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연구개요
산악지대나 재난으로 인해 통신 시설이 손상된 지역 등 정상적인 통신 네트워크가 구성되지 않은 지역에서 수 km 상공의 저궤도 드론 (Drone)을 모바일 네트워크의 단말 혹은 중계기로 활용하는 방안이 최근 주목 받고 있다. 하지만 드론은 기존의 지상통신과는 다르게 공중에서 운용되므로 3차원 네트워크를 형성하며 배터리로 동작되기 때문에 운용전력 및 시간에 제한이 있고 이동성을 고려해야 한다.
본 연구에서는 드론을 활용한 3차원 네트워크에서 다수의 드론을 중계기로 활용한 다중 홉 중계 기술과 지상 기지국에서 드론에

연구개요
산악지대나 재난으로 인해 통신 시설이 손상된 지역 등 정상적인 통신 네트워크가 구성되지 않은 지역에서 수 km 상공의 저궤도 드론 (Drone)을 모바일 네트워크의 단말 혹은 중계기로 활용하는 방안이 최근 주목 받고 있다. 하지만 드론은 기존의 지상통신과는 다르게 공중에서 운용되므로 3차원 네트워크를 형성하며 배터리로 동작되기 때문에 운용전력 및 시간에 제한이 있고 이동성을 고려해야 한다.
본 연구에서는 드론을 활용한 3차원 네트워크에서 다수의 드론을 중계기로 활용한 다중 홉 중계 기술과 지상 기지국에서 드론에 전력을 공급하기 위한 TR (time reversal) 기반 3차원 빔포밍 기술을 개발한다. 이러한 기술들을 바탕으로 드론 간 정보와 전력을 동시에 전송하기 위한 최적 자원 할당 중계 프로토콜 및 드론 이동성을 고려한 3차원 적응 빔포밍 및 추적 기술을 개발하는 것을 최종 목표로 한다.

연구 목표대비 연구결과
[1차년도] 3차원 빔포밍 기반 정보 전송 및 전력 전달 요소 기술 개발
1) 다중 사용자 시스템을 위한 전이중 빔포밍 기술
- 기존 반이중 시스템 대비 1.86배 높은 전송률 달성
2) 다중 홉 전이중 중계 시스템에서 자원 활용 및 빔포밍 기술
- 전송률 손실을 최소화하면서 채널 정보 교환에 필요한 자원 사용량을 대폭 감소시킴
3) 전력 효율 극대화를 위한 전력 전달 기술 비교 분석
- 정보전송 측면에서는 time reversal transmission이 적합
- 전력전달 측면에서는 single-tone transmission이 적합
4) 정보 전송 용량 및 전력 전달 효율 극대화를 위한 3차원 빔포밍 기술
- 2차원 빔포밍 대비 정보전송 및 전력전달량 2.5배 향상

[2차년도] 3차원 중계 시스템에서 정보 전력 동시 전송 기술 개발
1) 다중 중계기 환경에서 기지국의 전력전달 기술
- 간섭 신호를 전력원으로 활용하는 협력 전송 기술을 통해 최소 5.27%에서 최대 51.4%의 전력 전달량 증대
2) 다중 홉 다중 중계기 환경에서 정보전송을 위한 분산형 빔포밍 기술
- 채널 정보 교환 오버헤드를 제거한 분산형 빔포밍 시스템으로 중앙집중식 시스템 전송률의 90% 이상 달성
3) 다중 홉 중계 시스템에서 전송 시간 자원 할당 프로토콜 기술
- 매우 낮은 복잡도의 closed-form 시간 자원 할당 기법을 제안하여 최적 전송률에 근접
4) 정보 전력 동시 전송을 위한 중계 시스템의 시간 자원 할당 기술
- 정보 전력 동시 전송을 위한 낮은 복잡도의 시간 자원 할당 기법을 제안하여 최적 전송률에 근접
- 전력 전송 기반의 통신 네트워크 환경에서 채널 정보 피드백이 없는 경우 주파수 분할 방식이 시분할 방식보다 우수하며, 피드백이 필요한 경우는 그 반대

[3차년도] 이동성 및 간섭 환경을 위한 3차원 적응 빔포밍 기술 개발
1) 간섭을 고려한 전력 전달 및 정보 전송 기법
- 간섭 성분을 전력원으로 활용하는 협력적 자원 할당 기술을 제안하여 기존 기법의 수신 전력량을 거의 유지하면서, 약 37% 향상된 데이터 전송률 달성
2) 고속 이동성 및 간섭 환경에서 빔 추적 기술 및 적응 빔포밍 기술
- 간섭이 있는 환경에서 원하는 신호를 구별해내고, 이에 상응하는 빔 추적 수행
- 낮은 신호대 잡음 영역에서 기존 기법보다 방향각 추정치의 최소제곱 오차 성능이 약 14 dB 우수
3) 고속 이동성 환경으로 인한 신호 간섭 영향 분석 및 간섭 제어 기술 연구
- 주파수 오프셋 추정 실패 확률과 추정 오차를 이론적으로 분석

연구개발결과의 중요성
[기술적 측면]
- 홍수, 화재, 산사태, 지진, 테러 등의 재난 지역, 산악 지형과 같이 고립된 지역, 사용자 밀집 지역에서 통신 네트워크 형성 가능
- 본 연구의 기술 개발을 통해 드론 기반 전송 원천 기술의 국제 특허 등 지적재산권 확보 및 차세대 이동 통신 표준화 주도가 가능하고 나아가 기술 경쟁력을 높이는 데 기여함

[경제 및 산업적 측면]
- 드론에 기반한 대용량의 데이터를 고속으로 제공하는 새로운 형태의 이동 통신 서비스를 창출하고, 드론 관련 업체의 이윤 창출을 통한 제조업의 성장을 유도함

[인력 양성적 측면]
- 차세대 이동 통신의 주요 연구 분야인 무선 전력 전달, 전이중 통신, 다중 홉 통신, 드론 기술 등을 연구하고 드론 기반 전송 시스템 개발에 참여함으로써 산업체와 연구소에서 핵심 인재로 성장할 수 있는 토대 마련

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 필요성 ... 4
• 나. 최종연구목표 ... 4
• 다. 연차별 연구범위 ... 5
• 라. 연구의 추진전략 및 방법 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• [1차년도] 3차원 빔포밍 기반 정보 전송 및 전력 전달 요소 기술 개발 ... 6
• [2차년도] 3차원 중계 시스템에서 정보 전력 동시 전송 기술 개발 ... 9
• [3차년도] 이동성 및 간섭 환경을 위한 3차원 적응 빔포밍 기술 개발 ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 16
• 4. 참고문헌 ... 17
• 5. 연구성과 ... 18
• 대표적 연구실적 ... 20
• 끝페이지 ... 37