[논문]UAM 초기 운영을 위한 통신 성능 요구도 도출

정영호; 전향식

doi:10.12673/jant.2024.28.1.109

초록
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도심항공 모빌리티 (UAM; urban air mobility) 서비스를 위한 한국의 K-UAM 운용개념서에서는 초기 운용 과정에서 항공음성통신 뿐만 아니라 4G 및 5G 이동통신의 활용을 고려하고 있다. 본 논문은 UAM 교통관리를 위한 통신 성능 요구사항을 설정하기 위한 방법론을 연구하였으며, 초기 UAM 운항을 위한 통신 성능 요구 항목과 수준을 제시하였다. 이를 위해 K-UAM 운용개념서와 미국 FAA 운용개념서의 UAM 발전 단계별 운영 시나리오를 분석하고, 다양한 UAM 이해관계자 간에 UAM 운용을 위해 전달해야 할 메시지의 종류를 식별하였다. 또한, 이러한 메시지의 전송을 위해 필요한 통신 링크 종류, 데이터 크기, 전송 주기, 허용 가능 지연, 가용성 등을 고려하여 통신 성능 요구사항 초안을 도출하였다. 본 연구 결과는 UAM 서비스를 위한 통신 요구사항 설정 관련 최초 연구로서 향후 UAM 전용 통신망 설계 및 필요 주파수 소요량 산출과 같은 분야에서 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Concept of Operations (ConOps) document issued by the Korean Government (K-UAM ConOps) for urban air mobility (UAM) services takes into account not only aviation voice communication but also the use of 4G and 5G mobile communication to support the initial phase of UAM services. This paper studie...

The Concept of Operations (ConOps) document issued by the Korean Government (K-UAM ConOps) for urban air mobility (UAM) services takes into account not only aviation voice communication but also the use of 4G and 5G mobile communication to support the initial phase of UAM services. This paper studies a methodology to establish communication performance requirements for UAM traffic management and presents the analyzed results for communication performance requirements. To accomplish this, the operational scenarios of UAM developmental stages outlined in the K-UAM ConOps and FAA ConOps are scrutinized, and the diverse messages that must be communicated among various stakeholders for effective UAM operations are identified. A draft of communication performance requirements is also calculated by considering packet sizes, transmission frequencies, acceptable latencies, and availability. The outcomes of this study are expected to stand as a pioneering effort in defining communication requirements for UAM services, providing a crucial foundation for future initiatives such as the design of dedicated communication networks for UAM and the determination of required frequency bandwidth.

주제어

표/그림 (8)

표 표 1. K-UAM 발전 단계별 주요 특징 [8] Table 1. Key Indicators of K-UAM evolution [8].
그림 그림 1. 초기 K-UAM 교통관리 시스템 구조도 [8] Fig. 1. Structure of initial K-UAM air traffic management system [8].
그림 그림 2. FAA 운영개념서에 따른 UAM 교통관리 시스템 구조도[3] Fig. 2. Structure of UAM air traffic management system according to FAA ConOps [3].
표 표 2. UAM 운항을 위한 무선 전송 정보 종류 및 생성/ 경유/ 목적지 이해관계자 Table 2. Types of wireless transmission information for UAM operations and stakeholders for source, relay and sink
표 표 3. UAM 운항을 위한 무선 전송 정보 종류 별 요구 통신 성능 요구사항 Table 3. Communication performance requirements for each wireless transmission information required for UAM operation.
표 표 4. 링크 가용도 값에 따른 전송 횟수별 확보 가능 Reliability (패킷 에러율 1%) Table 4. Achievable reliability according to the number of transmissions for link availability values (packet error rate = 1%).
표 표 5. 패킷 에러율 1%, 링크 가용도 95%인 경우 요구 전송률 Table 5. Required transmission rate for 1% packet error rate and 95% link availability.
표 표 6. 패킷 에러율 1%, 링크 가용도 99%인 경우 요구 전송률 Table 6. Required transmission rate for 1% packet error rate and 99% link availability.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 UAM 초기 운용에 필요한 통신 성능 요구도를 분석하였다. K-UAM 운용개념서를 포함한 주요 운용개념서의 초기 서비스 시나리오를 고려하여, UAM 이해관계자 사이에서 전달해야 할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야 할 정보의 크기, 전송 주기, 허용 가능 전송지연 (latency), 신뢰도 (reliability) 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다.
본 논문에서는 UAM 초기 운용에 필요한 통신 성능 요구도를 분석하였다. K-UAM 운용개념서를 포함한 주요 운용개념서의 초기 서비스 시나리오를 고려하여, UAM 이해관계자 사이에서 전달해야 할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야 할 정보의 크기, 전송 주기, 허용 가능 전송지연 (latency), 신뢰도 (reliability) 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다.

제안 방법

본 논문에서는 UAM 초기 운용에 필요한 통신 성능 요구도를 분석하였다. K-UAM 운용개념서를 포함한 주요 운용개념서의 초기 서비스 시나리오를 고려하여, UAM 이해관계자 사이에서 전달해야 할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야 할 정보의 크기, 전송 주기, 허용 가능 전송지연 (latency), 신뢰도 (reliability) 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 각 정보에 대해 요구되는 신뢰성 수준은 이동통신망이 제공 가능한 통신망 가용도 (availability) 수준에 비해 월등하게 높으나 허용 가능한 지연 값 요구 수준이 높지 않아 다수의 재전송을 통해 요구 성능 달성이 가능함을 보였다.
본 논문에서는 UAM 초기 운용에 필요한 통신 성능 요구도를 분석하였다. UAM 이해관계자 사이에서 전달해야할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야할 정보의 크기, 전송주기, 전송지연, 신뢰도 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 일부 값들을 가정하여 잠정적으로 계산한 결과 요구 전송률이 높지 않아 공중 영역에 대한 통신 가용성만 안정적으로 확보하면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다는 분석 결과를 도출할 수 있었다.
9% [12]를 기준으로 정하였다. 요구 전송률은 한 번에 생성되는 패킷의 크기를 허용 가능 지연이나 생성 주기 (period) 중 작은 값으로 나누어 계산하였다. 예를 들어 U02 정보의 경우 1kbyte의 정보가 10초 간격으로 발생하지만 1초 이내에 전송이 되어야 하므로 요구 전송률은 8 kbps와 같다.
표 1의 K-UAM 초기 운용단계에서 고려중인 상용이동통신 네트워크가 어떠한 최소 성능 기준을 만족해야 하는지 성능 요구도 항목과 그 값을 설정하기 위해서는 하향링크 통신망을 이용하여 기지국에서 기체로 전송해야 하는 데이터와 상향링크 통신망을 이용해서 기체에서 기지국으로 전송해야 하는 데이터가 각각 어느 정도 크기인지, 얼마나 자주 전송해야 하는지, 지연시간은 얼마까지 허용 가능한지, 전송 성공 확률은 얼마 이상 되어야 하는지 등이 정해져야 한다. 이후 이러한 데이터를 요구하는 성능 기준 내에서 전송하기 위한 통신망의 최소 전송률 (minimum data rate), 허용 가능 최대 지연 (end-to-end latency), 신뢰성 (reliability), 가용성 (availability) 등의 성능 항목 중 어떤 항목을 기준으로 해야 하는지, 그 값은 얼마로 설정해야 하는지 등을 분석한다.

데이터처리

표 5는 링크 가용도가 95%이고, PER이 1%인 경우 정보별 요구 전송률을 계산한 결과로, 상⋅하향링크 요구 최대 전송률과 평균 전송률을 계산하였다

이론/모형

표 2에서 정의된 정보들의 통신 요구 성능을 표 3에 정리하였다. 생성 주기별로 생성되는 정보의 크기, 정보 갱신 주기, 통신 지속시간, 허용 가능 지연, 신뢰성 등의 값은 [10]-[12] 등의 관련 문헌을 참고하여 정하였다. 예를 들어 U01 실시간 기체 위치 정보의 경우 ADS-B out 메시지의 전송 주기와 동일하게 정보 갱신 주기를 1초로, 최대 허용 지연은 1초, 신뢰성은 ADS-B의 service availability인 99.

성능/효과

K-UAM 운용개념서를 포함한 주요 운용개념서의 초기 서비스 시나리오를 고려하여, UAM 이해관계자 사이에서 전달해야 할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야 할 정보의 크기, 전송 주기, 허용 가능 전송지연 (latency), 신뢰도 (reliability) 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 각 정보에 대해 요구되는 신뢰성 수준은 이동통신망이 제공 가능한 통신망 가용도 (availability) 수준에 비해 월등하게 높으나 허용 가능한 지연 값 요구 수준이 높지 않아 다수의 재전송을 통해 요구 성능 달성이 가능함을 보였다. 분석 결과 UAM 서비스를 위한 통신 성능 요구도 항목은 기체 당 전송률과 통신망 가용도로 설정하는 것이 타당하고, 현실적인 파라미터 값을 이용하여 잠정적인 값을 산출한 결과 UAM 회랑 영역에 대한 통신 커버리지만 안정적으로 확보되면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다는 분석 결과를 도출할 수 있었다.
표 6은 링크 가용도가 99%로 상승하고, PER이 1%인 경우 요구 전송률을 계산한 결과이다. 링크가용도 95%인 경우에 비해 일부 정보에 대한 필요 최대 전송 횟수가 줄어들어 상향링크 평균 23.8 kbps, 최대 94.4 kbps, 하향링크 평균 327.4 kbps, 최대 654.4 kbps의 전송률이 확보되면 되는 것으로 나타났다.
각 정보에 대해 요구되는 신뢰성 수준은 이동통신망이 제공 가능한 통신망 가용도 (availability) 수준에 비해 월등하게 높으나 허용 가능한 지연 값 요구 수준이 높지 않아 다수의 재전송을 통해 요구 성능 달성이 가능함을 보였다. 분석 결과 UAM 서비스를 위한 통신 성능 요구도 항목은 기체 당 전송률과 통신망 가용도로 설정하는 것이 타당하고, 현실적인 파라미터 값을 이용하여 잠정적인 값을 산출한 결과 UAM 회랑 영역에 대한 통신 커버리지만 안정적으로 확보되면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다는 분석 결과를 도출할 수 있었다.
이상의 분석 결과를 통해 UAM 초기 운항을 위해 필요한 통신망 성능요구도 항목은 통신망의 가용도와 기체 당 요구전송률의 조합으로 정할 수 있고, 확보 가능 가용도 값이 높아질수록 요구 전송률 값을 낮출 수 있음을 알 수 있다. 특히 극단적으로 전체 정보를 동시에 전송하고, 최대 횟수만큼 재전송 하는 경우를 가정하더라도 최대 요구 전송률이 상향링크 100 kbps 내외, 하향링크 700 kbps 내외로 크지 않아 통신 커버리지만 확보되면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다.
UAM 이해관계자 사이에서 전달해야할 정보를 식별하고, 무선 통신 구간에서 전송해야할 정보의 크기, 전송주기, 전송지연, 신뢰도 등의 요구 성능을 만족하기 위한 통신망의 요구 성능 항목과 값을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 일부 값들을 가정하여 잠정적으로 계산한 결과 요구 전송률이 높지 않아 공중 영역에 대한 통신 가용성만 안정적으로 확보하면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다는 분석 결과를 도출할 수 있었다. 향후 본 연구 결과를 확장하여 회랑에서의 UAM 기체 운항 상황을 모사한 모의실험을 통해 요구되는 전송률과 요구 대역폭 분석 연구가 필요할 것으로 보인다.
이상의 분석 결과를 통해 UAM 초기 운항을 위해 필요한 통신망 성능요구도 항목은 통신망의 가용도와 기체 당 요구전송률의 조합으로 정할 수 있고, 확보 가능 가용도 값이 높아질수록 요구 전송률 값을 낮출 수 있음을 알 수 있다. 특히 극단적으로 전체 정보를 동시에 전송하고, 최대 횟수만큼 재전송 하는 경우를 가정하더라도 최대 요구 전송률이 상향링크 100 kbps 내외, 하향링크 700 kbps 내외로 크지 않아 통신 커버리지만 확보되면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다.

후속연구

UAM용 통신 네트워크 구축에 있어 지상 사용자와 주파수 자원을 공유하거나 전용 주파수를 이용하는 경우 모두 가용도 수준을 어느 정도로 통신망을 설계해야 하는지와 전송정보가 요구하는 신뢰도 수준보다 가용도가 낮을 경우 신뢰도를 확보할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다.
일부 값들을 가정하여 잠정적으로 계산한 결과 요구 전송률이 높지 않아 공중 영역에 대한 통신 가용성만 안정적으로 확보하면 초기 UAM 운용을 위한 통신 성능 확보가 가능하다는 분석 결과를 도출할 수 있었다. 향후 본 연구 결과를 확장하여 회랑에서의 UAM 기체 운항 상황을 모사한 모의실험을 통해 요구되는 전송률과 요구 대역폭 분석 연구가 필요할 것으로 보인다.

참고문헌 (17)

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Urban air mobility (UAM) concept of operations v2.0,？Federal Aviation Administration: Washington, DC, Apr.？2023.？
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A Roadmap for Flight Automation in Advanced Air？Mobility - Creating and Automated Airspace Management？and Vehicle Guidance System, Skyroads AG: Munich？Germany, Jan. 2022.？
Urban air mobility concept of operations for the London？environment, UK Air Mobility Consortium: Whiteley, UK,？Mar. 2022.？
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UAM Team Korea: K-UAM Concept of Operations 1.0,？MOLIT: Sejong, Korea, Sep. 2021.？
MOLIT, UAM Team Korea, Establishment of 5 working？groups including policy, aircraft and operation, and building？the framework [Internet]. Available: http://www.molit.go.kr/USR/NEWS/m_71/dtl.jsp?lcmspage3&id95088307？
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상세보기
UAM Team Korea: K-UAM GC-1 structure of data？sharing, MOLIT: Sejong, Korea, May, 2023.？
B. A. Solomon, System analysis using automatic dependent？surveillance broadcast (ABS-B) for closely spaced parallel？approaches, Thesis (S.M.), Massachusetts Institute of？Technology, MA, 1999.？
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X. Lin et al., "The sky is not the limit: LTE for unmanned？aerial vehicles," IEEE Communications Magazine, Vol. 56,？No. 4, pp. 204-210, Apr. 2018.？

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[Internet]. Available: https://www.yna.co.kr/view/MYH20230817022900641？

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