KR20110003986A - 이종의 이동통신 시스템을 이용한 무인항공기 탑재용 통신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종의 이동통신 시스템을 이용한 무인항공기 탑재용 통신 시스템에 관한 것이다. 무인항공기 통신 시스템은 상용화된 이동통신 시스템을 이용할 경우 다음의 조건들이 갖추어 줘야 한다. 첫째, 넓은 커버리지의 확보. 둘째, 대용량의 통신 시스템. 셋째, 네트워크 트래픽 문제의 해결이 이루어져야 한다. 위에 제기된 문제를 해결하기 위해서 이종의 이동통신망을 이용한 통신 시스템을 구성하는데, 이동통신망은 OFDM 계열의 WiBro와 WCDMA 계열의 HSPA 또는 LTE를 의미한다. 시스템 구성은 이종의 이동통신망을 복수 개로 사용하여 병렬형태의 서로 독립적인 통신채널을 구성하도록 한다. 이러한 통신채널을 이용하여 HSPA통신망의 커버리지 확보, 복수 개의 병렬 통신채널을 통한 대용량 통신 시스템의 구현, 이종망 구성을 통한 트래픽의 독립적인 발생과 이에 따른 네트워크 장애의 해결을 이룰 수 있다.

무인항공기, 통신시스템, 와이브로, HSPA, LTE, 병렬 통신

Description

이종의 이동통신 시스템을 이용한 무인항공기 탑재용 통신 시스템{UAV communication system by using heterogeneous mobile communication system}

본 발명은 무인항공기 탑재용 통신시스템에 관한 것으로 통신시스템을 이종의 이동통신망을 이용하여 서로 독립적인 병렬 형태의 통신채널을 구축함으로 무인항공기 통신시스템으로 구현하는 것이다. 더욱 상세하게는 이종의 이동통신망은 OFDM 계열의 WiBro와 WiBro Evolution, WCDMA 계열의 HSPA, HSPA+와 LTE를 의미한다.

[문헌 1] Danyu Zhu, Matt W. Mutka, Zhiwei Cen, "Using Cooperative Multiple Paths to Reduce File Download Latency in Cellular Data Networks", Proc IEEE Globecom 2005, pp2480-2484

무인항공기 통신 시스템은 무인항공기의 활동 반경에 근거한 넓은 커버리지의 확보, 감시 정찰용 무인항공기를 위한 대용량의 데이터 전송, 네트워크 트래픽에 대한 안정적인 통신환경의 보장이 이루어져야 한다. 그러나 상용 이동통신망 하나만을 이용하여 무인항공기 통신시스템으로 이용할 경우 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.

첫째, 무인항공기용 통신시스템은 전송 가능지역이 넓어야 한다. 그러나 현재 상용화된 이동통신망을 살펴보면 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)를 제외한 WiBro나 HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)의 통신 전송 가능지역은 한반도 전역이 아닌 부분적인 전송 가능지역으로 존재해 있다. 그러므로 HSDPA를 제외한 다른 이동통신시스템은 무인항공기용 통신시스템으로 적합하지 않다. 또한 이동통신망은 음영지역이 존재하고 음영지역에서의 통신이 불가능하므로 한가지의 통신망만을 사용한 경우는 통신이 불가능한 지역이 존재한다. 추가적으로 고도에 따라 전송 가능지역이 변화할 수 있으나, 이는 지상의 전송 가능지역이 확보될 경우 어레이 안테나를 사용하여 지상의 전송 가능지역을 유지할 수 있도록 해결할 수 있다. 따라서 지상의 전송 가능지역에 초점을 맞추어 전송 불가능지역 문제를 해결하도록 한다.

둘째, 이동통신 시스템은 감시 정찰용 무인항공기를 위한 고화질의 영상과 같은 대용량의 정보를 전송하기에는 전송성능이 정보전송을 다 처리할 수 없는 병 목현상이 발생한다. 그러므로 이동통신 시스템은 감시 정찰용 무인항공기에서의 사용이 적합하지 않게 된다. 또한 이동통신은 지상 기준으로 설계된 통신시스템이므로 고도에 따른 전송 불가능지역의 문제 해결을 위해서 어레이 안테나를 무인항공기에 장착한다. 이때 현저한 전송 속도의 저하가 나타나게 된다. 이는 위에서 제기된 병목현상이 더 심해짐을 뜻하게 된다. 그러므로 가장 일반적으로 쓰이는 감시 정찰용 무인항공기로의 활용이 매우 힘들게 되며, 이에 따라 무인항공기용 통신시스템으로서 이동통신 시스템 사용이 제한된다.

셋째, 상용 이동통신망을 사용하는 경우에는 상용 이동통신망을 사용하는 타 사용자에 따라 예측 불가능한 네트워크 트래픽이 발생하게 되며, 이는 통신시스템의 안정성을 저하시키는 요인이 된다. 무인항공기는 빠른 속도의 이동환경을 가지는 비행체이므로 안정적인 모니터링이 필요한 기기이고, 이동통신망을 사용한 통신시스템을 구현시 안정성이 고려되어야 한다.

이동통신 시스템을 무인항공기 통신시스템으로 사용할 경우 상기와 같은 세 가지 문제점이 발생하게 된다. 이의 해결을 위해서 이종의 이동통신망을 이용하여 [도 1] 과 같은 구조를 갖는 서로 독립적인 병렬 형태의 통신채널을 구축한다. 통신채널 구축에 따른 문제 해결과정을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 넓은 전송 가능지역의 경우에는 제안된 시스템의 통신망은 통신채널이 서로 독립적이므로 각각의 통신망이 서로 다른 전송 가능지역을 갖는다. 또한 병렬 송수신의 형태를 취하는 통신시스템은 여러 개의 병렬 형태의 통신채널을 취하게 되고, 하나 이상의 통신망이 동작한다면, 그 통신망을 사용하는 통신 시스템은 동작할 수 있게 되고, 통신 시스템의 전송 가능지역은 각각의 통신망의 전송 가능지역을 포함하게 된다. 그러므로 독립적인 병렬 형태의 통신망을 이루는 통신시스템은 독립적으로 서로 다른 전송 가능지역을 모두 포함하는 전송 가능지역을 갖게 된다. 그중 통신시스템을 구성하는 통신망 중 하나인 HSDPA의 전송 가능지역은 국내 전역이므로, 제안된 통신시스템의 전송 가능지역은 국내 전역이 된다. 그러므로 제안된 통신시스템은 위에서 제기된 첫 번째 문제점의 해결을 위한 넓은 전송 가능지역을 확보 할 수 있다.

둘째, 대용량의 전송용량의 경우에는 제안된 시스템은 병렬 송수신의 형태를 취한다. 그러므로 데이터 전송시 단위시간당 병렬로 연결된 다수의 통신망을 통해 전송하게 되고, 이를 통해 단위시간당 한 개의 통신망만을 통해 전송하는 시스템보다 다수의 통신망을 통해 다수의 정보를 송수신할 수 있게 되고, 제안된 통신 시스템은 대용량의 전송용량을 갖게 된다.

셋째, 제안된 통신시스템은 서로 독립적인 통신망을 사용하여 병렬 송수신의 형태를 가진다. 또한 이러한 통신 시스템을 이루는 각각의 통신망은 이종의 통신망일 경우 독립적인 네트워크 트래픽을 가진다. 그러므로 통신시스템의 트래픽은 하나의 이동통신망을 사용할 때 해당 이동통신망에서 트래픽이 발생할 경우 통신시스템의 성능 저하가 이루어진다. 하지만 이종의 이동통신망을 이용하여 통신시스템을 구성할 경우 통신시스템을 이루는 하나의 통신망에서 트래픽이 발생하여 통신성능 의 일시적인 저하가 발생할 때 통신시스템의 통신망을 이루는 다른 통신망에서는 트래픽이 발생하지 않을 확률이 높으므로 전체 시스템의 성능의 저하 폭이 상대적으로 적게 되고 네트워크 트래픽이 분산되는 효과를 가진다. 네트워크 트래픽의 분산 효과를 통하여 무인항공기 시스템의 안정성을 얻을 수 있다.

본 특허와 비슷한 연구로는 셀룰러 데이터 네트워크에서 협력적 다중 경로를 이용한 파일 다운로드 시간 감소에 대한 연구가[문헌 1] 있었다. 이는 무인항공기에서 지상관제센터로의 데이터 흐름과 전체적인 구조가 유사하나 본 특허에서 제안하는 시스템은 위의 연구에 비하여 이종의 이동통신망을 이용하여 무인항공기의 활동 반경에 근거한 넓은 커버리지의 확보, 네트워크 트래픽에 대한 안정적인 통신환경의 보장 측면에서 우수하다.

본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외의 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 무인항공기용 통신 시스템의 개요도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 통신시스템은 무인항공기(100)와 지상관제센터(101) 간의 통신 시스템을 구성시 이종의 이동통신망을 이용하여 서로 독립적인 병렬 형태의 통신망을 구축하는데 그 특징이 있다. 통신망을 구축하는 상용 이동통신망은 HSPA(102), Wibro wave2(103)와 같은 3세대 이동통신망과 WiBro Evolution(104), LTE(105)와 같은 4세대 이동통신망을 말한다.

도 2a 는 본 발명이 적용되는 무인항공기용 통신 시스템의 구성도이고, 그 중 무인항공기에 구성된 통신 시스템이다.

도 2a 에 도시된 바와 같이 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 데이터를 병렬로 전송하기 위한 장치에 있어서 무인항공기에 있는 장치이다. 이러한 장치는 외부로부터 전송할 데이터를 입력받는 데이터 입력부(200), 데이터 입력부로부터 데이터를 받아서 데이터를 분할하고 분할된 데이터의 종류에 따라 헤더를 붙여 패킷화 하고, 통신망 관리부에서 지시된 재전송을 요구할 패킷에 대한 정보에 헤더를 붙여 패킷화 하며, 패킷화된 데이터와 지상관제센터에서 재전송이 요구된 패킷을 상용 이동통신망 정합부에 인가하는 데이터 분할 및 패킷화부(201), 데이터 분할 및 패킷화부에서 패킷화 된 데이터를 받아서 정합된 상용 이동통신망 모뎀을 사용하여 전송하거나 지상관제센터로부터 무인항공기 제어 메세지, 패킷 재전송 요구, 상용 이동통신망의 상태에 대한 정보를 수신하여 합성부에 전달하는 상용 이동통신망 정합부(202, 203, 204, 205), 정합부로부터 수신한 정보가 상용 이동통신망 에 대한 네트워크 정보인지 무인항공기용 제어 데이터인지 패킷 재전송 요구인지 분류한다. 이 후, 네트워크 정보와 패킷 재전송 요구는 통신망 관리부에 인가하고 제어 데이터의 경우 합성하여 데이터 출력부에 인가하며 제어 데이터의 합성시 패킷누락이 발견되었을 경우 통신망 관리부에 재전송을 요청하는 합성부(206). 합성부로부터 받은 상용 이동통신망에 대한 네트워크 정보를 통해 네트워크 상태표를 갱신하고, 갱신된 상태표와 재전송 패킷을 데이터 분할 및 패킷화부에 알려주는 통신망 관리부(207), 합성부로부터 받은 합성된 데이터를 출력하는 데이터 출력부(208)가 있는 것을 특징으로 한다.

도 2b 는 본 발명이 적용되는 무인항공기용 통신 시스템의 구성도이고, 그 중 지상관제센터에 구성된 통신 시스템이다.

지상 관제 센터에 있는 장치는 이더넷 컨트롤러를 통해 연결된 인터넷 유선망을 통해 송수신 할 수 있는 인터넷 송수신부(209), 인터넷 송수신부를 통해 받은 패킷의 수신을 통신망 관리부에 알리고 패킷의 헤더에 있는 순서 정보에 따라서 정렬 후 저장된 패킷과 재전송 요구일 경우의 패킷을 합성부에 인가하는 버퍼부(210), 버퍼부를 통하여 수신된 정보의 유무에 의하여 통신망을 관측하고 상태표를 만든 후 상태표에 의거하여 각 통신망별로 지상관제센터에서 패킷 수신이 이루어졌음을 무인항공기의 합성부에 송신하기 위해 인터넷 송수신부에 인가하거나, 재전송 요청이 왔을 경우 재전송할 패킷을 복제부에 알리고, 무인항공 기로부터 수신된 패킷의 누락을 복제부에 알리는 통신망 관리부(211), 버퍼부로부터 받은 정렬된 패킷에 대하여 헤더정보를 삭제하고 데이터를 순서대로 합성하여 무인항공기에서 얻은 통합된 데이터 형태로 만들어 데이터 출력부에 인가하거나 합성시 패킷의 누락이 발견되었을 경우 통신망 관리부에 재전송을 요구하며, 무인항공기로부터 온 재전송 요구일 경우 통신망 관리부에 재전송 요구 패킷에 대한 정보를 전달하는 합성부(212), 합성부로부터 받은 합성된 데이터를 출력하는 데이터 출력부(213), 무인항공기의 제어정보등을 받는 데이터 입력부(214), 입력부에서 받은 데이터를 통신망 관리부의 통신망 상태표에 의거하여 사용가능한 통신망에 동일한 데이터로 인터넷 송수신부로 인가하거나 재전송 요구가 온 패킷을 전송하는 복제부(215)가 있는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 무인항공기용 통신시스템의 동작을 도 3a 내지 도 4b 를 통해 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 3a 는 본 발명에 따른 이종망을 이용한 데이터의 병렬 전송 방법 중 무인항공기에서 지상관제센터로 송신하는 과정 중 무인항공기에서의 흐름도이다.

먼저 데이터 입력부에서 무인항공기에서 지상관제 센터로 전송할 데이터를 받는다(300).

이후, 통신망 관리부에서 현재 통신망의 연결 상태를 확인하여 통신 상태표를 갱신하고, 송신할 이동통신망 정합부를 선택한다. 이는 무인항공기에서 송신 가능한 통신망의 연결상태를 확인하는 것을 의미한다. 송신할 정합부의 선택은 다수가 될 수 있다. 또한 재전송의 요구가 있을 경우 이에 대한 재전송을 데이터 분할 및 패킷화부에 요청한다(301).

이후, 데이터 분할 및 패킷화부에서 전송할 데이터가 스트리밍 형태의 영상 데이터인지 아닌지 판단한다. 그중 재전송 패킷은 스트리밍 형태의 데이터가 아닌 것으로 간주한다(302).

이후, 데이터 분할 및 패킷화부에서 스트리밍 형태의 데이터인 경우는 실시간성이 강조되는 영상 데이터이고 전송 경로상의 데이터 분실시 재전송이 필요하지 않으므로 패킷순서만 헤더에 붙인다. 또한 데이터는 패킷화시 통신망 관리부로부터 선택된 모뎀의 갯수만큼 분할하고 헤더의 뒤에 붙여 패킷화 하도록 한다(303).

또는 스트리밍 형태의 데이터가 아닌 경우는 저장된 고화질의 영상 또는 무인항공기의 상태정보등이 해당되는데, 이러한 정보는 실시간성보다 정보 전달의 안정성이 중요한 정보이므로 전송 경로상의 데이터 분실시 재전송이 필요하다. 그러므로 데이터 분실을 알 수 있도록 송신시 패킷순서 이외에 송신될 총 데이터에 대한 크기를 헤더에 붙인다. 또한 데이터는 패킷화시 통신망 관리부로부터 선택된 모 뎀의 갯수만큼 분할하고 헤더의 뒤에 붙여 패킷화 하도록 한다. 또한 재전송 패킷에 대하여 통신망 관리부로부터 재전송할 패킷에 대한 정보를 얻어 재전송 패킷을 생성 하도록 한다(304).

이후, 상용 이동통신망 정합부에서 패킷화된 데이터를 사용 가능한 각각의 상용 이동통신망에 인가하도록 한다. 인가시에는 통신망 관리부에서 선택된 모뎀에 각각 인가하도록 한다(305).

이후, 인가된 데이터를 지상제어센터로 송신하도록 한다. 또한 상용 이동통신망은 HSPA, Wibrowave2와 같은 3세대 이동통신망과 WiBro Evolution, LTE와 같은 4세대 이동통신망을 말한다(306).

도 3b 는 본 발명에 따른 이종망을 이용한 데이터의 병렬 전송 방법중 무인항공기에서 지상관제센터로 송신하는 과정 중 지상관제센터에서의 흐름도이다.

먼저, 인터넷 송수신부를 통해 인터넷으로 무인항공기에서 상용 이동통신망 정합부를 통해 전송된 패킷을 수신 후 버퍼부에 인가하여 버퍼에 저장한다(307).

이후, 버퍼부에서는 수신한 패킷을 패킷 헤더에 있는 순서 정보에 따라서 정렬하고 합성부에 송신하며, 수신된 패킷이 보내진 곳의 이동통신망의 IP주소를 통 신망 관리부에 인가한다(308).

이후, 통신망 관리부에서는 수신한 패킷에 대하여 송신된 곳의 IP를 검사 후 무인항공기에서 송신한 데이터가 지상관제센터에 수신되었음을 무인항공기 측 이동통신망 모뎀 정합부에 알리도록 한다. 또한 수신된 패킷을 통하여 사용 가능한 이동통신망의 상태표를 만들고 이를 복제부에 보내도록 한다.(309).

이후, 합성부에서는 버퍼부로부터 받은 패킷에 대하여 헤더를 검사하여 재전송이 필요한 데이터 종류인지 판별하도록 한다(310).

여기서 재전송이 필요한 데이터의 경우에는 누락된 패킷이 있는지 검사하도록 한다(311).

재전송이 필요한 경우에 누락된 패킷이 없거나, 재전송이 필요하지 않은 경우에 한해서 버퍼에 정렬된 데이터를 순서에 따라 합성하도록 한다(312).

재전송이 필요한 경우이고 누락된 패킷이 있을 경우에는 해당 패킷에 대하여 통신망 관리부에 재전송을 요구하도록 한다(313).

도 4a 는 본 발명에 따른 이종망을 이용한 데이터의 병렬 전송 방법 중 지상 관제센터에서 무인항공기로 송신하는 과정 중 지상관제센터에서의 흐름도이다.

먼저 데이터 입력부에서 지상관제 센터에서 무인항공기로 전송할 데이터를 받는다(400).

이후, 통신망 관리부에서 현재 통신망의 연결 상태를 확인하여 통신 상태표를 갱신하고, 송신할 인터넷 송수신부를 선택한다. 이는 무인항공기에서 송신 가능한 통신망의 연결상태를 확인하는 것을 의미한다. 송신할 인터넷 송수신부의 선택은 다수의 인터넷 송수신부가 될 수 있다 또한 재전송이 요구가 있을 경우 이에 대한 재전송을 복제부에 요청한다(401).

이후, 복제부에서는 또한 데이터의 앞에 패킷순서와 데이터 크기를 포함한 헤더를 붙여 패킷화 한다. 패킷화 후 통신망 관리부에서 얻은 통신 상태표에 의거하여 송신 가능한 인터넷 송수신부의 수만큼 복제하여 데이터들을 생성한다. 또한 재전송 패킷에 대하여 통신망 관리부로부터 재전송할 패킷에 대한 정보를 얻어 무인항공기에 재전송 패킷을 생성한다(402).

이후, 연결 가능한 인터넷 송수신부에 복제부에서 생성된 패킷들을 인가하도록 한다(403).

이후, 각각의 인터넷 송수신부에 인가된 데이터를 인터넷 송수신부가 연결된 무인항공기의 이동통신망 정합부로 전송하도록 한다(404).

도 4b 는 본 발명에 따른 이종망을 이용한 데이터의 병렬 전송 방법 중 지상관제센터에서 무인항공기로 송신하는 과정 중 무인항공기에서의 흐름도이다.

먼저, 이동통신망 정합부를 통해, 지상관제센터에서 무인항공기의 정합부에 수신된 정보를 합성부에 인가하도록 한다(405).

이후, 합성부에서는 수신된 데이터가 무인항공기에서 송신한 데이터에 대한 수신확인 데이터인지 판별한다(406).

이후, 수신확인 데이터의 경우 통신망 관리부에 수신을 알리도록 한다(407).

이후, 통신망 관리부는 수신확인 데이터를 통하여 통신망 상태표를 갱신하도록 한다(408).

이후, 수신확인 데이터가 아닌 경우에는 지상관제센터에서 무인항공기로 보낼 때는 정보를 복제해서 보내므로 기존의 들어온 정보와 일치하는지 패킷의 헤더를 통해 확인한다(409).

이후, 기존의 들어온 정보와 일치하지 않을 경우 수신한 패킷을 헤더에 있는 순서정보에 따라서 정렬하도록 한다(410).

이후, 수신되어 정렬된 정보 중 누락된 패킷이 있는가 검사하도록 한다(411).

이후, 누락된 패킷이 있을 경우에는 해당 패킷에 대하여 통신망 관리부에 재전송을 요구하도록 한다(412).

이후, 누락된 패킷이 없을 때 정렬된 데이터를 순서에 따라 합성하도록 한다(413).

도 1 은 본 발명이 적용되는 무인항공기용 통신시스템의 개요 예시도

도 2a 는 본 발명에 따라 무인항공기에서 구성되는 무인항공기 통신시스템의 일실시예 구성 예시도

도 2b 는 본 발명에 따라 지상관제센터에서 구성되는 무인항공기 통신시스템의 일실시예 구성 예시도

도 3a 는 본 발명에 따라 무인항공기에서 구성되는 무인항공기에서 지상관제센터로 송신하는 과정에 대한 일실시예 흐름도

도 3b 는 본 발명에 따라 지상관제센터에서 구성되는 무인항공기에서 지상관제센터로 송신하는 과정에 대한 일실시예 흐름도

도 4a 는 본 발명에 따라 지상관제센터에서 구성되는 지상관제센터에서 무인항공기로 송신하는 과정에 대한 일실시예 흐름도

도 4b 는 본 발명에 따라 무인항공기에서 구성되는 지상관제센터에서 무인항공기로 송신하는 과정에 대한 일실시예 흐름도

Claims (3)

1. 무인항공기 환경하에 통신시스템을 구성함에 있어서,

   전송방식이 서로 다른 두 개 이상의 상용 이동통신망(102,103,104,105)을 이용하여 무인항공기(100)와 지상관제센터(101) 간 병렬로 통신채널을 구성하고 이를 이용하여 무인항공기용 병렬 송수신 통신시스템을 구성하는 방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상용 이동통신망은 HSPA(102), Wibrowave2(103)와 같은 3세대 이동통신망과 HSPA+와 같은 3.5세대 이동통신망 WiBro Evolution(104), LTE(105)와 같은 4세대 이동통신망 및 4세대 이후의 이동통신망을 사용하여 이종망 및 동일망의 통신채널을 병렬로 구성함이 가능한 것을 특징으로 하는 송수신시스템 구성
3. 제 1 항에 있어서, 무인항공기용 병렬 송수신 통신시스템은 무인항공기에서 지상관제센터로 송신시, 데이터 분할 및 패킷화부(201)에서 송신할 데이터를 여러 개로 분할한 후 무인항공기에 장착된 사용 가능한 상용 이동통신망의 정합부(202,203,204,205)에 각각 개별적으로 할당하여 전송하는 방법과

   반대로 지상관제센터에서 무인항공기로 송신시, 송신할 데이터를 지상관제센터의 복제부(215)에서 동일하게 복제한 후 지상관제센터에 장착된 통신 가능한 인터넷 송수신부(209)에 각각 할당하여 전송하는 방법

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