[논문]UAV 기반 FSO 무선통신 네트워크 기술 동향

여찬일; 허영순; 류지형; 박시웅; 김성창; 강현서; 이길행

doi:10.22648/etri.2020.j.350204

UAV 기반 FSO 무선통신 네트워크 기술 동향
Recent R&D Trends in Wireless Network Technology based on UAV-assisted FSO Technique 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.35 no.2, 2020년, pp.38 - 49

여찬일 (광ICT융합연구실) , 허영순 (광ICT융합연구실) , 류지형 (광ICT융합연구실) , 박시웅 (광ICT융합연구실) , 김성창 (엣지컴퓨팅응용서비스연구실) , 강현서 (광ICT융합연구실) , 이길행 (호남권연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the unmanned aerial vehicle (UAV) assisted mobile free space optical (FSO) communication technique has attracted considerable attention regarding its aims to provide improved communication conditions for fixed-to-fixed FSO network and promising fronthaul and backhaul solutions for 5G+ wireless networks. This can be attributed to its outstanding advantages such as fast deployment and flexible network configuration. The UAV-assisted mobile FSO system can be used to provide cost-effective internet services in rural and remote areas and in hotspot areas that are characterized by increased data traffic. Additionally, it can be used to provide secure communication services under emergency circumstances. In this report, we review recent R&D trends in wireless network technology employing the UAV-assisted mobile FSO technique and key technologies for mobile FSO wireless networks. Furthermore, we introduce drone-based mobile FSO terminals and control systems that we have developed.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1 UAV 기반 고정점 간 중계형 FSO 네트워크 구성도
그림 그림 2 UAV 기반 FSO 프론트홀/백홀 활용 5G+ 무선통신 네트워크 구성도
그림 그림 3 엣지 컴퓨팅 기술을 활용한 모바일 FSO 무선통신 네트워크 구성도
그림 그림 4 성층권 열기구 기반 FSO 무선통신 네트워크 구성도
그림 그림 5 ETRI UAV 기반 모바일 FSO 시제품 및 운용 시스템

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

끝으로 UAV 기반 모바일 FSO 무선통신기술의 현장활용을 위해 연구개발 단계에서 보안, 안전, 규제사항 등에 대한 고려가 요구된다. Ⅲ장과 Ⅳ장에서는 최근 진행 중인 UAV 기반 모바일 FSO 무선통신 네트워크 연구 동향을 소개하고 핵심 요소기술에 대해 자세히 살펴보고자 한다.
최근 UAV 기반 모바일 FSO 통신 링크의 형성률을 높이기 위한 목적으로 저장공간이 제한된 UAV를 활용한 중앙식 동적 비행 궤적 제어 알고리즘(Centralized dynamic trajectory control algorithm) 연구가 진행되었다[17]. 관련 연구에서는 지상의 관제시스템을 통해 트래픽 혼잡 상황이 발생한 UAV 부근으로 인접한 UAV의 비행 궤적 중심 (Trajectory center)을 이동하고 UAV의 비행반경을 통제함으로써 저장 공간이 부족한 UAV에서 오버플로우(Overflow)가 발생하거나 트래픽 혼잡과 정체 현상으로 UAV에 새로운 통신 링크 형성이 어려운 상황이 발생하는 것을 미연에 방지하기 위한 연구를 수행하였다.
본 고에서는 최근 UAV 기반 FSO 통신기술을 활용한 무선통신 네트워크 연구동향과 이를 구현하기 위한 핵심요소기술에 대해 설명하고, ETRI에서 진행 중인 UAV 기반 모바일 FSO 연구개발 내용과 향후 발전방향에 대해 간략히 소개하고자 한다.
본 기술은 기존 고정점 간 FSO 무선통신 네트워크 대비 UAV의 이동성을 활용함으로써 네트워크 구성의 유연성이 높고, 우수한 통신품질을 안정적으로 제공 가능한 장점이 있다. 이는 네트워크 통신 품질이 가장 작은 경로 이득(Path gain)을 갖는 전송 경로에 의해 결정되는 중계형 FSO 네트워크의 성능을 UAV 중계기의 위치 조절 및 비행경로 제어를 통해 효과적으로 높일 수 있기 때문이다.
운용하기 위한 기술이 연구되고 있다[8]. 본 연구에서 엣지 컴퓨팅 기술은 UAV의 탑재중량, 비행시간, 이동성 및 운용상황 등을 종합적으로 고려하여 신속하고 효율적으로 통신자원관리(Communication resource management)를 수행하기 위한 목적으로 사용되었다. 엣지 컴퓨팅 기술 기반 모바일 FSO 무선통신 네트워크 시스템은 기존에 GCS 에서 대부분 수행하던 연산과정과 시스템 제어 기능의 일부를 UAV에 탑재된 FSO 터미널과 캐시 미디어(Caching media)를 활용하여 모바일 FSO 무선통신 네트워크의 엣지 컴퓨팅 층(Edge computing layer)에서 수행하도록 함으로써, GCS를 거치지 않고 모바일 FSO 무선통신 네트워크가 신속하고 안정적으로 운용될 수 있도록 하는 장점이 있다.
빈번하게 발생시킨다. 본 연구에서는 빈번한 핸드오버 현상에 의한 모바일 FSO 무선통신 네트워크 성능 저하문제를 해결하기 위해 엣지 컴퓨팅 층 내 SRRH에서 SUAV로부터 수신한 FSO 신호의 세기가 사전에 정의한 문턱값 (Predefined threshold)보다 낮을 경우, SRRH가 다른 SUAV를 찾는 프로세스를 능동적으로 수행하도록 시스템 운영체계를 구성하였다. 이때 SRRH는 인접한 위치에서 비행하는 SUAV에 탑재된 비콘 시스템을 활용하여 다른 SUAV들로 핸드오버 요청 신호를 보내고, 핸드오버 신호를 수신한 각 SUAV는 SRRH의 요청에 대해 비콘 시스템을 활용하여 응답하는 프로세스를 수행한다.
성층권을 비행하는 열기구는 최대 100km/hr 속도의 성층권 기류(Air current) 의 영향으로 이동하고, 공기 펌프를 활용한 높이 제어를 통해 고도에 따라 계층화된 성층권 바람층 (Wind layer)을 활용하여 원하는 방향과 위치로 이동한다. 본 연구에서는 성층권 바람에 의해 열기구가 계속적으로 이동해도 특정 영역에 연속적인 통신 네트워크 서비스가 가능하도록 유지하는 지상 중앙임무관리 시스템(Centralized mission control system)을 개발하였다. 지상 중앙임무관리 시스템에서는 지구 바람 모델(Global wind model) 예측 결과와 Cellphone tower handoff 표준 프로토콜을 바탕으로 개별 열기구의 고도를 통제하여 다른 곳으로 이동한 열기구의 자리와 임무를 이미 스케줄된 열기구가 대체하도록 함으로써 네트워크 연결성이 유지되도록 전체 열기구의 이동경로와 위치를 제어한다.

제안 방법

수행하는 방법이다. 반응성 네트워크 재구성 알고리즘으로 링크 방해(Link interrupt)에 의한 링크 단절 상황을 해결하기 위한 RRFLF(Reac-tive Reconfiguration For Link Failure) 알고리즘과 긴급한 트래픽 수요 상황을 해결하기 위한 RTRTE (Reactive Reconfiguration For Traffic Event) 알고리즘이 제안되었다.
본 연구에서는 빈번한 핸드오버 현상에 의한 모바일 FSO 무선통신 네트워크 성능 저하문제를 해결하기 위해 엣지 컴퓨팅 층 내 SRRH에서 SUAV로부터 수신한 FSO 신호의 세기가 사전에 정의한 문턱값 (Predefined threshold)보다 낮을 경우, SRRH가 다른 SUAV를 찾는 프로세스를 능동적으로 수행하도록 시스템 운영체계를 구성하였다. 이때 SRRH는 인접한 위치에서 비행하는 SUAV에 탑재된 비콘 시스템을 활용하여 다른 SUAV들로 핸드오버 요청 신호를 보내고, 핸드오버 신호를 수신한 각 SUAV는 SRRH의 요청에 대해 비콘 시스템을 활용하여 응답하는 프로세스를 수행한다. 최종적으로 SRRH 는 가장 높은 비콘 신호를 송신한 SUAV와 새롭게 FSO 링크를 연결함으로써 전체 네트워크가 안정적으로 운용될 수 있도록 한다.

대상 데이터

50nm)이 사용되었다. 고정밀 PAT 및 LOS 링크 구축에는 정밀 위치추적시스템(DGPS: Differential GPS)과 미세 전자 기계 시스템(MEMS: Microelectro-mechanical System) 기반 관성측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit) 및 별도의 광각(Wide angle) 비콘 시스템이 사용되었다. 열기구 기반 성층권 FSO 무선통신기술은 약 20km 고도에서 3~107km 떨어진 두 열기구 간 130Mbps 속도로 양방향(Full-duplex) 통신이 가능한 수준까지 개발이 완료되었다.
먼저 인터넷과 연결된 지상 스테이션(Ground station)에서 성층권의 열기구로 RF 통신을 활용하여 데이터를 업링크(Uplink)하고, 열기구로 전달된 데이터는 열기구 간(Inter-Balloon) FSO 네트워크를 통한 전파 과정을 거쳐 최종적으로 지상의 사용자 통신장비로 RF 통신을 통해 다운 링크(Downlink) 된다. 업링크 및 다운링크를 위해 사용된 RF 스펙트럼은 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 용도의 비면허대역이 활용되었으며, 열기구 간 FSO 무선통신에는 서로 다른 두 개의 적외선 대역 통신파장(1, 550.12nm, 1, 565.50nm)이 사용되었다. 고정밀 PAT 및 LOS 링크 구축에는 정밀 위치추적시스템(DGPS: Differential GPS)과 미세 전자 기계 시스템(MEMS: Microelectro-mechanical System) 기반 관성측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit) 및 별도의 광각(Wide angle) 비콘 시스템이 사용되었다.

이론/모형

최적화하여 구성하는 방법이다. 본 방법은 FSO 기반 프론트홀/백홀 네트워크의 처리량과 UAV의 전력소모를 동시에 최적화하는 MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming) 문제를 공식화한 것이다.

성능/효과

또한 대기 상태 변화 및 장애물 등에 의한 신호 감쇠 문제를 UAV의 이동성을 통해 효율적으로 해결할 수 있다. 결론적으로 UAV 기반 중계형 모바일 FSO 무선통신 네트워크는 UAV 이동성 활용을 통해 고정된 신호원-목적지 간 데이터 전송 성공률을 높이고, 데이터 처리량(Data throughput)을 증가시킬 수 있다. 아울러 중계기 역할을 수행하는 UAV 숫자 추가 및 UAV-UAV 간 FSO 통신(Inter-UAV FSO communication) 기능 추가를 통해 전체 무선통신 네트워크 규모 확대 및 성능 향상이 가능하다.
특성을 향상시킨다. 그 결과 링크 단절에 의한 네트워크 복구비용은 최소화되고 네트워크 처리량은 최대화되어, 수정된 네트워크 토폴로지는 최적 네트워크 처리량과 네트워크 비용을 갖게 된다. RTRTE 알고리즘은 긴급한 트래픽 수요가 감지된 경우, 네트워크 처리량을 증가시키기 위해 네트워크 토폴로지를 업데이트하는 역할을 하며 최소 용량/비용 비율 분석을 통해 네트워크 처리량을 향상시킬 수 있는 대체 통신 링크를 추가하도록 한다.
결론적으로 UAV 기반 중계형 모바일 FSO 무선통신 네트워크는 UAV 이동성 활용을 통해 고정된 신호원-목적지 간 데이터 전송 성공률을 높이고, 데이터 처리량(Data throughput)을 증가시킬 수 있다. 아울러 중계기 역할을 수행하는 UAV 숫자 추가 및 UAV-UAV 간 FSO 통신(Inter-UAV FSO communication) 기능 추가를 통해 전체 무선통신 네트워크 규모 확대 및 성능 향상이 가능하다.

후속연구

UAV 기반 모바일 FSO 무선통신 네트워크 기술은 기존의 고정형(Fixed) FSO 무선통신 시스템과 차별되게 UAV 형태, 탑재중량, 배터리 용량, 소비전력, 비행시간 등 UAV 스펙을 종합적으로 고려한 시스템 설계 및 동적 트래픽 최적 관리 등에 대한 연구가 추가적으로 필요하다. 또한 데이터 송·수신 및 PAT에 사용되는 FSO 터미널은 UAV 탑재가 가능하도록 소형화·경량화·저전력화가 필요하며, 넓은 송신각(Divergence angle)과 수신각(Acceptance angle) 및 장거리·고속 전송이 가능하도록 시스템설계가 요구된다.
끝으로 FSO 광전송은 날씨 조건과 대기 상태에 따라 흡수, 산란, 회절 등에 의한 광신호 손실과 왜곡이 발생할 수 있으므로 통신환경에 민감하지 않은 파장대역의 광원을 활용하는 것이 필요하다. 이러한 이유로 투명대(Transmission) 영역에 속하는 파장이 FSO 광전송에 적합하며, eye safety 이슈가 적고 상용 광통신 제품 활용이 용이한 1, 550nm 대역의 파장이 FSO 광전송에 주로 사용되고 있다.
추가적으로 스몰셀 간 효율적 트래픽 수요 관리를 위해 UAV 비행경로 제어 및 모바일 FSO 무선통신 네트워크 토폴로지 구성 최적화를 위한 연구가 필요하다. 끝으로 UAV 기반 모바일 FSO 무선통신기술의 현장활용을 위해 연구개발 단계에서 보안, 안전, 규제사항 등에 대한 고려가 요구된다. Ⅲ장과 Ⅳ장에서는 최근 진행 중인 UAV 기반 모바일 FSO 무선통신 네트워크 연구 동향을 소개하고 핵심 요소기술에 대해 자세히 살펴보고자 한다.
나아가 광섬유(Optical fiber) 또는 구리 케이블(Copper cable) 설치가 어렵고, 인터넷 연결성(Connectivity) 이 부족한 지역에 무선통신 서비스를 제공하기 위해 활용될 것으로 기대된다[11, 12].
UAV 기체 크기는 탑재중량, 비행고도, 비행시간, 비행거리 등에 따라 결정되며, UAV 비행시간은 UAV의 순항 거리 및 임무수행 범위와 밀접한 관계를 가질 뿐만 아니라 FSO 무선통신 네트워크의 구성과 운영에도 높은 연관성을 갖는다. 따라서 제한된 비행시간 향상을 통한 모바일 FSO 무선통신 네트워크 운영 시간 증가를 위해 비행제어 및 비행체 설계 최적화, FSO 무선통신 임무 효율화, 대용량 전력공급원 개발 등을 위한 다양한 연구개발이 필요하다.
따라서 FSO 터미널의 크기 및 무게와 광학 및 통신 성능 간 상충관계(Trade-off)를 고려한 FSO 광학시스템 최적화가 요구된다. 또한 FSO 터미널은 움직이는 UAV를 추적하고 안정적으로 LOS 링크를 구축 및 유지하기 위해 전송거리와 통신환경 및 최소 광수신 파워 요구사항 등을 종합적으로 고려하여 최대한 넓은 공간영역을 갖도록 발산각 제어가 가능한 기능이 필요하다. 추가적으로 FSO 터미널 내부 스테이지 위치 조절에 따른 전송 빔 이동(Displacement) 현상이 발생하지 않도록 광학축(Optical axis)과 기계축(Mechanical axis)을 정밀하게 정렬할 필요가 있다.
반면에 UAV와 FSO 무선통신 링크가 구축되지 않은 스몰셀은 UAV와 FSO 링크가 구축된 인접 스몰셀을 통해 UAV와 연결 가능하다. 본 기술에서 UAV의 고도와 위치는 높이증가에 따른 네트워크 영역(Network coverage) 확대 및 광손실(Geometric loss) 증가로 인한 통신속도 저하 문제와 비행 위치에 따른 날씨 영향 및 음영지역(Shadow area) 최소화 이슈를 고려하여 최적 지점을 찾는 것이 필요하다. 아울러 본 기술의 효율적인 활용을 위해 UAV에 탑재 가능한 FSO 터미널 숫자 및 동시에 연결 가능한 링크 숫자 등을 종합적으로 고려한 스몰셀-UAV 간 FSO 프론트홀/ 백홀 링크 최적화 알고리즘 및 시스템 설계에 대한 연구가 추가로 요구된다.
본 기술에서 UAV의 고도와 위치는 높이증가에 따른 네트워크 영역(Network coverage) 확대 및 광손실(Geometric loss) 증가로 인한 통신속도 저하 문제와 비행 위치에 따른 날씨 영향 및 음영지역(Shadow area) 최소화 이슈를 고려하여 최적 지점을 찾는 것이 필요하다. 아울러 본 기술의 효율적인 활용을 위해 UAV에 탑재 가능한 FSO 터미널 숫자 및 동시에 연결 가능한 링크 숫자 등을 종합적으로 고려한 스몰셀-UAV 간 FSO 프론트홀/ 백홀 링크 최적화 알고리즘 및 시스템 설계에 대한 연구가 추가로 요구된다.
앞서 설명한 바와 같이 FSO 무선통신 네트워크 기술은 UAV와 협업을 통해 향후 스몰셀이 밀집된 환경에서 무선통신 네트워크의 프론트홀/백홀 솔루션을 제공하고 이를 통해 네트워크 용량 증대를 위한 목적으로 빠르게 발전할 것으로 전망된다. 나아가 광섬유(Optical fiber) 또는 구리 케이블(Copper cable) 설치가 어렵고, 인터넷 연결성(Connectivity) 이 부족한 지역에 무선통신 서비스를 제공하기 위해 활용될 것으로 기대된다[11, 12].
만약 SRRH가 필요한 정보를 보유한 SUAV가 없는 경우, 엣지 컴퓨팅 층 내부에서는 휴리스틱 방법(Heuristic method)을통해 필요한 정보를 GCS에서 PUAV를 거쳐 SUAV 를 통해 SRRH로 가져오는 프로세스를 수행한다. 앞으로 엣지 컴퓨팅 기술 기반 모바일 FSO 무선통신 네트워크의 추가적인 시스템 성능 향상을 위해 무선통신 상황을 고려한 SUAV 비행반경 최적화 및 지능형 캐싱(Intelligent caching) 전략에 대한 연구가 필요하다.
최근에는 UAV 기술의 급속한 발전과 더불어 인터넷 연결이 불가능하거나 열악한 지역, 통신 트래픽이 혼잡한 지역 및 재난·재해 발생으로 긴급통신망 복구가 필요한 상황 등에 신속하고 경제적인 방법으로 무선통신 서비스를 제공하고, 5G+ 네트워크의 프론트홀/백홀 솔루션 제공을 위한 목적으로 UAV를 활용한 모바일 FSO 무선통신 기술이 활발히 연구되고 있다. 앞으로는 모바일 FSO 무선통신 요소기술 발전을 위한 연구와 함께 UAV 최적 운영과 이를 활용한 네트워크 최적화 및 안정성 강화를 위한 다양한 연구가 진행될 것으로 예상된다.
UAV는 안정적인 FSO 무선통신이 가능하도록 비행 안정성과 김벌 제어 성능이 우수해야 한다. 추가적으로 스몰셀 간 효율적 트래픽 수요 관리를 위해 UAV 비행경로 제어 및 모바일 FSO 무선통신 네트워크 토폴로지 구성 최적화를 위한 연구가 필요하다. 끝으로 UAV 기반 모바일 FSO 무선통신기술의 현장활용을 위해 연구개발 단계에서 보안, 안전, 규제사항 등에 대한 고려가 요구된다.
이동 가능한 UAV 를 활용한 FSO 통신기술은 실시간 네트워크 트래픽 변화 및 다양한 통신 요구사항에 신속한 대응이 가능하여 5G+ 무선통신 네트워크 스몰셀에 적절한 프론트홀/백홀 솔루션을 제공할 수 있는 새로운 패러다임의 접근 방식이다. 특히 본 기술은 스몰 셀이 극도로 밀집된 환경에서 높은 데이터 전송속도를 제공하는데 적합한 솔루션이 될 수 있다.
네트워크 운영이 필요하다. 향후에는 관련 기술 발전과 산업 활성화를 위해 통일된 규정을 적용한 국제기준 마련 및 표준화가 필요하다.

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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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