군사적 활용으로의 5G - (1)

민간 통신 시장에서 5G를 구현하는 기술은 매우 심각한 비용 결과를 초래한다.

가장 심각한 부분은 5G 높은 주파수 대역의 활용이며 그 이유는 통신 타워가 낮은 주파수 대역의 타워에 비해 훨씬 가깝게 있어야 하므로 많은 인프라를 요구하기 때문이다.

군사 프로그램에서 역시 이러한 비용적인 부분을 고려해야 하지만 군에서는 이미 심각한 위협에 대응하기 위해 더 많은 비용이 드는 프로그램들을 수행하고 있다.

 

5G가 군사적으로 활용할 수 있는 분야는 다음과 같다.

  - 정보, 감시 및 정찰

  - 무기나 플랫폼, 시스템의 원격 제어

  - 원격 진료

  - 훈련 및 임무 리허설

  - 후속 군수지원

 

다음은 각 활용분야를 기술적인 관점에서 얘기해 본다. 

 

정보, 감시 및 정찰 (ISR, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance)

정보, 감시 및 정찰은 적의 능력과 활동 등에 대한 정보를 모으고 분석하는 것을 포함한다.

그렇기 때문에 일반적으로 ISR 시스템은 육지, 바다, 공중, 우주에 걸쳐 많은 센서를 사용하여 넓은 지역에 대한 정보를 모으는 것이 필수적이다.

이러한 많은 데이터는 반드시 정보로 활용할 수 있고 분석에 필요한 것들만 추려낼 수 있도록 변환을 하는 장소로 이동되어야 한다.

아래의 그림은 여러 종류의 정보를 캡처할 때에 일반적으로 필요한 데이터 양을 보여준다.

때때로 데이터 전송률을 줄이기 위해 센서의 초기 단계에서 데이터 압축을 사용하기도 하지만 일반적으로 많은 표적에 대한 데이터는 큰 데이터 전송 속도를 요구한다.    

 

(신호 타입에 따른 데이터 전송 속도)

5G가 ISR 수행을 강화할 수 있게 해주는 특징은 데이터 속도를 증가시킬 수 있는 것 때문이다.

5G의 중간 주파수 대역은 100 Mbps에서 900 Mbps 데이터 전송 속도를 갖으며 일반적인 동작은 225 Mbps이고 이는 4G 송신보다 6배에서 7배 빠른 속도이다.

높은 주파수 대역 송신은 훨씬 더 빠르며 1 Gbps에서 3 Gbps 정도가 된다.

더 빠른 데이터 전송 속도는 주어진 시간 안에서 더 많은 적의 신호를 캡처하고 처리할 수 있음을 의미한다.

 

음성 신호 (VOICE SIGNALS)

다중 채널 시스템의 일반적인 채널이나 단일 전술 라디오 송신과 같은 음성 신호는 초당 64 kbits를 요구한다.

이것은 중간 주파수 대역의 5G 신호는 3,500 개 이상의 음성 등급 신호를 보낼 수 있음을 의미한다.

(4G의 경우에는 500개 된다.)

미래에는 음성 신호의 개수가 증가할 것이며 에미터의 위치와 같은 ISR 데이터는 높은 주파수 대역 송신의 대상이 될 것이다.  

예를 들어 100 km² 범위 안에 10m 거리까지의 각 VHF 에미터의 거리를 고려해보면, 에미터 위치 당 16 bits를 요구한다.

수 마이크로초 정도의 짧은 시간 동안 10%의 전술 25 KHz 채널이 점유될 것이고 만약 30 MHz에서 88 MHz 사이의 VHF 채널의 10% 점유된다면 232개의 신호가 존재할 것이다.

(계산을 해보면 2,320개의 신호인데 글의 원문에 계산 오류가 있지 않나 생각됨. 그러나 여기서는 그냥 원문을 그대로 옮김)

이 232개의 에미터를 1초 안에 위치 식별을 하기 위해서는 초당 3,712 bits의 데이터 전송 속도가 요구된다. (역시 계산으로는 37,120 bits 같으나 원문을 그대로 사용함)

 

아래의 그림은 전술 에미터 위치 시스템에 의해 하나의 에미터 위치에 대한 신호 캡처와 전송을 보여준다. 여기서는 오직 2 방향의 신호 도착 사이트가 표현되어 있지만 실제로는 더 많을 것이다.

만약 하나의 방향탐지(Direction Finding) 센서가 UAV나 위성과 같은 이동형이라면 각 이동한 위치에서의 측정 데이터를 추가하기 위해 컨트롤 스테이션으로의 링크 데이터 전송 속도는 증가할 것이다.

 

(에미터 위치 식별 시스템)

 

만약 신호 도착 시간이나 주파수 차를 이용한 정밀 에미터 위치 식별이 요구된다면 컨트롤 스테이션에서 충분한 위치 정확도를 지원하기 위해 매우 높은 데이터 전송 속도가 요구될 것이다.

 

EOB (ELECTRONIC ORDER OF BATTLE)

EOB는 적의 위치나 특성 등에 따른 적 에미터 리스트라 할 수 있다.

아래 그림은 오직 2개의 상호 연결되어 있는 단순한 망을 나타내고 있다.

command station은 트래픽 분석으로 식별할 수 있다.

유닛 형태는 그들이 사용하는 암호기의 주파수와 변조, 형태에 따라 결정할 수 있다.

사이트가 같은 지역에 배치되었다는 것을 통해 적 군대의 조직을 분석할 수 있다.

이것은 정밀한 위치 정보가 필요하다.

각 적 조직의 에미터 위치와 이동을 분석하여 적의 의도를 파악하기도 한다.

 

(EOB는 적 군대의 조직과 위치를 보여주며 중요한 통신 노드를 분석)

 

여기에 데이터 링크와 레이다가 추가되면, 유닛 타입을 식별하는 것은 더욱 정확해진다.

시간적으로 적절하게 EOB를 공유하기 위해서는 5G를 활용하는 매우 높은 대역을 요구한다. 

 

영상(IMAGERY)

군부대 간에 그리고 지휘부 간에 영상 정보를 서로 공유하는 것은 분명 큰 장점이다.

아래의 그림은 픽셀과 지형에 따른 영상 센서로부터의 데이터 양을 보여주고 있다.

어떤 수의 픽셀에서 표현하는 영역의 넓이와 그 해상도 간에는 tradeoff 관계가 있다.

픽셀의 수는 해상도 증가분으로 전체 영상의 비율을 조정한다.

 

19인치의 컴퓨터 화면에 신호를 전송한다고 가정해 보자.

1280 by 1024 픽셀 컴퓨터 화면의 풀 칼라는 31.5 Mbits의 디지털 데이터를 갖는다.

이를 5G 225 Mbps로 영상 화면을 보내면 초당 7개의 화면을 보낼 수 있다.

이는 전체 모션보다는 작을 수 있지만, 많은 ISR 데이터 수집 임무에 있어서는 적당하다.

4G 링크는 초당 오직 한 화면만 보낼 수 있다.

높은 대역의 5G 송신은 전체 모션에 대한 송신이 가능하다.

 

(영상의 픽셀과 실제 지형의 영역간의 관계)

 

지하의 지뢰 위치를 탐색하는 적외선 라인 스캐너 IRLS(Infrared Line Scanner)를 고려해 보자.

IRLS는 해가 진 후에 땅의 열 스캔을 하여 주변의 땅과 다른 속도로 식혀지는 지뢰를 식별하고 그 위치를 찾는다.

한 연구에서 암석과 지뢰를 구분하기 위해 3인치의 해상도를 적용하였다.

아래의 그림은 IRLS를 탑재한 UAV가 1000 feet 고도에서 90 knots의 속도로 비행하며 0.25 밀리 라디안 폭을 갖는 열 센서로 60˚ 폭의 범위를 스캔하고 있다고 가정하자.

(즉, 1000 feet 상공에서 3 인치의 영역을 탐지하는 센서)

그렇다면 100 knot의 속도에서 매 3 인치마다 한 스윕을 만들기 위해 센서는 지형을 초당 608번 스윕 하는 속도로 지형을 추적해야 하며 0.25 밀리라디안 센서로 60˚ 영역을 스윕하는 동안에 4286번의 샘플이 필요하다.

(위의 계산이 맞으려면 UAV의 속도가 90 knots여야 할 것 같은데 글 원문의 오류가 있는 것 같으나 그냥 원본을 유지함)

만약 열 데이터가 온도 해상도 충족을 위해 정밀해야 해서 샘플 당 8 bits가 필요하다면 전체 데이터 속도는 23 Mbps가 넘을 것이다.

여기에 위치와 시간 정보가 포함되어 데이터가 이를 넘어도 중간 대역 5G 링크의 범위 안에 있다.

 

(지하의 지뢰를 탐지하는 IRLS 개념)

 

 

 

출처 : Journal of Electromagnetic Defense