② 공중 플랫폼을 활용한 MUM-CS의 고신뢰성 및 실시간성 보장 기술의 필요성

∘ 현재의 원격 제어 방식에는 제어 링크의 연결 안정성이 간섭 및 외부의 재밍 공격으로 인해 저하되지 않는 고신뢰성이 요구되며, 제어 메시지가 신속하게 전달되는 실시간성이 요구됨. 완전 통합 자율 협업이 가능한 미래의 무인 시스템은 다양한 유형과 용량을 가진 센서 데이터를 실시간으로 수집하고 공유하며, 위치/상태 정보 등 상황 인식을 위한 주기성 데이터 송수신의 고신뢰성이 요구될 것으로 예상됨. 이와 같이, MUM-CS에는 데이터 전송의 고신뢰성 및 실시간성이 필수적으로 요구되며, 그 요구조건은 미래에 더욱 다양해질 것으로 예상됨.

∘ 즉, 공중 플랫폼을 활용한 MUM-CS를 제공하기 위해서도 고신뢰성 보장이 중요하고, 실시간성을 포함한 다양한 QoS 요구조건을 보장하는 기술이 필요함.

- MUM-CS에서 고신뢰성이란 위성과 공중 플랫폼 간의 간섭과 공중 플랫폼 간의 간섭, 재밍, 도청과 같은 의도적인 위협 상황에서도 통신 연결을 유지하고 서비스의 안정성을 지속적으로 보장하는 능력을 의미함.

- MUM-CS에서 실시간성이란 네트워크 서비스에서 일정한 지연시간 이내에 데이터를 전달함으로써 서비스 중단이나 데이터 손실을 최소화하는 것을 의미하며, 데이터 유형에 따라 다양한 수준의 실시간성이 보장되어야 함.

③ 공중 플랫폼을 활용한 MUM-CS의 고신뢰성 및 실시간성을 보장하기 위한 기존 기술의 한계

∘ NTN에서 제안된 기존 기술들은 고신뢰성과 실시간성을 모두 보장하는 데에 한계가 있음. 고신뢰성을 보장하기 위해 주파수 도약(frequency hopping, FH) 기술을 도입하는 것이 일반적이나, 주파수 도약 시스템에는 넓은 주파수 대역폭이 필요함. 특히, fast frequency hopping(FFH)은 매우 높은 고신뢰성을 충족할 수 있는 기술이지만, 데이터 전송 시 idle period가 차지하는 비중이 높아 처리량이 낮아지는 trade-off가 있음. 또한, 고신뢰성과 다양한 QoS 요구조건이나 실시간성을 동시 보장하는 연구가 부재함.

④ 공중 플랫폼 기반 MUM-CS의 고신뢰성 및 실시간성을 보장하는 PHY/MAC 기술의 요구사항은 다음과 같음

⦁(1) 주파수 도약 기술의 대역폭 요구조건을 충족하고, 처리량을 향상시킬 수 있는 네트워크 구조가 필요함.

⦁(2) 가변 전송 속도를 지원하여 고신뢰성과 처리량 사이의 trade-off를 해결하고 고신뢰성과 실시간성을 포함한 다양한 QoS 요구조건을 만족하는 waveform이 필요함.

⦁(3) 고신뢰성과 실시간성을 포함한 다양한 QoS 요구조건을 보장할 수 있는 MAC 기술이 필요함.

∘ 본 연구실은 MUM-CS의 활용성을 극대화하고, 다양한 운영 시나리오에서 다수의 공중 플랫폼이 스펙트럼을 공유하며 사용자에게 고신뢰성과 실시간성을 동시에 제공할 수 있는 NTN 환경을 다음과 같이 제안함.

① 제안하는 NTN의 참여 플랫폼: 그림과 같이 LEO 위성, HAP, UAV이며, 각 플랫폼당 하나의 네트워크를 구성함과 동시에 서로 다른 고도에 위치하여 지상에 있는 사용자들에게 안정적인 통신 커버리지를 제공함.

② MUM-CS의 고신뢰성 보장을 위한 spectrum sharing 기반 주파수 도약 기술 사용: MUM-CS에서 원격 제어 링크 재밍과 같은 위협을 극복하며 MUM-CS를 보장할 수 있는 고신뢰성을 갖추기 위해, 모든 플랫폼이 주파수 도약을 수행하고, 스펙트럼 효율성을 위해 spectrum sharing 기술을 사용하여 모든 구성요소가 같은 대역폭을 사용하고 있음. 여기서 primary user(PU)는 LEO 위성 네트워크이고 secondary user(SU)는 HAP/UAV 네트워크임. HAP/UAV는 매우 높은 수준의 항재밍 및 도청 방지 능력을 제공하기 위해 fast frequency hopping(FFH)을 수행하며, LEO 위성은 매우 빠르고 빈번하게 발생하는 핸드오버와 spectrum sharing으로 인한 간섭을 쉽게 제어하기 위해 한 timeslot마다 주파수 도약하는 slow frequency hopping(SFH)을 수행함.

③ 여러 서비스의 동시 제공을 위한 multinet 구조: Multinet 구조는 여러 개의 net으로 구성되며, 각 net은 하나의 주파수 도약 패턴(frequency hopping pattern, FHP)으로 정의됨. 각 net은 LEO 위성의 beam이나 UAV/HAP 네트워크에 하나씩 할당되며, 각 네트워크에 지상 노드들이 참여함. 이를 통해 여러 공중 플랫폼의 네트워크 아래에서 동시에 다양한 서비스가 운용될 수 있음. Multinet 구조는 도약 패턴 간 주파수 충돌로 인한 간섭인 multiple access interference(MAI)가 발생할 수 있음. 따라서, 그림과 같이 위성 multinet과 UAV/HAP multinet은 분리되어 있으며, LEO beam마다 하나의 net이 할당되고 HAP/UAV는 플랫폼마다 하나의 net이 할당됨.

④ PU(LEO 위성 네트워크)와 SU(HAP/UAV 네트워크)의 FHP 운영 방법: LEO 위성은 여러 개의 beam으로 구성된 하나의 cell을 형성하며, Quasi-Earth-Fixed cell 시나리오에 따라 beam steering을 통해 일정 시간 동안 고정된 구역을 서비스한 후, 같은 궤도의 다음 위성이 이를 순차적으로 이어받아 서비스와 FHP를 유지함. 반면에, HAP/UAV는 서비스 이전에 할당된 하나의 FHP을 유지함.

⑤ MUM-CS 실시간성 보장 연구에 기반이 되는 frame과 pulse 구조: MUM-CS 실시간성 보장에 기반이 되도록 time division multiple access(TDMA)에 random access 구간이 혼합된 hybrid MAC 기반의 frame 구조를 사용함.

1) 다중 Multinet을 형성하는 채널 그룹 기반의 Spectrum-Sharing Group Frequency Hopping(SS-GFH) 구조 연구

∘ 다중 Multinet을 형성하는 채널 그룹 기반의 Spectrum-Sharing Group Frequency Hopping(SS-GFH) 구조를 연구 중임. 기존 주파수 도약 시스템은 주파수 도약에 소요되는 시간으로 인해 전체 서비스 시간 중 전송 시간이 줄어들며, 고정 주파수 시스템에 비해 네트워크 처리량이 저하되는 문제가 있음. 특히, 고속 주파수 도약(Fast Frequency Hopping)의 경우 데이터 전송 시 idle period가 길어지고, 다중 접속 간섭(MAI)으로 인해 동시에 사용할 수 있는 주파수 도약 패턴(FHP)의 개수에 제한이 생겨 네트워크 처리량이 크게 감소하는 단점이 있음. SS-GFH는 이러한 문제를 해결하여 네트워크 처리량을 향상시키기 위한 구조임. 이 구조는 제한된 대역폭 내에서도 고속 주파수 도약을 활용하면서 동시 사용 가능한 FHP의 개수를 늘리는 데 기여할 수 있음.

2) SS-GFH 구조에서 모든 Multinet의 균등한 고신뢰성을 보장하는 Multinet Rolling Mechanism 연구

∘ 본 연구실에서 새롭게 고안하여 설계 중인 multinet rolling mechanism은 SS-GFH 구조를 기반으로 네트워크 처리량을 향상시키면서, 모든 multinet의 항재밍 및 저피탐 능력을 강화하여 균등한 고신뢰성을 보장하는 기법임. 이 메커니즘은 SS-GFH 구조에서 다중 multinet을 구성하는 채널 그룹을 순환식으로 교환하며 운용하는 방식임. 교환되는 주파수 도약 채널은 모든 multinet이 함께 순환하는 형태로 이루어지며, 이로 인해 multinet 간 주파수 도약 채널 사용에 중복이 발생하지 않음. 결과적으로 모든 multinet이 전체 주파수 도약 채널을 골고루 사용하게 되어, 각 multinet의 주파수 도약 채널 다양성이 최대화됨. 이러한 특성을 통해 multinet rolling mechanism은 공격자가 특정 multinet의 주파수 도약 채널을 파악하는 것을 어렵게 만들 뿐만 아니라, 항재밍 성능의 공정성을 높여 SS-GFH 구조로 형성된 다중 multinet의 항재밍 및 저피탐 능력을 보장할 수 있음.

1) MUM-CS QoS 요구조건 정의 및 도출 연구

∘ MUM-CS 제공을 위해 고신뢰성과 실시간성이 보장되어야 하며, 이를 위해 처리량, 지연시간, 패킷 손실률, 지터, 주기성 데이터 보장 등의 다양한 QoS 요구조건이 고려되어야 함. 본 연구실에서는 MUM-CS의 데이터 유형별로 상이한 QoS 요구조건과 성능 지표를 새롭게 도출하고, 이를 SS-GFH 기반의 waveform 설계와 시뮬레이션 검증, 실증 실험 시 MUM-CS의 QoS 요구조건 보장 성능을 평가하는 데 활용할 예정임.

2) QoS 요구조건 보장을 위해 가변 전송 속도를 제공하는 Adaptive Pulse 구조 및 SS-GFH Waveform 설계

∘ 본 연구실은 가변 전송 속도를 지원하는 Adaptive Pulse 구조를 연구중임. 기존의 UAV 네트워크 및 자율주행 환경 등에서 네트워크 처리량을 극대화하기 위한 연구가 이루어졌지만, 외부 공격 및 간섭에 대응하는 고신뢰성 보장에는 한계가 있음. Link-16은 고신뢰성을 보장하기 위해 주파수 도약 기술을 도입했으나 고정된 메시지 패킹 구조와 정적인 MAC 구조로 인해 가변적인 데이터 전송 지원이 어렵다는 단점이 있음. 본 연구실에서는 그림과 같이 가변적인 frequency hopping rate을 통해 데이터 유형별 QoS 요구조건을 보장할 수 있는 Adaptive pulse 구조를 연구중임. Adaptive pulse 구조는 세 가지 주파수 도약 모드로 나뉘며, 원격 제어 및 주기성 데이터 전송과 같이 높은 항재밍 성능이 요구되는 데이터를 전송하는 경우에는 UR/R 모드를, 고해상도 영상을 비롯한 대용량 센서 데이터의 고속 전송이 요구되는 경우에는 SR 또는 HT 모드로 변경하여 QoS 요구조건을 보장할 수 있음.

3) SS-GFH Waveform의 고신뢰성을 보장하는 Interference and Jamming Avoidance Mechanism (IJAM) 연구

∘ 본 연구실은 SS-GFH Waveform 운용 중 발생할 수 있는 간섭과 재밍을 회피하기 위해 Interference and Jamming Avoidance Mechanism(IJAM)을 연구중임. Adaptive pulse 구조에 따라 설계된 SS-GFH waveform의 운용 중 SU의 특정 사용자가 주파수 도약 모드를 변경할 시 ‘재밍 공격에 의한 간섭’, ‘PU와 SU 간 발생하는 MAI’와, ‘서로 다른 SU 간 발생하는 MAI’의 세 가지 종류의 간섭을 회피할 수 있어야 함. 이러한 간섭을 피하기 위해, SU는 주파수 도약 모드 변경 전에 그림과 같이 채널 remapping을 수행해야 함. 채널 remapping을 생략하고 주파수 도약 모드를 변경할 경우, PU의 FHP와 재밍 채널을 피해서 사용할 수 없기 때문임.

1) SS-GFH Waveform 기반 동적 자원 할당 알고리즘 설계

∘ 본 연구실은 2차년도 연구내용인 SS-GFH waveform 설계를 바탕으로 UAV/HAP 네트워크에 속한 MUM-CS의 사용자를 위한 동적 자원 할당 알고리즘을 연구중임. MUM-CS의 운영 환경에서 각 사용자는 SS-GFH waveform의 adaptive pulse 구조에 따라 서로 다른 주파수 도약 모드를 통해 데이터를 전송하며, 실시간성 데이터, 비실시간성 데이터, 주기성 데이터, 비주기성 데이터의 트래픽이 혼재함. 이때, SS-GFH waveform 기반 동적 자원 할당 알고리즘이 timeslot 할당과 스케줄링을 통해 MUM-CS의 다양한 QoS 요구조건을 보장하도록 설계할 예정임.

2) SS-GFH Waveform 기반 Hybrid MAC Protocol 설계 및 검증

∘ 본 연구실은 SS-GFH waveform 기반 동적 자원 할당 알고리즘이 동작할 수 있도록 Random Access(RA) 기반 다중 접속 기법과 TDMA 기법을 혼용하는 Hybrid MAC Protocol을 연구중임. RA 구간은 자원 요청/승인, 노드 가입 및 탈퇴, 긴급 메시지 전송과 같은 기능을 처리하며, TDMA 구간은 주기성 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 구간으로 구성됨. 설계된 Hybrid MAC Protocol은 수학적 성능 모델과 시뮬레이션을 통해 검증할 예정임.

3) Hybrid MAC Protocol 구현 및 드론 실증 실험을 통한 검증

∘ 본 연구실은 드론을 활용한 실증 실험을 통해 MUM-CS를 위한 hybrid MAC protocol의 성능을 검증할 예정임. CSMA/TDMA를 혼용하여 MAC protocol을 설계하는 연구가 다수 존재하나, CSMA와 TDMA이 동시 구현될 수 있도록 MAC protocol을 변경하는 오픈소스 기반 기술이 부재하므로, hybrid MAC protocol을 구현하여 UAV/HAP 네트워크에 탑재하는 기술은 활용 가치가 매우 높을 것으로 예상됨.

1) UAV 기반 Networked PNT 기술

∘ GPS 수신이 어려운 지역에서 작전을 수행하거나 적의 GPS 재밍 공격에 처할 때, UAV는 GPS를 대신하여 MUM-T 노드들에게 참조신호(reference signal)를 전송하는 의사위성(pseudo-satellite, pseudolite)의 역할을 수행할 수 있음. 의사위성 UAV에 기반한 Networked position, navigation and timing(Networked PNT)는 자기 위치정보를 알고 있는 UAV가 PNT 정보의 source node로서 참조 신호(reference signal)들을 전송함으로써 MUM-T 플랫폼들의 위치 추정을 지원하는 기술임. 즉, MUM-T 노드들은 UAV가 전송한 참조 신호의 수신 전계 강도(RSSI), 도달시간(ToA) 등을 측정함으로써 UAV와의 거리를 측정(range measurement)할 수 있으며, 이러한 측정값들을 활용하여 위치 인식 지원의 대상이 되는 타겟 노드의 추정 위치를 계산함.

∘ GPS를 활용한 위치 계산 방식이 다수의 위성으로부터 도달한 다수의 참조 신호를 활용하듯이 UAV 의사위성에 기반한 Networked PNT 기술은 다수의 UAV를 활용할 수 있음을 전제하나, 본 연구팀은 단 한 대의 UAV로도 타겟 노드의 위치인식을 지원할 수 있는 단일 UAV 기반 위치 인식 기술을 연구하고 있음. 이때, UAV는 타겟 노드의 위치 인식을 지원하기 위해 여러 위치에서 참조 신호를 전송함. 본 연구팀은 UAV가 여러 위치에서 거리 측정을 수행하여  추정위치의 범위를 좁혀나가는 방식을 multi-step localization으로 정의하며, 이 과정에서 UAV의 waypoint를 동적으로 갱신할 수 있는 UAV trajectory 설계 기술이 필요함. Multi-step localization은 MUM-T 플랫폼들과 같이 타겟 노드의 이동성이 있는 상황을 고려하는 경우, 더욱 도전적인 문제임.

2) 전술 데이터 중계를 위한 UAV Network의 자원 할당 및 Trajectory 설계 기술

∘ MUM-T의 운용을 지원하는 UAV 기반의 전술데이터링크를 설계하기 위해, UAV network의 통신자원을 할당하는 기술이 필요함. UAV network는 기본적으로 MUM-T 플랫폼들의 C2 메시지와 precise participant location and identification(PPLI), 상황인식 정보 등의 전술 데이터를 중계함. UAV network의 부가적인 기능으로는 앞서 설명한 위치인식 지원 기능뿐만 아니라, 조난 및 플랫폼 파손 등으로 작전 수행이 불가한 아군 플랫폼의 위치와 장애상황의 식별을 보조하여 공유하는 search and rescue(SAR) 지원 기능이 있음. 주기성을 갖는 전술 데이터의 트래픽과 networked PNT, SAR를 지원하기 위한 비주기적인 트래픽이 혼재하는 전술 환경에서 MUM-T 플랫폼들의 통신 링크를 확보하기 위해, UAV network의 동적 자원 할당 기술을 연구하고 있음.

∘ UAV의 trajectory를 설계하기 위해, 앞서 설명한 UAV network의 자원 할당을 고려해야 함. 이에 본 연구팀은 UAV의 임무(전술 데이터 중계, Networked PNT, SAR 지원)를 스케줄링하여 trajectory를 동적으로 재구성하는 기술을 연구하고 있음.