정보, 감시, 정찰 (ISR, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance) 분야는 적의 활동에 대한 정보를 공유하는 많은 센서 및 사용자들과 함께 점점 네트워크 중심의 운용 레벨이 증가하고 있다.
5G 기술은 ISR 활용분야에 있어 매우 매력적인데 그 이유는 많은 사용자의 협력적인 운용이 가능하기 때문이다.
공개된 전문 서적에 의하면 5G는 38평방 마일 이내에서 백만명의 사용자를 허용할 수 있다고 한다.
4G의 경우는 2000명인 것과 비교되는 숫자이다.
많은 수의 사용자가 있다고 가정해 볼 때, 전자기 스펙트럼을 사용하기 위한 사용자 간 경쟁이 치열할 것이다.
사용자가 밀집되어 있는 상황에서 5G는 꼭 필요한 ISR 사용자가 필요한 순간에 접속 권한을 보장해 준다. 이 의미는 5G는 ISR 네트워크 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 것이다.
5G 네트워크와 함께, 적의 신호 방출을 탐지하여 수집된 정보는 흩어져 있는 고정 또는 이동 사이트로 효과적으로 이동되어 정보에 대한 분석을 수행할 수 있다.
분석된 결과는 최적의 대응이 수행될 수 있는 위치에 적용될 수 있다.
[군집 센서]
아래의 그림은 서로 협조적으로 동작하는 공중 탑재 센서 집단을 나타낸다.
각 센서는 서로 가까이 위치하여 반 독립적으로 운용 된다.
만약, 밀리미터 파장대의 주파수를 사용하는 5G로 연결되어 있다면 이 군집 센서는 최대 1X1 킬로미터 범위의 면적을 높은 품질과 낮은 지연 시간, 높은 데이터 전송 속도로 커버할 수 있다.
군집 센서는 데이터 리포팅을 위해 지상 제어 사이트로 데이터 결과 전송이 필요하며 데이터 전송은 군집 내의 다른 멤버를 통해서도 가능하다.
밀리미터 파장 링크의 단점은 강우에 대한 손실이 크다는 것이다.
그렇기 때문에 기상이 좋지 않은 날에는 링크를 짧게 하기 위해 각 센서는 서로 가까이 붙어야 할 수 있다.
그러나 만약 데이터가 군집 내에서 멤버 간 전달이 가능하다면 데이터는 최적의 공간에 배치된 센서를 통해 수집이 가능하고 필요시 다중 홉(multiple-hop) 송신을 사용하여 지상 제어실과 데이터 처리실에 전달이 가능하다.
아래의 그림에서 보듯이 5G의 중간 대역의 주파수에서의 감쇄는 적지만 높은 주파수 대역은 감쇄량이 크다.
50 GHz 주파수는 1 km에서는 0.4 dB의 감쇄 정도이나, 25 Km에서 10 dB의 감쇄가 된다.
군집의 맴버간 통신에는 최대 데이터 전송 속도를 위해 높은 대역의 링크를 적용하는 것이 좋다.
그러나 군집 멤버에서 지상 스테이션으로의 링크는 더 먼 거리의 통신을 위해 중간 대역의 링크가 적용될 필요가 있다.
만약 제어와 데이터 링크가 더 넓으면서 높은 대역을 필요로 한다면 거리 확장을 위한 중계 역할을 해줄 플랫폼이 필요할 수도 있다.
다음의 그림은 비에 대한 주파수 대역별 손실을 나타내며, 5G의 높은 주파수 대역에서는 매우 큰 손실 요소이다.
28 GHz 링크를 예를 들면, Heavy Rain의 경우 1 km 거리에서 3.3 dB의 손실이 있으며 이는 25 km 거리에서는 82 dB의 손실 크기가 된다.
[위성 탑재 센서 군집]
우주 공간에는 비가 없기 때문에 센서 군집은 어떠한 기후 조건에서도 운용이 가능하다.
다음의 그림은 작은 위성에 탑재된 군집 센서를 나타낸다.
그림상에서는 적은 수의 위성만 보이지만 이 군집은 실제적으로 매우 넓은 범위에 있는 것이다.
우주 공간에 있는 군집 멤버 간의 센서는 대기 감쇄에 따른 영향을 받지 않지만 지구에 있는 제어 사이트로 전송을 위해서는 대기 감쇄의 영향을 고려해야 한다.
우선 군집 내의 맴버간 데이터 전송을 위한 통신에 대해 알아본다.
왜냐하면 이는 꽤 도전적인 문제이며 지상의 감지 장치나 재밍에 대해 보안을 유지할 수 있어야 하기 때문이다.
링크는 60 GHz 주파수를 사용한다고 가정한다.
그리고 다음은 위상 간 링크 방정식을 나타낸다.
- 송신 파워 : 100 watts (50 dBm)
- 안테나 이득 : 25 dB (각 송신 및 수신)
- 각 안테나의 오정렬 손실 : 7.8 dB
- 링크 주파수 : 60 GHz
- 링크 거리 : 500 km
이때의 수신기에서의 파워는,
수신기의 감도는 수신기 잡음 레벨 (kTB)과 잡음 지수 그리고 pre-detection SNR(RFSNR)의 함수이다.
kTB는 수신기의 열잡음이며 280˚ K와 1 MHz 대역에서 -114 dBm 값을 갖는다.
위성의 수신기는 이보다 더 차가울 것이나 정확한 온도를 모르기 때문에 지상 대기 조건인 280˚ K를 적용하며 잡음 지수는 2 dB를 고려한다.
이 때의 수신 감도는 다음과 같이 계산된다.
수신기의 RFSNR은 수신되는 파워와 감도 간의 차이이다.
그렇기 때문에 500 km 거리에서 RFSNR은 다음과 같이 계산된다.
이는 위성간 500 km 떨어져 있을 수 있고 위성 간 링크의 신호대 잡음 비가 매우 우수한 14.4 dB가 된다는 것을 의미한다.
만약 위성간 거리가 더 가깝다면 전송 신호의 품질은 더욱 좋아질 것이다.
다음은 군집 위성에서 지상으로의 링크에 대해 알아본다.
우주 공간의 손실은 위성과 지상 스테이션 간의 거리에 따라 다르다.
그러나 지상에서는 매우 큰 안테나를 사용하고 있기 때문에 링크를 위한 적당한 연결성을 가지고 있다고 볼 수 있다.
여기서 이제는 대기 및 비에 대한 감쇄를 고려해야 한다.
아래의 그림은 주파수 대역과 위성으로의 고각에 따른 대기 감쇄를 나타낸다.
28 GHz와 30˚ 고각을 보면 감쇄가 0.8 dB이지만 60 GHz에서는 감쇄가 매우 커서 신호는 절대 전달되지 못할 것이다.
또한 아래의 그림은 위성의 고도에 따른 비 구간의 거리를 나타낸다.
비는 결빙 고도에서부터 내리며 비가 오는 구간의 거리는 결빙 고도를 고각의 sine으로 나누어 준 것이 된다.
비가 오는 구간의 거리 = 결빙 고도 ÷ sine(elevation angle to satellite)
여기서 계산된 거리는 앞의 표에서 주파수와 비의 강도를 적용하여 감쇄 정도를 계산한 수 있다.
출처 : Journal of Electronic Defense
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