[논문]Ku대역 무인항공기 데이터 링크 설계를 위한 강우감쇠 분석

이재윤

doi:10.7840/kics.2015.40.7.1248

Ku대역 무인항공기 데이터 링크 설계를 위한 강우감쇠 분석
Rain Attenuation Analysis for Designing UAV Data Link on Ku-Band 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.40 no.7, 2015년, pp.1248 - 1256

이재윤 (Korean Intellectual Property Office)

초록
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강우에 취약한 특성을 갖는 Ku대역을 이용한 통신 링크 설계 시에는 반드시 정확한 데이터와 정밀한 예측모델을 이용하여 도출한 강우감쇠 값을 반영하여 링크 마진을 분석하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 최근 TTA에서 제시한 국내 강우강도 분포를 분석하여 Rec. ITU-R PN.837-1 및 Crane 모델에서의 지역별 강우강도와 비교하고, 우리나라의 최근 강우강도 분포와 유사한 지역을 선택하여 Ku대역 주파수에 대한 해당 지역의 강우감쇠를 Rec. ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 통해 무인항공기와 지상통신장비의 통신 링크 거리 및 연 시간율 (%)에 따라 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is necessary to apply an exact data and a precise prediction model for a rain attenuation to design the link margin for a data link using Ku-band with the serious effect by rain. In this paper, we investigate the regional rainfall-rate distribution of Korea proposed in TTAK.KO-06.0122/R1 and compare it with the distribution provided by Rec. ITU-R PN.837-1 and Crane. And, the rain rate climate regions similar with the rainfall-rate distribution of Korea in Rec. ITU-R PN.837-1 and Crane model are selected. Finally, using Rec. ITU-R P.618-8 and Crane rain attenuation prediction model, we derive and analyze the rain attenuation for Ku-band frequency according to the time percentage of an average year and the distance of wireless communication link between unmanned aerial vehicle (UAV) and ground data terminal (GDT).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 Ku대역 통신 링크 설계 시 보다 현실에 맞는 안정적인 시스템 설계를 가능하게 하기 위해서는 이를 적용하여 도출한 강우감쇠를 링크 마진 분석 시 이용하여야 한다. 본 논문에서는 기존에 제시된 세계 강우 기후 지역 구분에서 우리나라의 최근 강우 동향에 맞는 강우 기후 지역을 선택하여 Ku대역에 대한 통신 링크 거리 및 연 시간율에 따른 강우감쇠를 Rec. ITU-R P.

제안 방법

본 논문에서는 [3]에서 제시된 가시선 링크 확보시 지상통신장비 및 무인항공기 운용 고도에 대해 Rec. ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 사용하여 M-zone과 N-zone 그리고 D3-region과 E-region에 대한 Ku대역 주파수의 강우감쇠를 분석한다. 즉, Ku대역 15GHz의 운용주파수, 99%의 강우 가용도, 0.
본 논문에서는 [3]에서 제시된 가시선 링크 확보 시 운용 고도와 통신 거리에 대해 [13]에서 제시한 강우강도 분포를 분석하여 [9] 및 [10]에서의 지역별 강우강도와 비교하고, 우리나라의 최근 강우강도 분포와 유사한 지역을 선택하여 Ku대역 주파수에 대한 해당 지역의 강우감쇠를 Rec. ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 통해 무인항공기와 지상통신장비의 통신 링크 거리 및 연 시간율(%)에 따라 분석한다.
본 논문에서는 [3]에서 제시된 가시선 링크 확보 시 운용 고도와 통신 거리에 대해 [13]에서 제시한 강우강도 분포를 분석하여 [9] 및 [10]에서의 지역별 강우강도와 비교하고, 우리나라의 최근 강우강도 분포와 유사한 지역을 선택하여 Ku대역 주파수에 대한 해당 지역의 강우감쇠를 Rec.

이론/모형

그림 6. Crane 강우감쇠 예측 모델 ^[10] 로 구한 연 시간율에 따른 D3-region과 E-region의 강우감쇠.
그림 4. Crane 강우감쇠 예측 모델 ^[10] 로 구한 통신 링크 거리에 따른 D3-region과 E-region의 강우감쇠.
0122/R1 ^[13]에서 제시한 지역별 최근 13년간의 강우강도 분포를 바탕으로 [9]와 [10]에서 국내 강우환경과 유사한 지역 및 영역을 찾고, Rec.ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델에 적용하여 강우감쇠를 분석한다.
본 논문에서는 기존에 제시된 세계 강우 기후 지역 구분에서 우리나라의 최근 강우 동향에 맞는 강우 기후 지역을 선택하여 Ku대역에 대한 통신 링크 거리 및 연 시간율에 따른 강우감쇠를 Rec. ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 기반으로 분석하였다. 분석결과 서울 지역과 같이 최근 집중호우가 잦은 다우 지역에서는 [9]에서의 N-zone과 그리고 [10]에서의 E-region과 유사한 강우강도 분포 및 강우 감쇠를 보였으며, 대구 지역과 같이 비가 적게 오는 소우 지역에서는 [9]에서의 M-zone과 그리고 [10]에서의 D3-region과 유사한 강우강도 분포 및 강우감쇠를 보였다.
그림 2에는 표 3에 나타낸 서울 지역의 강우강도 분포를 이용하여 Rec. ITU-R P.618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 이용하여 구한 통신 링크 거리에 따른 강우감쇠를 나타내었다. 그림 2를 통해 Crane 강우 감쇠 예측 모델을 이용하여 구한 강우감쇠가 Rec.
618-8에서 제시된 모델을 이용하여 Ku대역에 대한 강우감쇠를 분석하였으며, [5]에서는 Rec. ITU-R P.618-8을 이용하여 무인항공기의 고도에 따른 강우감쇠를 분석하였다. 또한 [7]에서는 강우모델로 Crane 강우감쇠 예측 모델^[10]을 적용하여 강우 페이딩 파라미터를 계산하고 8PSK 트랠리스 부호화방식의 BER을 도출하였다.
ITU-R P.838-3[16] 에서 찾을 수 있으며, 이 때 해당 주파수가 지정되지 않았으면 그 주파수를 포함하는 두 개의 인접 주파수에 대한 값을 이용하여 추정하되, 계수 k에 대해서는 대수적 보간법(logarithmic interpolation)을, 계수 α에 대해서는 선형 보간법(linear interpolation)을 적용하여 추정한다.
이 때 Rp′ 는 제공되는 연 시간율에 따른 강우강도 값들에 대해 대수적 보간법을 적용하여 구한다.

성능/효과

이러한 결과로부터 Crane 강우감쇠 예측 모델을 이용하여 도출한 강우감쇠를 Ku 대역 무인항공기 데이터 링크에서 링크 마진 설계 시 적용할 경우, Rec. ITU-R P.618-8을 이용하여 도출한 강우감쇠를 적용하는 경우보다 큰 강우감쇠를 극복하게 됨으로써 단절 없는 통신 링크의 유지가 가능하게 되어, 시스템 운영 안정성 및 링크 신뢰성을 높일 수 있음을 알 수 있다.
618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 기반으로 분석하였다. 분석결과 서울 지역과 같이 최근 집중호우가 잦은 다우 지역에서는 [9]에서의 N-zone과 그리고 [10]에서의 E-region과 유사한 강우강도 분포 및 강우 감쇠를 보였으며, 대구 지역과 같이 비가 적게 오는 소우 지역에서는 [9]에서의 M-zone과 그리고 [10]에서의 D3-region과 유사한 강우강도 분포 및 강우감쇠를 보였다. 또한 모든 결과에서 Crane 강우감쇠 예측 모델을 이용하여 구한 강우감쇠가 Rec.
618-8와 Crane 강우감쇠 예측 모델을 사용하여 M-zone과 N-zone 그리고 D3-region과 E-region에 대한 Ku대역 주파수의 강우감쇠를 분석한다. 즉, Ku대역 15GHz의 운용주파수, 99%의 강우 가용도, 0.5km의 지상통신장비 고도, 5km, 8km, 13km의 무인항공기의 운용고도, 300km까지의 가시선 링크 거리를 가정하여 결과를 도출한다.

후속연구

618-8을 이용하여 구한 강우감쇠보다 다소 크게 도출되었다. 이러한 결과들은 Crane 강우감쇠 예측 모델로 예측된 강우감쇠를 적용하여 링크 마진을 설계 하는 것이 보다 높은 시스템 운영 안정성 및 링크 신뢰성을 얻는 것에 효과적일 수 있음을 보여준다 하겠으며, 본 논문의 분석 결과는 Ku 대역 통신 링크 설계 시 상당히 유효한 자료로 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ku대역의 단점은?	국내 무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle) 산업은 최근 유인기가 기존에 수행하던 단순하고 반복적인 위험한 임무를 대체하는 수단으로 비약적인 발달이 이루어졌으며, 학계, 산업계, 연구소를 중심으로 관련 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다[1-7] . 국내 무인항공기 데이터 링크 시스템 등에 사용 되는 Ku대역은 강우로 인한 전파 감쇠가 상당히 크며, 이는 대기 중의 산소와 수증기에 의한 흡수손실과 눈, 우박, 안개, 구름 등의 자연현상에 대한 감쇠에 비해 보다 크고, 공간적, 시간적으로 다양한 감쇠 분포를 갖는다 [8] . 공간적으로 우리나라는 Rec.
	우리나라가 왜 강우에 취약한 특성인지 설명하시오.	국내 무인항공기 데이터 링크 시스템 등에 사용 되는 Ku대역은 강우로 인한 전파 감쇠가 상당히 크며, 이는 대기 중의 산소와 수증기에 의한 흡수손실과 눈, 우박, 안개, 구름 등의 자연현상에 대한 감쇠에 비해 보다 크고, 공간적, 시간적으로 다양한 감쇠 분포를 갖는다 [8] . 공간적으로 우리나라는 Rec. ITU-R PN.837-1 [9] 기준으로 K-zone에 속하며, 0.01%의 연시간율 기준으로 42mm/h의 강우강도를 갖고, [10]에서 제시된 강우 기후 지역별 강우강도 분포에 따르면 우리나라는 D2-region에 속하며, 0.01%의 연 시간율 기준으로 46.8mm/h의 강우강도를 갖는다. 이렇듯 강우에 취약한 특성을 갖는 Ku대역을 이용한 통신 링크 설계 시에는 반드시 정확한 데이터와 정밀한 예측모 델을 이용하여 도출한 강우감쇠 값을 반영하여 링크 마진을 분석하여야 한다.
	국내 무인항공기 산업 현황은 어떠한가요?	국내 무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle) 산업은 최근 유인기가 기존에 수행하던 단순하고 반복적인 위험한 임무를 대체하는 수단으로 비약적인 발달이 이루어졌으며, 학계, 산업계, 연구소를 중심으로 관련 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다[1-7] . 국내 무인항공기 데이터 링크 시스템 등에 사용 되는 Ku대역은 강우로 인한 전파 감쇠가 상당히 크며, 이는 대기 중의 산소와 수증기에 의한 흡수손실과 눈, 우박, 안개, 구름 등의 자연현상에 대한 감쇠에 비해 보다 크고, 공간적, 시간적으로 다양한 감쇠 분포를 갖는다 [8] .

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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