최근 항공 통신의 데이터 트래픽 증가로 인하여, 대륙 간 항공통신을 위한 L-band 대역 디지털 통신시스템인 LDACS가 제안되었다. LDACS 모델은 LDACS type-1과 LDACS type-2의 두 가지 규격으로 정의 되었으며, 향후 면밀한 검토를 바탕으로 한 가지 시스템을 선정하여 운용하기로 하였다. 이에 본 논문에서는 두 LDACS 시스템의 규격 분석과 함께 채널 환경에 따른 수신 성능을 비교 및 평가함으로써 항공 통신 시스템에의 적용 가능성을 분석하였다. 분석결과, 두 시스템 모두 airport 채널 환경에서 큰 성능 열화를 보였으나 LOS 환경의 en-route 채널의 경우에 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, en-route 환경에서 LDACS type-1과 LDACS type-2의 비교 분석 결과, LDACS type-2 대비 LDACS type-1의 수신 성능이 $10^{-3}$ BER 기준 1 dB 우수함을 확인할 수 있었으며, 이는 보다 강력한 채널 부호가 적용되었기 때문으로 판단된다.
최근 항공 통신의 데이터 트래픽 증가로 인하여, 대륙 간 항공통신을 위한 L-band 대역 디지털 통신시스템인 LDACS가 제안되었다. LDACS 모델은 LDACS type-1과 LDACS type-2의 두 가지 규격으로 정의 되었으며, 향후 면밀한 검토를 바탕으로 한 가지 시스템을 선정하여 운용하기로 하였다. 이에 본 논문에서는 두 LDACS 시스템의 규격 분석과 함께 채널 환경에 따른 수신 성능을 비교 및 평가함으로써 항공 통신 시스템에의 적용 가능성을 분석하였다. 분석결과, 두 시스템 모두 airport 채널 환경에서 큰 성능 열화를 보였으나 LOS 환경의 en-route 채널의 경우에 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, en-route 환경에서 LDACS type-1과 LDACS type-2의 비교 분석 결과, LDACS type-2 대비 LDACS type-1의 수신 성능이 $10^{-3}$ BER 기준 1 dB 우수함을 확인할 수 있었으며, 이는 보다 강력한 채널 부호가 적용되었기 때문으로 판단된다.
Due to the increase in the data traffic for the aeronautical communications, LDACS has been proposed to support the data link in the continental domain. LDACS is defined in two standards of LDACS type-1 and LDACS type-2, which are going to be selected through the intensive comparison. In this paper,...
Due to the increase in the data traffic for the aeronautical communications, LDACS has been proposed to support the data link in the continental domain. LDACS is defined in two standards of LDACS type-1 and LDACS type-2, which are going to be selected through the intensive comparison. In this paper, we analyzed two types of standards and evaluated their performance for various channel models. Simulation results show that both LDACS type-1 and LDACS type-2 have a good performance in the en-route channel model, while they have a poor performance in the airport channel model. In the comparison results for LDACS type-1 and LDACS type-2, LDACS type-1 shows the better performance of 1dB than LDACS type-2 owing to the stronger channel coding technique.
Due to the increase in the data traffic for the aeronautical communications, LDACS has been proposed to support the data link in the continental domain. LDACS is defined in two standards of LDACS type-1 and LDACS type-2, which are going to be selected through the intensive comparison. In this paper, we analyzed two types of standards and evaluated their performance for various channel models. Simulation results show that both LDACS type-1 and LDACS type-2 have a good performance in the en-route channel model, while they have a poor performance in the airport channel model. In the comparison results for LDACS type-1 and LDACS type-2, LDACS type-1 shows the better performance of 1dB than LDACS type-2 owing to the stronger channel coding technique.
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문제 정의
LDACS-1은 FL과 RL의 OFDM 프레임 구조를 다르게 정의하고 있으며, 본 논문에서는 RL 프레임 구조에 대한 수신 성능을 평가하였다. RL의 OFDM 프레임 구조는 그림 5와 같이 AGC 프리앰블로 시작하며 Sync 심볼, PAPR 심볼, 데이터 심볼, 그리고 파일럿 심볼로 구성된다 [3].
이와 같이, 두 LDACS 모델은 미래 항공통신 규격으로써 장단점이 있으며, 두 후보 중 한 가지 시스템을 채택하기 위해서는 보다 면밀한 검토와 그 성능 평가가 우선되어야 한다. 따라서, 본 논문에서는 각 LDACS 시스템의 규격 분석 및 사양을 분석하고 채널환경에 따른 성능 평가를 통해 적합성을 검토한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
제안 방법
LDACS-1의 경우, RL frame의 data 통신 링크를 평가하였으며, QPSK 변조기법 기반의 (16,14,1)의 RS code, convolutional code를 사용하여, 최종 0.44의 code rate를 갖는 시스템 모드에 대해 평가하였다. LDACS-2의 경우, GMSK 변조 기법 기반의(15,11,4) RS Code, 3/4의 code rate를 갖는 convolutional code를 사용하여 최종 0.
LDACS-1은 가변 전송률을 지원하도록 정의하고 있으며, convolutional encoder 및 puncturer를 이용하여 가변 전송률을 지원한다. 그 후 데이터는 QPSK, 16QAM 또는 64QAM 기법을 통해 심볼로 변조되며, 최종적으로 변조된 심볼은 IFFT를 통과하여 RF 단으로 전송된다.
본 논문에서는 LS 알고리즘을 기반으로 하는 LI (linear interpolation) 알고리즘을 사용하였다 [8],[9]. 또한, 잡음 성분으로 인한 채널 추정 성능 저하를 막기 위해 시간 및 주파수 축에서 LPF (low pass filtering)을 적용하였다. 수신단의 주파수 영역에서 수신신호 Yl,m 는 수식 1과 같이 표현된다.
16e Mobile WIMAX 규격에 기반한 AeroMACS (aeronautical mobile airport communications cystem) 시스템 사용을 권고하고 있으며, 대양/오지/극지방에서는 INMARSAT SBB (international marine/maritime satellite swift broad band)와 같은 위성통신 시스템 사용을 권고하고 있다. 마지막으로 대륙간 항공통신 규격으로는 L-Band 주파수 대역을 사용하는 새로운 항공 통신 규격으로 LDACS (L-band digital aeronautical communications) type-1 (LDACS-1)과 LDACS type-2 (LDACS -2)의 두 가지 모델이 제안되었으며, 향후 두 후보 중 하나의 시스템을 채택하기로 하였다. LDACS는 데이터 통신 이외에도 항공기 위치 추적 및 감시, GNSS 기반 항행시스템의 보완 기술로 활용 가능할 것으로 기대되고 있다.
본 논문에서는 각 LDACS 모델의 수신 BER 성능을 비교하였으며, 성능평가에 사용된 시스템 파라미터는 표 5와 같다.
본 논문에서는 대륙 간 항공통신을 위해 제안된 두 가지 LDACS 시스템의 규격을 조사하고 상위 수준에서 모델링하였으며, 채널 상황에 따른 성능평가를 수행하였다. 성능분석 결과, 두 시스템 모두 Rayleigh fading 채널 특성으로 인해 APT 환경에서 큰 성능열화를 보였으며, 이에 APT 환경에서는 AeroMACS와 같은 시스템 사용이 필요한 것으로 판단된다.
본 논문에서는 표 4와 같이 EUROCONTROL이 LDACS 평가를 위해 제시한 ENR (en-route), APT (airport)의 두 가지 채널 모델 [3]과 AWGN 환경에서 각 LDACS 모델의 수신 성능을 분석하였다. 순항중의 상황인 ENR의 경우, LOS (line of sight) 환경이므로 Rician fading 모델을 사용하였으며, 공항 내 상황인 APT 채널의 경우, 반사파의 영향이 많은 환경이므로 Rayleigh 채널 모델을 사용하였다.
대상 데이터
FCS의 최종 연구 결과, 표 1과 같이 서비스가 이루어지는 영역에 대해 3개의 통신 기술이 선정되었다. 공항영역에서는 IEEE 802.
이론/모형
LDACS-2는 오류정정부호로 RS encoder (15,11,4) 및 부호율 3/4인 convolutional encoder를 사용하였으며, 최종 부호율은 22/45가 된다. 또한, 기존 시스템의 점유가 많은 L-Band 대역에서의 주파수 간섭을 최소화하기 위해 BT (bandwidth time) product가 0.3인 GMSK 변조 기법이 적용되었다.
49의 code rate를 가지는 시스템 모드에 대해 수신 성능을 평가하였다. 또한, 두 시스템 모두 soft decision 방식을 이용하였다.
일반적으로 채널 추정 알고리즘은 파일럿을 이용하는 LS (least square) 채널 추정 알고리즘 및 LS에 의해 구한 채널 값과 채널의 통계적 상관관계를 이용하여 노이즈의 영향을 줄이는 MMSE (minimum mean square error) 알고리즘 등을 주로 사용한다. 본 논문에서는 LS 알고리즘을 기반으로 하는 LI (linear interpolation) 알고리즘을 사용하였다 [8],[9]. 또한, 잡음 성분으로 인한 채널 추정 성능 저하를 막기 위해 시간 및 주파수 축에서 LPF (low pass filtering)을 적용하였다.
본 논문에서는 표 4와 같이 EUROCONTROL이 LDACS 평가를 위해 제시한 ENR (en-route), APT (airport)의 두 가지 채널 모델 [3]과 AWGN 환경에서 각 LDACS 모델의 수신 성능을 분석하였다. 순항중의 상황인 ENR의 경우, LOS (line of sight) 환경이므로 Rician fading 모델을 사용하였으며, 공항 내 상황인 APT 채널의 경우, 반사파의 영향이 많은 환경이므로 Rayleigh 채널 모델을 사용하였다.
항공기의 고속 이동 환경에서 수신 신호는 페이딩에 의한 위상 왜곡 현상이 발생하며, 따라서 페이딩 영향에 강인한 복조 방식이 필요하다. 이에, 수식 7과 같은 differential detection 방식을 적용한 non-coherent 기반의 복조 알고리즘을 사용하여 복조가 가능하다 [10],[11].
성능/효과
성능분석 결과, 두 시스템 모두 Rayleigh fading 채널 특성으로 인해 APT 환경에서 큰 성능열화를 보였으며, 이에 APT 환경에서는 AeroMACS와 같은 시스템 사용이 필요한 것으로 판단된다. 반면, ENR 채널 환경에서 AWGN 환경 대비 1.5-2.5 dB 정도의 성능 열화를 보이며, LDACS 시스템이 항공기의 순항 상황의 통신에 적합함을 판단할 수 있다. ENR 환경에서, LDACS-1 대비 LDACS-2의 BER 성능이 1 dB 열화를 보이고 있으며, 이에 LDACS-2의 경우 convolutional code 3/4 보다 강력한 오류정정 부호의 사용이 필요할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 대륙 간 항공통신을 위해 제안된 두 가지 LDACS 시스템의 규격을 조사하고 상위 수준에서 모델링하였으며, 채널 상황에 따른 성능평가를 수행하였다. 성능분석 결과, 두 시스템 모두 Rayleigh fading 채널 특성으로 인해 APT 환경에서 큰 성능열화를 보였으며, 이에 APT 환경에서는 AeroMACS와 같은 시스템 사용이 필요한 것으로 판단된다. 반면, ENR 채널 환경에서 AWGN 환경 대비 1.
후속연구
마지막으로 대륙간 항공통신 규격으로는 L-Band 주파수 대역을 사용하는 새로운 항공 통신 규격으로 LDACS (L-band digital aeronautical communications) type-1 (LDACS-1)과 LDACS type-2 (LDACS -2)의 두 가지 모델이 제안되었으며, 향후 두 후보 중 하나의 시스템을 채택하기로 하였다. LDACS는 데이터 통신 이외에도 항공기 위치 추적 및 감시, GNSS 기반 항행시스템의 보완 기술로 활용 가능할 것으로 기대되고 있다.
ENR 환경에서, LDACS-1 대비 LDACS-2의 BER 성능이 1 dB 열화를 보이고 있으며, 이에 LDACS-2의 경우 convolutional code 3/4 보다 강력한 오류정정 부호의 사용이 필요할 것으로 예상된다. 본 논문의 결과는 향후 두 LDACS 후보 중 한 가지 시스템을 선택하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
의 BER 기준 1 dB 정도의 성능 열화를 보이고 있다. 이는 LDACS-2의 GMSK 변조 방식에 따른 Gaussian filtering의 효과와, non-coherent 복조 방식에 따른 결과로 보이며, 이에 convolutional code 3/4 보다 강력한 오류정정 부호의 사용이 필요할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서비스 영역별 FCS가 권고하는 통신기술은?
FCS의 최종 연구 결과, 표 1과 같이 서비스가 이루어지는 영역에 대해 3개의 통신 기술이 선정되었다. 공항영역에서는 IEEE 802.16e Mobile WIMAX 규격에 기반한 AeroMACS (aeronautical mobile airport communications cystem) 시스템 사용을 권고하고 있으며, 대양/오지/극지방에서는 INMARSAT SBB (international marine/maritime satellite swift broad band)와 같은 위성통신 시스템 사용을 권고하고 있다. 마지막으로 대륙간 항공통신 규격으로는 L-Band 주파수 대역을 사용하는 새로운 항공 통신 규격으로 LDACS (L-band digital aeronautical communications) type-1 (LDACS-1)과 LDACS type-2 (LDACS -2)의 두 가지 모델이 제안되었으며, 향후 두 후보 중 하나의 시스템을 채택하기로 하였다. LDACS는 데이터 통신 이외에도 항공기 위치 추적 및 감시, GNSS 기반 항행시스템의 보완 기술로 활용 가능할 것으로 기대되고 있다.
LDACS-2란 무엇인가?
LDACS-1은 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 변조방식에 기반한 다중 반송파 (multi-carrier) 통신이며, 항공기와 기지국 간의 데이터 전송 방향에 따라, FL (forward Link)와 RL (reverse Link)로 정의하고 이를 FDD (frequency division duplex)방식으로 지원 한다 [3]. 반면, LDACS-2는 GMSK (Gaussian minimum shift keying) 변조방식을 사용한 단일 반송파 (single-carrier) 통신으로, TDD (time division duplex) 방식을 사용 한다 [4],[5]. 두 LDACS 모델은 각 특징에 따라 미래 항공통신 규격으로써 크게 주파수 활용도 측면과 고속항행의 특징으로 인한 도플러 채널환경 측면에서 그 적합성이 평가될 수 있다.
LDACS-1이란 무엇인가?
LDACS-1은 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 변조방식에 기반한 다중 반송파 (multi-carrier) 통신이며, 항공기와 기지국 간의 데이터 전송 방향에 따라, FL (forward Link)와 RL (reverse Link)로 정의하고 이를 FDD (frequency division duplex)방식으로 지원 한다 [3]. 반면, LDACS-2는 GMSK (Gaussian minimum shift keying) 변조방식을 사용한 단일 반송파 (single-carrier) 통신으로, TDD (time division duplex) 방식을 사용 한다 [4],[5].
참고문헌 (11)
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Updated LDACS1 system specification, SESAR, Deliverabel ID EWA04-1-T2-D1, 2011.
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N. Neji, R. de Lacerda, and A. Azoulay, T. Letertre, O. Outtier, "Coexistence between the future aeronautical system for continental communication L-DACS and the distance measuring equipment DME," in IEEE Conference on Satellite Telecommunications, Rome: Italy, pp. 1-7, Oct. 2012.
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A. Yongacoglu and D. Makarakis, "Differential detection of GMSK using decision feedback," IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 6, pp. 641-649, Jun. 1988.
D. Lee, S. Jang, and Y. Jung, "Design of non-coherent demodulator for LR-WPAN system," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 17, No. 6, pp. 705-711, Dec. 2013.
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