Link-K 기반의 무장 데이터링크를 위한 데이터링크 처리기 소프트웨어 설계 및 구현

4.1 DLPS CSU의 종류와 기능

DLPS는 네 종류의 CSU인 WP(Weapon Processor), HP(Host Processor), TDP(Tactical Data Processor), LP(Link Processor)로 구성된다. 각 CSU의 주요 기능은 다음과 같으며 그림 1은 각 CSU의 기능 블록도를 나타낸다.

Fig. 1.

Functional block diagram of DLPS

1) WP : ICD 메시지를 통해 무기체계와 통신하는 프로세서이며 ICD 메시지 처리와 NEW 상태, 명령, 응답, 비행 단계에 따른 이벤트를 처리한다.

2) HP : 호스트인터페이스 메시지를 통해 외부체계 및 호스트 시스템과 통신하는 프로세서로서, 수신 메시지의 경로를 계산하고 해당 목적지로 전달하는 메시지 디스패칭(Message dispatching) 기능을 수행한다.

3) TDP : 자노드(Own node)의 정보와 DLPS 상태 정보를 관리하며, 호스트인터페이스 메시지와 Link-K 메시지에 대해 표준을 기반으로 제약 조건, 송수신 규칙 검사 및 송수신 처리를 수행한다.

4) LP : 데이터링크에서 교환되는 링크 메시지를 처리하는 프로세서로서, Link-K 메시지의 구조 및 필드에 관한 송수신 규칙 검사를 수행하고 노드의 링크 운용을 관리한다. 무선, 위성, 유선 등 다수의 전송매체를 이용할 경우에는 병렬로 다수의 LP를 운용할 수 있으며, 메시지 재전송 기능을 수행한다.

무장 데이터링크의 DLPS는 설정에 따라서 통제노드와 NEW 노드로 운용된다. 각각의 CSU 설정을 통해서 일부 기능을 제어할 수 있으며 네트워크 인터페이스 설정을 통해 그림 2와 같이 전투체계와 연동되는 구조로 DLPS를 운용할 수 있다[6]. NEW에 탑재되는 DLPS는 무기체계 연동을 위한 WP와 무선 Link-K 운용을 위한 Radio LP로 구성된다.

Fig. 2.

Interconnection of DLPS in the controller node

4.2 인터페이스 도메인 및 메시지 처리 경로

DLPS의 인터페이스는 링크, 무기체계, 호스트 시스템과의 메시지 교환과 내부 전파를 위해 다음과 같이 4종류의 인터페이스 도메인으로 분류된다. 그림 3은 DLPS의 인터페이스 도메인 연동 구조를 나타내며, 각 구성요소 및 관련 소프트웨어는 해당 도메인을 통해 상호 연동된다.

Fig. 3.

Interface domain of DLPS

1) 링크 도메인 : Link-K 메시지가 교환되는 LP의 인터페이스를 포함한다.

2) 호스트 도메인 : 외부체계 또는 호스트 시스템 연동을 위해 MND-STD-0029 표준의 호스트인터페이스 메시지가 교환되는 WP, HP의 인터페이스를 포함한다.

3) ICD 도메인 : ICD 메시지가 교환되는 무기체계와 WP의 인터페이스를 포함한다.

4) 내부 도메인 : 전술자료(TDBRecord, Tactical Data Base Record)가 교환되는 TDP와 LP의 인터페이스를 포함한다.

교환된 메시지는 해석 도구인 파서(Parser)에 의해 먼저 처리된다. 파서는 각 인터페이스에서 메시지 구조, 송수신 규칙에 따라서 메시지를 해석(Decode) 하거나 생성(Encode)하는 도구이며, 인터페이스가 속한 도메인에 따라서 ICD 파서와 호스트 파서, 링크 파서로 동작한다. 파서에 의해 성공적으로 처리된 메시지는 다음과 같은 분류에 따라서 각 도메인에서 교환 가능한 메시지 형태로 다음 프로세서로 전파된다.

1) 전술 메시지 : 링크로 송수신되는 메시지의 정보를 포함하는 메시지에 해당한다. 그림 3과 같이 무기체계가 생성한 메시지는 ICD 도메인부터 링크 도메인까지 모든 도메인을 순차적으로 경유하여 모뎀까지 전달된다. 반대로 링크에서 수신한 메시지는 역순으로 모든 도메인을 거쳐 무기체계로 전달된다. 이처럼 전술 메시지는 처리 과정에서 DLPS의 모든 인터페이스 도메인을 통하여 전파된다.

2) 관리 메시지 : 시스템 설정, 상태 관리 및 특정 제어 기능 수행을 위한 메시지에 해당하며, 링크로는 전파되지 않는다. 관리 메시지는 생성 주체와 수신 대상이 명확하게 정의되어 특정 도메인에 국한되어 전파된다. 예를 들어, 그림 3과 같이 내부 상태를 종합 관리하는 상태 관리기(Status manager)가 생성하는 상태 보고 메시지는 호스트 도메인과 ICD 도메인을 거쳐 무기체계로 전달되며 네트워크 관리기(Network manager)와 모뎀(Modem)의 링크 운운용을 위한 제어 메시지는 호스트 도메인과 내부 도메인을 경유하여 DLPS의 처리 CSU로 전파된다.

파서는 메시지 해석을 위해 DLPS 내부의 메시지 설계 정보를 참조한다. 그림 4에서 3종의 문서에 기술된 설계 정보는 XML 스키마(Schema) 파일로 작성된다. 스키마 파일의 설계 정보는 DLPS 내부에서 전술자료인 TDBRecord로 구현된다[7]. 전술자료 스키마는 필드의 크기, 설명, 단위 등이 작성된 필드 스키마로 구성된다. 파서는 메시지를 해석하고 생성하는 과정에서 스키마의 설계 정보를 바탕으로 상세한 로그를 제공한다.

Fig. 4.

Interface domain of DLPS

4.3 메시지 기반 처리 기능

파서를 통해 생성, 해석된 메시지와 전술 자료는 기능 수행이 필요한 CSU까지 전파되어 처리되며 다음과 같은 기능을 위해 처리된다.

1) 상태 관리 : 데이터링크 처리기에 탑재된 모든 소프트웨어의 상태는 종합되어 무기체계로 보고 되어야 한다. DLPS의 CSU는 상태 정보 생성 기능을 보유하며 DLPS의 상태 정보는 TDP에서 종합된다.

2) 링크 운용 제어 : 네트워크 설계 정보를 기반으로 망 개시와 망 종료의 제어 기능이 요구된다. 제어 메시지 처리 기능은 DLPS의 WP, TDP, LP에 분배되어 있다.

3) 전술 정보 처리 : NEW 표준 메시지 처리가 가능해야 한다. 무기체계에서 생성되는 NEW의 상태, 응답에 따른 이벤트는 WP에서 처리하며, TDP는 표준 기반으로 메시지를 처리하고 관리한다.

4) 링크 메시지 전파 : LP는 링크를 통해 Link-K 메시지를 송수신하고 검증한다.

4.4 링크 운용 제어

NEW 링크 운용 절차는 그림 5와 같이 발사 이전 망 개시 준비, 발사 이후 망 개시로 구분할 수 있다. 망 개시 이후에 통제노드는 NEW의 운용 개념에 따른 제어가 가능하다.

Fig. 5.

Operation of NEW according to the launch procedure

NEW의 데이터링크 단말기(DLP)는 발사 이전 준비(Pre-Launch) 단계에 링크 초기화를 수행하여, 발사 직후 링크 활성화를 통해 네트워크에 참여한다.

링크 초기화를 위해서는 네트워크 설계 정보가 필요하며, NEW가 네트워크에 참여하기 위해서는 중심국에 해당하는 통제노드 플랫폼의 시각에 동기화 되어야 한다. 발사 전 무기체계를 통해 DLPS에 장입된 네트워크 설계 정보는 호스트 도메인을 통해서 링크 제어 기능을 수행하는 소프트웨어에 공유된다. 이후에 DLPS는 지속적으로 유도탄 상태 정보를 확인하여 발사 여부를 판단하고 네트워크 가입을 위한 최종 망 개시 절차를 진행한다.

4.5 전술 정보 처리

일반적인 유도무기 운용에서는 발사 이전에 표적 정보와 임무 데이터가 유도무기에 장입되고, 발사 플랫폼의 발사 제어 논리에 의해 발사 명령이 승인된다. 임무 장입 단계에서 NEW의 상태와 명령을 저장/처리하기 위한 관리자료인 NEW Record가 통제노드와 NEW의 DLPS에 생성된다.

발사 이후 무기체계로부터 짧은 주기로 전달받은 NEW 상태정보는 수 초 주기로 링크로 전송된다. 통제노드는 수신한 상태정보를 관리자료로 변환하여 관리한다. NEW 상태/명령/응답 등의 Link-K 메시지가 링크로 송수신될 때는 표준의 송수신 처리 절차와 워드(WORD) 구성과 같은 메시지 구조의 적합성과 필드 규칙과 같은 규칙을 근거로 송수신 가능 여부를 판단한다. 응답이 요구되는 명령일 경우 응답 확인 전까지 표준에 명시된 재전송 횟수와 초 단위의 간격으로 재전송 절차가 진행될 수 있다. NEW에서는 수신한 명령의 처리 가능 여부를 판단하고 응답한다.

4.6 종말 단계 미디어 전송 프로토콜

운용자의 직관적인 타격평가 방법으로 영상정보를 활용할 수 있다. 표준에는 NEW의 파일 전송 절차가 정의되어 있으며, 파일 전송 메시지를 NEW의 종말 단계에서 사진과 영상 정보 전송 목적으로 활용할 수 있다.

빠른 속도로 이동하는 유도무기가 종말 단계에서 일반적인 네트워크의 전송 속도에 비해 현저히 낮은 속도의 전술데이터링크를 통해 파일 전송을 완료하기까지는 전술데이터링크 특성상 충분한 시간이 보장되지 않을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 고려하여 전술데이터링크에서의 스트리밍 영상 전송을 위한 메시지 설계와 영상 전송 실험을 진행하였다.

4.7 NEW 통제권 제어

NEW의 통제권은 발사를 승인한 노드가 먼저 획득한다. 이후 표적 정보 갱신 권한과 통제 권한은 운용자간 통제권 제어 절차를 통해서 협의될 수 있다. 절차는 통제노드와 3PS 노드간 먼저 이루어지며, NEW가 신규 통제노드와 3PS 노드를 인지하기 위한 명령 및 응답과 이후에 통제권 정보가 반영되는 NEW 상태 메시지 전송을 통해 완료된다.

5.1 시험 환경 및 방법

통합 환경에서의 시험은 호스트 시스템의 기능 조작 및 점검 장비의 계측을 통해 수행되었으며, ICD 메시지 검증이 가능한 무기체계 점검 지원 장비와 Link-K 메시지 검증이 가능한 사격통제장비의 E2E 입출력 비교를 통해 필드 변환의 정확성과 처리 적합성을 평가하였다. 시험 절차는 망 개시 이전, 망 개시 이후 전술 메시지 처리, 미디어 전송 시험으로 구분하여 진행하였다.

1) 망 개시 이전 : 중심국인 통제노드의 네트워크 관리기에 의한 망 개시와 사격통제기의 Link-K 네트워크 설계 정보 배포, 발사 제어를 통해 가입국인 NEW의 망 개시 성공 여부를 확인한다. 무기체계 점검 장비에서 DLP와 무기체계의 상태를 확인한다. 최종적으로 NEW의 네트워크 가입 여부는 통제노드의 네트워크 관리기에서 확인한다.

2) 망 개시 이후 : 무기체계 점검장비의 송수신 ICD 메시지와 사격통제기의 송수신 Link-K 메시지를 필드 레벨로 비교하여 메시지 변환 적합성을 평가하였다. NEW 측에서는 GCU가 모의 비행을 통해 생성한 상태정보의 정상 전송을 검증하고, 통제노드 측에서는 사격통제기의 명령 하달과 NEW가 응답하지 않을 경우, 표준에 따른 명령 재전송과 오류 처리(Error handling) 절차를 확인하였다.

3) 미디어 전송 : 사격통제기에서 NEW가 종말단계에서 전송한 영상 파일의 재생과 ffmpeg 플레이어를 통한 스트리밍 영상 재생 가능 여부를 확인한다. 링크 점검 장비에서 노드에 할당된 송신 타임슬롯의 사용량을 측정한다. 송신 타임슬롯의 할당량과 파일의 크기를 바꿔가며 시험한다.

5.2 시험 결과

NEW 상태/명령/응답 및 통제권 이양 메시지를 표준에 따라서 적합하게 처리하고 DLPS 로그, 사격통제기에서 필드 레벨로 검사하여 DLPS의 메시지와 필드 처리 기능을 검증하였다. 5.1의 시험방법으로 확인된 시험 결과는 다음과 같다.

1) NEW의 Link-K 망 개시 및 동기화: 배포된 네트워크, 시각 정보를 기반으로 링크 점검 장비와 무기 체계 점검 장비에서 링크의 연결 상태가 Stand By – Coarse Sync – Fine Sync로 단계적으로 전환됨을 확인하였으며, 중심국의 네트워크 관리기를 통해 NEW 노드의 망 가입을 확인하였다.

2) DLP의 상태정보 관리 : 전원 인가 이후에 GCU가 수신한 DLP의 상태정보에서 소프트웨어를 포함하는 각 구성품의 가동 상태와 링크의 운용 상태가 반영되는 것을 확인하였다.

3) NEW 상태정보 처리 및 필드 변환 검증: GCU가 비행을 모의할 때 생성되는 NEW의 상태정보를 사격통제기에서 확인하였다. 정상적인 수신의 경우에 사격통제기의 GUI에 표시되는 NEW 노드의 비행단계, 위치, 속도 등의 필드 값을 무기체계 점검장비의 이력과 비교하여 ICD 메시지의 필드와 Link-K 메시지의 필드 맵핑(Mapping) 및 변환 공식에 따른 필드값 변환이 정상적으로 처리됨을 확인하였다. 또한 의도적으로 필드값을 허용된 범위를 벗어나도록 조작했을 때, DLPS의 메시지 처리가 중단되는 것을 로그를 통해 검증하였다.

4) NEW 명령/응답 및 예외 처리 검증:

- NEW : 사격통제기에 입력된 표적 재지정/갱신, 임무 중지/대기/지속 등의 임무 변경 명령에 대한 ACK/NACK 응답 메시지 생성과 임무 변경 명령이 GCU의 비행 모의가 NEW의 상태정보에 반영되는것을 사격통제기에서 확인하였다.

-통제노드 : 통제노드의 DLPS가 NEW의 응답을 미수신한 경우에 표준에 따라서 명령을 재송신하고 NEW의 임무 중지와 같은 상황에서 운용자가 입력한 명령이 처리 불가능한 경우, 통제노드의 DLPS가 명령 처리 불가 사유를 사격통제기에 보고함에 따라 명령을 규칙에 따라서 적합하게 처리하는 것을 검증하였다.

5) NEW 통제권 이양 절차 검증 : 통제권 이양 완료에 따라 최종적으로 NEW 노드가 인지하는 3PS 및 통제 노드의 변경이 NEW의 상태정보에 반영되는 것과 위임된 권한에 따라 적합하게 DLPS가 명령을 처리하는 것을 검증하였다.

6) 미디어 전송 및 재생 검증 : 링크 구간의 오류가 없는 환경에서 One-Way, Two-Way 전송 방식으로 파일 전송 완료 시 사격통제기에서 시커가 촬영한 동영상 저장과 재생을 확인하였다. RF 감쇄기 조작을 통하여 의도된 링크 오류가 발생하는 환경의 경우, One-Way 전송에 의한 동영상 재생은 불가능하며 Two-Way 전송으로 저장된 동영상은 재생이 가능함을 확인하였다. 스트리밍 전송 방식의 경우 오류가 없는 환경에서 ffmpeg 툴에서 미디어 재생이 지속적으로 되는 것을 확인하였으며, 링크 오류가 있는 환경에서는 일시적인 화면 깨짐이 발생하지만, 후속 I-frame 수신을 통해 세션 중단 없이 영상 재생이 지속됨을 확인하였다. 할당된 타임슬롯의 양과 카메라의 bitRate에따라서 영상의 재생 품질이 달라짐을 확인하였다.

7) 타임슬롯 기반 미디어 전송 성능 분석 : 본 논문의 DLPS를 활용한 선행연구에 따르면, Link-K 타임 프레임(1,536 슬롯) 내에서 미디어 전송을 위한 공유 타임슬롯(Shared Time Slot)을 192개(12.5%)에서 768개(50.0%)로 확대 할당할 경우, 722 KB 크기의 표적 영상 파일(640×480 해상도) 전송 시간이 One-Way(1회 전송 기준) 프로토콜 적용 시 232.6초에서 57.9초로 약 75.1% 단축된다. 데이터 유실이 없는 환경에서 Two-Way 전송 방식 역시 이와 유사한 성능을 보였으며, 실시간 전송을 위해 설계된 스트림 전송 프로토콜은 메시지당 페이로드를 파일 전송 메시지 대비 1,600 bit에서 1,880 bit로 14.89% 확장하여 동일 조건(768 슬롯)에서 전송 시간을 50.1초까지 추가 단축할 수 있다[8]. 이처럼 해당 연구에서 도출된 이론적 예상 처리량과 실측 계측값의 일치성은, 본 논문의 DLPS가 대량의 전술 데이터 처리가 요구되는 상황에서도 타임슬롯 할당량에 부합하는 최대 전송속도를 지원하며 내부 소프트웨어 병목 없이 정상 동작함을 의미한다.

랩 수준의 통합시험 이후에는 실제 운용 환경에서 장비의 성능 측정을 위해 항공기 시험, 선박 시험을 진행하였다. 해당 시험에서는 안테나 각도, 통신 거리, 지형 등 복합적인 요소에 의해 NEW와 통제노드간에 통신단절이 발생한다. DLPS 로그와 NEW Record의 임무 처리 이력을 통해 표준 절차상에 명시된 처리 방법으로 오류를 포함하여 정상적으로 처리함을 검증하였다.