초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
다중 사용자와 통신을 할 때 능동적으로 위치 및 자세를 조절하여 주파수 효율을 극대화 하는 드론 기지국 시스템에 대한 원천 기술을 개발

◼ 전체 내용
다수 사용자의 QoS가 다른 실질적 환경에서 드론 기지국의 최적의 이동 경로와, 다중 안테나 송수신 기법, 그리고 자세 제어를 통한 정교한 빔포밍 기법 등에 대해 연구함.

◼ 1단계
❏ 목표
다중 안테나 송수신 기법, 드론의 자세 제어 기법, 드론 기지국 경로 최적화 등의 원천 기술을 확보함<

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
다중 사용자와 통신을 할 때 능동적으로 위치 및 자세를 조절하여 주파수 효율을 극대화 하는 드론 기지국 시스템에 대한 원천 기술을 개발

◼ 전체 내용
다수 사용자의 QoS가 다른 실질적 환경에서 드론 기지국의 최적의 이동 경로와, 다중 안테나 송수신 기법, 그리고 자세 제어를 통한 정교한 빔포밍 기법 등에 대해 연구함.

◼ 1단계
❏ 목표
다중 안테나 송수신 기법, 드론의 자세 제어 기법, 드론 기지국 경로 최적화 등의 원천 기술을 확보함
❏ 내용
수학적 이론에 근거한 다중 안테나 기법, 드론의 자세 제어 기법, 경로 최적화 기법을 도출하고, 시스템 레벨 시뮬레이터 및 실제 하드웨어 구축을 통해 성능을 검증함.

□ 연구개발성과
1차년도
- 드론 기지국에 대한 사전 연구로, 1건의 특허 출원, 5건의 학회 논문, 3건의 국제 SCI(E)논문 실적을 달성하였음.
드론 기지국 구현을 위한 시스템 아키텍쳐 설계
- 드론 기지국 테스트베드 구축을 위해 시스템 요구사항에 맞는 드론을 설계하고, pixhawk 소프트웨어 아키텍쳐를 사전 조사하였음. 이를 토대로 드론을 제작하여 시험 비행에 성공함.
능동형 타겟 감지 기법 연구
- Multipath 환경에서 타겟 감지에 대한 이론적 분석을 수행하기 위해 Swerling II 모델과 non-fluctuating 모델의 성능 비교를 수행하였음.
드론 통신 환경 구현을 위한 사전 연구
- USRP N210과 Host PC, Labview등을 활용하여 채널 수집 테스트환경을 구축하였음.
2차년도
- 2차년도 연구 결과로, 4편의 국제 논문, 5편의 국제 학회, 5편의 국내 학회 등의 실적을 달성하였음.
드론 통신 환경에서 최적의 전기적 빔포밍 기술 개발
- Labview와 USRP를 사용한 실험실 규모의 송/수신 테스트 환경을 구축하였음.
레이더와 통신이 통합된 환경에서의 빔포밍 연구
- 드론 기지국이 통신과 레이더를 동시에 운용하는 시나리오에서 OFDM 송/수신 빔포밍을 통해 레이더의 desired beam을 생성하는 연구를 수행하였음. 연구 수행 결과, 2개의 UE에 대해 각각 8.1bps/Hz, 7.3bps/Hz의 spectral efficiency를 가지면서 레이더 타겟 3개가 이동할 때에도 성공적으로 검출 가능한 시스템을 구성함.
드론 기지국 정밀 자세 제어 알고리즘 개발
- 1대의 leader와 다수의 follower가 존재하는 시나리오에서 Stackelberg mean-field game을 이용한 모델링을 통해 운용하는 분산 제어 시스템을 고려함.
- 제자리에서 임의의 자세로 호버링이 불가능한 기존 드론의 한계를 극복하기 위해, Quarternion을 통해 Euler gimbal lock문제를 해결하도록 구상하여 자유로운 호버링이 가능한 6-DoF 드론 모델을 설계함.
드론 통신 시뮬레이터 개발
- Gazebo, PX4 SITL, Matlab, ROS를 통합한 드론 시뮬레이터를 구상하였음.
세부 동작은 다음과 같음:
PX4 flight stack SITL(가상 시뮬레이션 드론)은 Gazebo와 연동하여 동작; SITL은 Mavlink를 통해 ROS의 mavros 노드와 드론 제어 정보를 교환함; 컨트롤 노드는 Mavros와 통신하며 드론을 제어함; Matlab 시뮬레이터는 컨트롤 노드와 통신하며 드론 기지국의 정보를 전달함; 컨트롤 노드는 Gazebo와 통신하여 Matlab 시뮬레이터의 환경을 전달함
3차년도
- 3차년도 연구내용의 결과로 7건의 국제논문, 3건의 국제학회 등의 실적을 달성하였음.
전기적/기계적 기술을 결합한 능동형 다중 안테나 송신 기술 개발 (하향링크)
- 경로 및 자원 최적화를 통해 PF를 최대화하는 모델을 제안하였음. 각 사용자는 통신을 요청하는 특정 시간 주기와 QoS가 있다고 가정함. 드론 채널 모델로는 probabilistic air-to-ground channel 모델을 사용하였음.
- Traveling salesman problem with time window를 적용한 경로 계획 기술을 개발함.
USRP를 활용한 MIMO채널 분석
- USRP를 활용한 2x4 MIMO 채널 분석을 수행하였음. 채널은 각 안테나가 충분히 멀리 떨어져 있는 uncorrelated 채널이기 때문에 1x4 antenna를 여러 번 측정해서 2x4 MIMO 채널을 구성하였음.
수동형 타겟 감지 기법
- 단말 신호를 기반으로 신호원의 위치를 파악하는 수동형 타겟 감지 기법을 제안함. 거리는 송수신 신호 세기의 차이를 확률 변수로 모델링하여 MLE를 이용해 단말과의 거리를 추정함. 방위각 추정은 MUSIC 알고리즘과 Beamspace-Domain Maximum Likelihood (BDML) 다중 경로 리젝션 기법을 활용하여 수행함.
6-DoF 헥사로터 드론 제작 및 자세제어 시뮬레이션 수행
- 정밀 자세제어 실증을 위한 시제품을 제작함. 6-DoF 제어를 달성하기 위해 틸팅 프로펠러 드론 프로토타입을 제작함. 45° 틸팅 상황에서 호버링을 위한 PID제어 알고리즘 제작 구현 및 테스트하여 6-DoF제어가 가능한 드론 시스템을 구축함.
4차년도
- 4차년도 연구내용의 결과로 4건의 국제논문, 1건의 국제학회, 4건의 국내학회 등의 실적을 달성하였음.
상향링크 전기적 빔포밍 기술 개발
- 3차년도에서 제안한 시스템 모델 재정립하여 TSP알고리즘을 대체하는 시간 축분해기법을 개발하였음. CVX기반 최적화 또한 Karush-Kuhn-Tucker조건을 사용한 고속 알고리즘으로 대체함.
제어와 통신이 결합된 드론 기지국 테스트베드 구축
- 제어 및 통신 테스트베드 구축을 위해 전년도에 구축한 프로토타입의 제어 안정성을 위해 하드웨어 재설계 및 재조립을 수행하였음. 프로펠러 틸팅 상황에서 안테나를 탑재하고도 정상적으로 비행하는 것을 확인하였음.
- 틸팅 드론 시제품과 USRP를 이용해 실측 환경에서의 통신 성능을 분석하였음. 틸팅 각도와 Tx/Rx 간의 위치에 따라 SNR, channel gain이 달라지는 것을 확인함.
5차년도
- 5차년도 연구내용의 결과로 6건의 국제논문, 2건의 국제학회, 4건의 국내학회 등의 실적을 달성하였음.
드론 기지국의 전기적/기계적 빔포밍 기술 고도화
- 4차년도에 제안한 시스템 모델을 재정립하고 깊이 우선 탐색 경로 계획 기술 제안함. 개발한 기계적 빔포밍 기술은 최신 기술보다 95%p 이상 높은 throughput을 가지는 최대 8배 이상 많은 사용자 서비스 가능한 모델임을 확인함.
드론 기지국 테스트베드를 통한 PoC
- 설계한 빔포밍 기술의 성능을 테스트하기 위해 드론 기지국 최종 테스트베드를 다음과 같이 구상하였음. 사용자의 요청에 따라 드론 기지국이 전기적/기계적 빔포밍을 수행하는 시나리오에서 on-demand 사용자가 30%이상 향상된 SNR을 가지는 것을 확인하였음.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
주요 기술 수요처는 드론을 통해 재난망을 구축중인 SK텔레콤, KT와 같은 망 사업자가 될 수 있고, 구글, 페이스북과 같이 이미 드론 기지국을 이용한 초고속 인터넷 제공 기술을 개발중인 IT 업체가 될 전망. 4차 산업혁명의 핵심 중 하나인 드론 분야 중 6% 이상 점유율을 가질 것으로 예측되는 드론 통신/인프라 산업에서 고도화된 빔포밍 및 제어기술을 통해 통신 전송율에 대한 기술우위를 선점. 이를 통해 급증하고 있는 드론 시장에서 실질적으로 가치를 창출하고 일자리를 만들 수 있는 직접적인 기술 로써 역할을 할 수 있을 것으로 예상됨. 특히, 드론은 중소기업도 제조/설비/운영 등에 적극적으로 참여할 것으로 전망되어 경쟁력있는 핵심 요소기술을 대학에서 선행 연구 개발하여 중소기업과 협력 관계를 구축하는 것이 중요하다고 판단됨.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 9
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 10
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 1. 1차년도 연구개발내용 요약 ... 12
• 2. 2차년도 연구개발내용 요약 ... 13
• 3. 3차년도 연구개발내용 요약 ... 15
• 4. 4차년도 연구개발내용 요약 ... 17
• 5. 5차년도 연구개발내용 ... 19
• 6. 요소기술별 실험 및 데모 영상 ... 22
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 24
• 1) 연구수행 결과 ... 24
• 2) 목표 달성 수준 ... 35
• 4. 목표 미달 또는 미흡한 사항에 대한 원인분석 ... 36
• 1) 목표 미달 또는 미흡한 연구결과에 대한 원인(사유) 자체분석 내용 ... 36
• 2) 미달 또는 미흡한 결과물에 대한 보완 활동 ... 36
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 36
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 36
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 36
• 1) 향후 5년간 성과활용·확산 활용방안 및 계획(활동계획) ... 37
• 2) 주요 성과활용 (기대)성과목표 ... 38
• 3) 성과활용·관리 추진체계 ... 38
• 4) 기타 ... 39
• 7. 연구개발성과에 대한 후속연구 및 추가 개발 계획 ... 39
• 8. 연구개발비 사용실적 ... 40
• 1) 연구개발비 사용명세서 ... 40
• 2) 발생이자 사용명세서 ... 40
• 3) 반납액 명세서 ... 40
• 끝페이지 ... 41