군 위성 통신용 운반용 위성 단말 ALL-IP 데이터 네트워크 시스템 구현

Ⅰ. 서 론

오늘날 통신시스템 기술이 발전함에 따라서 다양한 데이터 전송 시스템이 개발되고 있다. 서킷 기반으로 설계된 시스템은 모바일 기술발전으로 패킷 기반 설계로 변경되고 있다. 군 통신장비도 서킷 기반에서 패킷 기반으로 변경되고 있으며, 그중에서 위성 통신 시스템도 IP 패킷 기반으로 데이터를 송수신하는 시스템이 개발되고 있다. 하지만 상업용 시스템은 기존 시스템의 혁신을 통해서 전송시스템이 전부 변경되고 있지만, 군 시스템은 기존 시스템과의 호환성도 중요시된다. 그런 점에서 서킷 기반 데이터 시스템을 바로 패킷 기반 데이터 시스템으로 변경할 수 없다.

서킷 기반 데이터 시스템에 연동된 패킷 기반 데이터 시스템 설계도 군 시스템에서는 요구하게 된다. 그중 대표적으로 진행되고 있는 군 위성 통신 체계-II도 패킷 기반의 통신시스템으로 구성되고 있다. 이전 군 위성 통신 체계는 서킷 기반 기술을 적용하여, 단일 또는 이중 중앙제어 시스템을 중심으로 전 단말이 동기 기반으로 설계되었고, 그에 따른 설계 어려움과 분산 시스템 구축에 큰 문제점을 가지고 있었다. 또한, PAMA(Pre-Assignment Multiple Access) 기반 고정주파수 할당으로 통신위성의 중요 파라미터인 주파수 자원 효율이 극히 비효율적인 시스템이었다[1].

군 위성 통신체계는 서킷 기반 기술에서 패킷 기반 기술을 적용하여 단일망과 분산망 위성 통신 시스템을 구축하여, 적재적소에 주파수 자원을 할당, 회수하여 효율적인 주파수 자원관리를 할 수 있도록 지원하고 있다. 주파수 자원관리를 효율적으로 하기 위해서 자원할당 방식을 여러 방식으로 지원하고 있는데 대표적으로 고정 자원할당을 위한 PAMA와 요구에 의한 자원할당 DAMA 방식을 전부 지원한다. 지원 링크 별로 PAMA/DAMA를 전부 지원하여 지원 링크 별로도 주파수 자원 효율성을 극대화하였다. 자원할당은 단순 단말에서 지원하는 차원이 아니고 망관리기 및 망제어기를 통해서 할당받게 되며, 할당받은 자원은 각 단말에서 관리 및 회수 절차를 수행하게 된다.

그림 1의 군 위성 통신 체계는 유연한 망 토폴러지 구축을 통해서 위성 주파수 자원에 대한 효율적인 관리를 수행하게 된다. 또한, 주파수 자원관리를 통해서 망 생존성 및 운용 효율성도 극대화한다. 주파수 자원 측면에서 군 위성 통신은 여러 단말을 제공하고, 다양한 전송 용량을 가지고 있다. 본 논문에서는 여러 단말 중 운반용 위성 단말에 대해서 논할 것이며, 운반용 위성 단말에 관한 내용을 설명하면서 다른 단말 운용 개념도 설명을 할 것이다. 위성 통신은 여려 장점 때문에 군에서도 주 통신수단으로 사용되고 있다. 장점으로는 대용량 데이터를 LOS(Line of Sight)만 확보하면 지형적 영향이 없이 전송할 수 있다. 지형적 영향이 별로 없으므로 신속한 전개를 통한 광역 작전을 수행할 수 있게 된다.

Fig. 1.

Operation of the military satellite communication

운반용 위성 단말은 여단급 부대에서 운용 가능한 위성 단말로써 차량 등을 통해서 작전지까지 장비를 이동하고, 통신병 2인이 장비를 설치 장소까지 운반하여 고정설치 후 음성, 데이터 서비스를 제공하는 단말이다. 음성, 데이터 전부 IP 패킷 데이터로 전송하게 되면, 수신된 단말들도 IP 데이터로 수신 처리를 하게 된다.

본 논문은 운반용에 적용된 서킷 기반과 패킷 기반 사이 변환 기술에 대해서는 논하지 않을 것이다. 그 대신 위성 시스템 설계에서 제일 중요시되는 주파수 자원 및 위성 지연에 대한 설계만 논할 것이다. 전송 지연에 관련된 위성 기술은 QoS와 IP 가속 능력이 중요한 요소이다. 운반용 위성 단말에 적용된 기술에 대한 설계 및 시험 결과에 대해서 논할 예정이다.

본 논문의 2장에서는 위성 환경에서 TCP/IP 문제점 및 적용할 패킷 기반 기술, 패킷 시스템 개요 및 설계 내용을 기술하고, 3장에서는 설계된 패킷 처리 가입자와 패킷 처리 시스템의 측정결과를 기술하였다. 마지막으로 4장에서 결론을 맺었다.

Ⅱ. 관련 연구

본 논문에서 군 위성 통신용으로 개발된 운반용 위성 단말은 여단급에 사용되는 장비이다. 그림 2의 운반용 위성 단말은 IP 기반 음성 및 데이터 전송을 위한 단말로써 안테나장치, 송수신장치, 가입자정합장치로 구성된다. 안테나장치는 안테나조립체, 고출력증폭반, 저잡음증폭반, 안테나 지지조립체로 구성되며, 송수신장치는 중간주파수변환반, GPS수신반, 시스템제어반, 가입자정합반, 전원공급반, 패킷경로제어반, 고속링크 모뎀, 저속링크 모뎀으로 구성된다. 가입자정합장치는 확장 가입자로 패킷경로제어반, Ethernet 정합반, E1D1 정합반, 2W4W 정합반, CB정합반, 저속음성 정합반으로 구성된다[2]. 운반용 위성 단말은 여단급 지휘 통제 지원을 위해서 다양한 체계 연동 장비와 연동 기능을 제공하며, 송수신할 연동 장비 데이터를 IP 데이터로 변환하고 군 위성 통신체계 단말들과 데이터를 주고받게 된다. 또한, 위성 채널 환경 즉 데이터 전송 지연, 페이딩 현상, 장거리 통신 등 열악한 환경에서도 강인한 데이터를 전송하기 위한 알고리즘 포함하고 있다. 본 논문에서 논할 IP 라우팅 기능과 IP 가속기 기능은 패킷경로제어반에서 제공하는 기능이다[3].

Fig. 2.

Flyaway terminal system architectures

2.2 패킷경로제어반 설계

그림 3처럼 운반용 위성 단말의 패킷경로제어반은 IP 스위칭, 정적, 동적 라우팅 기능을 수행한다. 라우팅 프로토콜로 OSPF, RIP, BGP 프로토콜을 지원하여 대역별 및 링크별 최적 경로를 선택하여 데이터를 전송하게 된다.

Fig. 3.

Packet Routing Controller structure

또한, QoS 기능을 제공해서 데이터별 우선순위에 따라서 데이터를 전송하게 된다. QoS 맵핑/마킹 기능에 따라서 IP 주소를 DSCP 마킹 기능 및 DSCP에 따른 Class 맵핑을 하게 된다. 또한, 큐잉/쉐이핑 기능을 적용하여 최대 최소 대역폭에 대한 데이터 전송 보장을 제공하여 데이터 전송을 하게 된다. 또한, 위성 통신의 경로 지연에 따른 TCP 성능 저하가 발생하게 되는데 이를 보상하기 위한 TCP 가속 기능도 제공한다.

군 위성 단말 간 중요 정보의 유통 우선순위를 위해서 모뎀과 연동하며, 패킷 단위로 데이터를 처리한다. QoS 기능에 따라서 데이터 우선순위도 정하게 된다. 데이터 전송 지연 시간, 지연에 따른 지터(Jitter), 전송 에러 또는 패킷 손실률 등을 고려해서 데이터 서비스를 제공하게 된다.

운반용 위성 단말에 적용된 QoS는 DSCP-Class 맵핑으로 QoS class 번호, QoS DSCP 코드값, QoS policy-map, 큐밍, 쉐이핑을 설정하여 제공하게 된다. 패킷경로제어반은 동적 라우팅 기능을 통해서 IP 스위칭 기능을 제공하는데 Designated Router 중심의 중앙 집중형 라우팅 프로토콜 운용으로 L3 경로 선택기능을 제공하게 된다. 패킷 처리를 위한 스위치 기능은 발생한 트래픽 신호 IP에 따라서 스위칭 된다.

Ⅲ. IP패킷 전송 측정결과

군 위성 통신에 적용된 기술 및 설계 기법을 확인하기 위해서 운반용 위성 단말과 고정용 단말 간 IP 패킷 데이터 전송 시스템을 구성하였다.

그림 4처럼 시험방법은 실 위성을 이용해서 고정용 위성 단말과 MF-TDMA 및 PTP 링크를 구성해서 시험하였고, 또한, PTP 링크는 별도 가입자정합장치 연동을 통해서 시험하였다. 각 시험은 가속 능력 및 QoS 설정을 통해서 TCP 패킷 전송 능력을 확인하였다.

Fig. 4.

Test configuration of flyaway satellite terminal IP

3.1 MF-TDMA 가속 능력 확인

운반용 위성 단말은 MF-TDMA(Multi Frequency-Time Division Multiple Access) DAMA(Demand-Assigned Multiple Access) 방식과 PTP방식을 지원하는데 MF-TDMA 방식은 운반용 위성 단말에 유입되는 트래픽 데이터에 대한 이전 정보 즉 트래픽 발생 패턴이나 트래픽 종류 등을 바탕으로 자원을 요청하고, 망제어기의 제어에 따라서 효율적으로 위성 자원을 할당하여 위성망 자원할당 지연으로 인한 다량의 데이터 폐기를 최대한 억제하게 된다.

MF-TDMA 방식은 망제어기의 효율적인 자원할당을 기반으로 소요 가입자에 대해서 자원할당을 하게 된다. 한정된 주파수 자원에 서로 공유해서 데이터를 전송하기 때문에 대용량의 데이터 전송 시스템에서는 단점을 가지고 있다. 본 시험에서는 MF TDMA 기반으로 가속 기능에 따라 전송시간을 비교한 데이터이다. 그림 5, 6의 본 결과에서 확인할 수 있듯이 평균 전송속도에 차이점이 발생함을 확인할 수 있다. 파일 종류가 TXT인 경우에 가속 기능 및 압축 기능으로 최대 전송속도가 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

MF-TDMA IP data transmission results

Fig. 6.

MF-TDMA IP data transmission comparison results

3.2 PTP 링크 가속 능력 확인

다음은 PTP 링크에서 운반용 위성 단말에 유입되는 트래픽 데이터에 대한 가속 능력 성능이다. 링크 상 전용 전송 링크를 설정하기 때문에 동일 데이터를 전송하면서 MF-TDMA 방식보다 PTP 링크 방식이 최대 전송속도 증가를 확인할 수 있다. 신속한 Point to Point(이하, PTP) 연결을 위해서 고정할당방식인 Pre-Assignment Multiple Access(이하, PAMA)망과 최소한의 생존 기능을 위해 협대역 주파수를 할당하게 된다.

그림 7, 8의 본 시험 결과를 통해서 MF-TDMA, PTP 링크 모두 IP 가속기 성능이 필요한 것을 알 수 있다. 특히 고정 위성에 따른 전송 지연은 TCP/IP의 패킷 전송률 저하를 방지할 수 있다.

Fig. 7.

PTP IP data transmission results

Fig. 8.

PTP IP data transmission comparison results

또한, 군 위성 통신에 가장 중요한 주파수 할당 즉 주파수 자원 효율성을 위해서 IP 가속기 능력이 꼭 필요하며, 그에 대한 군 위성 통신에 적용된 제반 기술을 본 시험을 통해서 확인하였다[9].

Ⅳ. 결론 및 향후 과제

본 논문에서는 군 위성 통신용 운반용 위성 단말을 이용한 ALL-IP 데이터 전송 시스템에 관해서 기술하였다. 군 위성 통신체계는 기존 체계에서 구현된 서킷 기반 데이터에서 패킷 기반 데이터로 설계가 변경되었다. 또한, 위성망을 이용한 IP 데이터를 전송하기 위한 최적화된 시스템 설계를 적용하여 제작되었다. 운반용 위성 단말은 고속링크와 저속링크로 구성되는데 본 논문에서는 고속링크에 대한 MF-TDMA와 PTP 링크에 대한 데이터 교환을 위한 ALL-IP 설계에 대해서 논했다. TCP는 인터넷을 통한 전 세계 데이터 통신의 표준이 되고 있다. 군 위성 통신 장비도 IP 데이터를 전송하기 위한 체계로 변경되고 있다. 위성 통신은 긴 전송 대기 시간의 영향으로 최소화하여 TCP 세션의 성능을 향상할 방법이 필요하게 된다.

본 장비에서는 전송 Delay에 따른 TCP 최적화, TCP/IP 헤더 압축 등이 적용된 단말을 시험을 통해서 확인하였다. 군 장비 특성상 상세 기술내용은 보안 때문에 기재하지 못했지만, 본 시험을 통해서 IP 가속기 성능을 확인할 수 있었으며, 또한 패킷(Packet) 기반 처리를 위한 라우터 프로토콜을 포함한 다양한 기술이 적용되어서 위성망에 특화된 다양한 문제점에 대한 패킷 처리 기술이 포함하여 제작되었다. 이상으로 All-IP 기반 시스템 중 운반용 위성 단말에 관해서 기술하였다. 본 논문에서 설계된 운반용 위성 단말은 ALL-IP 기반 군 위성 통신체계에서 널리 이용될 수 있을 것으로 예상한다.

References

• Deok-Woo Lee, Seong-Jae Lee, and Won-Sang Yoon, "Implementation of IP Packet Data Transmission System for the Next Military Satellite Flyaway Satellite Terminal", JKIIT, Vol. 14, No. 4, pp. 51-59, Apr. 2016. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2016.14.4.51]
• Byungjun Park, Chunwon Kim, Wonsang Yoon, and Seongjae Lee, "An Antenna & RF System for Fly-away Satcom Terminal Application on Ka-band", Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 17, No. 4, pp. 485-486, Aug. 2014. [https://doi.org/10.9766/KIMST.2014.17.4.485]
• Kyung-Ho Lee, Sung-Jae Lee, and Jong-Chul Ahn, "Implementation of Voice and Data Interworking System for Next Generation Military Satellite System", JKIIT, Vol. 15, No. 11, pp. 139-147, Sep. 2017. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2017.15.11.139]
• Memotec Inc, "TCP Acceleration Option NetPerformer System Reference", Document, No. 1609, pp. 1/1-3/2, Apr. 2011.
• Y. Zhang, "A multi-layer IP security protocol for TCP performance enhancement in wireless networks", IEEE Trans. J. Sel. Area. Commun., Vol. 22, No. 4, pp. 767-776, May 2004. [https://doi.org/10.1109/JSAC.2004.825993]
• Seong-Ho Kim and Tae-Hun Lee "Study of LTA MF-TDMA Network with a BSDT(Block Sensing Diversity Transmission) Algorithm in GEO Satellite Network for on the Move Terminals", Journal of KIIT, Vol. 13, No. 11, pp. 17-24, Nov. 2015. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2015.13.11.17]
• Kronewitter F.Dell, Ryu Bo, Zhang Zhensheng, and Ma Liangping, "TCP Accelerator for DVR-RCS SATCOM Dynamic Bandwidth Environment with HAIPE", Journal of communications and networks, Vol. 13, No. 5, pp. 518-524, Oct. 2011. [https://doi.org/10.1109/JCN.2011.6112309]
• Tsunoda Hiroshi, Ohta Kohei, Kato Nei, and Nemoto Yoshiaki, "A proposal of TCP congestion control for LEO Satellite Network taking into account handover problem", Joint Conference on Satellite Communications, No. 2000, pp. 265-270, Dec. 2000.
• J. Doffoh, R. Mereish, and M. Puckett, "Analysis and comparisons of acceleration protocols for TCP over satellite", in Proc. IEEE MILCOM, Atlantic City, NJ, USA, Oct. 2005.