차기 군 위성체계를 위한 음성 및 데이터 연동시스템 구현

2.1 TCP 가속기술 연구

TCP는 1981년 RFC 793에 공식적으로 정의 되어 꾸준히 개선되어 왔고 Fast Recovery, TCP Tahoe, TCP Reno등 다양한 알고리즘으로 계승 발전해 왔다. 위와 같은 알고리즘들은 RTT가 작은 환경에서 설계[6]되었으며 위성통신과 같이 긴 RTT를 가지는 환경에서는 긴 전송시간을 필요로 하였다.

TCP Hybla[7]은 위성 망과 같이 긴 RTT를 가지는 네트워크 환경에서 전송속도 지연현상을 극복하기 위해 제안된 프로토콜이다. 기존 유선환경에서는 RTT 고려 없이 비교적 안정된 환경에서 통신이 진행되었다면 Hybla는 전송거리가 짧은 가상 망 RTT 정보를 비교 분석하여 혼잡윈도우(Congestion Window)를 조절하여 TCP 기능을 향상 시켰다. 하지만 Hybla 프로토콜의 단점은 가상환경에서 고려된 RTT 값을 참고하여 TCP 전송기능을 확인하였기 때문에 높은 BER 무선 환경에서는 기능을 보장할 수 없는 단점이 있다.

이유는 위성 망과 같은 긴 무선구간에서는 항상 깨끗한 대기(Clear Sky)환경을 제공해줄 수 없기 때문이다. 다양한 대기 환경 변화와 재밍 공격 등으로 통신채널 오류가 빈번하게 발생되면 무선통신 환경에서는 높은 BER 이 발생되므로 Hybla 프로토콜을 이용하여서는 안정된 TCP 가속기능을 확보할 수 없다. Hybla 프로토콜은 실제 환경과 같은 BER 변수를 적용하지 못했다면 SCPS-TP을 이용한 TCP 가속기술은 높은 BER 환경과 RTT 지연현상을 극복할 수 있는 대안이다.

2.2 음성 호 연동 기술연구

아나시스 위성체계에서 휴대운반용 위성단말은 지상단말 중 하나로 통신병 1인이 휴대하여 작전운용에 활용되었다. 운반용 위성단말은 휴대운반용 위성단말을 업그레이드하여 설치 운용되므로 아나시스 위성체계와 호환성 확보를 위해 휴대운반용 위성단말의 지상망 연동 시나리오를 분석하여 지상 단말과 통신서비스가 가능하도록 설계되었다. 지상망 연동 호는 위성 망 가입자와 지상 망 가입자간 통신을 의미한다.

지상망 연동을 위해서는 망 간 통신을 위해 외부망 연동 교환기가 사용되며 이 장치를 이용하여 위성 망과 지상 망 간 상호통신이 가능하게 된다. 지상망 연동 시나리오를 그림 1에서 간략화하여 살펴보면 위성모뎀(Ⓑ)에서 통화요청 메시지가 수신되면 자원 할당 메시지를 망 제어기(Ⓒ)에 요청한다(①). 망 제어기는 위성 주파수 자원을 확인하여 통화자원 할당 정보를 위성 모뎀(Ⓑ, Ⓓ)으로 각각 송신(②)하고 모뎀은 수신된 설정정보를 이용하여 모뎀 간 통화동기(Sync) 모드로 전환하여 비문설정 절차를 수행한다(③). 수신 위성모뎀(Ⓓ)과 지상망 교환기(Ⓔ)는 통화로 설정을 위해 접지정보를 서로 교환하며 1차 음성 트래픽(Voice Traffic) 통신을 확인한다(④). 발신가입자(Ⓐ)는 지상망 교환기(Ⓔ)에 접속된 지상망 가입자 회선정보를 확인하기 위해 지상망 가입자 착신번호를 디지털 시그널로 혼합하여 송출하고 수신 된 시그널 정보를 확인하여 지상망 가입자는 2차 음성 트래픽(Voice Traffic) 통신을 수행하여 위성단말과 지상망 가입자 통화가 이루어진다(⑤). 위 지상망 연동 호 시나리오는 1채널 음성 통화를 지원하도록 설계되었으며, 운반용 위성단말은 전군 통합 망 연동링크를 위해 다채널 통화가 가능하도록 구현하였다.

Fig. 1.

Ground network interactive call scenario

3.1 TCP 가속설계

정지궤도위성은 넓은 가 수신 지역을 가지고 있기 때문에 핸드오버 없이 안정적인 위성통신 서비스를 지원하고 있지만 위성을 경유하는 1홉 통신인 경우 송신기에서 수신기까지 전파 지연시간이 0.25초 이상 발생하게 된다. 지연현상을 극복하기 위해 본 논문에서 제안하는 방법은 세션 연결방법에 따라 지상 세션 영역과 무선 세션 영역으로 분리하여 설계하였다.

그림 2에서 보는 것과 같이 지상 세션 (①, ②)은 IP가입자와 TCP 가속기 간 세션 이며 무선 세션(③)은 TCP 가속기 간 세션을 의미한다.

TCP 가속기의 세션 연결 및 데이터 전송과정은 IP가입자(Ⓐ)에서 IP가입자(Ⓓ)로 보내지는 TCP 동기 확인(SYN) 메시지를 TCP 가속기(Ⓑ)에서 가로채어 저장한 후 IP가입자(Ⓓ)의 ACK 메시지를 대신 수행하여 IP가입자(Ⓐ)에게 ACK 메시지를 보내고 초기 세션 연결을 수행한다. IP가입자(Ⓐ)에서는 초기 지상 세션이 성공하면 보내고자하는 트래픽을 TCP 가속기(Ⓑ)에게 송신한다. 패킷(1)단계에서 송신패킷에 대한 ACK 메시지가 빠르게 수신되어 적은 RTT가 확보 되면 순차적으로 윈도우 크기를 늘려 TCP 가속기(Ⓑ)에게 패킷 (2, 3, 4)를 보내게 된다.

반대로 IP가입자(Ⓓ)에서는 수신된 동기확인(SYN) 메시지를 수신처리 후 ACK 메시지를 TCP 가속기(Ⓑ)에게 송신한다. 이 과정에서 Ⓒ, Ⓓ 간 지상 세션과 Ⓑ, Ⓒ 간 무선 세션이 구성되며 TCP 가속기(Ⓑ)에서 수신된 패킷(2,3,4)을 최대 윈도우 사이즈로 계산하여 TCP 가속기(Ⓒ)에게 송신한다. 마지막으로 TCP 가속기(Ⓒ)에서는 수신된 패킷 순서대로 IP가입자(Ⓓ)에게 전송한다.

지상 세션구간에서는 IP가입자 트래픽을 미리 저장하고 필요시 전송하는 데이터 캐싱 기능과 사용자 데이터를 줄일 수 있는 데이터그램 헤더 압축기술이 적용되었다．

운반용 위성단말 위성모뎀의 하드웨어설계는 소비전력 및 회로 조립체 크기 등을 고려하여 동일한 하드웨어 플랫폼 안에 TCP 가속모듈 (TCP 가속SW + 모뎀SW)과 변복조반 (PGA)으로 구성하여 설계하였다. 변복조 반은 위성 망으로 트래픽을 송신하기 위하여 디지털 신호를 변조(Modulation)과 부호화(Encoding) 하여 중간주파수 처리 반으로 전송하며, 신호를 위성 망으로부터 수신하는 경우에는 복조(Demodulation)과 복호화(Decoding)을 수행하여 수신 트래픽 데이터를 복원하는 기능을 수행하였다. 위 과정에서 변복조 반은 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 디지털 아날로그 컨버터(DAC) 변환기능을 지원하며 변복조 방식에 따라 프레임 규격대로 데이터 단편화(Fragmentation) 작업을 수행 하도록 설계하였다．

Fig. 3.

Block diagram of suitcase terminal satellite modem

3.2 음성 호 연동설계

소요 군에서는 운반용 위성단말을 차량으로 주둔지 이동 시 신속한 설치, 개통시간을 요구하였으며 음성 호 연동설계검토 과정에서 개통시간 충족여부를 주요 추적항목으로 관리하였다. 개통시간을 최소화하기 위해 모듈 초기화시간 단축, 운용 파라미터 축소, 통화절차 간소화 작업 등으로 군에서 요구하는 설치 개통 시간을 충족할 수 있었다.

음성 호 연동설계는 통화단계를 간소화하여 7단계로 설계하였다. 발신자 번호요청 시 운반용 위성 단말은 디지트(Digit) 수신 대기 모드(①)에서 디지트(Digit) 카운트(②)와 디지트(Digit) 유효성 검사(③)를 수행한다． 디지트(Digit) 검사가 끝나면 모뎀 통화 채널, 무선주파수(RF, Radio Frequency), 안테나 상태를 확인하여 수신 단말에게 통화 요청 메시지를 송신한다. 수신측에서는 통화 요청 메시지를 수신하면 모뎀모드를 트래픽 동기 모드로 전환하여 미리 정의된 신호를 송수신하여 트래픽 동기를 확인(④)한다. 모뎀 동기가 맞춰지면 수신채널상태를 확인하고 통화 수신 알림을 수신자에게 알려준다(⑤). 수신자가 통화를 원할 경우 모뎀은 트래픽 채널 타임 슬롯을 확정(⑥)시키고 음성 트래픽 모드로 전환하여 발신자와 수신자의 음성정보를 트래픽에 혼합하여 위성통신을 지원(⑦)한다. 각 단계에서 통화종료를 원할 경우 예외사항을 최대한 고려하여 통화종료 시퀀스를 설계하였다. 발신측은 통화종료, 비정상 디지트(Digit)선택, 모뎀 통화채널 부족상태가 되었을 경우 음성통화를 종료하고 채널 아이들(IDLE) (Ⓐ)상태로 복귀한다. 신과 수신 간 트래픽 채널 동기가 확인된 이후에는 통화종료요청(Ⓑ)과 통화종료수신(Ⓒ) 메시지를 수신했을 경우와 제어 메시지 및 하트비트(Heartbeat) 메시지가 수신되지 않았을 경우 통화를 종료하고 채널 아이들(IDLE) 상태(Ⓐ)로 복귀하도록 설계하였다.

Fig. 4.

Status diagram of voice call

4.1 TCP 가속 기능시험

TCP 가속 기능시험은 위성모의중계기와 운반용 위성단말 2대를 점대점(PtoP, Point to Point)로 구성하여 PER측정시험과 TCP 가속시험을 수행하였다[8].

TCP 가속기능 시험 전에 PER시험을 선행되어야 하는 이유는 무선구간의 패킷 로스(Loss)을 확인하기 위함이다. TCP 통신자체는 전송로 구간에서 패킷손실에 대한 에러 보정 기능이 내장되어 자료전송이 완료되었더라도 전송로 구간의 패킷 로스(Loss)을 확인할 수 없으므로, TCP 가속기능 시험 전 무선구간의 전송로 안정성 확인 후 TCP 가속기능을 확인하였다. PER시험은 PER계측기를 운반용 위성단말 이더넷 포트에 각각 연결하고 양방향 트래픽(2Mbps)을 전송하여 기능을 확인하였다. 총 시험 시험은 60분간 진행하였으며 그림 6과 같이 No Error를 확인하였다.

Fig. 6.

2Mbps communication test

TCP 가속시험은 위성모뎀의 TCP 가속기능을 ON/OFF하여 시험을 진행하였으며 16Mbyte의 파일을 그림 5에서 보는바와 같이 자료전송노트PC #1에서 PC #2로 3차례 전송 한 후 총 데이터 합을 BIT로 환산하여 종합적인 결과 값을 확인하였다.

표 1과 같이 TCP 가속기능이 ON일 경우 2Mbps, OFF일 경우는 0.71Mbps으로 약 3배 성능 차이가 나타났다. IP 가속 OFF시 발생하는 전송속도 지연현상은 위성구간의 긴 지연시간과 슬로우 스타트(Slow-Start)모드에서 최대 전송율의 시간제한으로 발생하였다. 운반용 위성단말은 SCPS-TP을 적용하여 혼잡윈도우(Congestion Window)를 크기를 조절하고 TCP 통신의 최대 처리율을 높일 수 있는 윈도우 스케일링(Window Scaling) 기술과 연속되는 데이터 그램의 중복된 헤더정보를 압축하여 전송 사이즈를 줄일 수 있는 데이터 헤더 압축 기술을 적용하였다. 위 시험으로 전파 지연이 존재하는 위성 통신환경에서 TCP 가속 기능으로 긴 RTT와 높은 BER을 극복하여 지상과 같은 통신성능을 확인할 수 있었다.

Table 1.

TCP acceleration ON/OFF test result

4.2 음성 호 연동시험

음성 호 연동시험은 위성모의중계기와 운반용 위성단말 2대로 점대점(PtoP) 서킷망 환경을 구성하여 각각 일반 전화기를 연결하여 시험을 진행하였다. 본 시험은 그림 4의 음성 통화 상태 다이어그램을 각 단계별 상태 시퀀스 다이어그램으로 변환하여 시험 시나리오를 구성하였다.

시험 준비사항으로 음성전화기의 접지 및 링(Ring), DTMF, 톤(Tone)을 제어하는 가입자반(A, F)은 시험을 위한 전화번호 목록을 입력하였으며 위성모뎀 (C, D)은 주파수, 채널, 전력 등을 설정하여 무선구간에서 트래픽채널을 송수신할 수 있도록 설정하였다. 시험 시나리오는 점대점(PtoP)를 송신측, 수신측을 분리하여 그럼 7 처럼 시험하였다.

Fig. 7.

Test scenario of voice call

시험 진행은 음성전화기를 Hook-Off하여 수신측 번호를 입력하면서 시작한다(①). 음성 교환 반에서는 수신된 번호를 분석하여 등록여부를 확인 후 발신 모뎀에서 수신 모뎀으로 호 요청(Call Request) 메시지를 송신한다(②). 수신 모뎀은 수신번호를 분석하기 위해 음성 교환 반으로 착신 가입자정보와 Null-Data를 이용하여 트래픽 채널 동기 작업을 준비하고(③) 음성 교환 반은 착신 가입자 번호를 분석하여 수신 가입자에게 수신 상태를 통보한다(④). 송신, 수신모뎀은 음성 트래픽 채널을 오픈하여 음성통화를 지원하며 주기적으로 하트비트(Heartbeat) 신호를 송수신하여 링크상태를 확인하였다(⑤). 모든 통화가 종료되면 Hook-On 메시지를 수신측에 전달하여 음성채널 주파수를 해제하여 통화를 종료시킨다. 위와 같은 시험 시나리오를 기반으로 음성 통화 품질 시험을 수행하였다.

Table 2.

ITU-T P.800 MOS quality class

음성 통화 품질 시험은 주변 환경 및 듣는 이의 경험에 따라 결과가 달라지기 때문에 음성 품질 시험을 정량적으로 측정한다는 것은 어려운 일이다. 따라서 본 시험에서는 음성 품질 측정 시 사용되는 표준(ITU-T P.800) 준용하여 기본적인 음성 전화 서비스의 명료성에 관한 주관적 품질기준을 1~5를 갖는 MOS(Mean Opinion Score)을 적용하였다.

음성 호 시험은 운용성 평가담당관 1명과 국과연시제담당자 그리고 본 시험과 무관한 육군병사 2명으로 MOS품질 측정을 진행하였다. 시험 진행은 채널설정 후 20회 이상 시험을 수행하였으며 통화품질 검사결과 MOS 품질 측정 기준 평균 4.5점으로 시험 결과를 확인하였다.

Fig. 8.

Voice call test