통신 링크에 대한 재밍 효율

통신에 대한 재밍 시, 상대 수신기의 위치에서의 재머 신호 세기에 큰 비중을 둔다.

그러나 사실 송신기와 수신기 간의 링크 거리나 공간도 동일하게 중요한 요소이다.

상대의 수신기와 송신기(또는 송수신기) 간의 링크 거리는 매우 중요하다.

왜냐하면 송신기나 수신기는 서로 가까이 위치할 수 있고 그러면 재밍 신호를 “burn-through” 할 수 있기 때문이다.

“Burn-through”은 재밍의 대상이 되는 수신기 위치에서 송신기 신호의 세기가 재밍 신호의 세기보다 세거나 같은 효과를 말한다.

여기서, 얘기하는 “Parity distance”는 재밍의 대상이 되는 수신기에서 재머의 신호 세기보다 송신기의 신호 세기가 크거나 같을 수 있는 송신기와 수신기간의 최대 거리를 의미한다.

Parity distance 보다 짧은 거리는 송신기 신호가 재밍 신호보다 더 강하며 그렇기 때문에 재밍 신호는 효과가 떨어지거나 효과가 없다는 것을 의미한다.

즉, 이 상황은 전자 공격 측면에서는 좋지 않은 조건을 만들 수 있다.

여기서 송수신 간의 parity distance를 추정하는 기법에 대해 간략히 알아본다. 

 

[전자전 명제]

다음은 재밍과 통신에서 효과도를 정의하는데 도움을 주는 5가지의 기본적인 전자전 ‘명제’이다.

1. 최대 거리는 안테나 높이의 함수이다.

송신 안테나와 수신 안테나는 서로 통신을 하거나 재밍이 가능토록 전자기 운용 환경(EMOE, Electromagnetic Operating Environment)에서 서로 볼 수 있어야 한다. (즉, line-of-sight를 만족해야 한다.)

안테나의 높이를 지상보다 높이는 것은 최대 거리를 증가시킨다.

참고로 최대 거리는 신호가 분산되는 것을 고려하지 않고 최대로 전달될 수 있는 거리를 의미한다.

 

2. 최대 효율 거리는 수신기 감도의 함수이다.

신호의 세기는 송신기로부터 멀어질수록 점점 약해진다.

수신기가 신호를 탐지하기 위해서는 도착한 신호의 세기만큼의 감도를 가져야 한다.

신호가 약할수록 수신기는 더욱 민감해져야 한다.

최대 효율 거리는 신호가 기대하는 만큼의 정확도와 효과를 가질 것으로 예상되는 최대 거리이다.

 

3. 신호 세기는 송신 전력의 함수이다.

송신기의 전력이 강할수록 신호의 세기는 강해진다.

송신기의 전력을 증가시켜 송신 거리를 증가시킬 수 있지만 안테나는 서로 바라볼 수 있어야 하고(첫 번째 명제) 수신기는 신호를 탐지할 수 있을 만큼의 감도를 갖추어야(두 번째 명제) 가능하다.

 

4. 통신과 재밍의 개선은 대부분 안테나 성능 향상의 결과이다.

더 높은 지향성 이득을 갖는 안테나는 유효 방사 전력을 증가시키고 수신기에서의 신호대 잡음비를 증가시키는데 도움을 준다.

유효 방사 전력 또는 ERP(Effective Radiated Power)는 안테나 이득에 송신 전력을 곱한 것이다.

 

5. 재밍 효과도는 송수신기 간의 링크 거리의 함수이다.

송신기와 수신기 간의 거리가 멀어질수록 재밍 신호의 효과도는 증가한다.

반대로, 송신기와 수신기가 서로 가까워지면 이 링크에 대한 재밍 효과는 떨어진다.

통신 신호의 세기가 재밍 신호의 세기보다 강하면 통신 신호는 재밍 신호를 “burn-through” 하며 이는 재밍의 효과가 없다는 의미이다.

 

[전자기 스펙트럼의 Three-Body 문제]

통신 재밍 문제의 가장 간단한 예는 세 가지 요소로 구성된다.

이것은 재머(Jx)와 두 개의 송수신기(TRx)인데 지리 공간적 측면에서 서로의 상대적인 위치는 선형적이거나 삼각형 형태를 갖는다.

(EMS Three-Body Orientations)

 

그림에서 보다시피 두 개의 선형적 위치가 있다.

이 중 첫 번째는 재머가 라인의 끝에 위치해 있고 송수신기는 반대쪽 끝에 있으며 다른 한 송수신기는 이 둘 사이에 있어서 일직선을 이루고 있는 모양이다.

두 번째는 재머가 송수신기 사이에 있으면서 일직선을 이루고 있는 모양이다.

 

삼각형 모양은 구성요소가 서로 일직선을 이루지 않는다. 삼각형 모양에는 세 가지가 있는데 하나는 같은 길이가 없는 부등변 삼각형(Scalene)이고 두 번째는 두 변의 길이가 같은 이등변 삼각형(isosceles), 세 번째는 모든 변의 길이가 같은 등변 삼각형(equilateral)이다.

 

세 가지의 요소(Jx와 두 개의 TRx) 간의 링크에 대한 효과적인 공부를 위해서는 각 요소에 대한 다음의 파라미터를 알아야 한다.

주파수(MHz), 송신 전력(dBm), 수신 감도(dBm), 안테나 이득(dB), 안테나 높이(m), 그리고 요소 간의 거리(Km)이다.

반응형이나 인지형 재밍 기법에 있어서는 재머의 수신 감도가 매우 중요해진다.

기본적으로 재밍 플랫폼은 상대 신호를 수신하여 분석하고 재밍 신호로 대응한다.

참고로 반응형 재머는 스펙트럼의 일부를 감지하여 재밍이 필요하다고 판단되면 즉시 재밍 신호를 송출한다.

인지형 재머는 기계 학습 기법을 통해 반응형 재밍 능력을 향상시킨다.

 

[통신 재밍 상태]

통신 링크 재밍 상태에는 다음의 세 가지가 있다.

(1) 송수신기 서로 간에 신호를 수신할 수 없는 상태

(2) 하나의 송수신기는 신호를 상대방으로부터 수신할 수 있으나 다른 하나는 그렇지 못한 상태

(3) 두 송수신기 모두 서로의 신호를 수신할 수 있는 상태.

이러한 상태들은 통신 모델에서 볼 수 있는 표준 정보 “흐름(flow)”과 같다.

Simplex(한쪽 방향으로만 정보가 전달), duplex(양방향으로 동시에 정보가 전달), half-duplex(정보는 선택적으로 양방향 전달).

이상적인 재밍 상태는 송수신기 간에 어떤 방향으로도 flow 되지 않는 것이다.

그다음의 가장 좋은 재밍 상태는 한쪽 방향으로만 정보가 flow 되는 것이다.(simplex)

가장 좋지 않은 재밍 상태 또는 재밍 효과가 없는 상태는 송수신기 간에 양방향으로 정보 flow가 되는 상태이다.(duplex 또는 half-duplex)

 

[재밍 대 신호 비 (J/S)]

통신 방해를 평가하기 위해 가장 흔한 효과도 측정 방법은 재밍 대 신호 비 또는 J/S이다.

J/S 비는 보통 dB로 표현되며 안테나 터미널이나 수신기에서 원하는 신호에 대한 재밍 신호의 세기를 의미한다.

이 둘은 그 양이 모두 데시벨로 표현되므로 J를 S로 나누기보다는 단순히 재밍 신호 세기에서 송신 신호의 세기를 빼는 식으로 계산한다.

예를 들면, 수신기에서의 재밍 신호 세기가 -100 dBm이고 송신 신호의 세기가 -110 dBm이라고 하면 J/S 비는 -100-(-110) = 10dB가 된다.

만약 값이 0보다 크면 수신기의 안테나에서 송신 신호보다 재밍 신호가 세다는 것을 의미한다.

마찬가지로 값이 0이면 두 신호의 세기가 같다는 것이고 음수이면 송신 신호의 세기가 더 강하다는 것이다.

음수의 J/S 값은 보통 재밍의 효과가 없다는 의미이다.

 

[통신 링크 특징]

Jx와 TRx들 간의 링크 특징은 수학적으로 풀 수 있다.

깊이에 따라서 방정식의 개수는 하나에서부터 12개 이상이 될 수 있다.

여기서는 양방향 거리 손실 공식을 사용한다.

 

양방향 거리 손실 공식의 가정

- 지구의 표면은 flat earth 프로파일 적용

- 무지향성 모노폴 안테나 가정

- 주파수 밴드는 30 MHz에서 1,000 MHz

 

환경의 노이즈 플로어 가정

- 반응형 재머

- 잡음 재밍 신호

- 재밍 대역폭은 송수신기의 대역폭과 동일 가정

 

양방향 거리 손실 공식이 반드시 필요한데 그 이유는 땅이나 지형의 요소를 고려하지 않기 때문이다.

보통 변형된 Fresnel Zone Distance 공식은 가까운 거리에서는 자유 공간 거리 손실 공식을 사용하고 좀 더 먼 거리에는 양방향 거리 손실 공식을 사용하기 위한 전환 범위를 결정한다.

만약 안테나 높이가 5미터를 넘지 않는다면 주어진 주파수 밴드(30 MHz~1,000 MHz)에서 Fresnel의 임계 거리(전환 범위)는 1km를 거의 초과하지 않는다.

그러므로 여기서는 오직 양방향 거리 손실 공식만 적용된다.

 

(양방향 거리 손실 공식)

L = 120 + 40log10d – 20log10h_t – 20log10h_r

 

여기서, 

L = 거리 손실 (dB)

120 = 거리(km)와 높이(m) 일 때 적용하는 상수

d =  거리 (km) 

h_t = 송신 안테나 높이(m)

h_r = 수신 안테나 높이(m)

 

[상황 예제]

통신 링크 분석의 핵심은 재밍 동안에 송수신간의 최대 효율 거리를 계산하는 것이다.

재머의 관점에서 보면 재밍 신호는 송출 지점으로부터 멀어질수록 신호가 점점 약해진다.

다음의 표에 있는 파라미터 값을 참고한다. 

 

(상황 예제의 파라미터 값)

 

양방향 전파 공식을 사용하여 재머로부터 첫 번째 송수신기까지의 거리 손실은 131.02 dB가 된다.

재머의 유효 방사 전력은 39.03 dBm이다.

유효 방사 전력(39.03 dBm)으로부터 거리 손실(131.02 dB)을 빼면 TRx-1 위치에서의 재밍 신호 세기는 -91.99 dBm이 된다.

같은 방식으로 송수신기 간의 링크를 계산하면 TRx-2로부터 TRx-1까지의 통신 신호 세기는 -95.05 dBm이 된다.

TRx-1 위치에서 재밍 신호(-91.99 dBm)가 통신 신호(-95.05 dBm) 보다 강하며 재밍 대 신호 비는 양의 값인 3.06 dB가 되고 이는 재밍의 효과가 있음을 의미한다.

 

한 가지 질문은 재머 신호의 세기에 대한 parity를 갖는 거리 (0 dB의 J/S)를 계산하려면 하나의 송수신기는 다른 쪽의 송수신기와 얼마큼 가까워져야 하는지이다.

이 “Parity Distance”가 계산되면 송수신기간에 이보다 짧은 거리는 음수의 J/S 값을 만들며 재밍의 효과는 떨어진다고 볼 수 있다.

한 위치에서의 재밍 신호 세기와 송수신기의 파라미터, 그리고 기본적인 양방향 거리 손실 공식만 주어지면 parity distance를 구할 수 있다.

 

신호의 세기를 계산하기 위해서는 유효 방사 전력에서 거리 손실을 뺀다.

S = P_t – (120 + 40log10d – 20log10h_t – 20log10h_r)

 

여기서,

S = 신호 세기 (dBm)

P_t = 송신기의 유효 방사 전력 (dBm)

120 = 거리(km)와 높이(m) 일 때 적용하는 상수

d = 거리 (km)

h_t = 송신 안테나 높이 (m)

h_r = 수신 안테나 높이 (m)

Parity distance를 계산하기 위해서는 신호 강도 공식을 대수적으로(algebraically) 변환해야 한다.

 

S_j = P_t2 – (120 + 40log10d – 20log10h_t2 – 20log10h_t1)

 

여기서,

S_j = 재머 신호 세기 (dBm)

P_t2 = TRx-2의 유효 방사 전력 (dBm)

120 = 거리(km)와 높이(m) 일 때 적용하는 상수

d = 거리 (km);

h_t2 = TRx-2 안테나 높이 (m)

h_t1 = TRx-1 안테나 높이 (m)

 

첫 번째 스탭 : 

S_j = P_t2 – 120 – 40log10d + 20log10h_t2 + 20log10h_t1

 

두 번째 스탭 :

S_j - P_t2 + 120 - 20log10h_t2 - 20log10h_t1 = -40log10d

 

세 번째 스탭 :

(S_j - P_t2 + 120 - 20log10h_t2 - 20log10h_t1) / (-40) = log10d

 

네 번째 스탭 :

Dkm = 10^log10d

 

앞의 파라미터 값을 적용하면,

(-91.99 – 36.99 + 120 – 3.52 – 3.52) / (-40) = 0.40

10^0.40 = 2.511 km

 

반응형

[결과]

변형된 양방향 거리 손실 공식을 통해 TRx-1 사이트에서의 다음의 세 가지 중요 정보를 알 수 있다.

(1) 재머의 신호 세기

(2) 재밍 대 신호 비

(3) 재밍 신호가 있는 조건에서 다른 송수신기가 parity 확보를 할 수 있는 최대 거리

Parity distance는 TRx-1 사이트를 중심으로 원으로 표현할 수 있다.

통신을 유지하기 위해서 TRx-2 송수신기는 반드시 TRx-1과 2.511km 이내에 있어야 하며 재머 사이트로부터는 최소 4km 이상 떨어져야 한다.

TRx-2 송수신기가 4km보다 더 가깝게 재머 사이트로 이동하면 재밍 영향성은 TRx-1에서보다 더 커진다.

(Parity Distance 그림)

아래의 그림은 재머 사이트가 TRx-1으로 1km 더 가까이 이동한 모습이다.

이 경우 duplex 통신이 가능한 parity distance가 1.886km로 줄어든다. 

(Parity Distance 그림 - TRx-1으로 좀 더 접근한 재머)

 

아래의 그림은 재머 사이트가 TRX-1으로부터 1km 더 멀어진 모습이다.

이 경우 parity distance가 3.14 3km로 확장되고 이는 duplex 통신 가능 거리가 현재의 TRx-2까지의 거리보다 더 길어졌다.

(Parity Distance 그림 - TRx-1으로부터 더 멀어진 재머)

 

[종합]

앞에서의 예제에서 봤듯이 전자전 장교(EWOs, Electromagnetic Wafare Officers)는 특정 위치에서의 재밍 신호 세기뿐만 아니라 duplex 통신이 가능한 주변 위치가 어디까지인가를 같이 주위 깊게 고려해야 한다.

EWO는 적의 통신 링크 거리를 제어할 수 없다.

그러나 적의 통신 링크에 대한 재머의 위치를 제어할 수 있다.

EWO는 기동과 전력, 이득을 사용하여 적의 각 링크의 parity distance에 영향을 주고 재밍 동작 중 duplex 통신을 유지할 수 있는 제어를 할 수 있어야 한다.  

 

 

 

출처 : Journal of Electromagnetic Dominance 2022.03