[논문]군 전술 통신에서의 주파수 공동사용 기반 인지엔진 플랫폼 연구

최주평; 이원철

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.7.599

군 전술 통신에서의 주파수 공동사용 기반 인지엔진 플랫폼 연구
Study on Cognitive Engine Platform Based on the Spectrum Sharing for the Military Tactical Communications 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.7, 2016년, pp.599 - 611

최주평 (숭실대학교 인지무선통신연구소) , 이원철 (숭실대학교 전자정보공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 주파수 공동사용 체계를 기반으로 군 전술 통신망 환경에서 동적 스펙트럼 접속 실현이 가능한 인지엔진 플랫폼을 제안하였다. 현재의 군 전술 무선통신 체계는 동종 및 이종의 군 전술 무선통신의 효과적 운용을 위한 추가 주파수 확보 및 무기체계 무선망 간의 상호공존 방안에 대한 필요성이 빠르게 증가하고 있는 실정이다. 본 논문은 추가 주파수 확보 방안으로 미국 및 유럽을 중심으로 활발한 연구개발이 진행되고 있는 주파수 공동사용에 대한 정책 및 연구개발 추진현황에 대해 살펴보았다. 또한, 동적 스펙트럼 접속(DSA: Dynamic Spectrum Access)을 위한 군 전술 무선통신분야의 핵심 기술인 인지엔진 기술개발 현황에 대해서도 소개하였다. 이를 통하여 본 논문은 최신 트랜드 흐름을 고려하여 향후 군 전술 무선통신에서 추가 주파수 확보 및 동적 스펙트럼 접속의 실현, 무기체계 무선망 간 상호공존이 가능한 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼 구조에 대해 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a cognitive engine platform that enables dynamic spectrum access(DSA) based on a spectrum sharing system for the military tactical network environment. The current military tactical wireless communication system is increasing need to secure a supplementary wireless spectrum to ensure that multiple wireless networks for different weapon systems co-exist, so that tactical wireless communication between the same or different systems can be operated effectively. This paper examined policy development and research activities engaged by the U.S. and European countries on wireless spectrum sharing to secure more spectrum. It also introduces the current status of cognitive engine development, which is the core technology of tactical wireless communication for DSA. In addition, based on the investigation performed into the latest trends, we propose a platform structure for a cognitive engine based on a spectrum sharing method where more frequencies can be added for tactical radio communication, so that DSA can be realized, and wireless networks of different weapon systems can co-exist.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 향후 군 전술 무선통신의 원활한 운용을 위해 군 주파수의 효율적 이용 및 해당 무선망의 신뢰성 있는 운용을 위하여 주파수 공동사용 기반의 군 전술 통신을 위한 인지엔진(cognitive engine) 플랫폼을 제안하고자 한다.
본 논문은 육상에서의 군 전술 통신망 무선기기의 동적 스펙트럼 접속 운용을 위하여 그림 10의 군 전술 통신 운용 시나리오 환경을 고려한 주파수 공동사용 기반 인지엔진 구조를 제안하였다.
본 논문은 주파수 공동사용 후보채널 선택방안을 통하여 군 전술 통신 무선기기의 고품질 가용채널 확보와 함께 개별 무선기기 간 상호공존 및 무선자원 최적화를 통하여 요구 QoS 확보가 가능한 인지엔진 플랫폼 구조를 제안하였다. 또한, 기존 미국의 XG 및 WNaN 프로그램 연구개발 추진내용, 다양한 인지엔진 관련 추진 현황을 파악하였으며, 이를 통하여 최신 트랜드를 고려한 인지엔진 플랫폼 구조와 운용체계를 제안하였다.
본 논문은 향후 군 주파수의 추가 확보를 위한 연계 방안으로 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼 구조를 제안하였다. 주파수 공동사용은 주요 선진국을 중심으로 다양한 통신 서비스 분야에서의 주파수 수요 증가에 대해 유연한 대처가 가능함과 동시에 신규 주파수 발굴에 대한 부담이 적으며, 주파수 이용 효율성을 높일 수 있는 방안으로 고려되고 있다.
. 본 보고서는 기존 주파수 회수 및 재배치 방식의 문제점을 해결하기 위한 근본적인 방안으로 주파수 공동사용의 도입을 적극적으로 제안한 바 있다.
본 테스트베드 프로그램은 3.5 GHz(3,550∼3,700 MHz) 주파수 공동사용 대역에서 지자체 중심의 스마트 시티, 산업용 IoT(Internet of Things) 네트워크 구축 등 주파수 공동사용 기반의 공공분야 서비스 추진방안에 대해 소개한 바 있다.

가설 설정

그림 10의 시나리오에서 군 전술 통신망 연계 무선기기는 고정 또는 이동 형태의 차량에 탑재된 스펙트럼 관리 센터와의 접속을 통하여 동적 스펙트럼 접속 과정을 수행하게 된다. 군 전술 통신망 커버리지 영역 내에서의 스펙트럼 센싱은 개별 무선기기를 비롯하여 드론 및 별도의 센싱 노드에서 독립적으로 수행된다고 가정하였다. 각각의 센싱 정보들은 주기적으로 스펙트럼 관리센터에 구축되어 있는 통합 정책엔진 내 ‘Advanced Geolocation DB’의 로컬 REM(Radio Environment Map)에 저장되게 된다.
본 평가항목은 유럽의 LSA 기반 주파수 공동사용 체계에서 준 면허권자인 LSA 면허권자 관점에서의 배타적 이용정도를 가정하였다. 즉, LSA 면허권자에게 할당된 공동사용 채널에 대해 완전한 배타적 이용이 가능할 경우 최고 기준으로 설정하였으며, 배타적 사용 정도는 도심 네트워크 혼잡지역 및 최대 트래픽 이용 시간대에서의 공동사용 대역에 대한 사용 가능성을 별도의 세부 기준으로 부여할 수 있다.

제안 방법

특히 국내 전파법 개정으로 군 주파수 사용연한이 10년으로 제한되어 있으므로 10년 이상 공동사용 채널 사용이 가능한 ‘Priority 면허권’ 계약 체결이 이루어질 경우를 최고 기준으로 설정하였다. 10년 이하의 공동사용 계약기간이 체결될 경우, 안정적인 무기체계 통신망 운용 기간 확보가 어려우므로 순차적 감점을 부여하는 방식으로 평가기준을 설정하였다.
또한, 저비용 무선센서들과 연동될 수 있는 네트워크 형성이 가능해야 하며, 개별 노드의 불량 발생 시 전체 네트워크의 운용 불가 가능성을 상쇄하기 위한 적응적인 네트워크 계층 형성이 가능해야 한다고 명시하였다. 기본적으로는 다채널 이용 및 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 형태를 수용하며, 링크 outage 동안에는 데이터 패킷 저장 기능이 필요함을 제시하였다.
본 논문은 주파수 공동사용 후보채널 선택방안을 통하여 군 전술 통신 무선기기의 고품질 가용채널 확보와 함께 개별 무선기기 간 상호공존 및 무선자원 최적화를 통하여 요구 QoS 확보가 가능한 인지엔진 플랫폼 구조를 제안하였다. 또한, 기존 미국의 XG 및 WNaN 프로그램 연구개발 추진내용, 다양한 인지엔진 관련 추진 현황을 파악하였으며, 이를 통하여 최신 트랜드를 고려한 인지엔진 플랫폼 구조와 운용체계를 제안하였다. 향후 인지엔진 플랫폼의 성능 개선을 위해서는 무선기기의 이동성으로 인한 ‘Doppler Spread’ 영향, 작전환경의 지형특성 및 댁내외 환경에 따른 ‘Delay Spread’ 및 'Multipath' 영향 등 통신망 품질에 지대한 영향을 끼칠 수 있는 다양한 요인분석이 필요하다.
본 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼 구조는 전술환경에서 존재 가능한 다양한 센싱 기기의 통합적 연계를 통하여 주변 전파환경 정보의 정확성 향상을 추구하였다. 또한, 기존 인지엔진에는 존재하지 않는 별도의 주파수 공동사용 체계 및 민군주파수 정책 DB와의 통합연계를 통하여 신뢰성 있는 민군 주파수 공유체계 기반을 확보하였다. 이를 통하여 전술환경 운용 주파수 대역에 대한 정확한 REM 형성이 가능하며, 주파수 공동사용 관리 DB와의 연동을 통하여 전술환경에서의 추가 유휴 주파수 확보가 가능한 구조를 제안하였다.
본 논문에서 제안한 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼은 기존 버지니아 공대 및 DARPA에서 제안된 인지엔진에서 발생될 수 있는 과도한 계산량 및 처리 복잡도, 스펙트럼 센싱 기술만을 이용한 주파수 공존 결과의 신뢰성 미흡, 추가 주파수 활용의 부족함을 보완한 새로운 개념의 플랫폼 구조이다. 본 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼 구조는 전술환경에서 존재 가능한 다양한 센싱 기기의 통합적 연계를 통하여 주변 전파환경 정보의 정확성 향상을 추구하였다.
5 GHz 대역에서의 주파수 공동사용을 위한 신규 연방규칙(CFR: Code of Federal Regulation)인 CFR Part 96을 발표하였다^[9]. 본 전파규칙에서는 지역별로 사용 중인 연방 주파수의 이용현황 및 주파수 공동사용 허용조건을 DB에 보관하며, 이를 기반으로 주파수 공동사용 가능 주파수의 범위 및 서비스 지역, 채널 할당의 핵심역할을 수행하는 SAS(Spectrum Access System) 구조를 소개하였다. SAS는 최상위의 공공 및 연방 사용자 접속계층인 ‘Incumbent Access(IA)’를 비롯하여 우선순위접속 사용자에 해당하는 ‘Priority Access(PA)’, 최하위 접속계층 사용자인 ‘General Authorized Access(GAA)’로 구성된 총 3계층의 주파수 공동사용 무선접속 프레임워크로 구성되어 있다.
본 정책기반 인지엔진 구성요소는 크게 ‘Policy language’, ‘on-node policy components’, ‘off-node policy components’로 이루어진 3가지 영역으로 분류하였다.
본 논문에서 제안한 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼은 기존 버지니아 공대 및 DARPA에서 제안된 인지엔진에서 발생될 수 있는 과도한 계산량 및 처리 복잡도, 스펙트럼 센싱 기술만을 이용한 주파수 공존 결과의 신뢰성 미흡, 추가 주파수 활용의 부족함을 보완한 새로운 개념의 플랫폼 구조이다. 본 주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼 구조는 전술환경에서 존재 가능한 다양한 센싱 기기의 통합적 연계를 통하여 주변 전파환경 정보의 정확성 향상을 추구하였다. 또한, 기존 인지엔진에는 존재하지 않는 별도의 주파수 공동사용 체계 및 민군주파수 정책 DB와의 통합연계를 통하여 신뢰성 있는 민군 주파수 공유체계 기반을 확보하였다.
본 평가항목에서는 1차 사용자의 동적인 특성 변화 정도와 주파수 공동사용을 위한 처리과정의 복잡도, 해당서비스 지역에 할당 된 주파수 공동사용의 면허 수를 고려하였다. 즉, 주파수 공동사용 대역의 최우선권자인 1차 사용자의 운영 유무가 시간 및 지역에 따라 동적으로 빈번하게 변화할 경우, ‘Priority 면허권자’는 지속적이며, 안정적인 통신망 운용을 유지하는 것이 불가능하다.
또한, 기존 인지엔진에는 존재하지 않는 별도의 주파수 공동사용 체계 및 민군주파수 정책 DB와의 통합연계를 통하여 신뢰성 있는 민군 주파수 공유체계 기반을 확보하였다. 이를 통하여 전술환경 운용 주파수 대역에 대한 정확한 REM 형성이 가능하며, 주파수 공동사용 관리 DB와의 연동을 통하여 전술환경에서의 추가 유휴 주파수 확보가 가능한 구조를 제안하였다. 특히 다국적 군으로 구성된 연합작전 수행환경을 고려할 경우, 글로벌 REM 탑재로 인해 해당 작전지역에서 운용 가능한 추가 주파수 확보 및 다국적 무기체계 무선망간 상호 호환성 확대가 가능할 것으로 판단된다.
특히 국내 전파법 개정으로 군 주파수 사용연한이 10년으로 제한되어 있으므로 10년 이상 공동사용 채널 사용이 가능한 ‘Priority 면허권’ 계약 체결이 이루어질 경우를 최고 기준으로 설정하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 주파수 공동사용 기반 인지엔진 구조는 통합 정책엔진 내부에 위치하는 학습엔진을 포함 하여 총 4개의 세부엔진과 주파수 공동사용 선택모듈, 진화형 위치정보 기반 데이터베이스(Advanced Geolocation DB) 등으로 구성하였다.
본 동적 스펙트럼 접속 시스템은 크게 ‘DSA Engine' 파트를 비롯하여 'Environmental Sensing', ‘Policy Module & Enforcer‘, 'Radio' 파트로 구성되어 있다.

이론/모형

본 실 환경 테스트에서는 총 6개의 실험노드를 구성하였으며, 각 노드는 2차 사용자 기반으로 운용된다고 설정하였다^[28],[29]. 또한, 본 테스트에서 사용된 동적 스펙트럼 접속 시스템은 SSC(Shared Spectrum Company)가 제안한 그림 8의 동적 스펙트럼 접속 시스템을 이용하여 진행되었다. 본 동적 스펙트럼 접속 시스템은 크게 ‘DSA Engine' 파트를 비롯하여 'Environmental Sensing', ‘Policy Module & Enforcer‘, 'Radio' 파트로 구성되어 있다.

성능/효과

2006년에는 첫 번째 실 환경 테스트를 진행한 바있으며, 이후 좀 더 고도화 된 동적 스펙트럼 접속 기술 확보를 위한 WNaN(Wireless Network after Next) 프로그램으로 변경되었다^[25]. WNaN의 요구조건으로는 엄격한 정책이 부여된 전술환경에서 군 전술 통신망의 적응이 가능해야 하며, 동적 스펙트럼 접속 방식으로 동작해야 함을 제시하였다. 또한, 저비용 무선센서들과 연동될 수 있는 네트워크 형성이 가능해야 하며, 개별 노드의 불량 발생 시 전체 네트워크의 운용 불가 가능성을 상쇄하기 위한 적응적인 네트워크 계층 형성이 가능해야 한다고 명시하였다.
주파수 공동사용 기반의 인지엔진 플랫폼에서의 정책 업데이터의 경우에는 과거 로컬 주파수 정책 정보에 대한 주기적 갱신을 통한 최신의 주파수 정책 적용이 가능하므로 무기체계 무선망의 신뢰성 확보가 가능할 것으로 판단되며, 정책 업데이터 내 ‘Timer’를 통하여 최적화 엔진 내에 탑재된 진화 알고리즘의 계산주기를 제한할 수있으므로 과도한 계산량으로 인한 무선기기의 동작지연을 사전에 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

또한 인지평가엔진 도입을 통하여 동종 및 이종망 간 더욱 신뢰성 있는 주파수 공유 및 공존 기준 확보가 가능하며, 학습엔진을 통하여 작전환경에서의 고정적 무선 인프라가 붕괴될 경우에도 ‘Case-Reasoning Repository’에 저장된 과거 주파수 정책 추론 정보를 활용하여 일정 수준의 주파수 공존 및 공유체계 확보와 더불어 주파수 공동 사용 면허 유효기간이 남아있는 추가 주파수의 할당이 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서 제안하는 주파수 공동사용 기반 군 전술 통신망 인지엔진은 추가 주파수 확보를 위하여 별도의 주파수 공동사용 사업자가 운영하는 주파수 공동사용 DB와 연동될 수 있다. 그림 12는 군 전술 통신망에서 주파수 공동사용 채널 적용을 위해 본 논문에서 제안하는 군 전술 통신망에 적합한 주파수 공동사용 후보채널 선정체계를 나타내고 있다^[32].
향후 인지엔진 플랫폼의 성능 개선을 위해서는 무선기기의 이동성으로 인한 ‘Doppler Spread’ 영향, 작전환경의 지형특성 및 댁내외 환경에 따른 ‘Delay Spread’ 및 'Multipath' 영향 등 통신망 품질에 지대한 영향을 끼칠 수 있는 다양한 요인분석이 필요하다. 이러한 분석 과정을 통하여 향후 통합 정책 엔진 내 로컬 및 캐쉬로컬 REM 저장 정보로 활용 가능하며, 학습엔진을 통하여 더욱 최적화 된 군 전술 통신망 구축이 가능할 것으로 판단된다.
. 이로 인해 추가 국방 주파수 획득 및 안정적 운용방안에 대한 연구가 시급히 필요한 실정이며, 이를 위해 네트워크 중심 작전 및 무기체계 통신망의 원활한 운용을 위하여 지능적인 주파수 획득 및 관리, 무기체계 무선망의 QoS(Quality of Service) 유지가 가능한 주파수 운용기술 연구가 필요한 시점이라 할 수 있다.
주파수 공동사용 관리 DB에서 제공될 수 있는 주파수대역은 국내의 경우, 추가 정책고려 사항 논의 및 요소 기술 개발이 필요할 것으로 판단되나, TVWS(TV White Space), 용도자유대역(free band) 등이 고려될 수 있을 것으로 예상된다.
이를 통하여 전술환경 운용 주파수 대역에 대한 정확한 REM 형성이 가능하며, 주파수 공동사용 관리 DB와의 연동을 통하여 전술환경에서의 추가 유휴 주파수 확보가 가능한 구조를 제안하였다. 특히 다국적 군으로 구성된 연합작전 수행환경을 고려할 경우, 글로벌 REM 탑재로 인해 해당 작전지역에서 운용 가능한 추가 주파수 확보 및 다국적 무기체계 무선망간 상호 호환성 확대가 가능할 것으로 판단된다.
주파수 공동사용은 주요 선진국을 중심으로 다양한 통신 서비스 분야에서의 주파수 수요 증가에 대해 유연한 대처가 가능함과 동시에 신규 주파수 발굴에 대한 부담이 적으며, 주파수 이용 효율성을 높일 수 있는 방안으로 고려되고 있다. 특히 주파수 공동사용 정책 도입 시, 가용 주파수 자원을 경제적으로 빠른 시간 내에 확보가 가능할 것으로 판단되며, 현재의 천문학적인 주파수 확보 비용 소모가 필요 없으므로 저비용의 군 주파수 활용 용도로 사용이 가능할 것으로 예측된다.
, 이는 기존에 소개된 다양한 인지엔진 및 알고리즘 중 주변 전파환경의 채널상태와 서비스 목적에 적합한 인지엔진을 선택적으로 사용하여 최적의 서비스를 운용할 수 있는 방안을 제시한 바 있다. 하지만 기존에 연구 중인 개별 인지엔진들의 계산량 및 복잡도 등을 고려하였을 때, 상용화 측면에서는 더욱 많은 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
향후 인지엔진 플랫폼의 성능 개선을 위해서는 무선기기의 이동성으로 인한 ‘Doppler Spread’ 영향, 작전환경의 지형특성 및 댁내외 환경에 따른 ‘Delay Spread’ 및 'Multipath' 영향 등 통신망 품질에 지대한 영향을 끼칠 수 있는 다양한 요인분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지금이 추가 국방 주파수 획득 및 안정적 운용방안에 대한 연구가 시급히 필요한 실정이며, 이를 위해 네트워크 중심 작전 및 무기체계 통신망의 원활한 운용을 위하여 지능적인 주파수 획득 및 관리, 무기체계 무선망의 QoS(Quality of Service) 유지가 가능한 주파수 운용기술 연구가 필요한 시점이라 할 수 있는 이유는 무엇인가?	군 주파수 이용 환경 변화 측면에서도 군 작전개념이 장비 간, 전술체계 간 상호연동성 및 양립성을 갖는 NCW (Network Centric Warfare) 개념으로 변화함에 따라 첨단 무기체계 도입에 따른 주파수 수요가 증가하고 있으며, 국내 전파법 개정으로 인해 군 주파수 사용연한이 10년으로 변경되었으므로 향후 안정적 운용이 가능한 추가주파수 확보가 더욱 절실한 실정이다[4]. 이로 인해 추가 국방 주파수 획득 및 안정적 운용방안에 대한 연구가 시급히 필요한 실정이며, 이를 위해 네트워크 중심 작전 및 무기체계 통신망의 원활한 운용을 위하여 지능적인 주파수 획득 및 관리, 무기체계 무선망의 QoS(Quality of Service) 유지가 가능한 주파수 운용기술 연구가 필요한 시점이라 할 수 있다.
	'무선 광대역 혁명의 추진'을 주장한 인물은?	2012년 7월에는 대통령 직속 과학기술자문위원회인 PCAST(President's Council of Advisors on Sicence and Technology) 가 오바마 대통령의 ‘무선 광대역 혁명의 추진’의지에 부합하여 주파수 사용의 기본은 독점이 아닌 공유라는 결론에 도달한 대통령 보고서를 제출하였다[8]. 본보고서는 기존 주파수 회수 및 재배치 방식의 문제점을 해결하기 위한 근본적인 방안으로 주파수 공동사용의 도입을 적극적으로 제안한 바 있다.
	민/군 분야의 주파수 수요가 폭발적으로 증가한 배경은?	고용량 무선 트래픽을 요구하는 5G 융복합 무선망으로의 진화, 군 전술 무기체계의 첨단화 및 다양화로 인해 민/군 분야의 주파수 수요는 폭발적으로 증가하고 있으며, 추가 주파수 획득 환경은 점차 어려워지고 있다. 최근 발표된 국내 총 무선 데이터 트래픽 총계에 따르면, 2015년 7월 기준으로 국내 총 무선 트래픽 사용량은 163,080 TB(TeraByte)에 이르며, 2012년 7월부터 매월 평균 93,686 TB 정도의 트래픽 사용량이 증가하고 있음을 파악할 수 있다[1].

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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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군 전술 통신에서의 주파수 공동사용 기반 인지엔진 플랫폼 연구
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