수 있도록 Fig. 7에 표현한 바와 같이 시분할 다중 접속 (TDMA : Time Division Multiple Access) 통신 방식을 적용하였다.
- 또한 초지 환경에서 사용하였을 때 RFID 리더와 RFID 태그 모두 송신 회로를 가지고 있어 상황에 따라 송신 전력을 높여 신뢰성을 확보할 수 있는 방향으로 개발을 하는 것이 유리하다고 판단하였다. 전력 소모 문제는 WOR(Wake-On-Radio) 방식의 저 전력 알고리즘을 적용하여 해결하였다.
- 하나의 리더와 다중 태그 사이의 접속 시 발생하는 충돌 문제는 ISO/IEC 18000-7 표준 규격에서 정의한 Slotted ALOHA 방식을 그대로 적용하였다[5]. RFID 태그가 RFID 리더로부터 Wake-up 신호를 받으면 정해진 time slot에 맞추어 자신의 ID를 RFID 리더로 전달하고, 이 때 충돌이 발생하면 충돌한 각 RFID 태그가 임의의 시간만큼 대기한 후 다시 time slot에 맞추어 자신의 ID를 RFID 리더로 전달하게 된다.
성능/효과
- 44 dBm이 된다. 계산 결과 RFID 태그의 송신 출력이 0 dBm 일 때 RFID 리더의 수신감도가 최소 -93 dBm 이상이 되어야 일정 거리 이상에서 피아식별이 가능하다는 것을 알 수 있다. RFID 리더가 송신하고 RFID 태그가 수신할 때도 동일하다.
- 무기체계에 사용하기 위해서는 통신의 신뢰성이 중요하므로, 상대적으로 우수한 능동형 RFID를 선정하였다. 또한 초지 환경에서 사용하였을 때 RFID 리더와 RFID 태그 모두 송신 회로를 가지고 있어 상황에 따라 송신 전력을 높여 신뢰성을 확보할 수 있는 방향으로 개발을 하는 것이 유리하다고 판단하였다. 전력 소모 문제는 WOR(Wake-On-Radio) 방식의 저 전력 알고리즘을 적용하여 해결하였다.
- 시험 결과 X+20 m까지는 평지, 초지, 실내 환경에서 병사 지향 각도와 무관하게 모두 RFID 태그를 식별하여 원격조종기 창에 ‘아군 감지’를 출력하였으나, X+25 m부터 초지와 실내 환경에서 병사 지향 각도에 따라 식별 실패하는 경우가 발생하였다.
- 식별 거리 성능 저하의 원인 분석 결과 RFID 태그 안테나의 방사 효율이 10 %(이득 : -10 dBi)로 설계 값인 25 %(이득 : -6 dBi)에 크게 미치지 못함을 확인하였다. 따라서 안테나의 방사 효율을 높일 수 있도록 안테나의 체적을 최대한 확보하는 방향으로 설계를 변경할 필요가 있다[6].
후속연구
- 12와 같이 RFID 후면 케이스에 전도성 페인트나 동 테이프로 도포하고 PCB 그라운드와 연결하여 그라운드 면적을 확장하고, 전면 케이스에 안테나 방사체를 부착하는 형태로 설계하면 안테나 체적을 기존 대비 약 6배 증가시킬 수 있다. 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고, 동 테이프를 이용하여 간이 제작까지 완료하였으며 안테나 방사 효율을 측정하고, 식별 거리 시험을 진행하여 개선 정도를 파악할 예정이다.
- 안테나 방사 효율 개선이 개선되면 식별 거리가 증가할 수 있을 것으로 예상된다. 시험을 통해 식별 거리 개선 정도를 파악할 예정이다.
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