최근 다양한 분야에서 이슈가 되고 활용되는 드론 등을 포함한 무인기체계는 군사분야에서부터 시작되어 다양한 민간분야에서도 활발하게 연구 개발되고 있다. 최근 개발되는 다양한 형태의 무인기체계에서, 지상의 조종장치와 무인기간의 연결을 담당하는 통신체계를 데이터링크라고 한다. 특히, 군 분야의 무인기에서 획득된 감시/정찰용 영상정보 및 무인기의 상태정보를 실시간으로 지상으로 전송하기 위한 공용데이터링크는 특성상 통신의 안정성 확보를 우선으로 한다. 본 논문에서는 정찰용 무인기에서 사용되는 공용 데이터링크의 안정성 확보를 위한 디지털 변복조기의 소요규격을 파악하고, 해당 규격을 만족하기 위한 설계를 제안하였다. 설계된 시스템의 타당성은 구현된 시스템의 성능측정을 통하여 검증하였다.
최근 다양한 분야에서 이슈가 되고 활용되는 드론 등을 포함한 무인기체계는 군사분야에서부터 시작되어 다양한 민간분야에서도 활발하게 연구 개발되고 있다. 최근 개발되는 다양한 형태의 무인기체계에서, 지상의 조종장치와 무인기간의 연결을 담당하는 통신체계를 데이터링크라고 한다. 특히, 군 분야의 무인기에서 획득된 감시/정찰용 영상정보 및 무인기의 상태정보를 실시간으로 지상으로 전송하기 위한 공용데이터링크는 특성상 통신의 안정성 확보를 우선으로 한다. 본 논문에서는 정찰용 무인기에서 사용되는 공용 데이터링크의 안정성 확보를 위한 디지털 변복조기의 소요규격을 파악하고, 해당 규격을 만족하기 위한 설계를 제안하였다. 설계된 시스템의 타당성은 구현된 시스템의 성능측정을 통하여 검증하였다.
The UAV(Unmanned Aerial Vehicle) system, including the drone of a variety of fields, which has become an issue and utilized in various fields, has begun to develop in military fields and is actively developed in the commercial field. In various types of UAV systems, which have been developed recentl...
The UAV(Unmanned Aerial Vehicle) system, including the drone of a variety of fields, which has become an issue and utilized in various fields, has begun to develop in military fields and is actively developed in the commercial field. In various types of UAV systems, which have been developed recently, the communication system that is responsible for the connection between the ground control unit and the UAVs is called the data link. Especially, common data link used in military UAVs is required stability of communication to transmit surveillance and reconnaissance intelligence information and UAV's status. In this paper, the requirement for a modem was defined to secure the communication stability of the common data link used in surveillance UAVs. And, the design of the data link modem to satisfy applicable specifications was proposed. The proposed modem design was verified through the performance measurement of the implemented systems.
The UAV(Unmanned Aerial Vehicle) system, including the drone of a variety of fields, which has become an issue and utilized in various fields, has begun to develop in military fields and is actively developed in the commercial field. In various types of UAV systems, which have been developed recently, the communication system that is responsible for the connection between the ground control unit and the UAVs is called the data link. Especially, common data link used in military UAVs is required stability of communication to transmit surveillance and reconnaissance intelligence information and UAV's status. In this paper, the requirement for a modem was defined to secure the communication stability of the common data link used in surveillance UAVs. And, the design of the data link modem to satisfy applicable specifications was proposed. The proposed modem design was verified through the performance measurement of the implemented systems.
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문제 정의
본 논문에서는 앞서 언급한 00Mbps급 전송을 목표로 개발된 공용데이터링크의 송수신기 중 디지털 변복조기(이하 모뎀)의 설계를 제안하고 구현된 모뎀을 통한 최종 성능을 확인하였다.
본 연구에서는 감시정찰용 무인기에서 필요한 공용 데이터링크체계 중 국내에서 구현된 00Mbps급 전송율을 가지는 영상정보용 공용데이터링크에 적용된 모뎀의 구조설계 및 주요 수신부 성능을 살펴보았다.
이 후 무인기체계의 국내개발을 진행하면서, 대용량의 영상정보용 공용데이터링크에 대한 국산화의 필요성이 대두되었다. 이에 국내의 공용 데이터링크 기술 표준화를 목표로 공용 데이터링크를 개발하게 되었다. 국내에서는 이러한 공용데이터링크 장비로 최대 00Mbps급 전송이 가능한 공용데이터링크기술이 있으며, 미국 CDL 장비수준의 000Mbps 급 전송이 가능한 시스템을 개발 중이다[4].
제안 방법
구현된 모뎀을 이용한 BER 측정을 위하여 그림 10과 같이 장비 및 계측기를 구성하여 BER 측정을 실시하였다. 2개 모뎀의 송수신간에 인가한 AWGN 신호레벨을 변경하여 SNR 별로 BER을 확인하였다.
Matched Filter 에서는 샘플마다 기준 Preamble 신호와의 상관 값을 구하여, Peak Detector Matched Filter 출력 신호의 전력값을 Threshold 와 비교하여 Peak 신호를 검출 하여 신호의 수신 여부를 판정한다.
모뎀은 상향/하향의 송수신구조를 동일하게 적용하였으며, 전송속도를 가변 가능하도록 하여 상하향 전송속도를 대칭/비대칭으로 설정이 가능하도록 하였다. 가변 가능한 전송속도는 00Mbps ~ 000kbps 까지 가능하나, 본 논문에서는 최대 전송속도인 00Mbps에 중점을 두어 다루기로 한다.
구현된 모뎀을 이용한 BER 측정을 위하여 그림 10과 같이 장비 및 계측기를 구성하여 BER 측정을 실시하였다. 2개 모뎀의 송수신간에 인가한 AWGN 신호레벨을 변경하여 SNR 별로 BER을 확인하였다.
변조방식은 8PSK로 3bit의 정보를 하나의 심볼에 mapping 되도록 하였다. 맵핑된 정보는 Shaping Filter 또는 Pulse Shaping Filter를 거치는데, 이는 디지털 펄스 열을 대역이 제한된 파형으로 바꾸는 것으로 심볼간 간섭(ISI)을 방지하고, 대역폭을 제한하도록 하며, 일반적으로 많이 적용되는 SRRC(Squared Root Raised Cosine) Filter를 고려하였으며, roll-off Factor는 1.2 로 설정하였다.
모뎀 수신부의 동기부 및 복조부의 성능을 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. Signal Detection 성능은 그림 7의 그래프와 같다.
모뎀은 상향/하향의 송수신구조를 동일하게 적용하였으며, 전송속도를 가변 가능하도록 하여 상하향 전송속도를 대칭/비대칭으로 설정이 가능하도록 하였다. 가변 가능한 전송속도는 00Mbps ~ 000kbps 까지 가능하나, 본 논문에서는 최대 전송속도인 00Mbps에 중점을 두어 다루기로 한다.
변조방식은 8PSK로 3bit의 정보를 하나의 심볼에 mapping 되도록 하였다. 맵핑된 정보는 Shaping Filter 또는 Pulse Shaping Filter를 거치는데, 이는 디지털 펄스 열을 대역이 제한된 파형으로 바꾸는 것으로 심볼간 간섭(ISI)을 방지하고, 대역폭을 제한하도록 하며, 일반적으로 많이 적용되는 SRRC(Squared Root Raised Cosine) Filter를 고려하였으며, roll-off Factor는 1.
본 연구에서 00Mbps급 공용데이터링크는 상향(지상에서 비행체측으로 송신) / 하향(비행체에서 지상으로 송신)이 동시에 가능한 Full Duplex 구조이며 상향/하향에 각각 별도의 송수신 주파수를 할당하여 통신하는 FDD방식을 채택하였다.
채널코딩은 Outer-code로는 Burst Error에 강한 Block-Code 방식인 RS-Code(Read Solomon Code)를 Inner-Code로는 Radom부호에 강한 CC(Convolutional Code)를 적용하고, 그 사이에 인터리버를 고려하여 Burst Error가 Random Error로 분산되도록 하였다. RS코드는 RS(255,239) 를 단축한 RS(216,200)를 적용하였다.
대상 데이터
채널코딩은 Outer-code로는 Burst Error에 강한 Block-Code 방식인 RS-Code(Read Solomon Code)를 Inner-Code로는 Radom부호에 강한 CC(Convolutional Code)를 적용하고, 그 사이에 인터리버를 고려하여 Burst Error가 Random Error로 분산되도록 하였다. RS코드는 RS(255,239) 를 단축한 RS(216,200)를 적용하였다. Convolutional Code 구속장 길이는 7이며, puncturing 하여 부효율 3/4 이 되도록 하였다.
이론/모형
TR(Timing Recovery) 블록은 Gardner방식의 Timing 에러를 추정기법을 적용하였으며, 지속적인 Timing 에러 추적 및 보상 기능을 수행한다. 또한, 시간이 흐름에 따라 발생할 수 있는 수신신호 타이밍의 변화에 적응하고, Signal Detection에서의 부족한 Timing Resolution을 보충하는 역할을 한다[6, 7].
성능/효과
BER 측정 시험 결과는 그림 11과 같다. BER=1.0e-6에서의 요구 SNR 10.6dB로 분석결과와 근접함을 확인할 수 있었으며, 해당 성능은 전체 링크버짓에서 요구된 SNR규격을 충분히 만족함을 확인하였다.
CDL의 경량화 버전인 TCDL (Tactical CDL)은 저비용, 경량의 CDL로 기존의 체계와 호환이 가능하며 초기 TCDL의 전송률은 200Kbps ~ 10.71Mbps로 CDL에 비해 저속의 전송률을 지원하였다.
주파수 옵셋 0에서 수신신호로부터 신호검출 확률 및 False Alarm 확률을 도시하였다. Eb/No -1 dB에서 검출확률이 99% 이상검출이 이뤄짐을 확인할 수 있다.
그림 9는 Soft-Decision RS-CC(3/4)의 채널코딩 성능을 포함한 AWGN 잡음 환경에서 수신기의 복조 및 복호 성능을 분석한 결과이다. RS+CC 3/4 모드에 대하여 BER=1.0e-6 의 성능을 도출하기 위하여 요구 Eb/No 8.2 dB가 필요함을 확인하였다. 해당 Eb/No에 대하여 RS+CC3/4 모드 웨이브폼에서의 SNR환산 시 약 10.
구현된 00Mbps급 데이터링크용 모뎀은 Eb/No -1dB 이상에서 99% 검출 확률을 갖으며, 주파수 옵셋은 symbol rate대비 +/-1.5% 범위를 가진다. 채널 복호화 및 8-PSK모뎀의 비트오율 성능은 이론 치 대비0.
그림 8 CR 블록의 성능분석 결과이며, Symbol Rate 23MHz에 대한 Eb/No 8dB환경에서의 s-curve에서, Symbol Rate대비 +/-1.5% 범위에서 안정적으로 주파수 옵셋을 추정함을 확인할 수 있다.
5dB 이내로 분석되었다. 실제 구현된 모뎀을 통하여 성능특 측정결과 분석된 링크버짓의 요구 SNR을 만족함을 확인하였으며, 이는 OOMbps의 전송속도와 200km으 통신거리를 요구하는 국내 절찰용 무인기의 공용데이터링크 시스템에 적용 가능함을 확인할 수 있었다. 연구한 모뎀의 구조는 현재 국내 다양한 플랫폼의 감시정찰 무인기에 공용데이터링크의 개발에 활용되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공용데이터링크의 국내 현황은?
이에 국내의 공용 데이터링크 기술 표준화를 목표로 공용 데이터링크를 개발하게 되었다. 국내에서는 이러한 공용데이터링크 장비로 최대 00Mbps급 전송이 가능한 공용데이터링크기술이 있으며, 미국 CDL 장비수준의 000Mbps 급 전송이 가능한 시스템을 개발 중이다[4].
미국의 공용데이터링크 현황은?
미국에서는 CDL 프로그램을 통하여 업링크 0.2~2Mbps, 다운링크 10.71~274Mbps의 데이터 전송률을 지원하며 추후 최대 1,096Mbps의 전송률 까지 지원을 목표로 개발을 진행 중이다[3].
공용데이터링크란 무엇인가?
무인기 시스템에서 무인기와 지상장비간 연동을 위한 시스템을 데이터링크라고 하며, 특히 감시정찰을 위한 무인기 시스템에서 무인기와 지상의 제어시스템 간의 제어정보 및 상태정보의 교환, 감시정찰 체계 체계로부터 수집된 감시정찰 정보를 지상으로 전달하기 위한 대용량의 고속전송용 데이터링크를 공용데이터링크(CDL, Common Data Link)라 한다.
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