[논문]무인기 활용 공중통신망 발전방향 및 효과도 분석

서난솔; 이재문; 최재영; 이융

문제 정의

KAIST와 국방과학연구소에서는 앞 서 시뮬레이션을 통해 확인한 공중통신망의 효과도를 무인기와 통신용량 측면에서 scaled-down하여 실환경 테스트베드 구축을 통해 검증하고, 별도의 응용으로써 소형무인기의 대규모 군집비행을 활용한 공중 Adhoc 통신망의 실효성을 확인하는 목적의 연구를 수행하였다. 집단군집 소형무인기 통신망의 전반적인 시스템 구조는 지상관제서버(GCS, Ground Control Server)로부터 다수의 군집 무인기가 임무 수신 후 중앙 또는 분산 알고리즘에 의해 세부임무 할당계획을 세우고 이에 따라 공통의 목적 달성을 위해 각 무인기가 최적의 행동을 취하는 구조로 도출되었으며, 최종적으로 테스트베드를 통해 이에 대한 실환경 검증시험을 수행하였다.
현재 지상/위성 중심의 군통신망 구조의 한계를 극복하고 다가오는 NCW환경에서의 통합통신망 구현을 위해서는 공중계층에서의 무인기를 활용한 공중통신망 구현이 선택이 아닌 필수라 할 수 있다. 본 기고문에서는 공중통신망의 운용적, 기술적 관점의 필요성을 제시하고 고고도 무인기부터 소형 군집드론까지 다양한 무인기 플랫폼을 활용한 공중통신망 구축 시 각각에 대한 구체적 방안과 이에 따른 통신관점에서의 효과도 분석을 시뮬레이션 또는 실테스트베드 구축을 통해 수행한 연구를 소개하였다.
위성통신망은 지상통신망에 비해 이동성의 제약으로부터는 다소 자유로우나 통신소요대비 용량이 제한적이고, 궤도/주파수 노출에 따른 재밍 가능성이 상시 존재하며, 상대적으로 큰 단말크기(안테나 포함)는 역시 이동성에 약점으로 다가온다. 본 기고문에서는 이러한 기존 통신망의 한계를 극복하기 위한 대안으로서의 무인기를 활용한 공중통신중계의 개념과 그 실현을 위해 깊게 고민해야하는 플랫폼 측면, 기술적 측면의 이슈에 대해 소개하고자 한다.

가설 설정

먼저 TICN 배치 환경에서 무인기 중계에 따른 효과도분석에 앞서 일반적인 단일노드모델환경에서 공중중계에 따른 분석을 수행하였다. 단일노드의 물리계층, 데이터링크계층의 규격은 IEEE802.11을 가정하였다.

제안 방법

공중지상 통합통신망 효과도 분석을 위해 와 같은 토폴로지에서 OPNET을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 공중노드의 통신장비는 지상의 TICN구성장비와 연동이 되면서 사용자 정보교환요구(IER, Information Exchange Requirement)를 충족하거나 미래의 예상되는 요구수준을 반영한 가상의 성능규격을 정의하여 적용하였다.
공중통신중계에 대한 효과도 분석의 지표로써 전송성공률과 패킷전달의 적시성을 고려하였다. <그림 10>은 망구조에 따른 전송성공률을 나타내고 있다.
<그림 6>과 같이 한반도 산악지형 환경에서 10km2 내 10개 노드를 무작위 배치하여 1km 고도에서 1개의 공중중계노드가 있는 경우와 없는 경우에 대해 분석하였다. 공중중계노드 미보유시 노드 간 연결성은 약40%수준이며, 총네트워크 용량의 29%의 사용률을 보였다.
관제서버와 무인기 또는 무인기간 통신을 위해 탑재된 SBC는 Ad-hoc 네트워크 구성을 위해 Linux OS에서 기본적으로 제공되는 Iw 명령어 (무선 네트워크 컨트롤 명령어)를 조합한 Script를 구성하였다. 해당 Script 내에는 Ad-hoc 네트워크에서의 라우팅을 위한 B.
군에서는 TICN이나 군위성-II에서는 군단 단위로 AS (Autonomous System)를 구분하고 있으며 타군단으로 트래픽을 전송할 경우 BGP 라우팅 프로토콜을 적용하고 있다. 따라서 우주/공중 기반 기동통신망에서도 HABN간에는 BGP 라우팅 프로토콜을 적용하였다.
또한 미국의 JALN(Join Aerial Layer Network)의 HCB(High Capacity Backbone)과 같이 군단급 이상의 무인기를 이용하여 공중백본링크를 구성하게 될 경우 현재 군단급 무인기의 1차링크로 사용중인 CDL(Common Data Link)의 적용을 검토해볼 수 있다. 단 3차원 공간상의 중계를 위해 무인기당 최소 3개 이상의 송수신 링크확보가 필요함에 따라 탑재성을 고려한 송수신 단말, 안테나 개발이 필요하다.
먼저 TICN 배치 환경에서 무인기 중계에 따른 효과도분석에 앞서 일반적인 단일노드모델환경에서 공중중계에 따른 분석을 수행하였다. 단일노드의 물리계층, 데이터링크계층의 규격은 IEEE802.
무인기 테스트베드는 <그림 15>와 같이 크게 무인기와 통신장비의 두 가지 모듈로 구성 되어있다. 본 테스트베드에서는 다수의 군집무인기를 하나의 관제서버를 통해 제어해야 하므로 일반적인 Point-to-Point 방식의 상용 무인기 제어시스템을 활용하지 않고, 무인기에 추가적인 통신 모듈(Single Board Computer+RF transceiver)을 탑재한 후 무인기 FCS(Flight Consrol System)와의 연동을 통해 다수 무인기의 단일 시스템 제어가 가능하도록 구축하였다. 무인기로는 On-board SDK가 제공되는 DJI사의 Matrice100을 이용하였다.
앞서의 연구결과를 바탕으로 국방과학연구소에서 수행한 “우주/공중기반 기동통신망 개발가능성 연구(14~16)”에서는 TMMR 등 지상노드의 규격을 현실화하고, 무인기 구분(저고도/중고도)에 따른 공중중계노드를 모델링하여 그에 따른 효과도 분석을 수행하였다.
공중중계노드 보유시 약90%이상의 연결성과 99%의 네트워크 부하를 확인하였으며, 부하의 40%는 공중중계노드에 집중되었다. 연결성 측면에서 예상대로 공중중계활용 시 획기적인 성능개선이 있었지만 일반적인 라우팅 프로토콜사용 시 지상링크 대비 채널품질이 좋은 공중링크에 부하가 쏠림에 따라 정보유통량을 변화시키면서 전송성공률과 지연시간에 대한 분석을 추가로 수행하였다.
<그림 12>의 좌측과 같이 한반도 산악지형으로 인해 지상통신망을 통한 제대간 연결성이 확보되지 않는 상황에서 무인기를 통한 공중중계시 음영지역을 최소화하기 위한 무인기 최적배치 시험을 수행하였다. 통신거리에 따라 드론의 이동거리가 제한되므로 공중에서의 멀티홉 구성을 통해 최대통달거리 달성하면서 지상노드와의 연결성을 확보하기 위한 노드배치가 수행되었고, 무인기 체공시간이 제약조건으로 설정되어 일부 무인기가 체공시간 안에 목적지에 도착할 수 없는 경우 목적지 근처에 있는 다른 드론을 드론 간 자율판단에 의한 통신을 통해 이륙시킨 후 드론군집에 포함시켜 전체 임무 수행을 달성하는 과정을 실환경 시험을 통해 확인하였다.
KAIST와 국방과학연구소에서는 앞 서 시뮬레이션을 통해 확인한 공중통신망의 효과도를 무인기와 통신용량 측면에서 scaled-down하여 실환경 테스트베드 구축을 통해 검증하고, 별도의 응용으로써 소형무인기의 대규모 군집비행을 활용한 공중 Adhoc 통신망의 실효성을 확인하는 목적의 연구를 수행하였다. 집단군집 소형무인기 통신망의 전반적인 시스템 구조는 지상관제서버(GCS, Ground Control Server)로부터 다수의 군집 무인기가 임무 수신 후 중앙 또는 분산 알고리즘에 의해 세부임무 할당계획을 세우고 이에 따라 공통의 목적 달성을 위해 각 무인기가 최적의 행동을 취하는 구조로 도출되었으며, 최종적으로 테스트베드를 통해 이에 대한 실환경 검증시험을 수행하였다.
최적배치가 이루어진 상태에서 와 같이 특정 노드에서 동영상 전송 등 과도한 부하가 발생한 경우 부하 분산을 위한 토폴로지 변경을 단순 논리적인 라우팅 변경이 아닌 중계 무인기의 물리적 이동을 통한 주파수 공간적 재사용을 고려하는 배치되는 과정을 수행하였다.
<그림 12>의 좌측과 같이 한반도 산악지형으로 인해 지상통신망을 통한 제대간 연결성이 확보되지 않는 상황에서 무인기를 통한 공중중계시 음영지역을 최소화하기 위한 무인기 최적배치 시험을 수행하였다. 통신거리에 따라 드론의 이동거리가 제한되므로 공중에서의 멀티홉 구성을 통해 최대통달거리 달성하면서 지상노드와의 연결성을 확보하기 위한 노드배치가 수행되었고, 무인기 체공시간이 제약조건으로 설정되어 일부 무인기가 체공시간 안에 목적지에 도착할 수 없는 경우 목적지 근처에 있는 다른 드론을 드론 간 자율판단에 의한 통신을 통해 이륙시킨 후 드론군집에 포함시켜 전체 임무 수행을 달성하는 과정을 실환경 시험을 통해 확인하였다.

대상 데이터

N프로토콜이 포함되며 이는 Layer2에서의 라우팅을 위한 프로토콜이다. SBC에 장착되는 RF통신장비로는 SigFox와 LoRa와 같은 사물인터넷용(IoT, Internet of Things)통신장비 및 WiFi, LTE 등을 사용목적에 맞게 장착할 수 있으며, 해당 실험에서는 2.4GHz 또는 5GHz대역을 사용하는 WiFi (IEEE802.11ac) 모듈을 사용하였다.
본 테스트베드에서는 다수의 군집무인기를 하나의 관제서버를 통해 제어해야 하므로 일반적인 Point-to-Point 방식의 상용 무인기 제어시스템을 활용하지 않고, 무인기에 추가적인 통신 모듈(Single Board Computer+RF transceiver)을 탑재한 후 무인기 FCS(Flight Consrol System)와의 연동을 통해 다수 무인기의 단일 시스템 제어가 가능하도록 구축하였다. 무인기로는 On-board SDK가 제공되는 DJI사의 Matrice100을 이용하였다.

이론/모형

LAAN과 HABN사이의 링크 및 HABN과 지상노드단말 사이에서는 Interior Routing 알고리즘인 OSPF(Open Shortest Path First) 라우팅 프로토콜을 적용하였다. OSPF 프로토콜은 모든 링크의 상태를 주기적으로 교환하여 모든 라우터가 최적의 경로를 항상 유지하는 Proactive 방식의 라우팅 알고리즘으로 항상 라우팅 테이블이 유지되기 때문에 연결 지연이 낮은 장점을 가지고 있다.
마지막으로 HABN간에는 Exterior Routing 알고리즘인 BGP (Border Gateway Protocol) 라우팅 프로토콜을 적용하였다. 하나의 HABN은 군단 규모의 네트워크에서 통신을 제공하는 단말로 군단 단위로 배치될 것으로 예상된다.
공중지상 통합통신망 효과도 분석을 위해 <그림 9>와 같은 토폴로지에서 OPNET을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 공중노드의 통신장비는 지상의 TICN구성장비와 연동이 되면서 사용자 정보교환요구(IER, Information Exchange Requirement)를 충족하거나 미래의 예상되는 요구수준을 반영한 가상의 성능규격을 정의하여 적용하였다. 먼저 MANET 환경으로 구성되어 지상노드의 통신을 지원하는 LAAN의 접속 링크는 전술통신망에서 사용하는 AODV (Ad-Hoc On-demand Distance Vector) 라우팅 프로토콜을 적용하였다. AODV 라우팅 프로토콜은 전송할 패킷이 있을 경우에만 라우팅 테이블을 업데이트하여 불필요한 제어패킷 증가를 억제하는 On-demand 방식의 라우팅 프로토콜로써 라우팅 오버헤드를 감소시킬 수 있으나 트래픽이 발생한 시점에서 라우팅 경로를 탐색하기 때문에 연결 지연이 높은 단점을 가지고 있다.

성능/효과

<그림 6>과 같이 한반도 산악지형 환경에서 10km2 내 10개 노드를 무작위 배치하여 1km 고도에서 1개의 공중중계노드가 있는 경우와 없는 경우에 대해 분석하였다. 공중중계노드 미보유시 노드 간 연결성은 약40%수준이며, 총네트워크 용량의 29%의 사용률을 보였다. 공중중계노드 보유시 약90%이상의 연결성과 99%의 네트워크 부하를 확인하였으며, 부하의 40%는 공중중계노드에 집중되었다.
공중중계노드 미보유시 노드 간 연결성은 약40%수준이며, 총네트워크 용량의 29%의 사용률을 보였다. 공중중계노드 보유시 약90%이상의 연결성과 99%의 네트워크 부하를 확인하였으며, 부하의 40%는 공중중계노드에 집중되었다. 연결성 측면에서 예상대로 공중중계활용 시 획기적인 성능개선이 있었지만 일반적인 라우팅 프로토콜사용 시 지상링크 대비 채널품질이 좋은 공중링크에 부하가 쏠림에 따라 정보유통량을 변화시키면서 전송성공률과 지연시간에 대한 분석을 추가로 수행하였다.
공중통신망이 있는 시나리오의 경우 위성망의 유무와 상관없이 현재 IER의 300%까지는 전송성공률을 고려한 적시성 만족률이 100%에 가깝게 측정되었으나 600%로트래픽 부하가 증가할 경우 80%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 HABN으로 연결된 링크 중 일부 링크로 전달되는 트래픽이 많아 병목현상이 발생하기 때문이다.
그러나 네트워크 부하가 증가할 경우 과 같이 공중 중계기를 사용할 때 처리량이 감소하고 종단 지연 및 접속 지연이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
분석 결과 <그림 7>과 같이 네트워크 부하가 낮을 경우 연결성 분석과 유사하게 공중 중계기를 사용하는 경우 전송 성공률의 측면에서 공중중계기의 이점을 확인할 수 있었다. 또한, 트래픽의 목적지가 랜덤일 경우가 그렇지 않을 경우에 비해 더 우수한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 네트워크 부하가 증가할 경우 <표 1>과 같이 공중 중계기를 사용할 때 처리량이 감소하고 종단 지연 및 접속 지연이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
지상 무선통신의 통달거리 제약을 극복하고 작전지역확장을 위한 해결책으로서의 무인기를 활용한 공중통신중계는 운용적 측면과 기술적 측면에서 다음과 같은 이점을 가진다. 먼저 운용적 측면을 살펴보면 무인기라는 플랫폼 특성상 고속 전개 및 지형에 구애받지 않는 중계위치확보가 가능하며, 무엇보다 무인운용에 따른 아군의 생존성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 무인기 플랫폼 종류에 맞는 적절한 통신장비 선택 및 무인기 체공시간을 고려함으로써 목적에 맞는 네트워크 구성(대용량/소용량 링크, 상시/임시 운용)이 가능함에 따라 탄력적 임무수행이 가능해진다.
TICN망의 경우 전송성공률을 고려한 적시성 만족률은 현재 IER의 300%인 150Mbps이내에서는 66%를 만족하였으나 현재 IER의 600%인 300 Mbps에서는 종단간 전송 지연의 증가로 인해 44%까지 감소하였다. 반면 TICN망과 위성망이 공존하는 환경의 경우 현재 IER 수준의 트래픽 부하에서는 전송성공률을 고려한 적시성 만족률이 100% 였으나 트래픽 부하가 증가함에 따라 선형으로 감소하는 것으로 측정되었다. 이는 위성망에서 병목현상이 발생하기 때문이다.
분석 결과 과 같이 네트워크 부하가 낮을 경우 연결성 분석과 유사하게 공중 중계기를 사용하는 경우 전송 성공률의 측면에서 공중중계기의 이점을 확인할 수 있었다.
이는 공중 중계기를 사용할 때 충돌이 빈번하게 발생하여 재전송 횟수가 늘어나기 때문이며 충돌 발생의 주요 원인은 공중 중계기에서 병목 현상이 발생하기 때문이다. 특히, 목적지가 하나일 경우 병목점이 공중중계기와 수신단말에서 발생하여 그 이점이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 분산망 환경에서 공중 중계기를 사용할 경우 MAC(Medium Access Contro)계층에서의 효과적인 충돌 회피 기술, 공중 중계기 자원 할당 기술, 공중중계기 부하 분산 기술의 개발이 요구된다.

후속연구

계속 감소하는 군인력과 AI기술의 급진적 발전과 더불어 한국군에서의 무인체계 활용은 대세이며 군통신망의무인화 역시 예외라 할 수 없다. 조속히 무인체계를 활용한 통신망 구축사업이 시작되어 현재의 유인 운용 군통신망과 무인체계 통신망 간의 통합은 물론 최종적으로 모든 통신체계가 자동으로 구축되고 운용되어 전장에서 우리의 고귀한 생명을 지킬 수 있는 그런 기술개발을 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인기를 활용한 공중통신중계의 이점은 무엇인가?	지상 무선통신의 통달거리 제약을 극복하고 작전지역확장을 위한 해결책으로서의 무인기를 활용한 공중통신중계는 운용적 측면과 기술적 측면에서 다음과 같은 이점을 가진다. 먼저 운용적 측면을 살펴보면 무인기라는 플랫폼 특성상 고속 전개 및 지형에 구애받지 않는 중계위치확보가 가능하며, 무엇보다 무인운용에 따른 아군의 생존성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 무인기 플랫폼 종류에 맞는 적절한 통신장비 선택 및 무인기 체공시간을 고려함으로써 목적에 맞는 네트워크 구성(대용량/소용량 링크, 상시/임시 운용)이 가능함에 따라 탄력적 임무수행이 가능해진다. 무인기 획득 및 유지보수비용 등이 문제로 제기될 수 있으나, 이는 점차 감소하는 병력추세와 이에 대응하기 위한 군자동화/과학화 흐름에 맞물려 진행이 가능할 것으로 판단된다.
	위성통신망의 장단점은 무엇인가?	따라서 “이동간통신(On The Move)”을 위한 통신망 구성 능력이 요구되나 산악지형이 많은 한반도 지형 특성상 무선통신의 통달거리 제약으로 인해 그 실현에는 많은 어려움이 있다. 위성통신망은 지상통신망에 비해 이동성의 제약으로부터는 다소 자유로우나 통신소요대비 용량이 제한적이고, 궤도/주파수 노출에 따른 재밍 가능성이 상시 존재하며, 상대적으로 큰 단말크기(안테나 포함)는 역시 이동성에 약점으로 다가온다. 본 기고문에서는 이러한 기존 통신망의 한계를 극복하기 위한 대안으로서의 무인기를 활용한 공중통신중계의 개념과 그 실현을 위해 깊게 고민해야하는 플랫폼 측면, 기술적 측면의 이슈에 대해 소개하고자 한다.
	군통신망의 특징은 무엇인가?	현재 군통신망은 무선통신 위주의 지상통신망과 원거리 작전수행을 위한 위성통신망으로 구성되어 있다. 유선기지국 기반의 상용 이동통신망과는 달리 군통신망은 전투전력의 이동전개시 통신망 지원을 위해 간선링크에서 접속링크까지 환경에 맞게 새로이 구성해야하며, 현재 “이동 후 설치(At The Halt)”의 개념으로는 전력의 이동속도를 따라가기 어려운 실정이다. 따라서 “이동간통신(On The Move)”을 위한 통신망 구성 능력이 요구되나 산악지형이 많은 한반도 지형 특성상 무선통신의 통달거리 제약으로 인해 그 실현에는 많은 어려움이 있다.

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