서 론
현대 군사 작전에서는 무인체계의 증가, 전장가시화 정보의 대용량화, 무선 센서 네트워크 활용 등으로 통신 대역폭 확대 및 데이터의 실시간 고속 전송의 필요성이 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 주파수 자원은 한정되어 있고, 무선 통신 기기와 서비스의 사용이 민간에서도 급증하고 있기 때문에 국방 분야에서 사용 가능한 주파수 자원의 충분한 확보가 어려운 상황이다. 주파수 효율을 높이고 다중 사용자간의 충돌을 최소화하는 기술 등이 개발되고 있으나, 근본적인 해결책은 되지 못하고 있다.
자유공간 광통신(Free-Space Optical communication, FSO 통신) 기술은 무선 주파수(RF)를 사용하는 전통적인 무선 통신과는 달리, 빛을 이용하여 데이터 무선전송을 구현하는 지향성 통신기술 중 하나이다. FSO 통신에서 사용되는 빛은 RF 통신에서 활용되는 주파수보다 수천 배 이상 높은 주파수를 가지며, 그로 인해 별도의 주파수 승인 없이 광대역 통신이 가능하다. 또한 RF 데이터 링크에 비해 좁은 빔 폭을 사용하여 도·감청이 어렵고, 적의 통신 교란에도 비교적 자유롭다는 강점이 있다[1]. 결과적으로 FSO 통신기술은 높은 보안 특성과 함께 대용량 정보의 고속 전송을 통해 전장가시화 및 실시간 전장 상황 공유 등에 활용될 수 있어, 아군 작전 수행 능력의 향상에 도움을 줄 수 있는 기술이다[2]. 국방 기술 선진국들은 높은 보안성과 고속 전송의 장점을 갖는 FSO 통신 기술을 지상, 항공, 위성 등 다양한 플랫폼에 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다[3]. 국내에서도 FSO 통신기술의 적용성을 확대하기 위한 다양한 연구가 진행 중이며, 이를 통해 군사 및 안보 분야에서의 활용 가능성이 더욱 높아지고 있다[4].
FSO 통신은 대기를 통신 채널로 하는 가시선(Line-Of-Sight, LOS) 통신으로, 날씨와 같은 통신환경에 매우 민감하다. 비, 눈, 안개와 같은 대기 입자의 존재는 빛의 흡수와 산란을 발생시켜 수신 광신호의 세기를 감소시키고, 결과적으로 FSO 통신의 전송 거리와 신뢰성에 영향을 미친다. 또한, 대기 환경의 먼지나 스모그 등도 광신호를 감쇄시키는데 영향을 미칠 수 있다. 대기 입자가 상대적으로 적은 맑은 날에도 FSO 통신은 대기의 영향을 받는다. 특히 대기 난류(atmospheric turbulence)는 대기 굴절률을 시간적, 공간적으로 변화시켜 신틸레이션(scintillation)이나 페이딩(fading)을 야기하고, 빔 원더링(beam wandering)으로 FSO 통신 단말기 간 지향 오차를 증가시킨다[5]. 이러한 대기 난류에 기인한 현상은 수신 광신호의 세기를 불규칙하게 변화시켜 통신 성능을 저하시킨다. 날씨 변화가 심한 국내 환경에서 이러한 현상이 크게 나타나며, FSO 통신 운용 측면에서 어려움으로 작용한다. 따라서 FSO 통신 단말기 설계시 국내 운용환경의 대기 특성이 반드시 고려되어야 한다.
본 논문에서는 국내 기상환경을 고려한 자유공간 광통신 단말기 설계의 방법론적 접근을 제시하고, 실험을 통해 그 결과를 검증한다. 단말기 설계를 위해 국내 기상환경이 고려되며, 지상 플랫폼을 적용을 가정한 단말기를 설계를 목표로 한다. 본 연구에서는 설계 전에 국내 날씨 정보를 활용하여 대기 통신 채널의 특성을 예측하고, 그 결과를 바탕으로 링크 버짓(link budget)을 계산한다. 계산된 링크 버짓을 기반으로 레이저 출력, 빔 발산각 등 FSO 통신 단말기의 주요 설계 변수를 결정한다. 최종적으로는 FSO 단말기 설계 결과를 실험적으로 검증하기 위해 실험 장치를 제작하고, 수 km 거리에서 자유공간 광통신 성능을 확인한다. 이를 통해 국내 대기 조건을 고려한 FSO 통신 단말기의 설계 및 적용성에 관한 연구를 수행한다.
자유공간 광통신을 위한 국내 대기 환경 분석
본 연구에서는 2 km 거리의 지상에서 운용 가능한 FSO 통신 단말기를 설계한다. 국내 운용 환경을 고려한 FSO 통신 단말기 설계를 위해, 기상 정보를 활용하여 대기 채널의 감쇄율, 대기 난류에 의한 영향을 분석한다. 분석된 결과를 바탕으로 FSO 통신 시스템의 링크 버짓을 계산하고 설계에 반영한다.
대기의 흡수 및 산란에 의한 감쇄율은 다양한 모델을 통해 예측가능하며[6], 본 연구에서는 Kim 모델을 활용한 대기 감쇄 예측을 수행한다. Kim 모델은 비교적 넓은 시계 범위에 대해 정확한 흡수·산란 계수를 구할 수 있다고 알려져 있다[5]. Kim 모델에 따르면 거리에 따른 대기 감쇄율(dB/km)은 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 V, λ, λ0는 각각 가시거리(km), 송신빔 파장, 참조빔 파장이다. 가시거리는 550 nm 파장의 빛 세기가 5 %까지 감쇄되는 거리를 나타내므로 참조빔의 파장 λ0는 550 nm이다. Kim 모델에서 지수 q는 거리에 따른 함수로 다음과 같이 정의된다.
(2)
본 연구에서는 국내 기상자료를 바탕으로 대기영향성 분석을 수행한다. Fig. 1은 2019년 11월부터 2년간의 대전지역 가시거리 정보와 분포함수를 보여준다. Fig. 1(a)에서 보면 대전지역의 경우 연중 90 % 이상이 가시거리 5 km를 갖는다. 식 (1)에 따르면, 가시거리 5 km일 때 대기 감쇄율은 약 1.04 dB/km이다. 본 연구서는 지상 간 2 km 자유공간 레이저통신을 고려하므로, 실제 운용 조건에서 대기 감쇄율의 영향은 크지 않으리라고 볼 수 있다.
대기의 흡수 및 산란에 의한 감쇄와는 별도로 대기 난류는 공기 중에서 빛이 전달되는 과정에서 빛의 세기를 시간적, 공간적으로 변화시킨다. 이러한 변화는 결과적으로 수신신호가 불규칙하게 변화하여 신틸레이션 현상을 일으킨다. 신틸레이션의 세기는 대기의 굴절률 구조 상수(refractive index structure constant, C n2)를 기반으로 이론적으로 예측할 수 있다. 이 상수는 대기 내에서 굴절률이 변하는 정도를 나타내며, 값이 클수록 대기 난류가 FSO 통신 성능에 미치는 영향이 크다. 본 연구에서는 국내 기상자료와 BKB 모델을 활용하여 C n2를 모델링하고, 이를 통해 국내 대기 환경에서의 신틸레이션 세기를 예측한다.
BKB 모델은 온도, 풍속, 상대 습도 등 거시적 날씨 정보와 C n2 값과의 상관성을 근거로 수립한 실험적 모델이다. 본 연구에서는 C n2 예측을 위해 다음의 모델링을 사용한다[7].
(3)
여기서 W는 일출 일몰에 따른 시간대 가중치이고, T, RH, W s는 각각 온도(K), 상대습도(%), 풍속(m/s)이다. 시간대 가중치는 하루 중 각 시간대에 대기 조건이 어떻게 변화하는지를 나타내며 본 연구에서는 Table 1의 값을 사용한다[8]. 여기서 T h는 일출과 일몰 시각 차이를 12등분 하여 계산된다.
Table 1.
Temporal hour weight function
Fig. 2는 2019년 11월부터 2년간의 대전지역의 온도, 상대습도, 풍속의 날씨 정보를 나타내며, 이 정보를 바탕으로 BKB 모델을 통해 계산된 C n2 결과를 보여준다. Fig. 2(d)의 BKB 모델 기반 C n2 계산 결과를 보면, 국내 대기는 중간 강도 이상의 대기 굴절률 요동을 갖고 있음을 보여준다. 특히 여름에는 상대적으로 높은 대기 온도로 인해 강한 강도 수준(C n2>10-13 m-2/3)의 대기 굴절률 요동을 나타낸다[9]. 이 결과를 통해 국내 환경에서 운용되는 FSO 통신 단말기의 경우, 대기 난류에 대한 충분한 고려가 필요함을 확인할 수 있다.
Fig. 2.
Domestic weather data(Deajeon) for 2 years: (a) Temperature, (b) Relative Humidity, and (c) wind speed. (d) Refractive index structure constant estimated by the BKB model
FSO 통신에서 대기 난류로 인한 영향을 완화하기 위해, 통신 코딩 변경과 같은 소프트웨어적 접근법과 적응 광학(adaptive optics)이나 다중 평면 광 변환(multiplane light conversion)과 같은 하드웨어적 보상 기법이 연구되고 있다[10,11]. 본 연구에서는 FSO 단말기 복잡도 증가 없이 통신 링크 연결을 유지하기 위해, 채널 간 충분한 링크 마진(link margin)을 확보함으로써 대기 특성 변화가 통신성능에 주는 영향을 완화시킨다.
대기 난류에 의한 통신 신호의 조도 변화는 확률론적 모델을 통해 예측할 수 있다[12]. 본 연구에서는 비교적 직관적이고 간단한 Rytov 공식을 통해 대기 난류에 의한 신호 감쇄 크기를 예측한다. Rytov 공식은 FSO 통신 링크의 신호 세기가 신틸레이션에 의해 어떤 임계값 아래로 떨어지는 가능성을 추정하는 데 유용하다. Rytov 근사에 따르면, 가시선(LOS)상에서 신틸레이션에 의한 신호의 감쇄(dB)는 아래와 같이 표현할 수 있다[13].
여기서 k와 L은 각각 파수와 통신거리를 나타낸다. Fig. 3은 Fig. 2(d)의 계산 결과와 식 (4)를 활용하여 2 km 거리에서 신틸레이션에 의한 광 감쇄 계산 결과이다. Fig. 3에서 보면 대기 굴절률 변화가 상대적으로 큰 국내 여름 날씨의 경우, 신틸레이션에 의한 광 감쇄가 25 dB 이상 나타날 수 있는 것으로 확인된다.
Fig. 3.
Optical attenuation induced by the atmospheric turbulence based on the C n2 estimated by the BKB model at a distance of 2 km
본 연구에서는 FSO 단말기 설계를 위해서 대기의 흡수 및 산란에 의한 감쇄와 신틸레이션에 의한 광 감쇄를 모두 고려한다. Fig. 4는 운용 거리 2 km 조건에서 식 (1)의 대기 흡수 및 산란에 의한 감쇄와 식 (4)의 신틸레이션에 의한 신호의 감쇄를 고려한 대기특성 변화에 따른 통신 신호 감쇄의 분포 결과이다. 지난 2년간 대전 날씨 정보를 기반으로 대기 채널의 감쇄를 분석했을 때, 2년 중 98 %가 대기 영향에 의한 광신호 감쇄율이 24.5 dB 이하로 분석된다. 본 연구에서는 이러한 대기 감쇄율 분석 결과를 토대로 FSO 통신 단말기 주요 설계 변수를 결정한다.
자유공간 광통신 단말기 설계 및 검증
오늘날, 유선 광통신 기술은 고속 데이터 통신을 위한 인프라 구축에 많은 기여를 하고 있으며, 급속도로 증가하는 통신용량의 수요에 따라 레이저, 증폭기, 변복조기, 광검출기 등 다양한 유선 광통신 기술이 개발되고 있다[14]. 이러한 이유로 FSO 통신에서는 이미 검증된 유선 광통신 기술을 활용함으로써, 단말기의 안정성을 향상시키고 제작 비용을 절감할 수 있다[15]. 본 연구에서는 유선 광통신에서 일반적으로 사용되는 레이저, 광증폭기(Er-doped fiber amplifier), 광모뎀을 활용하여 단말기 설계를 수행한다. 레이저 광원 및 트렌시버로서 DWDM 2.7 Gbps SFP 트렌시버를 적용하며, 통신채널 21번과 53번을 활용한다. SFP 트렌시버와 이더넷 연결을 위해 상용 media converter가 이용되며, 데이터 송신을 위한 레이저 신호의 증폭을 위해 유선 광통신에서 일반적으로 활용되는 1W급 C-band 광섬유 증폭기가 적용된다.
Fig. 5는 FSO 통신 단말기 설계 결과 검증을 위한 실험 장치의 블록도이다. 송신 광학계와 수신 광학계가 일치된 동축 광학계 구조이며, 광 변복조를 위해 상용 광모뎀이 적용된다. 유선 광통신에서 일반적으로 사용되는 광증폭기와 광검출기 성능을 기초로 설계되며, 이때 송신 레이저의 출력과 광검출기 감도에 대한 설계 기준은 각각 30 dBm, −32 dBm(@BER = 10-6)이다.
Fig. 5.
Experimental setup block diagram for verifying design results of free space optical communication terminal. FSM: fast steering mirror, EDFA: Er-doped fiber amplifier, NRZ-OOK: Non-return-to-zero on-off keying
Fig. 5에서 보면, 상용 광모뎀(NRZ-OOK Modem)에서 생성된 광신호는 광증폭기(EDFA)에 의해 증폭되고, 광섬유 순환기(circulator)를 통해 시준/집속기(collimator)로 전송된다. 시준/집속기에 전달된 광신호는 거울과 고속조향거울(Fast Steering Mirror, FSM)을 거쳐 빔확대기(beam expander)를 통과한다. FSM은 송수광 레이저의 정밀한 지향을 위해 4분할 검출기(Quadrant Detector, Q.D.)가 활용된다. 수광된 빔은 송광 과정의 역순으로 빔확대기를 거처 시준/집속기를 통해 광섬유로 집속된다. 집속된 빔은 광섬유 순환기를 거쳐 최종적으로 상용 광모뎀으로 전송된다.
광통신 성능 검증을 위한 실험 장치의 벌크 광학계(bulk optics) 설계를 위해서는 송신레이저 발산각, 수광부 직경 등이 결정되어야 한다. 본 연구에서는 기하학적 광 손실을 기준으로 하여 나머지 설계값을 결정한다.
FSO 통신에서 단말기 간 통신이 유지되기 위해서 아래의 조건을 만족해야 한다[16].
여기서 P e, S r, A geo, A atm, A sys는 각각 송신 레이저 출력, 광검출기 감도, 기하학적 광 손실, 대기 채널에 의한 감쇄율, 단말기 시스템 손실을 나타낸다. 기하학적 손실을 기준으로 FSO 단말기 설계 변수를 결정하기 위해 시스템 손실은 9 dB 이하(송광 광학계 손실 3 dB 이하, 수광 광학계 손실 6 dB 이하)로 가정한다. 송신 레이저 출력, 광검출기 감도, 시스템 손실, 그리고 앞서 계산된 24.5 dB의 대기채널에 의한 광신호 감쇄율을 고려하면, 식 (5)에 의해 FSO 단말기는 2 km 거리에서 기하학적 광 손실이 28.5 dB보다 작도록 설계되어야 한다.
FSO 광통신 단말기 간 기하학적 광 손실은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
여기서 d TX, d RX, L, θ는 각각 송광부 직경, 수광부 직경, 통신거리, 송신 레이저 발산각이다. 식 (6)에서 분모항 L•θ는 통신거리 L 위치에서 송신 레이저의 직경을 나타낸다. 이상적인 경우, 송신 레이저가 상대측 단말기에 도달했을 때 직경은 통신거리에 비례하여 증가한다. FSO 단말기 통신거리가 멀어서 상대 단말기에 도착한 송신 레이저의 직경이 충분히 클 경우(L•θ>>d TX), 식 (6)은 아래와 같이 간략화 될 수 있다.
Fig. 6은 식 (7)을 바탕으로 통신거리 2 km에서 수광부 직경 및 송신 레이저의 발산각에 따른 기하학적 광 손실을 보여준다. Fig. 6에서 보면 기하학적 광 손실이 28.5 dB 보다 작기 위해서는 빔 발산각은 수광부 직경이 4 cm 일 때 0.53 mrad 보다 작아야 하며, 5 cm 일 때 0.66 mrad 보다 작아야 한다.
Fig. 6.
Geometric loss computed based on the divergence angle, the link distance(L = 2000 m), and the receiver aperture
Fig. 7은 광통신 성능 검증을 위한 실험 장치의 벌크 광학계의 실제 형상을 보여준다. 광섬유 순환기(optical fiber circulator)를 통해 나온 광증폭기 출력은 시준/집속기를 통해 자유공간으로 방출되며, 이때 빔 직경은 약 2.8 mm이다. 자유공간으로 방출된 레이저는 8배율 빔확대기로 전달되어, 22.5 mm의 직경을 갖게 되고 이때 빔 발산각은 약 6.40 mrad이다. 수광부 전체 직경은 48 mm이고, 수광부를 통해 수신된 레이저는 90:10 빔분할기(beam splitter)를 통해 4분할 검출기와 시준/집속기로 분할된다. 시준/집속기에 의해 광섬유로 집속된 수신빔은 광섬유 순환기를 통해 광모뎀으로 전송된다. Table 2는 실험 장치 구성요소별 광 손실을 보여준다. 송광의 경우, Table 2의 구성품 번호 1, 2, 4, 5가 관여하게 되고, 송광 손실로 약 2.1 dB가 발생한다. 수광의 경우, Table 2의 구성품 번호 3, 4, 5가 관여하게 되고, 수광 손실로 약 5.1 dB가 발생한다. 이는 FSO 단말기 광학계 설계 전 가정했던 시스템 손실과 유사하다.
Fig. 7.
Bulk optics setup for the free space optical communication system. FSM: fast steering mirror, BS: beam splitter, Q.D.: quadrant detector
Table 2.
Component loss breakdown table
| No. | Components | Loss(dB) |
|---|---|---|
| 1 | EDFA to collimator loss | 0.6 |
| 2 | beam splitter | 0.6 |
| 3 | collimator to detector loss | 4.2 |
| 4 | mirror + FSM loss | 0.3 |
| 5 | beam expander | 0.6 |
제작된 FSO 통신 실험 장치를 활용하여 야외 통신 실험을 통해 설계 결과를 검증하였다. 지면에 의한 신틸레이션 영향을 극대화하기 위하여 실험은 평지에서 수행하였으며, 환경의 제약으로 단말기 간 거리는 약 1.3 km에서 수행되었다. 실험 장치는 지면에 낮게 설치되었으며, 이때 지면에서 실험 장치까지의 높이는 약 1 m 수준이다. Fig. 8은 데이터 전송실험 측정 당시 신틸로메터(LAS MK II)를 활용하여 측정된 C n2의 시간에 따른 변화이다. 측정 수행 당시 날씨 정보는 기온 11도, 풍속 2 m/s, 습도 40 %, 가시거리 26 km이며, 이때 상대 시간 가중치는 0.59이다. Fig. 8에서 보면 평균 측정된 C n2 평균 약 3.2×10-14 수준의 결과를 보여주며, 이는 날씨 정보를 활용하여 식 (3)의 BKB 모델을 통해 예측된 5.8×10-14과 매우 유사하다. Fig. 2(d)에서 보면, BKB 모델을 통해 예측된 결과 C n2 = 5.8×10-14는 국내환경 기준에서 중간 이상의 가혹조건임을 확인할 수 있다. 위 조건에서 거리 1.3 km에서 대기의 흡수 및 산란에 의한 감쇄는 식 (1)을 통해 가시거리 26 km 조건에서 0.5 dB로 예측되며, 가시선상 신틸레이션 신호 감쇄는 식 (4)를 통해 약 8.8 dB로 예측된다. 결과적으로 대기에 의한 감쇄율은 약 9.3 dB 로 단말기 설계 시 고려되었던 24.5 dB보다 크게 양호한 대기 상태임을 확인할 수 있다.
Fig. 8.
Refractive index structure constant(C n2) fluctuation over time. Distance = 1.3 km. Average weather conditions: temperature = 11 °C, wind velocity = 2 m/s, relative humidity = 40 %
Fig. 9는 제작된 FSO 통신 실험 장치를 활용한 통신 성능 측정 결과이다. 측정 당시 대기 환경이 설계 기준 대기 감쇄율 24.5 dB보다 양호한 조건이기 때문에 광증폭기 출력은 설계 기준 30 dBm 대비 10 dB 감소시켜 20 dBm으로 진행하였다. 2.7 Gbps 상용 이더넷 광모뎀을 활용하여 이더넷 프로토콜 기반 통신환경을 구축하였으며, 네트워크 성능 측정 소프트웨어(Iperf)를 활용하여 이더넷 대역폭을 측정하였다. Fig. 9에서 보면 제작된 실험 장치는 1.3 km 거리에서 평균 약 1.86 Gbps의 이더넷 대역폭을 제공함을 볼 수 있다. 순간적인 대역폭 감소는 대기 영향에 의해 수광 신호크기 감소로 기인한 것으로 보이나 전반적으로 양호한 통신성능을 보여준다.
결 론
본 논문에서는 국내 기상환경을 고려한 자유공간 광통신 단말기 설계의 방법론적 접근법을 제시하고, 실험을 통해 그 결과를 검증하였다. 단말기 주요 설계 변수를 결정하고자 2년간의 날씨 정보를 이용하여 대기의 흡수 및 산란에 의한 감쇄율과 신틸레이션에 의한 신호 감쇄율을 분석하였다. 분석 결과를 토대로 국내 환경에서 98 % 이상의 FSO 시스템 링크 가용성 확보가 가능한 링크 마진을 계산하였으며, 계산 결과를 바탕으로 FSO 통신 단말기의 주요 설계 변수를 결정하였다.
설계 결과의 실험적 검증을 위해 2.7 Gbps 상용 이더넷 광모뎀을 활용하여 이더넷 프로토콜 기반 FSO 통신환경을 구축하였고, 1.3 km 거리에서 평균 약 1.86 Gbps(@C n2 ≈ 3.2×10-14)의 이더넷 대역폭이 확보됨을 확인하였다. 또한 유선 광통신에서 일반적으로 사용되는 기술을 기반으로 설계를 수행하여, FSO 통신이 국내 환경에서 비교적 저렴한 비용으로 안정적 통신성능이 가능함을 확인하였다.
국내 날씨 환경은 FSO 통신 단말기 운용 측면에서 악조건에 해당한다. 따라서, 본 연구에서는 설계를 위한 대부분의 수치를 보수적으로 접근하였다. 그로인해 설계 결과는 실제 운용환경에서 더 많은 링크 마진을 제공할 것이며, 따라서 본 논문에서 제시한 실험환경보다 열악한 환경에서도 동작할 것으로 예측된다. 하지만 국내 모든 환경에서의 레이저통신 링크의 가용성 확인 측면에서는 추가적인 검증이 필요하며, 향후 관련 연구가 진행될 것이다. 또한 대기 난류 영향 완화 및 보상 기술을 적용한다면 통신성능은 비약적으로 향상될 것이다. 향후 추적/조준 기능이 접목된 FSO 통신 시스템의 제작 및 결과 분석이 진행 예정이며, 이를 통해 FSO 통신의 국방 분야 적용 가능성을 확인할 수 있을 것이다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
