[논문]무인수상정 해상무선통신 거리 적응적 동기화 설계 및 구현

박현성; 김태현; 곽상열; 노우영; 오지명

doi:10.9766/kimst.2018.21.5.640

무인수상정 해상무선통신 거리 적응적 동기화 설계 및 구현
A Design and Implementation of Range Adaptive Time Synchronization on USV Maritime Wireless Communication 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.5, 2018년, pp.640 - 648

박현성 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김태현 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 곽상열 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 노우영 (LIG넥스원(주) 통신연구센터) , 오지명 (LIG넥스원(주) 통신연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Time division wireless communication in tactical MANET is attractive to deliver both high data rates and long-range coverage, and to provide scheduled QoS to mission participants. This paper is about the time synchronization issue of multi-mission USV in tactical MANET. As USV communication coverage becomes longer, the synchronization error also becomes higher; therefore, which results in link disconnection, and consequent failures of reconnection because base station cannot configure necessary parameters over long-distant terminal. We propose a range adaptive time synchronization method to compensate for synchronization errors. The issue of long-range time synchronization problem was identified during maritime communication tests, and we verified the proposed method through analyses of both indoor and outdoor test results.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Concept of USV maritime wireless communication
그림 Fig. 2. Design of USV wireless communication frame structure
그림 Fig. 3. Downlink time synchronization procedure
그림 Fig. 4. Initial timing of uplink time synchronization
그림 Fig. 5. Maritime test result of commination range (a) communication range (b) received signal strength
그림 Fig. 6. Initial timing offset of reference signal during TX power ramping
그림 Fig. 7. Experimental setup of proposed algorithm verification using channel emulator
그림 Fig. 8. Comparison of communication range with or without range adaptive time synchronization algorithm

AI 본문요약
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문제 정의

기지국과 단말기 간의 거리를 항상 예측할 수 없기 때문에 거리의 범위 정의가 근본적으로 어려우므로 본 논문은 단말기의 초기 Ramping 과정에서 기준신호의 초기타이밍을 가변하는 방법을 제안한다. 단말기 초기 Ramping이란 불분명한 단말기 초기 위치에 따라 발생하는 송수신 신호세기의 불확실성을 해소하기 위하여 단말기 RF 모듈의 송수신 이득을 일정한 단계로 증가시키며 네트워크 가입을 수행하는 절차이다.
3장에서는 복합임무 무인수상정의 운용 특성을 반영한 TDD/TDMA 기반의 해상무선통신 동기화 설계와 구현 방식에 대해 기술한다. 또한 2차례의 해상시험을 통하여 본 논문에서 제기한 장거리 해상무선통신 과정에서 발생한 재접속 문제를 식별한 과정에 대하여 기술하였다. 4장에서는 장거리 해상무선통신 과정에서 재접속 문제를 극복할 수 있는 동기화 방법을 제안하고 검증한다.
만약 전송된 기준신호와의 타이밍 오차가 기준 신호의 검출 윈도우를 벗어날 정도로 크다면 기지국은 단말기의 기준신호를 검출할 수 없다. 본 논문에서는 장거리 해상무선통신 과정에서 타이밍 오차가 기준신호 검출 윈도우를 벗어날 정도로 클 경우에 기지국이 단말기의 기준신호를 검출할 수 없는 문제를 식별하였고, 이를 해결하기 위한 거리 적응적인 동적 TDD/TDMA 동기화 방안을 제안한다.
16e(Mobile WiMAX) 표준 제정에 많은 영향을 끼쳤다. 본 논문은 Mobile WiMAX의 초기 타이밍 알고리즘에 기반하여 장거리 해상무선통신 과정에서 단말기의 기준신호를 검출하기 위한 거리 적응적인 동적 TDD/TDMA 동기화 방안을 제안한다.
이는 임의적인 경쟁(Contention)을 기반으로 하는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Contention Avoidance) 방식을 사용하는 Wi-Fi 기반의 통신 방식에 비하여 전술 MANET에 QoS를 보장하기에 더 적합하다고 할 수 있다^[1-3]. 본 논문은 TDD/TDMA 기반의 시분할 통신을 수행하는 복합임무 무인수상정(MMUSV; Multi-Mission Unmanned Surface Vehicle)의 전술 MANET에서 다수의 단말과 기지국 간의 동기화 문제에 관한 것이다. 무인수상정의 해상무선통신 거리가 증가함에 따라 기지국과 단말 간 TDD/TDMA 방식의 전송지연이 비례하여 증가한다.
본 논문은 TDD/TDMA를 사용하는 무인수상정의 장거리 무선통신 과정에서 전송 지연으로 발생하는 동기화 오차를 보정할 수 있는 거리 적응적 동기화 방안을 제안하였다. 제안한 방안은 실제 해상시험 과정에서 발생한 재접속 실패의 원인을 분석하는 과정을 통하여 식별하였으며, 이를 Ramping을 이용한 거리 적응적인 기준신호의 초기타이밍을 설정하는 방법을 제안하여 해결하고자 하였다.
분산구조의 시간 동기화 방식에서 전송거리를 고려한 연구 중의 하나인[4]는 통신거리를 제한한 상태에서 TDMA를 위한 동기화 방법을 제안하였다. 본 논문은 거리 제한없이 적용할 수 있는 중앙집중형의 TDD/TDMA 동기화 방법을 제안한다. 육상 혹은 모함에 위치한 기지국을 중심으로 임무를 수행하는 무인수상정 단말들의 전술 MANET은 상대적으로 적은 수의 단말들이 중앙집중식 동기화를 수행하므로 다수의 단말들로 구성되는 [4]의 분산식 동기화 방법과는 구조적인 차이를 가진다.
이로 인하여 단말과 기지국 간의 통신이 단절될 수 있고, 단절이 되었을 경우 동기 오차에 의하여 재접속이 불가능한 문제가 발생할 수 있다. 본 논문은 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 전송 지연으로 발생하는 동기화 오차를 보정할 수 있는 거리 적응적 동기화 방안을 제안한다.
즉 통신이 가능한 수신감도보다 높은 영역에 진입하여서도 즉각적인 재접속이 이루어지지 않았다. 이러한 원인의 분석 과정에서 기지국이 단말기가 전송하는 기준신호를 검출하기 위하여 설정한 신호검출 윈도우의 크기가 기록한 최대통달거리를 수용할 수 있는 범위에 미치지 못한다고 판단되었으며, 이를 단말기 전송 기준신호의 타이밍 오차로 추정하여 이론적으로 계산하고자 하였다.

가설 설정

지연시간을 늘려가며 통신거리가 증가하는 것을 모의하기 위해 전파의 속도에 해당하는 지연시간을 점진적으로 증가시켰다. Fig. 8에서 기지국과 단말의 안테나 높이를 각각 17 m와 3 m로 가정하여 설정하고 거리에 따른 2-Ray 경로손실 모델의 수신신호세기를 기반으로 거리 적응적 동기화 알고리즘 적용 전/후의 통신 연결 거리를 비교하였다. 기존 3단계로 구성된 AGC Ramping 과정에서는 3단계에서 약 5.

제안 방법

1 km의 거리에 소요되는 전파의 경로지연시간(TD)을 구하기 위하여 전파의 속도(0.3 km/μs)로 나누었다.
기지국과 단말기 간의 거리를 항상 예측할 수 없기 때문에 거리의 범위 정의가 근본적으로 어려우므로 본 논문은 단말기의 초기 Ramping 과정에서 기준신호의 초기타이밍을 가변하는 방법을 제안한다. 기존의 Ramping 과정은 송신이득과 수신이득만 변경하고 있으나, 기준신호의 초기타이밍을 변경 대상에 추가하여 Ramping 절차를 수행하도록 변경하였다.
단말기 초기 Ramping이란 불분명한 단말기 초기 위치에 따라 발생하는 송수신 신호세기의 불확실성을 해소하기 위하여 단말기 RF 모듈의 송수신 이득을 일정한 단계로 증가시키며 네트워크 가입을 수행하는 절차이다. 기존의 Ramping은 자동이득제어(AGC; Automatic Gain Control) 과정에서 송신이득과 수신이득만 변경하고 있으나, 본 논문에서는 기준신호의 초기타이밍을 변경 대상에 추가하여 Ramping 절차를 수행함으로써 기준신호 검출을 위한 초기타이밍의 설정을 병행하는 방법을 제안한다.
3번 화살표(10시 20분 경) 지점에서는 상향/하향링크의 통신이 단절되어 즉각적인 재접속에 실패하였고 수 분 동안 단절된 상태가 지속되었다. 따라서 해당 시점에서 최대통달거리를 기록하고 시험선을 변침하여 기지국으로 복귀하였다. 복귀 과정에서 지속적으로 재접속을 시도하였으나 4번 화살표 지점까지 거슬러 올라갔어야 재접속에 성공할 수 있었다.
Preamble이 가지고 있는 특성을 이용하면 Preamble의 전송 여부 및 전송 위치의 확인이 가능하다. 먼저 Preamble을 빨리 탐색하기 위한 전단계(Coarse detection)로써 시간 도메인의 반복 특성을 이용한 자동교정(Auto-correlation) 및 최고 에너지(Peak energy) 탐색을 수행한다. 그 다음 단계는 세밀하게 탐색(Fine tuning) 하는 단계로써 랜덤 코드(Random code)의 특성을 이용한 교차교정(Cross-correlation) 및 최대 에너지(Maximum energy) 탐색을 수행 한다^[15].
표준에서 명시된 전체 규약(Protocol) 중 복합임무 무인수상정의 해상무선통신에 관한 제안요구사항(RFP; Request for Proposal)을 충족하는데 필요한 규약에 한하여 재설계하여 구현하였다. 설계에 대한 검증은 실내 실험실과 야외 해상시험을 통하여 다양한 환경 하에서 성능 검증을 수행하였다.
만약 GPS 교란으로 인하여 기지국과 단말이 GPS 신호를 수신하지 못할 경우 시간 동기화가 수행되지 못하여 단말들이 기지국과 접속이 불가능한 상황이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 단말들이 기지국의 기준신호에 동기를 맞출 수 있는 In-band 방식으로 설계하였다. 즉 GPS 교란으로 인하여 기지국과 단말이 GPS 신호를 원활히 수신할 수 없는 상황에서도 단말들이 기지국을 중심으로 동기화가 가능하여 통신의 연결을 유지할 수 있도록 설계되었으며, 이는 기지국 단위로 독자적인 전술 임무 수행이 가능하게 한다.
해상무선통신 장치의 최대통달 거리 시험을 위하여 무인수상정의 무선통신 장치를 시험선에 탑재하여 연결이 지속될 때까지 시험선을 이동하여 통신 거리와 수신신호세기를 측정하였다. 이를 위하여 기지국을 육상에 설치하고 지구 곡률을 고려하여 첫 번째 Fresnel 영역(1st Fresnel Zone)의 60 %가 확보될 수 있을 만큼의 충분히 높은 지점에 안테나를 위치시켰다.
제안한 Ramping 과정에서 거리에 따른 기준신호의 적응적 초기타이밍 설정 방법은 실험실에서 상용 채널 모의기(Channel emulator)를 활용하여 검증하였다. 사용한 채널 모의기 장비는 이론적으로 계산된 거리만큼 송신 신호를 지연시켜서 수신되도록 하여 Ramping을 이용한 기준신호의 초기타이밍 설정 방법이 정상적으로 동작하는지 확인할 수 있다.
본 논문은 TDD/TDMA 기반의 통신에 기초하고 있으므로 시분할 통신 관련 방식을 사용하는 분야에 적용 가능하다. 제안한 방안은 기준신호를 검출하기 위한 초기타이밍을 조정하여 접속 가능한 최대거리를 시간 도메인 상의 채널 전환 구간 안에서 동적으로 동기화할 수 있게 한다. 채널 전환 구간 이상의 거리에서 재접속이 가능하기 위해서는 채널 전환 구간 자체를 확장하여야 하며 이는 RF와 모뎀 동작 구조의 전반적인 수정을 필요로 하므로 무인수상정의 운용 개념에 따라 설계 초기에 미리 반영되어야 한다.
제안한 방안은 실제 해상시험 과정에서 발생한 재접속 실패의 원인을 분석하는 과정을 통하여 식별하였으며, 이를 Ramping을 이용한 거리 적응적인 기준신호의 초기타이밍을 설정하는 방법을 제안하여 해결하고자 하였다. 제안한 방안은 상용 채널 모의기를 사용하여 이론적으로 계산된 거리만큼 송신 신호를 지연시켜서 수신하도록 하여 기준신호의 초기타이밍이 거리의 증가에 따라 정상적으로 설정되어 동작하는지 확인하였다.
본 논문은 TDD/TDMA를 사용하는 무인수상정의 장거리 무선통신 과정에서 전송 지연으로 발생하는 동기화 오차를 보정할 수 있는 거리 적응적 동기화 방안을 제안하였다. 제안한 방안은 실제 해상시험 과정에서 발생한 재접속 실패의 원인을 분석하는 과정을 통하여 식별하였으며, 이를 Ramping을 이용한 거리 적응적인 기준신호의 초기타이밍을 설정하는 방법을 제안하여 해결하고자 하였다. 제안한 방안은 상용 채널 모의기를 사용하여 이론적으로 계산된 거리만큼 송신 신호를 지연시켜서 수신하도록 하여 기준신호의 초기타이밍이 거리의 증가에 따라 정상적으로 설정되어 동작하는지 확인하였다.
지연시간을 늘려가며 통신거리가 증가하는 것을 모의하기 위해 전파의 속도에 해당하는 지연시간을 점진적으로 증가시켰다. Fig.
16e) 표준을 기반으로 하였다. 표준에서 명시된 전체 규약(Protocol) 중 복합임무 무인수상정의 해상무선통신에 관한 제안요구사항(RFP; Request for Proposal)을 충족하는데 필요한 규약에 한하여 재설계하여 구현하였다. 설계에 대한 검증은 실내 실험실과 야외 해상시험을 통하여 다양한 환경 하에서 성능 검증을 수행하였다.
복합임무 무인수상정 무선통신 장치의 재접속에 관한 문제는 2차례의 해상시험을 실시하는 과정 중에 식별되었다. 해상무선통신 장치의 최대통달 거리 시험을 위하여 무인수상정의 무선통신 장치를 시험선에 탑재하여 연결이 지속될 때까지 시험선을 이동하여 통신 거리와 수신신호세기를 측정하였다. 이를 위하여 기지국을 육상에 설치하고 지구 곡률을 고려하여 첫 번째 Fresnel 영역(1st Fresnel Zone)의 60 %가 확보될 수 있을 만큼의 충분히 높은 지점에 안테나를 위치시켰다.

대상 데이터

7은 채널 모의기를 경유하여 연결한 무인수상정 기지국과 단말의 시험 구성도이다. 채널 에뮬레이터는 Keysight 사의 Propsim FS8 모델을 사용하였으며 감쇄기를 사용하여 유선으로 4x2 MIMO 환경을 구성하였다.

이론/모형

2는 복합임무 무인수상정의 무선통신을 위한 프레임 구조를 보여준다. 복합임무 무인수상정은 TDD/TDMA를 사용하며 주파수 자원의 사용 효율을 높이기 위하여 직교 주파수 채널 다중화(OFDM; Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 방식으로 설계하였다.
복합임무 무인수상정의 해상무선통신의 설계는 Mobile WiMAX(IEEE 802.16e) 표준을 기반으로 하였다. 표준에서 명시된 전체 규약(Protocol) 중 복합임무 무인수상정의 해상무선통신에 관한 제안요구사항(RFP; Request for Proposal)을 충족하는데 필요한 규약에 한하여 재설계하여 구현하였다.
반면 One-way 동기는 송신 단말이 동기 패킷에 Timestamp를 실어 보내고 수신 단말이 자신의 시간에 Timestamp를 적용하는 방식으로, 패킷을 한 번만 전송해도 되지만 단방향에 대한 경로지연(Path loss) 오차가 발생 한다^[3]. 본 논문은 두 단말간의 시간 오차를 보정하기 위하여 Pairwise 동기를 사용하였다.
TDD, TDMA와 같이 시분할 기반의 시간 동기화를 필요로 하는 방법은 크게 GPS 수신기와 같은 외부장치를 이용하는 Out-band 방식과 별도의 외부장치 없이 통신채널 내에서 자체적으로 해결하는 In-band 방식으로 나눌 수 있다. 본 논문의 복합임무 무인수상정의 기지국들 간에는 GPS 신호를 수신하고 GPS의 1PPS(Pulse Per Second)를 이용하여 시간동기를 주기적으로 교정하는 Out-band 방식을 사용하는 반면, 기지국과 단말 간에는 Pairwise 방식으로 오차를 보정하는 In-band 방식을 사용한다. 관련 연구들에 의하면 TDD, TDMA의 매체접속제어(MAC; Media Access Control) 프로토콜은 멀티 홉 환경에서 μs 수준의 동기화를 보장해야 하는 것으로 알려져 있다^[2,3].

성능/효과

결과적으로 시간 도메인 상 기지국에서 기준신호의 초기타이밍을 조정하여 접속 가능한 최대거리(km)는 Midamble을 검출할 수 있는 시간 구간을 수식 (1)에서 구한 약 6.66 μs로 나누어서 추정할 수 있다.
기존 3단계로 구성된 AGC Ramping 과정에서는 3단계에서 약 5.4 km(18 μs 지연) 이후 통신 연결에 실패한 반면 5단계로 이루어진 ACG Ramping 과정을 통한 거리 적응적 동기화 알고리즘 적용한 후 5단계에서 약 26 km(86 μs 지연) 거리까지 통신 연결에 성공하는 것을 확인하였다.

후속연구

채널 전환 구간 이상의 거리에서 재접속이 가능하기 위해서는 채널 전환 구간 자체를 확장하여야 하며 이는 RF와 모뎀 동작 구조의 전반적인 수정을 필요로 하므로 무인수상정의 운용 개념에 따라 설계 초기에 미리 반영되어야 한다. 또한 채널 전환 구간과 AGC Ramping 과정의 단계를 확장하는 것은 단말의 네트워크 진입 시간을 증가시키는 Trade-off 관계에 있으므로 무인수상정의 운용 개념에 따라 최적화하는 것이 중요하며, 이를 향후 연구를 통하여 계속 진행하고자 한다.
본 논문은 TDD/TDMA 기반의 통신에 기초하고 있으므로 시분할 통신 관련 방식을 사용하는 분야에 적용 가능하다. 제안한 방안은 기준신호를 검출하기 위한 초기타이밍을 조정하여 접속 가능한 최대거리를 시간 도메인 상의 채널 전환 구간 안에서 동적으로 동기화할 수 있게 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하향링크(Downlink) 시간동기화는 어떻게 수행되는가?	무인수상정의 통신장치는 기지국의 기준 시간에 맞추어 단말기가 동기화를 수행한다. 하향링크(Downlink) 시간동기화는 기지국이 전송하는 기준신호를 단말기가 수신하고 수신시점에 맞추어 단말기의 동작 타이밍을 조정하는 방식으로 시간동기화를 수행한다. 반면 상향링크(Uplink)는 단말기가 전송하는 기준신호를 기지국이 수신할 수는 있으나 기지국이 동작 타이밍을 조정하지는 않는다.
	기지국에서 단말기가 전송하는 기준신호를 검출할 때 원리는 무엇인가?	기지국에서는 단말기가 전송하는 기준신호를 검출할 때 기지국의 동작 타이밍을 중심으로 특정 크기의 검출 윈도우(Observation Window)를 설정하고 그 안에 도착한 단말기 전송 기준신호와 타이밍 오차를 계산한다. 만약 전송된 기준신호와의 타이밍 오차가 기준 신호의 검출 윈도우를 벗어날 정도로 크다면 기지국은 단말기의 기준신호를 검출할 수 없다.
	시분할 이중통신(TDD; Time Division Duplex), 시분할 다중접속(TDMA; Time Division Multiple Access) 방식이 전술 MANET에 QoS를 보장하기 적합하다고 생각되는 까닭은 무엇인가?	전술 MANET(Tactical Mobile Ad-hoc Network) 네트워크에서 시분할 이중통신(TDD; Time Division Duplex), 시분할 다중접속(TDMA; Time Division Multiple Access) 방식은 제한된 주파수 자원을 효과적으로 사용하고 장거리 통신에 유리하며 시간 자원을 스케쥴링하여 작전에 참가하는 통신단말의 계획된 QoS(Quality of Service)를 수행할 수 있다는 측면에서 장점을 가진다. 이는 임의적인 경쟁(Contention)을 기반으로 하는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Contention Avoidance) 방식을 사용하는 Wi-Fi 기반의 통신 방식에 비하여 전술 MANET에 QoS를 보장하기에 더 적합하다고 할 수 있다[1-3].

저자의 다른 논문 :

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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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