전장의 환경이 네트워크 중심전으로 빠르게 변화함에 따라 신속하고 정확한 상황인식을 하기 위해 전술데이터 링크의 필요성이 부각되고 있다. 현재 한국군에서는 Link-16을 전투기에 탑재하여 공중 작전을 수행하고 있으며, Link-16은 멀티넷 구조를 지원함으로써 동시에 다양한 작전 수행이 가능한 장점이 있다. 주파수 자원의 부족으로 인해 다른 체계와 주파수를 공동사용 하는 방안이 연구되고 있으며 레이더가 사용하는 L-대역이 후보 대역 중 하나로 고려되고 있다. 하지만 우리나라의 L-대역은 군사용 장거리 탐지 레이더에 할당되어 있어 주파수를 공동사용하여 전술데이터링크를 운용할 경우 서로 간 간섭에 의한 영향을 받을 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 L-대역 내에서 레이더와 Link-16과 같은 전술데이터링크가 공동사용 하는 경우 전술데이터링크의 운용 가능성을 평가하였다.
전장의 환경이 네트워크 중심전으로 빠르게 변화함에 따라 신속하고 정확한 상황인식을 하기 위해 전술데이터 링크의 필요성이 부각되고 있다. 현재 한국군에서는 Link-16을 전투기에 탑재하여 공중 작전을 수행하고 있으며, Link-16은 멀티넷 구조를 지원함으로써 동시에 다양한 작전 수행이 가능한 장점이 있다. 주파수 자원의 부족으로 인해 다른 체계와 주파수를 공동사용 하는 방안이 연구되고 있으며 레이더가 사용하는 L-대역이 후보 대역 중 하나로 고려되고 있다. 하지만 우리나라의 L-대역은 군사용 장거리 탐지 레이더에 할당되어 있어 주파수를 공동사용하여 전술데이터링크를 운용할 경우 서로 간 간섭에 의한 영향을 받을 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 L-대역 내에서 레이더와 Link-16과 같은 전술데이터링크가 공동사용 하는 경우 전술데이터링크의 운용 가능성을 평가하였다.
As the trend of future war has been changed to network centric warfare, tactical data link should be needed for fast and accurate situation awareness. Nowadays, Korean air force conducts military operations by using aircrafts equipped with Link-16. The Link-16 can conduct multiple mission at the sam...
As the trend of future war has been changed to network centric warfare, tactical data link should be needed for fast and accurate situation awareness. Nowadays, Korean air force conducts military operations by using aircrafts equipped with Link-16. The Link-16 can conduct multiple mission at the same time because it supports multi-net capability. Due to lack of frequency resource, the way to share the frequency with other systems has been studied and using L band with radar is considered as one of the candidates bands. However, the data link can be affected by the interference from radars when it shares the L-band because the L-band in Korea is already assigned to long-range detection radars. In this paper, we evaluate operational possibilities of tactical data link in the L-band based on Link-16.
As the trend of future war has been changed to network centric warfare, tactical data link should be needed for fast and accurate situation awareness. Nowadays, Korean air force conducts military operations by using aircrafts equipped with Link-16. The Link-16 can conduct multiple mission at the same time because it supports multi-net capability. Due to lack of frequency resource, the way to share the frequency with other systems has been studied and using L band with radar is considered as one of the candidates bands. However, the data link can be affected by the interference from radars when it shares the L-band because the L-band in Korea is already assigned to long-range detection radars. In this paper, we evaluate operational possibilities of tactical data link in the L-band based on Link-16.
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문제 정의
또한 L-대역에서 AN/FPS-117외에도 다양한 종류의 레이더가 운용 중에 있어 모든 체계로부터의 간섭을 고려하는데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 AN/FPS-117의 공개된 사양을 이용해 수학적으로 모델링 하여 간섭의 영향에 따른 전술데이터링크의 운용성을 평가하였다. 모델링에서는 최악의 상황(Worst case)를 고려하기 위해 단말이 레이더의 영향을 받는 구간에서 수신한 모든 데이터를 손실하는 것으로 간주하였다.
이에 따라 미국에서는 항공 시스템과 같은 대역에서 운용되고 있는 Link-16의 주파수를 재할당할 예정이며[6], 주파수 재할당 또는 공동사용 시 기존 체계에 미치는 영향과 통신 가능성 등을 평가하기 위한 연구가 진행되기도 하였다[7,8]. 본 논문에서는 기존 레이더 탐지 체계가 사용 중인 L-대역을 Link-16과 공동사용 하는 환경에서 Link-16의 작전 수행을 위해 요구되는 멀티넷 성능을 평가함으로써 L-대역에서 Link-16의 운용 가능성을 검증하였다.
장거리 대공 감시 레이더는 주로 높은 고지에 설치하여 장거리 고공 표적을 탐지하고 표적의 정보를 우군지휘/통제 체계에 전파하는 역할을 수행한다. 본 논문에서는 대표적인 대공 감시 레이더인 AN/FPS-117 레이더의 기본적인 제원과 특징을 고려하여 레이더를 모델링 한다. AN/FPS-117은 L-대역인 1,215-1,400 MHz 대역을 사용하며 능동위상배열 방식(AESA : Active Electronically Scanned Array)을 사용한다.
이에 따라 기존 체계들의 주파수를 회수하여 재할당하거나 기존 체계와의 주파수 공동사용을 통해 재활용하고자 하는 시도들이 진행되고 있다. 본 논문에서는 레이더 체계가 현재 사용 중인 L-대역을 전술데이터링크와 공동사용 하는 경우 전술데이터링크의 운용 가능성을 평가하고자 한다. 전술데이터링크는 현재 널리 사용 중인 Link-16을 기반으로 하였으며, 본 장에서는 Link-16의 특징과 L-대역에서 사용 중인 레이더 모델에 대해 설명한다.
주파수 대역의 포화로 인해 이미 사용 중인 체계의 주파수를 공동사용 하여 사용하는 방안이 고려되고 있다. 본 논문에서는 레이더가 운용 중인 L-대역에서 Link-16과 같은 전술데이터링크와 공동사용 하는 경우 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위해 레이더 간섭 모델링을 하였으며 레이더 간섭 환경에서 Link-16의 멀티넷 성능 평가를 통해 Link-16의 운용 가능성을 평가하였다.
가설 설정
주파수 대역을 도약하면서 데이터를 송신하는 Link-16 단말이 레이더로부터 간섭을 받게 될 확률은 다음과 같이 구할 수 있다. 간섭 확률 모델링에서 하나의 레이더는 Link-16의 전체 주파수 채널 중 서로 다른 한 개의 채널을 사용하며, 모든 레이더의 시각은 정확하게 동기화되어 있어 동일한 시간 동안 Link-16 단말에 간섭을 준다고 가정하였다.
5 kW로 설정하였으며, 레이더와 Link-16 단말과의 거리는 200 km로 설정하였다. 레이더의 주파수 대역은 Link-16과 동일한 3MHz로 가정하였다.
제안 방법
L-대역 내 레이더 공존 환경에서 Link-16의 멀티넷 성능 평가를 위해 MATLAB을 기반으로 모의실험을 수행하였다. 레이더의 모의실험 변수는 현재 한국군에서 운용 중인 FPS-117 레이더의 제원들을 참조하였으며 표 1과 같다.
표 3은 Link-16을 통해 동시 다중 작전을 수행할 때 필요한 최소한의 멀티넷의 수가 10개라고 가정하였을 때, 10개의 멀티넷을 운용할 수 있는 환경을 나타내고 있다. Link-16의 총 채널수는 40 또는 50개가 운용되는 환경을 고려하여 각각 운용하는 레이더의 수에 따른 최소 멀티넷 성능을 확인하였다.
두 번째 모의실험에서는 레이더와 Link-16이 주파수 대역을 공동사용 하여 사용하는 경우 Link-16의 운용 채널 수에 따른 멀티넷 성능을 비교하였다. 그림 8은 운용하는 레이더의 수를 10기로 고정하고 Link-16의 전체 채널수를 10, 20, 30, 40, 50개로 증가시켰을 때 멀티넷 성능을 비교한 결과이다.
5로 설정하여 자유공간에서 가시선 신호에 비해 경로 손실로 인한 감쇠가 더 커지도록 하였다[9]. 또한 지상에서 반사된 신호의 경우 가시선 신호에 비해 더 긴 경로를 지나기 때문에 전송 지연 시간만큼 지연시켜 중첩 수신되도록 하였다. Link-16의 멀티넷 소속 단말의 거리 분포는 기본 송신 단말과 수신 단말 간의 거리를 200km로 설정하였으며 MAI를 유발하는 단말과 기본 수신 단말 간의 거리는 10km로 설정하여 최악의 경우를 고려하였다[13].
GT(θ)와 GR은 각각 레이더와 Link-16 단말의 안테나 이득을 나타낸다. 레이더의 안테나 이득은 레이더와 Link-16 단말 사이의 각도에 따라 값이 달라질 수 있지만, 각도와 관계없이 최대 이득을 갖는 최악의 경우를 고려하였다.
따라서 본 논문에서는 AN/FPS-117의 공개된 사양을 이용해 수학적으로 모델링 하여 간섭의 영향에 따른 전술데이터링크의 운용성을 평가하였다. 모델링에서는 최악의 상황(Worst case)를 고려하기 위해 단말이 레이더의 영향을 받는 구간에서 수신한 모든 데이터를 손실하는 것으로 간주하였다.
레이더는 자신에게 할당된 대역에서 지속적으로 임무를 수행하고 있으므로 Link-16 단말이 레이더가 사용하고 있는 채널에 주파수 도약을 하여 송신하는 경우 충돌이 발생한다. 이는 부분 대역 잡음 재밍과 유사한 형태이므로 본 논문에서는 레이더에 의한 간섭 영향을 부분 대역 잡음 재밍과 유사하게 모델링하였다. 레이더의 간섭을 받을 때 Link-16의 칩 에러 확률은 수식 (6)과 같으며, 그림 5는 레이더가 Link-16 단말에 간섭을 주는 모습을 나타낸다.
본 논문에서는 레이더가 운용 중인 L-대역에서 Link-16과 같은 전술데이터링크와 공동사용 하는 경우 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위해 레이더 간섭 모델링을 하였으며 레이더 간섭 환경에서 Link-16의 멀티넷 성능 평가를 통해 Link-16의 운용 가능성을 평가하였다. 레이더와 주파수를 공동사용 하는 환경에서 Link-16 단말은 다른 넷의 단말로부터 발생하는 MAI 뿐만 아니라 레이더의 간섭 영향으로 인해 멀티넷 성능이 저하된다.
그림 9는 Link-16이 사용하는 채널의 수와 운용하는 레이더의 채널 점유율에 따른 Link-16의 멀티넷 성능을 비교한 결과이다. 이를 통해 Link-16이 사용하는 전체 채널 수에 따라 레이더의 채널 점유율이 다를 때 멀티넷 성능 변화를 확인하였다. 채널 점유율은 운용하는 레이더의 수에 Link-16이 사용하는 채널을 나누어 ρ로 나타냈다.
첫 번째 모의실험에서는 레이더 수에 따른 Link-16의 멀티넷 성능을 비교하였다. 모의실험에서는 Link-16의 전체 채널 수를 50개로 고정하고 각 단말이 전체 대역에서 임의 도약하도록 하였으며, 송신 메시지의 99% 가 정상적으로 수신되는 경우 멀티넷이 운용 가능한 것으로 판정하였다.
대상 데이터
채널 점유율은 운용하는 레이더의 수에 Link-16이 사용하는 채널을 나누어 ρ로 나타냈다. Link-16이 사용하는 총 채널의 수는 50개와 10개를 고려하였으며, 채널비율은 0, 0.5, 1인 상황을 설정하였다.
레이더의 모의실험 변수는 현재 한국군에서 운용 중인 FPS-117 레이더의 제원들을 참조하였으며 표 1과 같다. 레이더는 분당 5회 전 방향으로 회전하면서 표적을 탐지하는 탐지 레이더를 고려하였으며, 듀티 사이클의 경우 10%로 설정하였다. FPS-117은 지향성 안테나를 사용하기 때문에 안테나 이득을 고려해야 한다.
L-대역 내 레이더 공존 환경에서 Link-16의 멀티넷 성능 평가를 위해 MATLAB을 기반으로 모의실험을 수행하였다. 레이더의 모의실험 변수는 현재 한국군에서 운용 중인 FPS-117 레이더의 제원들을 참조하였으며 표 1과 같다. 레이더는 분당 5회 전 방향으로 회전하면서 표적을 탐지하는 탐지 레이더를 고려하였으며, 듀티 사이클의 경우 10%로 설정하였다.
본 논문에서는 레이더 체계가 현재 사용 중인 L-대역을 전술데이터링크와 공동사용 하는 경우 전술데이터링크의 운용 가능성을 평가하고자 한다. 전술데이터링크는 현재 널리 사용 중인 Link-16을 기반으로 하였으며, 본 장에서는 Link-16의 특징과 L-대역에서 사용 중인 레이더 모델에 대해 설명한다.
이론/모형
본 논문에서는 대표적인 대공 감시 레이더인 AN/FPS-117 레이더의 기본적인 제원과 특징을 고려하여 레이더를 모델링 한다. AN/FPS-117은 L-대역인 1,215-1,400 MHz 대역을 사용하며 능동위상배열 방식(AESA : Active Electronically Scanned Array)을 사용한다. 또한 펜슬 빔을 사용하므로 수평 빔폭이 3.
Link-16에서 사용하는 송신기의 출력은 Link-16에서 사용하는 200 W로 설정하였으며, 채널 모델로는 Two-ray 채널 모델을 고려하였다[12]. Link-16 단말 간가시선 신호는 자유 공간 손실 모델을 통해 신호 세기를 감쇠시켰으며, 경로 손실 계수는 자유 공간에서 경로 손실 계수인 2로 설정하였다.
레이더가 방사한 펄스가 Link-16 단말에 수신되었을 때 신호의 세기를 구하기 위해 자유 공간 경로 손실 모델을 사용하였다. 자유 공간 경로 손실을 겪은 레이더 펄스는 Link-16 단말에 간섭으로 작용한다.
성능/효과
이는 운용 레이더의 수가 증가할수록 50개의 주파수 대역에서 임의 도약하는 Link-16 단말에게 주는 간섭이 증가하기 때문이다. 40개의 레이더가 운용될 때까지 Link-16은 멀티넷 운용 가능하지만 50개의 레이더가 운용되는 경우 단일넷 구성만 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
결과에서 확인할 수 있듯이 Link-16이 50개의 채널과 10개의 채널을 사용하였을 때 운용 가능한 멀티넷은 각각 13개와 2개 이하의 멀티넷을 운용 가능하지만 ρ가 증가할수록 운용 가능한 멀티넷의 수가 감소하여 ρ가 1일 경우 단일 채널에서만 운용 가능한 것을 확인할 수 있다.
결과에서 확인할 수 있듯이 Link-16이 운용 가능한 채널의 수가 많을수록 멀티넷 성능이 향상된다. 이는 Link-16이 전체 채널에서 랜덤 주파수 도약을 실시하기 때문에 사용 가능한 채널이 많을수록 주파수 도약을 통해 레이더로부터의 간섭을 회피할 수 있기 때문이다.
결과에서 확인할 수 있듯이 레이더가 존재하지 않는 환경에서 Link-16이 50개 채널과 40개 채널에서 10개 이상의 멀티넷을 운용할 수 있다. 하지만 레이더가 증가할수록 멀티넷 성능이 저하되며, 전체 채널이 40개일 경우는 2대의 레이더와 공동사용 하거나 전체 채널이 50개인 경우에는 14대의 레이더와 주파수를 공동사용 하게 되면 최소한의 멀티넷 성능을 만족하지 못하는 것을 알 수 있다.
첫 번째 모의실험에서는 레이더 수에 따른 Link-16의 멀티넷 성능을 비교하였다. 모의실험에서는 Link-16의 전체 채널 수를 50개로 고정하고 각 단말이 전체 대역에서 임의 도약하도록 하였으며, 송신 메시지의 99% 가 정상적으로 수신되는 경우 멀티넷이 운용 가능한 것으로 판정하였다.
결과에서 확인할 수 있듯이 Link-16이 50개의 채널과 10개의 채널을 사용하였을 때 운용 가능한 멀티넷은 각각 13개와 2개 이하의 멀티넷을 운용 가능하지만 ρ가 증가할수록 운용 가능한 멀티넷의 수가 감소하여 ρ가 1일 경우 단일 채널에서만 운용 가능한 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 레이더가 점유하고 있는 채널의 수보다 Link-16이 주파수 도약을 하는 채널의 수가 많아야 멀티넷을 운용하여 다양한 작전을 수행할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
Link-16 단말은 AWGN을 거쳐 신호가 수신되도록 하였다. 중심 주파수는 L-대역 내의 1.3 GHz로 설정하였으며 Link-16에서 99%의 메시지를 수신할 경우 멀티넷 운용이 가능하다고 판단하였다.
레이더와 주파수를 공동사용 하는 환경에서 Link-16 단말은 다른 넷의 단말로부터 발생하는 MAI 뿐만 아니라 레이더의 간섭 영향으로 인해 멀티넷 성능이 저하된다. 하지만 그 영향이 레이더가 전체 대역을 사용하지 않는 이상 크지 않기 때문에 주파수 대역의 공동사용 시에도 멀티넷을 통한 작전의 효율성을 유지할 수 있음을 확인하였다.
결과에서 확인할 수 있듯이 레이더가 존재하지 않는 환경에서 Link-16이 50개 채널과 40개 채널에서 10개 이상의 멀티넷을 운용할 수 있다. 하지만 레이더가 증가할수록 멀티넷 성능이 저하되며, 전체 채널이 40개일 경우는 2대의 레이더와 공동사용 하거나 전체 채널이 50개인 경우에는 14대의 레이더와 주파수를 공동사용 하게 되면 최소한의 멀티넷 성능을 만족하지 못하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Link-16은 무엇인가?
Link-16은 걸프전 이후에 미 국방부가 표준으로 채택하고 1996년부터 미국의 전 군에 배치되어 사용한 전술데이터링크로서 감시와 지휘, 통제(surveillance and command and control)정보를 다양한 지휘통제 시스템 및 무기체계 플랫폼과 교환함으로써 작전 효용성을 향상시키는 통신, 항법 및 식별 시스템이다[3]. 한국군 또한 전술데이터링크인 Link-16을 전투기에 탑재하여 공중 작전에 사용 중이다.
Link-16의 기본 통신 단위인 넷은 어떻게 구성되어 있나?
Link-16은 주파수 도약과 시분할 다중접속을 기반으로 하며, 시스템의 기본 통신 단위는 넷이다. 넷은 타임슬롯으로 구성되어 있으며 각각의 타임슬롯은 7.8125 ms 시간 간격으로 구성되어 있다. Link-16은 주파수 도약 패턴에 따라 128개의 넷을 정의하고 있으며 각각의 넷은 주파수 도약 패턴이 서로 다르기 때문에 동일한 타임슬롯에 다수의 넷이 존재할 수 있다.
Link-16의 장점은 무엇인가?
한국군 또한 전술데이터링크인 Link-16을 전투기에 탑재하여 공중 작전에 사용 중이다. Link-16은 멀티넷을 지원하기 때문에 다양한 작전을 동시에 수행할 수 있으며 빠른 주파수 도약을 통해 항재밍과 같은 대전 자전 능력을 보유하여 작전 지속 능력을 향상시킬 수 있다[4].
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