센서 항전 시스템을 위한 SDR 게이트웨이 - 2024.04.22

소프트웨어 정의 라디오(SDR, Software-Defined Radio)는 크기와 무게, 전력에 있어서의 장점으로 센서 전자장치 분야에서 사용되고 있다.

다음은 이러한 SDR의 항공기 센서로서의 적용에 대한 기술과 장점에 대해 기술한 내용입니다.

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도입

현대의 항공기들은 물류의 연결이나 유지성 예측, 상태 모니터링, 그리고 표적 추적 등 다양한 기능을 위해 무선 센서들과 연관된 최신의 기술들을 적용하고 있다.

이러한 센서들은 기본적으로 안전과 효과성, 그리고 적절한 기능을 보장해야 하므로 센서와 제어 유닛 간의 RF 링크는 신뢰성이 높고 결정론적이며 정교하게 정의되어야만 한다.

또한, 최신의 통신 기준과 효율적인 스펙트럼의 사용, 그리고 다양한 시나리오에 적응하기 위해서 충분한 프로그램 가능성과 재구성 가능성을 제공하는 것이 중요하다. 

여기서 우리는 무선 주파수 테스트 베드나 무선 게이트웨어와 같은 항공전자 센서 시스템의 개발에 있어서의 SDR 역할에 대해 얘기한다.

게다가 이러한 센서 시스템 개발에 있어서 SDR을 통한 많은 장점들을 제시한다.

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SDR은 무엇인가?

아래의 SDR 그림은 Radio Front-End(RFE)와 디지털 Backend의 두 블록으로 구성된 RF 트랜시버를 나타낸다.

(SDR 시스템 개략도)

 

RFE는 기본적인 송신과 수신 기능 그리고 신호 증폭과 필터링, 잡음 제거, 그리고 안테나 커플링등의 기능을 하는 아날로그 소자들로 구성된다.

High-end RFE는 신호를 디지털 도메인으로 변경시키기 위한 독립적인 ADC/DAC들과 함께 몇 개의 채널을 제공한다.

디지털 backend는 일반적으로 보드 상의 DSP 기능과 함께 있는 FPGA로 구성되며 변조와 복조, 업/다운 컨버팅, 데이터 페키징, 그리고 아날로그 모듈과의 시리얼 인터페이스를 포함한다.

FPGA는 또한 내장된 통신 프로토콜과 특화된 알고리즘 즉, 인공지능이나 암호화, 그리고 인지 라디오와 같은 알고리즘을 위한 프로그래밍이 가능한 환경을 제공한다.

이러한 FPGA의 프로그램 가능성은 하드웨어 변경 없이 완벽한 형상 재구성을 가능하게 한다.

위의 그림과 같은 SDR 구조는 모듈형 설계가 가능하여 다른 SWaP과 성능 요구도를 만족시킬 수 있다.

또한 SDR은 독립형 또는 호스트 시스템과 짝을 이루는 시스템으로의 응용이 가능하여 RF 파라미터와 통신 프로토콜의 제어, 그리고 데이터 프로세싱의 원격 구성이 가능하다.

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현재 항공전자 시스템의 도전 과제

비록 센서 장치들은 어떤 항공 플랫폼에서 이제는 기본적인 부분이 되었지만 여전히 항공전자 설계에 있어서 여러 가지의 도전적인 과제를 준다.

이러한 주요 이슈들 중 하나는 전력과 연결, 통신등을 위해 수 많은 케이블이 필요하다는 것이다.

이러한 케이블은 무게를 증가시키고 탑재 공간의 제약을 가져오기 때문에 항공전자 설계에 문제를 일으킨다.

게다가 설계의 복잡성을 증가시키고 유지보수를 요구하며 개발 시간과 비용을 증가시킨다.

또한, 케이블은 마치 잡음을 일으키는 안테나와 같아 탑재된 타 RF 장치들 간에 간섭을 일으키고 적 항공기에 노출되는 문제도 발생할 수 있다.

 

또 다른 기존의 RF 시스템의 제한적인 부분은 주요 하드웨어적인 개조 없이는 업그레이드가 불가하다는 것이다.

이러한 면에서 소프트웨어 정의 통신 시스템은 좋은 선택이 된다.

유연하면서 프로그래밍이 가능한 SDR의 구현은 하드웨어의 개조 없이 실시간 형상 재구성이 가능하며 이는 새로운 센서, 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위한 실시간 RF 파라미터의 변형, 그리고 보안 및 강건성, 오류 정정을 위한 최신의 프로토콜 및 알고리즘 적용을 쉽게 할 수 있는 근본이 된다.

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어떻게 SDR은 이러한 문제들을 해경할 수 있을까?

센서 네트워크 구조의 주요 빌딩 블록으로서 SDR을 사용하는 것의 장점은 센서와 제어 유닛 간의 무선 통신을 기반으로 대부분의 송신 케이블을 제거할 수 있다는 것이다.

이러한 방식을 통해 물리적 계층에 있어서 하드웨어의 개조 없이 센서를 추가하거나 제거할 수 있다.

게다가 이러한 접근 방식은 네트워크의 전체 무게를 줄일 수 있어서 항공기의 탑재 페이로드를 증가시키고 연료 효율을 높일 수 있다.

여기서 SDR은 분산된 센서들의 게이트웨이(gateway) 역할을 할 수 있으며 많은 무선 장치들과 센서 간 정보 흐름을 제어한다.

이 처리 과정에서 각 센서는 측정 정보를 포함한 데이터 패키지를 중앙 허브로 보내며 다시 이 데이터는 비행제어 컴퓨터로 보내진다.

이륙 전 이 컴퓨터는 센서에 접속하고 비행 중 데이터를 요청하여 실시간 상황 인지가 가능하다.

다음의 그림은 무선 센서들과 함께 소프트웨어 기반의 항공전자 네트워크가 구성된 모양을 보여준다. 

(일반적인 SDR 기반의 항공전자 네트워크)

 

SDR이 소프트웨어를 통해서 새롭고 변화하는 기법과 통신 프로토콜에 빠르게 적응하는 능력은 센서를 네트워크에 빠른 통합을 가능하게 하고 최신의 무선 센서를 항공기의 구조 변경 없이 추가할 수 있게 해 준다.

필요한 것은 SDR의 형상을 센서 RF 요구도에 맞추는 것과 주 네트워크에 센서를 할당하는 것이며 이는 호스트 컴퓨터를 통해 할 수 있다.

비록 최상의 SDR을 위한 초기 투자 비용이 많이 들어가지만 케이블 제거와 함께 개발 시간의 감소는 전체 비용과 네트워크의 유지보수를 감소시켜 궁극적으로 더욱 경제적인 접근이 될 것이다.  

 

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SDR은 하드웨어의 교체 없이 완벽히 재프로그램 될 수 있다.

그 결과 단일 SDR은 여러 개의 서로 다른 프로토콜과 변조 기법, 그리고 주파수들을 지원할 수 있으며 이는 네트워크 구조의 백본 개조 없이 항공기가 최신의 프로토콜로 계속해서 업그레이드될 수 있음을 의미한다.

SDR은 이득과 필터링을 포함한 RFE 채널의 거의 실시간 재구성이 가능하며 이를 통해 자동 이득 조절과 인접 채널 제거등과 같은 적응형 알고리즘의 구현이 가능하다.

최종적으로 동일한 SDR은 트랜스폰더나 GPS 수신기와 같은 다중의 임무를 수행할 수 있어 상호운용성을 증가시키고 복잡도를 떨어뜨린다  

 

(단일 MIMO SDR은 다중의 임무를 수행할 수 있다)

 

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결론

항공전자 센서는 현대의 항공 기술에 있어서 기본이 되고 있으며 센서는 상황 감시와 안전, 효율을 최대화할 수 있는 피드백 정보를 제공한다.

센서 네트워크 상에서 주 컴퓨터와 제어 장치들은 항공기의 압력이나 흐름, 온도, 위치, 충격, 진동 등의 많은 측정 정보를 요구한다.

이러한 통신은 기존에는 케이블을 통해서 구현되었으며 항공기 전체 중량에 큰 영향을 주었다.

또한 케이블에 의한 RF 간섭등도 문제가 되었다.

게다가 하드웨어 기반의 통신 시스템들은 쉽게 업그레이드가 불가하다. 

항공전자 센서를 위한 게이트웨이로서 SDR의 사용은 케이블 문제를 해결해 주고 따라서 탑재 용량과 연료 효율성을 개선할 수 있다.

또한 새로운 센서들과 새로운 알고리즘등을 하드웨어 개조 없이 네트워크에 쉽게 통합할 수 있으며 이를 통해 보안과 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있다.

SDR은 전용의 RF 장치와 같이 재프로그램 될 수 있어서 전체 장비의 수나 비용, 복잡도를 줄일 수 있다.

최근의 IoT(Internet to Thing)나 5G 장치들의 빠른 개발과 표준화에 힘입어 SDR 게이트웨이는 새로운 세대의 항공전자 센서 지원의 기반이 되고 있다.

출처 : Aerospace Manufacturing and Design

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