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최근 들어, 무인항공기의 기술발전에 따라 교통, 물류, 구조, 통신, 농업 등 민간 분야 수요 증가에 따라 활용분야가 확대되고 있으며 다양한 시범사업 형식으로 상용 이동통신망 즉 3G/4G(LTE) 통신망을 무인기 통신시스템으로 사용하고자 하는 시도가 증가되고 있다. 상용 이동통신망을 무인항공기 관제용 통신망으로 사용하고자 할 때 가장 중요한 검증 요소로 3차원 공간에서의 통신품질을 분석하는 것이다. 그러나 상용 이동통신 인프라는 지상용 이동통신 단말기와의 통신을 목적으로 구축 및 최적화 되어있어 일정 고도 이상을 비행하는 무인기와의 통신 시스템으로 실제 활용 가능성을 검증할 필요가 있다.

본 논문에서는 저고도 무인비행 장치의 운영 허용 고도 150m까지의 공역에서 기존 설치된 이동통신사의 3G/4G(LTE) 기지국과의 무인기와의 통신 연결성을 실증 실험을 통해 검증하고자 한다. 실증 실험을 위하여 이동통신사 망인증이 완료된 LTE모뎀 장치를 사용하여 통신품질 및 연결성 데이터 수집시스템을 개발하였고, 자동비행이 가능한 드론시스템에 탑재하여 실제 공역의 데이터 수집을 수행하였다.

전송속도와 접속지연 시간은 무인 이동체의 원격관제에 매우 중요한 요인이 되며 5G에서는 기존 이동통신망(4G)에 비해 수십배 개선된 통신환경이 제공되고 있고 다양한 어플리케이션들을 지원할 수 있을 것으로 기대된다[1].

고장 및 비상상황 대응 관련하여 LTE 인프라(이동 통신사 기지국 등)를 이용하여 GPS 모듈 고장이나 짙은 안개 등으로 GPS 신호를 잃어버리는 등과 같은 경우에 OTDoA 방식과 기지국 Neighbor Cell 에 대한 Cell Search 방식을 통해 최 인근 기지국으로 이동을 제안하는 연구를 시도하였다[2][3]. 드론의 원격관제 관련하여서 LTE 통신 모듈을 탑재한 다수의 드론 및 원격지의 드론을 종합적으로 모니터링하고 분석하는 시스템을 설계하였으며, 양방향 통신 기반으로 상호 인증 등 보안성을 제공하고 30대 이상의 다수 드론이 동시에 운용될 때 드론에서 생성되는 비행 데이터를 기반으로 드론의 이동을 모니터링하며 데이터수집 및 분석이 가능 하도록 시스템을 개발하였다[4]-[6].

또한 LTE망을 이용하여 WLAN 환경을 지원할 수 있는 시스템 구성방법을 제시함으로써 기존 WLAN 통신을 이용하던 드론에 LTE 통신을 접목하여 실시간 영상을 지원하는 시스템 구축 방안을 모색 하였다[7]. 원격지 드론의 운영에 관련하여서는 LTE망을 통한 비행조종이 시도된 바, 원격지에 위치한 드론을 조종자가 50msec 시간지연으로 실시간 고도와 위치, 자세를 제어하고 영상과 모션 정보는 실시간으로 전송되도록 구현 하는 방법과[8], 안정된 통신링크 보장과 입출력 장치의 수정 및 확장을 위한 FPGA 기반의 통신 제어기 설계[9]와 LTE통신 인프라를 무인 항공기의 측위 시스템으로 활용하는 연구도 진행되었다[10].

통신품질 및 연결성 측정시스템은 무인기(드론)에 탑재되어 통신 및 비행정보를 수집할 수 있도록 개발이 되었으며, 그림 1과 같이 크게 LTE모뎀 부분과 마이크로 콘트롤러 부분으로 구성된다. 마이크로 콘트롤러는 다시 GPS와 고도센서의 두 부분으로 구성하였다[9].

Fig. 1. 
Communication measurement module configuration

LTE모뎀 부분은 Qualcomm사의 MDM0X07 Platform을 채용한 AD Telecom사의 AMT5710 모듈을 채택하였다. 모듈의 사양은 표 1과 같다.

마이크로 콘트롤러 부분은 국산 미니 PC ‘Odroid’ 제품에 Linux OS(우분투)를 포팅하였으며 고도를 측정하기 위한 기압모듈과 위치를 확인하기 위한 GPS모듈을 결합하여 제작하였다. 마이크로 콘트롤러 부분의 S/W 구성은 그림 2와 같다.

Fig. 2. 
Firmware configuration for micro controller

제작된 통신측정 모듈은 그림 3과 같이 자동비행 드론시스템 하단에 지상 기지국방향으로 안테나가 보이도록 탑재하여 설치하고 측정을 진행하도록 하였다.

Fig. 3. 
Installing on drone in the communication measurement module

측정을 위해 제작된 드론은 탑재 중량이 1Kg이상이며 GPS기반 자동비행이 가능하고 10m/Sec이상의 내풍성을 갖도록 제작하였다.

본 연구에서는 지상용 이동통신 단말기를 위해 구축되어있는 이동통신사의 인프라를 무인 항공기(저고도 초경량 비행장치)의 통신 시스템으로서의 사용 가능성을 검증하고자 하였다. 이를 위해 저고도 무인비행장치의 운영 허용 고도(150m)까지의 공역에서 기존 설치된 이동통신사의 3G/4G(LTE) 기지국과의 통신 품질 및 연결성을 실증 실험을 하고 측정된 데이터를 분석하였다.

본 연구의 실증 실험을 위해 Qualcomm 사의 MDM0X07 Platform을 채용한 4G(LTE) 모뎀 모듈을 사용하여 통신 품질 측정시스템을 개발하였고, 자율비행이 가능한 헥사 멀티로터형 드론 시스템을 제작하여 기체의 하부에 탑재하였으며 자동비행 기능을 통해 측정 공역의 고도에 따른 통신 품질 및 연결성 실험을 추진하였다. 실험 방법은 현재 구축되어 사용중인 이동통신망(Kt) 기지국을 대상으로 3가지 통신환경 모델로 분류하여 실험하였다. 첫 번째로 ‘단일 기지국 환경’의 통신특성 데이터를 수집 분석하였다. 두 번째로는 무인항공기가 복수 기지국 상공을 비행하는 경우를 가정하여 ‘저밀도 기지국 환경’의 데이터를 수집분석 하였으며, 세 번째는 ‘고밀도 기지국 환경’에서의 통신 품질 데이터를 수집 분석하였다.

수집된 자료를 기반으로 분석된 결과를 살펴보면, 저고도 무인 항공기(드론)의 공역에서는 통신에 필요한 전계강도가 대부분 강전계(>=-80dBm) 및 중전계(-80 ~ -90dBm)를 유지하였으며 약 10% 미만이 약전계(-90 ~ -110dBm)를 나타냈으나 통신 데이터 손실은 없었던 것으로 분석되었다.

다만, 비행고도가 높아지면서 드론의 통신 장치에서 확보되는 LOS(Line Of Sight) 기지국이 늘어나 ‘기지국 핸드오버’가 빈번하게 발생은 되었으며(최대 17개 기지국), 이로 인하여 수십 msec수준의 전송지연이 더 발생 되는 현상을 확인할 수 있었다.

결과적으로, 현재 지상용 통신단말기 서비스를 위해 구축된 이동통신사의 3G/4G(LTE) 인프라(기지국)는 150m이하 3차원 공역을 사용하는 저고도 무인 항공기의 관제를 위한 무선통신시스템 구축용으로 사용할 경우, 우려했던 통신의 연결성 및 지연성 문제는 발견되지 않았음을 현장 실증 실험을 통하여 확인하였다.