광 무선통신 개발 동향과 군 적용 방안 제안

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]

 광 무선통신은 가시광선, 적외선, 자외선 영역의 주파수를 활용하여 무선으로 통신을 하는 방법을 일컫는다. 빛을 매체로 하는 무선 방식의 광 전송 통신기술은 광파 특성 및 비면허 대역을 사용함으로써 전파 혼·간섭 문제와 RF 무선통신의 주파수 부족을 극복할 수 있는 기술 대안 기술이 될 수 있다. 본 고에서는 광 무선통신 기술의 개발 동향을 분석하여 군 적용 방안을 제안하고자 한다.

서 경 준
국방기술진흥연구소 무인지능화기술팀
연구원

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1. 서 론
 사물인터넷(IoT) 기반의 환경에서 디지털 장비가 보급되고 데이터 통신의 소요가 급증함에 따라, 실내 환경 또는 실외 환경에서 적용 가능한 다양한 RF(Radio Frequency) 기반 무선통신 방식이 활용되고 있다. 하지만, RF 무선통신은 혼·간섭 및 교란(Jamming)에 취약하고 신규 주파수 부족 문제가 심각하게 대두되고 있다. 이러한 주파수 고갈로 인해 비면허 대역을 사용하여 주파수 규제가 없는 장점이 있는 광파를 활용한 광 무선통신이 RF 무선통신의 대안 기술로 기대된다.

 광 무선통신은 전파의 특성인 직진성을 활용함으로써 RF 주파수 대역과는 달리 감청 및 해킹이 물리적으로 어려워 통신의 보안성을 확보할 수 있으며, 비면허 대역을 활용하므로 RF 주파수 자원 고갈로 인한 주파수 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 광 무선통신의 기본 원리와 기술 분류 및 기술별 장·단점 분석 등을 통해 안정적인 군 주파수 확보 문제 해결 및 군 전력화 에 기여할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

2. 광 무선통신 원리 및 기술 분류
 2.1. 광 무선통신 기본 원리

표 1. 광 스펙트럼 분포 및 주파수에 따른 분류 [1]

그림 1 전자기 스펙트럼(Electromagnetic spectrum) [7]

 

 2.2. 광 무선통신 기술 분류
 광 무선통신은 가시광 통신 (VLC, Visual Light Communication), 라이파이(LiFi, Light-Fidelity), 광학 카메라 통신(OCC, Optical Camera Communication), 자유공간 광통신(FSO, Free Space Optics)으로 분류할 수 있으며 기술 내용은 <표2>와 같다.

표 2. 광 무선통신 기술 분류 [2],[3],[4]

1)  VLC : OOK(On-Off Keying), VPPM(Variable Pulse Position Modulation), CSK(Color-Shift Keying) LiFi : OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OCC : OOK(On-Off Keying), VPPM(Variable Pulse Position Modulation), CSK(Color-Shift Keying), UFSOOK(Undersampled Frequency Shift On-Of Keying), Twinkle VPPM(Twinkle Variable Pulse Position Modulation), S2-PSK(Spatial 2-Phase Shift Keying), OFFset-VPWM(OFFset-Variable Pulse Width Modulation), RS-RSK(RS-Phase Shift Keying), C-OOK(Camera On-Off Keying), CM-FSK(Camera M-ary Frequency Shift Keying), MPM(Mirror Pulse Modulation), A-QL(Asynchronous Quick-Link) , HA-QL(Hidden Asynchronous Quick-Link), VTASC(Variable Transparent Amplitude-Shape-Color), SS2DC(Sequential scalable 2D code), IDE-MPFSK(Invisible Data Embedding M-ary Phase-Shift-Keying) Blend, IDE Watermark(Invisible Data Embedding watermark) FSO : OOK(On-Off Keying), PPM(Pulse Position Modulation), PAM(Pulse Amplitude Modulation)

 VLC, LiFi, OCC, FSO 방법에 따라 주요 성능 및 특성을 비교하면 <표3>와 같다.

표 3. 광 무선통신 기술 분류별 성능 및 특성 비교 [7]

그림 2 광 무선통신 기술 분류별 구조(Brief architecture of OWC technologies) [16]

 

 광 무선통신에서 송신기는 주로 LED(Light Emitting Diode) 혹은 LD(Laser Diode)를 활용하고, 수신기는 주로 PD(Photo Diode) 혹은 카메라를 활용한다. 가시광, 적외선, 자외선 파장 영역이 활용되고 있으며, 통신방식에 따라 통신 방향성은 단방향 혹은 양방향 통신이 가능하다.

 광 무선통신 방식에 따라 가장 큰 차이가 나는 성능은 통신 거리(Communication Distance)와 데이터 속도(Date rate)이다. 이를 통해 통신 거리에 따라서 광 무선통신이 적용되는 영역(Domain)을 정할 수 있고, 데이터 속도에 따라서 전송할 데이터의 종류와 양을 정할 수 있다. 예를 들어, VLC, LiFi, OCC 방법은 비교적 근거리 통신용으로 가까운 수 미터에서 수십 미터 수준에 적절하며, FSO 방법은 원거리 통신으로 만 킬로미터 이상의 거리까지 이론적으로는 가능하다.

 따라서, 송·수신기 선택과 통신 방법에 따라 데이터 속도는 수십 Mbps에서 백 Gbps 수준으로 달라진다. 하지만, 이는 이론적으로 제시된 수치이며 개선해야 할 기술적인 한계점이 있다. 앞서 제시한 광 무선통신 방법에 따른 장점 및 한계점과 광 무선통신 기술개발 동향을 바탕으로 군 활용 가능성을 정리하면 아래 <표4>와 같다.

표 4. 광 무선통신 분류별 장점 및 한계점 [7]

 

 실외 환경에서 적용 가능한 광 무선통신 방법은 광학 카메라 통신(OCC)과 자유공간 광통신(FSO) 방식이며, 군 활용 가능한 예시로는 선박, 차량, 드론, 전투기, 위성 등 다양한 유·무인 이동체 분야에서 가능할 것으로 사료된다.
 

3. 광 무선통신 개발 동향 및 활용 사례
 광 무선통신의 다양한 사용처가 있지만, 실외 환경에서 움직이는 이동체에 적용된 광 무선통신 광학 카메라 통신과 자유공간 광통신 기술의 OTM(On-The-Move) 기술개발 현황은 다음과 같다.

 광학 카메라 통신 연구의 경우 국내에서는 국민대학교가 광학 카메라 통신을 이용하는 차량 위치 추정 방법 및 장치에 대한 특허를 출원하며 다양한 분야에서 OCC 연구를 수행하고 있으며, IEEE 802.15.m OWC Task Group에 적극적으로 참여하며 광 무선통신 분야 국제 표준에도 기여하고 있다. LED를 송신부로 하고, 스마트폰 카메라를 수신부로 하여 실내 측위에 활용하거나 해양풍력 발전기의 상태정보를 LED로 송신하고 무인항공기(UAV, Unmanned aerial vehicle)에 내장된 카메라를 통해 문제가 발생한 발전기를 식별하는 기술도 시도되고 있다. 하지만, 국내 대학에서는 단순한 OOK 변조 방식의 연구가 주로 이루어지고 있으며, IEEE 802.15.7-2018에서 OCC 규격이 추가됨에 따라 더 좋은 성능을 가지는 변조 방법에 관한 연구나 OCC 통신의 거리를 향상하기 위한 연구도 필요하다. [4],[5],[8],[14],[15]

 자유공간 광통신 기술의 경우 국내에서는 한국전자통신연구원이 100m 반경 내 10m/s로 비행하는 드론과 지상관제소에서 1Gbps급 모바일 FSO 시스템을 연구하고 있다. 이동체 추적 및 광 송·수신부 간 조준선 정렬을 위한 다중셀 위치 인식 광학센서(QPD: Quadrant Photodiode) 기반 정밀 및 추적 기술을 개발하여 광무선(FSO) 전송시스템 구조 및 광학계 설계 기술, 광 정렬 기술 및 데이터 전송 기술, PAT 기술에 대한 기술이전을 기대하고 있다. 해외 기술개발 사례로는 구글(Google)의 Project Loon을 통해 성층권 약 20km 상공에서 최대 107km 떨어져 있는 열기구 사이로 130Mbps 양방향 통신을 구현하였다. 페이스북(Facebook)도 Aquila Project를 통해 성층권 드론 간 10Gpbs급 FSO 기술개발을 목표로 연구하고 있다.

 영국 옥스퍼드 대학과 에어버스 그룹은 Hyperion Project를 공동 진행하여 300m 거리에서 드론 지상 간 2Mbps 하향 전송이 가능한 FSO 시스템을 연구하였으나 송·수신 빔의 파장 동일성 문제로 송·수신 광신호 분리가 어려움에 따른 하향 데이터 전송만 가능한 한계가 있다. 독일의 Project DODfast(Demonstration of Optical Data link fast)는 적외선 레이저를 사용하여 50km 거리에서 마하 0.7로 비행하는 전투기와 지상 시스템 간 1.25Gbps 하향 링크로 구성된 모바일 FSO 시스템을 구현하였으나, GPS 위치정보 전송 지연 문제와 비콘 수신 센서 포화(Saturation) 문제에 의한 정밀 추적 기술의 지연 문제가 있다.(그림3) 스페인은 SINTONIA 프로그램으로 무인 이동체 통제 및 데이터 전송을 위한 FSO 기술을 개발하고 있다. [3],[6]

 국내·외 광 무선통신이 적용된 이동체 기술개발 동향을 정리하면, 주로 FSO/OCC 중심의 기술개발이 활발히 이루어지고 있으나 사례별로 기술의 한계점이 존재하였다.

그림 3 독일 Project DODfast : TOGS(Transportable Optical Ground Station) 운영 준비 / TOGS 알루미늄 망원경 및 탄소 섬유 마운트 / 실험실 환경에서 MLT(Micro Laser Teminal) [18]

 
4. 광 무선통신 기술 이슈 및 주요기술 분석
 
 4.1. 광 무선통신 기술 이슈 분석
 실외 환경에서 이동체에 가장 활용 가능성이 높은 광 무선통신 방법인 OCC와 FSO에서 핵심기술과 이에 해당하는 이슈 사항을 정리할 필요가 있다. OCC 방식은 야외조건에서 좋은 성능을 지니고 있으나 장거리 통신이 어려운 한계가 있으며 데이터 전송률이 낮은 편이다. FSO 방식은 초장거리 통신이 가능하나, 송·수신기 사이 정렬 오차로 인한 어려움이 있다. 광 무선통신의 문제점을 극복하고 군에 적용하기 위해서는 광 무선통신 보안의 신뢰도와 광 무선통신의 효율성이 동시에 향상되어야 한다. 광 무선통신 기술 이슈에 대한 관계를 분류하면 <표5>와 같다.
 
표 5. 광 무선통신 기술 이슈 관계도

 
 4.2. 광 무선통신 세부기술 분석
 전체 통신의 보안 신뢰도를 향상하기 위해서는 물리적 보안성과 소프트웨어의 보안 기술이 함께 향상되어야 한다. 광 무선통신은 그 자체로 물리적인 은닉성으로 보안성을 지니고 있지만, 완벽한 보안은 아니므로 통신에 대한 암호화 등 보안과 관련된 알고리즘을 통신 과정에 추가로 포함하여 광 무선통신의 보안 기술을 고도화하고 군 통신의 신뢰성을 더욱 향상하도록 하는 노력이 필요하다.
 
 전체 통신의 효율성을 향상하기 위해서는 광학구조 최적화, LOS 통신 유지 기술 향상, 대기 환경에서 통신기술이 함께 향상되어야 한다. 수신되는 광전력이 환경 요인에 의해 변화될 때, 광 무선통신은 장거리 통신이 어려운 점이 있다. 이를 극복하기 위해 송신부 광소자의 하드웨어적인 송신 성능 향상 및 수신부 감도를 올릴 방안이 필요하다. 보안 신뢰도와 통신 효율성에 대한 세부기술을 분류하면 <표6>과 같다.

표 6. 광 무선통신 세부기술 분류 [3], [12]

 

 광 무선기술의 세부기술에 대하여 검토단계에서 기술 중요도 및 전용기술로 구분하여 기술의 우선순위를 생각해 볼 수 있다. 기술 중요도 분류에서 가장 높게 판단되는 기술은 실외 환경에서 광 무선통신의 연결성을 확보해주는 기술이다. 가장 낮은 기술은 연결성에 직접적인 영향보다는 다른 성능 향상이 목적인 기술이다. 광 무선통신 전용기술 분류에서 가장 중요한 기술은 광 무선통신에서 전용으로 활용되는 기술이며, 낮은 기술은 일반 무선통신 기술에서 광 무선통신으로 적용할 수 있는 기술로 기존 무선통신 연구를 활용할 수 있다. 기술 지표 분류는 상대적 관계성을 갖고 있으며 <표7>과 같다.

표 7. 세부기술 분류 지표

 
 핵심 세부기술은 제시한 분류 지표를 기준으로 광 무선통신의 세부기술을 검토하였고 <표8>과 같다. 광 무선통신 전용기술이면서 중요도가 높은 기술은 좌상향 방향으로의 기술이 중요하다고 판단되었다. 가장 중요한 기술은 정밀 PAT 기술과 하이브리드 네트워크이며, 두 기술 모두 가장 핵심인 광 무선통신의 링크 연결성에서 가장 필수적인 기술이다.

표 8. 세부기술 기술 중요도 및 전용도 분석

 

 4.2.1. 광학 기반 정밀 PAT 기술
 첫째, Line Of Sight 환경을 유지하기 위해 고도로 정밀한 광학 기반 PAT 기술이 필요하다. 이러한 문제는 광무선 통신에서 사용되는 주파수 특성과 관련이 있다. 저주파는 전파가 많이 퍼지는 성질이 있어 장애물을 만나면 회절이 되는 특징이 있다. 반면에, 광 무선통신에서 활용되는 고주파는 직진성이 강하여 전파 회절이 어려운 점이 있다. 이러한 직진성이 강한 광 무선통신의 특징을 고려하여 광 송신부 및 수신부 사이의 가시선 유지를 위한 정밀한 추적시스템을 구현하기 위해 광 통신용 광소자 및 전자 소자, 회로 기술, 제어시스템 등 광 무선통신의 세부 구성요소 기술의 성능을 높이기 위한 연구개발이 요구된다. 현재 정밀 PAT 기술을 구현하기 위하여 다양한 방법이 연구되고 있으며, 각 광학 기반 PAT 기술의 장점 및 한계는 <표9>와 같다.

표 9. Optical PAT 기술 분류 [3]

그림 4 피에조 엑츄에이터가 적용된 미러 기반 옵티컬 터미널 / 짐벌 기반 드론 광학 탑재체 [17]

 4.2.2. 하이브리드 네트워크 활용
 둘째, Line-Of-Sight 환경이 아닌 Non Line-Of-Sight 환경에서도 광 무선통신의 장애를 최소화하여 통신의 연결성을 유지하기 위한 기술이 요구된다. [9] 광 무선통신은 다른 광 무선통신 혹은 RF 통신과 적용하여 하이브리드 네트워크를 구성하여 운영할 수 있다. 각 통신방식의 장점만을 활용하여 상황에 맞게 군에 적용하면 광 무선통신의 단점을 극복하고 다른 통신의 장점을 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 하이브리드 시스템 구성에 대한 광 무선통신 및 RF 통신 간 분류는 <표10>과 같다.

표 10. 하이브리드 시스템(hybrid system) 분류 [7]

*WiFi, femtocell, macrocell   **mmWave link, microwave link

 

 대표적인 하이브리드 네트워크로는 RF/FSO(RF/Optical hybrid system)가 있다. RF/FSO 하이브리드 통신은 FSO 통신은 빠른 전송속도, RF 안테나보다 약 1/10 수준의 작은 소형시스템 크기와 광 무선통신의 장점인 비면허 대역에서 사용 가능성 및 통신 보안성 등 장점을 갖고 있지만, 대기 환경 변화와 포인팅 에러(Point Error)에 영향을 받는 단점이 있다. 반면, RF 통신은 주파수 특성으로 인해 대기 환경 변화와 포인팅 에러 영향이 적은 장점이 있다. 구조적인 접근법으로 이기종의 FSO 통신과 RF 통신의 장점 및 단점을 상호보완적으로 활용하여, 지상과 위성 간 무선통신 시스템에 적용하면 전체 통신 네트워크 성능을 상향시킬 수 있다.

 RF/FSO 하이브리드 통신은 멀티 홉(multi-hop) 이상에서는 RF 통신과 FSO 통신을 릴레이로 연결하여 활용할 수 있다. 단일 홉(single-hop)에서는 통신의 효율성을 비교하여 더 좋은 통신 방법을 선택할 수 있다. [13]
 
표 11. Hybrid network PAT 기술 [3]

 

 광 무선통신 통신 효율성에서 가장 문제가 되는 것은 경로손실에 관한 사항과 통신 가시선 확보에 관한 사항이다. 광 무선통신 가능 거리는 이론적으로 수십 미터(OCC 기술 적용 시)부터 수만 킬로미터(FSO 기술 적용 시)이나, 자유 공간 경로 손실(FSPL, Free Space Path Loss)을 고려해야 하며 통신 가시선도 확보되어야 하는 문제가 있다. 통신의 효율성에서 전송 채널로 사용하는 자유 공간(Air)은 날씨, 기상, 고도, 습도 등에 따라 항상 일정함을 유지하기 어려운 사용환경의 한계가 있다. 이러한 문제는 하이브리드 네트워크를 다중(multi-hop) 홉으로 구성하거나 단일 홉에서 RF/FSO 하이브리드 PAT 기술 활용은 통신 효율성 제고에 도움이 될 것으로 생각된다.(그림5)

그림 5 RF/FSO 백홀 연결을 위한 응용 시나리오 (Application scenarios for RF/FSO backhaul connectivity) [7]

 
 4.3. 광 무선통신 기술 軍 적용 방안
 국방 통신에서의 광 무선통신 활용 가능성 확인, 광 무선통신의 핵심기술 도출, 광무선 핵심기술의 하위 구성기술 분석 및 우선순위를 도출 과정을 통해 군에 필요한 광무선 기술을 식별하였다. 국방 통신에서 여러 문제와 이를 광 무선통신을 기반 기술로 해결하는 방안에 대해 과정을 정리하면 다음 <표11>과 같다. 군의 통신 도메인(domain)을 식별하고 광 무선통신의 보안 신뢰도과 통신 효율성을 향상할 수 있는 핵심 세부기술을 과제화한다면 선박, 차량, 드론, 전투기, 위성 등 다양한 군의 유·무인 이동체 분야에서 활용 가능할 것으로 생각된다.

표 12. 국방 통신의 문제점(Isseu)과 광 무선통신 기반 해결 방안 흐름도(Solution Flow chart)

 
5. 결 론
 정보 통신과 IT 기술의 발전은 사용자에게 편리함을 제공하고 있다. 하지만, 현대의 무선통신 환경은 복잡해져 가고 있으며, 주로 사용하는 RF 주파수 대역은 주파수 한정 문제, 전파 혼·간섭 및 안티 재밍 기술의 필요 등으로 광 무선통신이 해결 방안으로 기대되고 있으나 관련 기술의 연구개발은 초기 단계 수준이다. 광 주파수 대역은 RF 주파수 대역보다 주파수 할당 문제에서 비교적 자유로우나, 광 무선통신 시스템 기술은 자유공간 손실 특성, 안테나 기술, 관련 소자 개발 등 광 무선통신 관련 기술의 활발한 연구가 진행되어야 한다. 특히, 기술 중요도 및 전용도 우선순위에 따른 정밀 PAT 기술과 하이브리드 네트워크 구성에 대해서 고민이 필요한 상황이다.

 주파수 대역 부족 문제와 통신 보안은 우리 군이 꼭 해결해야 할 국방 난제이다. 이 문제에 대한 해결책으로 광 무선통신 방법은 좋은 아이디어가 될 수 있다. 현재 부족한 주파수 자원을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 광 무선통신은 광파의 직진성으로 인해 물리적인 통신 보안성을 확보할 수 있으며 소프트웨어 보안 기술을 포함하여 군 통신의 신뢰성을 보다 강화할 수 있다. 제시된 광 무선통신의 한계점을 향후 구체적인 연구들을 통해 해결한다면, 육·해·공군의 유·무인 복합체계 및 무인 이동체 등 미래 군 통신에서의 활용을 기대할 수 있다.
 
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참고문헌
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