[논문]UAV 운영 신뢰성 개선을 위한 SATURN 통신망 항재밍 프레임 오율과 해밍코드 반복 전송 향상 기술

황윤하; 백정석; 구교안; 정종문

doi:10.7472/jksii.2022.23.3.1

UAV 운영 신뢰성 개선을 위한 SATURN 통신망 항재밍 프레임 오율과 해밍코드 반복 전송 향상 기술
Improved Anti-Jamming Frame Error Rate and Hamming Code Repetitive Transmission Techniques for Enhanced SATURN Network Reliability Supporting UAV Operations 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.23 no.3, 2022년, pp.1 - 12

황윤하 (School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) , 백정석 (School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) , 구교안 (School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) , 정종문 (School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University)

초록
AI-Helper

기술 발전에 따라 UAV(Unmanned aerial vehicle)의 성능이 향상되고 가격이 낮아지면서 미래에는 다양한 분야에서 UAV의 활용도가 높아질 것으로 예상된다. UAV를 안정적으로 운용하기 위해서는 제어 신호와 영상정보 통신을 유지하는 것이 매우 중요하며 예기치 못한 재밍 공격에 통신이 교란되면 치명적인 UAV 추락 사고가 발생할 수 있다. 반대로 원자력발전소 등의 주요 시설을 보호해야 하는 입장에서는 적군의 UAV들과 민간 목적으로 사용하는 상용 드론들의 위협을 고려 해야할 필요성이 있다. 본 연구에서는 SATURN(Second generation Anti-jam Tactical UHF Radio for NATO)과 같은 UHF 무전기를 사용한 UAV 설계 시 FEC(Forward error correction) 기술 중 하나인 해밍코드와 MSK(Minimum Shift Keying) 변조를 사용하는 시스템에 반복 전송 기법과 결합하여 항재밍 성능을 높여 UAV 운영 환경에서 지연시간이 낮은 안정적인 통신링크를 유지하도록 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the performance of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are improving and the prices are lowering, it is expected that the use of UAVs will continuously grow in the future. It is important to always maintain control signal and video communication to operate remote UAVs stably, especially in military UAV operations, as unexpected jamming attacks can result in fatal UAV crashes. In this paper, to improve the network reliability and low latency when supporting UAV operations, the anti-jamming performance of Second generation Anti-jam Tactical UHF Radio for NATO (SATURN) networks is analyzed and enhanced by applying Forward Error Correction (FEC) and Minimum Shift Keying (MSK) modulation as well as Hamming code based multiple transmission techniques.

주제어

표/그림 (10)

표 (표 1) 프레임에서 4 bit 의 데이터를 전송할 때 패리티 비트와 데이터 비트 위치 (Table 1) Parity bit and data bit position when transmitting 4 bits of data in a frame
표 (표 2) 해밍코드의 프레임 구성과 데이터 전송효율 (Table 2) Frame composition of Hamming code and data transmission efficiency
그림 (그림 1) 다이나믹 다중 프레임 전송기술의 Flow Diagram (Figure 1) Flow Diagram of dynamic repetitive frame transmission techniques
그림 (그림 2) 대역잡음 재밍에서 변조방식별 BER (Figure 2) BER of modulation type of band noise jamming
그림 (그림 3) 대역잡음 재밍에서 해밍코드를 사용할 때 변조방식과 프레임 크기에 따른 FER (Figure 3) FER of modulation type and frame size when using Hamming code in band noise jamming
그림 (그림 4) 펄스 재밍에서 변조방식과 Duty Cycle에 따른 BER (Figure 4) BER of modulation type and jamming Duty Cycle in pulse jamming
그림 (그림 5) Duty Cycle이 0.3인 펄스 재밍에서 해밍코드를 사용할 때 변조방식과 프레임 크기에 따른 FER (Figure 5) FER of modulation type and frame size when using Hamming code in pulse jamming with Duty Cycle of 0.3
그림 (그림 6) 재밍 상황에서 해밍코드 적용과 다이나믹 다중 프레임 전송기술의 성능 (Figure 6) Application of Hamming code and performance of dynamic multi-frame transmission technology in jamming situation
그림 (그림 7) 재밍 상황에서 프레임의 전송 효율 (Figure 7) Frame data transfer efficiency in jamming situations
그림 (그림 8) 재밍 상황에서 프레임 평균 재전송 수 (Figure 8) Average number of frame retransmissions in jamming situations

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

재밍으로 인해 데이터 전송에 실패한다면 재전송이 지속적으로 발생하고 이러한 재전송증가는 채널의 전송효율을 저하시키기도 하지만 UAV의 경우 제어신호와 영상 신호의 전달이 늦어지게 되어 조종자의 조종을 매우 어렵게 만든다. 본 논문에서는 SATURN같은 UHF 무전기를 통해 제어되는 중장거리를 비행하는 UAV 운영 환경을 가정하고 재밍이 있는 상황에서도 제어에 필요한 최소한의 영상과 제어신호를 지연시간 증가 없이 안정적으로 전송할 수 있는 다이나믹 다중프레임 전송 기술을 제안한다. 본 기술을 통해 재전송에 따른 지연시간 증가를 최소화하여 안정적인 UAV 운영이 가능해질 것이다.
본 논문에서는 UHF 통신 링크에 의도적인 재밍이 가해질 때 UAV를 제어하는 통신 링크를 안정적으로 운용할 수 있도록 돕는 다이나믹 다중 프레임 전송 기술에 대해 제안하였다. 조종사는 제안된 기술을 통해 높은 재밍 환경에서도 지연시간의 증가에 따른 문제나 통신 중단에 따른 문제를 겪지 않을 것이며 UAV를 보다 안정적으로 운용할 수 있을 것이다.

가설 설정

이외에도 재밍으로 인해 데이터 전송에 실패하는 경우, 재전송이 발생하는 경우, 해밍코드를 적용할 때 패리티 비트에 의해 전송 효율이 저하될 것이며 이를 반영하였다. 1개 채널에서 프레임의 비트 전체가 데이터로 전송될 때를 1이라 가정하고 상대적인 효율을 확인하였다. 다중 프레임 전송 시에는 채널점유가 늘어나므로 1개 채널에서 전송된 데이터량만으로효율을 계산한다.
UAV의 통신방식은 SATURN 무전기를 통해 항공무선 통신에서 사용되는 UHF 통신을 하는 환경으로 가정하였다. U/VHF 항공무선통신은 대역을 매우 많은 채널로 나눠 각 지상국에 채널을 할당하고 용도에 따라 적절하게 분배한다.
해밍코드를 적용하지 않고 1 프레임 크기가 63bit에 전부 데이터 전송에만 사용하는 경우와 63bit 해밍코드 적용, 15~63bit 가변 프레임 적용, 다이나믹 다중 프레임 전송기술을 적용한 경우의 데이터 전송 효율을 확인하였다. 다만 시스템에서 감당 가능한 최대 FER을 만족하기 위해 모든 조건에서 최대 FER을 만족하는 수준에 도달할 때까지만 재전송을 한다고 가정하였고 재전송이 발생하는 만큼 전송효율이 저하될 것이다. 이외에도 재밍으로 인해 데이터 전송에 실패하는 경우, 재전송이 발생하는 경우, 해밍코드를 적용할 때 패리티 비트에 의해 전송 효율이 저하될 것이며 이를 반영하였다.
항공무선통신은 모바일 셀룰러 네트워크나 저궤도 위성통신처럼 셀로 구성되고 핸드오버를 통해 서비스 되는 형태와 조금 다르며 U/VHF 통신은 매우 장거리 통신도 가능하기에 하나의 지상국과 단일 UAV 가 통신하는 환경으로 가정하였다. 또한 데이터 전송 과정에서 영상과 제어신호는 슬롯에 넣어져 같이 전송된다고 보고 영상과 재밍신호는 동일하게 재밍된다고 가정하였다.
펼스 재밍은 재밍 대상이 사용하는 주파수에 대해 재밍 신호를 펄스 형태로 시간축에 따라 방사 또는 대기를 반복하는 형태이며, 재밍 신호가 존재하는 시간과 없는 시간으로 구분된다. 마찬가지로, 유효한 결과를 확인하기 위하여, 펄스 재밍의 모든 주파수 영역은 재밍의 범위 내에 있다고 가정한다.
또한 Trust 기반 보안 알고리즘을 사용하여 FANET(Flying Ad-hoc network) 에서의 보안성을 향상시키는 등[7] UAV 군집화에 대한 설계들이 연구되고 있는데 이러한 FANET을 사용하기 위해서는 각 UAV간의 통신 안정성이 중요하며 활용성을 고려한다면항재밍 성능이 높은 통신망을 설계하는 것이 유리하다. 본 논문에서 제안하는 다이나믹 프레임 다중전송은 높은 재밍 환경에서 UAV에 필요한 통신 링크를 유지시키고안정적인 시스템 동작을 보장할 것이다.
시뮬레이션에서는 재밍에 의한 영향성을 확인하는 것이 목표이며 전송환경이 일정하다고 가정하고 α를 0.99의 고정된 값으로 설정하고 진행하였다
전대역 잡음 재밍은 재밍 대상의 주파수가 발생될 수 있는 전 범위에 대해 재밍 하는 것이고 부분대역잡음 재밍은 재밍 대상이 방사하는 주파수 대역 중 일부 대역에 대해서만 재밍을 하는 방식이다. 이 논문에서는 유효한 결과를 확인하기 위하여, 대역잡음 재밍은 SATURN의 주파수 도약 기법과 관계없이 모든 대역에 대해 재밍을 받는다는 가정을 위해 전 대역잡음 재밍을 고려하고, 이 재밍 신호는 연속파라 가정하여 단순화하였다.
항재밍 성능을 보장하기 위해 비트 오류를 자동 정정 가능한 오류 정정 코드를 사용하는 시스템으로 설계하였다. 이때 오류를 자동으로 정정하기 위해 수신측에서 하나의 비트 오류에 대해 자동 정정이 가능한 해밍코드를 SATURN에서 사용하는 것으로 가정하고 설계하였다. 오류 자동 정정이 가능한 코드를 사용하면 항재밍 성능이 향상되며 빠른 속도로 비행하는 UAV에서 재밍으로 인한 통신링크 중단 및 사고 발생 가능성을 크게 줄일 수 있다.
프레임의 크기가 15 bit와 31 bit 이고 해밍코드로 오류를 정정할 때 펄스 재밍에서 신호대 재밍신호비 변화에 따른 변조방식별 FER 성능은 다음과 같다. 재밍 Duty Cycle은 0.3인 경우로 가정하였다.
시뮬레이션은 SATURN 통신링크의 MSK 변조와 일반적인 소형 상용 무인기에서 저렴하게 설계되는 Coherent / Noncoherent BFSK 변조에 대해 분석하였다. 재밍은 일반적으로 쓰이는 대역 잡음 재밍과 펄스 재밍을 사용하였으며 UAV가 사용하는 주파수 대역에서 재밍이 이뤄지는 것으로 가정하였다. 전송 과정에서 환경이나 UAV 자세 변화에 따른 통신 신호 감쇄변수 α는 0.
전송 과정에서 환경이나 UAV 자세 변화에 따른 통신 신호 감쇄변수 α는 0.99로 가정하였다
다이나믹 다중 프레임 전송 시 동일 프레임의 최대 전송 개수는 3개로 설정하였다. 프레임 재전송에 따른 딜레이 없이 안정적으로 통신을 유지하기 위한 최대 FER을 0.05로 설정하고 이를 초과하면 재밍된다고 가정한다.
U/VHF 항공무선통신은 대역을 매우 많은 채널로 나눠 각 지상국에 채널을 할당하고 용도에 따라 적절하게 분배한다. 항공무선통신은 모바일 셀룰러 네트워크나 저궤도 위성통신처럼 셀로 구성되고 핸드오버를 통해 서비스 되는 형태와 조금 다르며 U/VHF 통신은 매우 장거리 통신도 가능하기에 하나의 지상국과 단일 UAV 가 통신하는 환경으로 가정하였다. 또한 데이터 전송 과정에서 영상과 제어신호는 슬롯에 넣어져 같이 전송된다고 보고 영상과 재밍신호는 동일하게 재밍된다고 가정하였다.

제안 방법

시뮬레이션을 위해 프레임 크기가 15 bit, 31 bit, 63 bit 로 가변적으로 조정 가능한 시스템으로 설계하고 MSK 변조를 하며 대역 잡음 환경에서 분석하였다. (1) 프레임 당 63 bit로 전송하며 해밍코드를 사용하지 않는 경우, (2) 해밍코드를 적용하고 프레임 크기가 63 bit 로 고정된 경우, (3) 해밍코드를 적용하고 목표 FER이 넘을 때 프레임 크기를 15~63 bit 사이에서 가변적으로 조정하는 경우, (4) 프레임의 크기와 프레임 전송 횟수를 가변적으로 조정하여 FER 성능을 최적화하는 다이나믹 다중프레임 전송기술의 FER을 비교하였다.
변조방식과 재밍 환경에 따른 BER을 다음과 같이 유도한다. MSK 변조와, 단순한 저가의 상용 UAV의 Coherent / Noncoherent BFSK 변조의 대역 잡음 재밍, 펄스재밍에 대한 항재밍 성능을 확인하였다. 신호대 재밍 신호비에 따른 BER(Bit Error Rate)을 기준으로 확인하였다.
UAV의 통신은 다양하게 설계될 수 있으나 본 논문에서는 군용(美) 또는 주요 사업용 UAV처럼 사고가 발생하지 않도록 항재밍 성능을 고려해야 하는 시스템에 필요한 MSK 변조와 주요 시설에 위협이 될 수 있는 상용 UAV가 사용하는 BFSK 변조 두가지에 대해 분석하였다. MSK는 SATURN 같은 군용 항재밍 무전기가 변조하는 방식으로 항재밍 성능이 우수한 변조 방식이다.
2장에서는 Jamming / Anti-Jamming 기술에 대해 간략히 설명하고 3장에서는 변조방식에 따라 항재밍 능력이다를 수 있음을 확인한다. 변조방식에 따른 FER(Frame Error Rate)를 계산하고 해밍코드를 적용함으로서 FER 이 개선될 수 있음을 확인하며 이를 바탕으로 프레임 크기와 재전송 수를 조정하여 재밍 상황에서 안정적인 통신할 수 있는 다이나믹 다중 프레임 전송 기술을 제안한다. 4장에서는 시뮬레이션을 통해 앞의 기술의 성능을 확인한다.
본 논문에서는 각 프레임에 오류정정 코드로 해밍코드를 적용하여 채널 부호화를 구현하고 필수적인 신호를 유지하기 위해 FER(Frame Error Rate)을 낮게 유지하도록 하는 다이나믹 다중 프레임 전송 기술을 제안할 것이다.
본 논문에서는 재밍으로 인해 BER이 높아지는 상황에서 목표한 FER를 유지하도록 BER이 높아질수록 낮은 데이터 비트를 쓰는 낮은 차수의 해밍코드를 적용하고 데이터를 전송한다. 해밍코드가 포함된 경우 프레임 크기가 작아질수록 표 2과 같이 데이터 전송 효율은 저하되어 속도가 느려지나 안정성이 높아진다.
해밍코드 적용 시 프레임의 크기는 표 2에 있는 범위에서 가능하다. 시뮬레이션을 위해 프레임 크기가 15 bit, 31 bit, 63 bit 로 가변적으로 조정 가능한 시스템으로 설계하고 MSK 변조를 하며 대역 잡음 환경에서 분석하였다. (1) 프레임 당 63 bit로 전송하며 해밍코드를 사용하지 않는 경우, (2) 해밍코드를 적용하고 프레임 크기가 63 bit 로 고정된 경우, (3) 해밍코드를 적용하고 목표 FER이 넘을 때 프레임 크기를 15~63 bit 사이에서 가변적으로 조정하는 경우, (4) 프레임의 크기와 프레임 전송 횟수를 가변적으로 조정하여 FER 성능을 최적화하는 다이나믹 다중프레임 전송기술의 FER을 비교하였다.

데이터처리

시뮬레이션은 SATURN 통신링크의 MSK 변조와 일반적인 소형 상용 무인기에서 저렴하게 설계되는 Coherent / Noncoherent BFSK 변조에 대해 분석하였다. 재밍은 일반적으로 쓰이는 대역 잡음 재밍과 펄스 재밍을 사용하였으며 UAV가 사용하는 주파수 대역에서 재밍이 이뤄지는 것으로 가정하였다.
프레임 오율을 확인하기 위해 BER을 바탕으로 FER을계산한다. 해밍코드를 적용하고 프레임의 크기는 15 bit (데이터 11 bit, 패리티 4 bit) 와 31 bit (데이터 26 bit, 패리티 5 bit) 두가지 경우를 비교하였다. 대역 잡음 재밍에서 신호대 재밍신호비 변화에 따른 변조방식별 FER은 다음과 같다.

성능/효과

특히 본 논문에서 제안하는 다이나믹 다중 프레임 전송 기술은 고정익 형태로 고속으로 비행하는 중고고도 UAV나 지상의 단일 지상국에서 수십 Km 이내로 비행하는 군용 UAV 운영 환경에서 크게 유용하다. 이러한 UAV 들은 재밍 공격을 받을 가능성이 매우 높으며, 본 논문에서 제안하는 기술을 적용할 경우 높은 재밍 환경에서도 일부 영상의 화질 저하는 발생하지만 영상과 제어 신호는 낮은 지연시간을 지속적으로 유지할 수 있고 높은 항 재밍 성능도 기대할 수 있기 때문이다.

후속연구

본 논문에서는 SATURN같은 UHF 무전기를 통해 제어되는 중장거리를 비행하는 UAV 운영 환경을 가정하고 재밍이 있는 상황에서도 제어에 필요한 최소한의 영상과 제어신호를 지연시간 증가 없이 안정적으로 전송할 수 있는 다이나믹 다중프레임 전송 기술을 제안한다. 본 기술을 통해 재전송에 따른 지연시간 증가를 최소화하여 안정적인 UAV 운영이 가능해질 것이다.
본 논문에서는 UHF 통신 링크에 의도적인 재밍이 가해질 때 UAV를 제어하는 통신 링크를 안정적으로 운용할 수 있도록 돕는 다이나믹 다중 프레임 전송 기술에 대해 제안하였다. 조종사는 제안된 기술을 통해 높은 재밍 환경에서도 지연시간의 증가에 따른 문제나 통신 중단에 따른 문제를 겪지 않을 것이며 UAV를 보다 안정적으로 운용할 수 있을 것이다. 향후에는 비트레이트 최적화와 함께 항재밍 성능을 유지할 수 있는 기술에 대해 연구를 진행할 것이다.
그림 4에서 펄스 재밍 시 신호대 재밍신호비에 따라 효과적인 Duty Cycle을 확인할 수 있다. 주요 시설을 보호하기 위해 위협적인 UAV를 재밍할 때 대상의 거리와 조종 신호세기에 따라 신호대 재밍신호비를 추정하여 BER 을 가장 높일 수 있는 적절한 재밍기법과 Duty Cycle을 사용한다면 지속파를 사용하는 잡음재밍 대비 적은 에너지로도 최적의 재밍 효과를 얻을 수 있을 것이다.
조종사는 제안된 기술을 통해 높은 재밍 환경에서도 지연시간의 증가에 따른 문제나 통신 중단에 따른 문제를 겪지 않을 것이며 UAV를 보다 안정적으로 운용할 수 있을 것이다. 향후에는 비트레이트 최적화와 함께 항재밍 성능을 유지할 수 있는 기술에 대해 연구를 진행할 것이다.

참고문헌 (7)

Du-Ho Lee, Byeong-Hun Go, Gwang-Sun Kim, "Anti-jamming based tactical communication technology", Information and Communications Magazine, vol.24, No.10, pp24-33, 2007. https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200734515968682.page
Boyd Kaiser, Jarod Droll, "Comparision of SATURN and Have Quick" Collins Aerospace, Mar 2019. https://modernbattlespace.com/2019/05/09/comparing-saturn-waveform-havequick-how-improves-battlespace-comms/#.Ycl3dWDP2Ul
Sucheol Yeo, et al. "Study on Data-link Antenna System for UAV" The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences Vol.15, No.1, pp.9-14, 2020. https://www.dbpia.co.kr/Journal/articleDetail?nodeIdNODE09403251
Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, "Principles of Communications", 563-608, Sigma Press, 2016. https://doi.org/10.1002/oca.4660080208
Cem Sen, "Digital Commmunication Jamming", 45-70, US Navy postgraduate school, 2000. https://calhoun.nps.edu/handle/10945/32961
Zhiwei Li, Yu Lu, Zengguang Wang, Wenxin Qiao, Donghao Zhao, "Smart Anti-jamming Mobile Communication for Cloud and Edge-Aided UAV Network" KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), Vol.14, No.12, pp.4682-4705, 2020. https://doi.org/10.3837/tiis.2020.12.004

원문보기 상세보기
Zhou, Jingxian, Zengqi Wang, "Security Clustering Algorithm Based on Integrated Trust Value for Unmanned Aerial Vehicles Network" KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), Vol.14 , No.4, pp.1773-1795, 2020. https://doi.org/10.3837/tiis.2020.04.020

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증