최근 초고속 멀티 미디어 통신망을 경제적으로 구성할 수 있는 하나의 방안으로서 성층권 통신시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 성층권 통신 시스템이란 대류권(Troposphere, 지상 10-20 Km) 위에 존재하는 성층권(Stratosphere, 지상 20-50 Km)에 통신 탑재체를 싣고 있는 비행선을 체공시켜 각종 무선 통신 서비스를 제공하는 시스템이다. 본 논문에서는 실측 데이터를 이용한 채널 모델을 적용하여 성층권 통신 채널을 섀도우잉이 포함된 라이시안 채널로 모델링하였으며, 이러한 채널에서의 BPSK시스템의 성능을 분석하였다.
WRC-2000 회의를 계기로 성층권 통신시스템용 주파수가 새롭게 분배됨에 따라 정보통신 인프라가 취약한 후진국 및 개도국뿐만 아니라 여러 선진국들을 중심으로 성층권 비행선을 이용한 통신 및 무선응용 서비스의 활용에 대해서 관심이 점점 높아지고 있다. 본 논문에서는 성층권 통신시스템의 개요를 소개하고 WRC-2000 회의의 HAPS(High Altitude Platform Station) 관련 주요 의제 및 진행 경과와 결과를 중심으로 국제 표준화 동향을 알아보고자 한다. 그리고 현재 미국, 일본 및 유럽 등 몇몇 기술 선진국을 중심으로 진행되고 있는 성층권 통신시스템 개발과 관련하여 기술 개발 동향에 대해서 살펴보고 성층권 통신시스템(HAPS)의 기대효과 및 향후 전망에 대해서 논의하고자 한다.
최근 들어 개인 이동 통신 또는 대용량 고속 통신의 서비스 향상을 위하여 성층권 통신에 대한 관심이 높아지고 있다. 실제로 ITU에서는 성층권 통신 시스템을 IMT-2000의 지상 기지국 또는 중계국으로 사용하는 것에 대한 가능성을 지속적으로 연구하고 있는 상황이다(1). 그러나, 이러한 성층권 통신은 실제로 채널을 측정한 데이터가 없어 정확한 성능 예측이 어렵고, 성층권에 시험용 비행선을 위치시키는 것도 막대한 예산이 필요하다. 본 논문에서는 성층권의 채널 모델로서 Corazza(2)가 제안하고, 유문희(3)등에 의하여 개선된 채널 데이터를 사용하여 라이시안 로그 노말 페이딩 채널을 모델링하고, 이러한 채널에서의 이동 성층권 통신 시스템의 성능을 평가하고자 한다. 사용한 통신 방식은 BPSK 변조 방식이며, 개방 지역(open area), 시골 지역(rural area),도심 지역(urban area)의 경우에 대하여 각각 세가지 앙각, 즉 이동체에서 비행선을 바라본 각도 20$^\cire$, 45$^\cire$, 80$^\cire$ 에 대하여 성능을 구하였다. 또한, 각 경우에 대하여 해밍 부호(7,4), BCH 부호(15,7)와 제한길이(constraint length)가 3이고 부호화율이 R=1/2인 콘볼루션 부호 등을 적용하여 성능의 향상 효과를 분석하였다.
본 논문에서는 차세대 통신 인프라로 부상하고 있는 성층권 통신시스템에 대하여 간략하게 소개하며 이를 통해 고품질의 서비스를 제공하기 위한 방법으로 다양한 형태의 오류정정부호를 제안한다. 성층권 통신시스템은 고주파수 특성에 의한 강우 감쇠, 대기 산란 등으로 인해 신호전력의 저하가 심하므로 부호화 이득이 높은 연접부호의 사용이 바람직하며 이러한 연접부호를 설계하기 위해 본 논문에서는 성층권 통신시스템 국외 개발업체가 제안한 연접부호와 최근의 부호이론 분야에서 각광받고 있는 반복복호법을 사용한 다양한 형태의 연접부호들의 성능을 비교 분석한다.
성층권에 무선중계기지를 구축하여 통신에 이용하는 개념은 이미 오래 전부터 제안되어 왔으나 구현상 기술적 난이도가 높아 그 동안 현실화되지 못했다. 그러나 최근 새로운 통신 서비스에 대한 시대적 요구와 고효율의 태양 전지 및 연료 전지, 고정밀 GPS 항법 시스템과 같은 신기술 개발로 인하여 성층권 비행선을 이용한 무선통신 시스템 구현이 점차 가시화 되고 있으며, 세계전파통신회의(WRC)를 계기로 성층권통신시스템용 주파수가 분배됨에 따라, 선진국을 중심으로 HAPS(High Altitude Platform Station) 상용화를 위한 연구개발이 활발히 진행중에 있다. 특히, 우리나라와 인접한 일본은 정부의 적극적인 지원과 산/학/연의 효율적인 공조 체제를 바탕으로 HAPS 개발과 관련하여 과히 세계 선두 진열에 들어서 있다고 해도 과언이 아니다. 아직 HAPS 개발에 필요한 기술적, 재정적 기반이 부족한 우리나라로서는 이웃한 일본의 연구개발 동향을 항시 주시하고 정확하게 분석한다면 향후 독자적인 연구개발 수행 시 많은 도움이 될 것이다.
성층권에 통신중계기를 탑재한 비행선이나 비행기를 띄워서 무선중계시스템을 구축하고, 이 시스템을 광대역 무선 멀티미디어서비스 사업에 활용하는 방안이 추진되고 있다. 본 논문은 이러한 성층권 무선중계시스템을 구성하는 플랫폼의 운용개념을 정의하고, 성층권 관제시스템이 갖추어야 할 기능 및 구성요소를 설정하며, 향후 구축될 성층권 관제시스템의 설계를 구체화하기 위한 개념을 제공할 목적으로 수행된 연구의 결과이다.
HAP(High Altitude Platform)은 정지위성, 중궤도위성, 저궤도위성, 무인비행기 및 무인비행선 등을 이용하여 고고도에 네트워크의 인프라스트럭처를 전개하여 이를 매개체로 한 네트워크 시스템을 운용하는 것을 가능하게 해준다. 성층권 비행선 통신 시스템은 위성 통신망과 지상 이동 통신망의 장점을 동시에 보유한 시스템으로 긴급 전개 가능, 저비용 서비스 실현, 고속 광대역 서비스 제공, 휴대 단말 통신 가능, 넓은 커버리지에 의한 서비스 지원, 짧은 전송 지연, 초대용량 회선 공급, 사용자 요구에 대한 유연한 응답, 멀티캐스트와 브로드캐스트에 유리, 지상 관리 시설비용의 절감, 네트워크 망 전체의 유연한 증가 가능 등의 특징을 보유하고 있다. 본 논문에서는 넓은 지역에 전개된 다수의 성층권 플랫폼을 가정하고, 지상 노드를 효율적으로 클러스터링 함으로써 어느 위치에 얼마만큼의 커버리지로 성층권 플랫폼이 전개되어야 할지를 연구하였다. 특정 지역에 전개된 지상 노드들은 그 분포한 영역의 넓이와 그 지상 노드들이 요구하는 대역폭의 함수로 나타내지는 수만큼의 성층권 무인 플랫폼이 필요하다. 이러한 성층권 무인 플랫폼을 적절히 배치하여 광대역 네트워크 서비스가 가능하게 하는 동적 클러스터링 결과를 시뮬레이션으로 나타내었다.
2003년 $6.9{\sim}7.4$ 기간동안 제네바에서 열렸던 세계전파통신회의에서는 5GHz대역 무선랜용 주파수 분배 위성DMB 주파수 이용 기준, 성층권통신시스템(HAPS)용 주파수 추가분배 등 총 50여개 의제를 다루었으며 우리나라의 입장이 크게 반영되는 분배 결과를 이루었다. 본 논문에서는 5GHz대역 무선랜 주파수 분배를 중점적으로 기술하며 위성DMB 및 성층권통신시스템, IMT-2000 이후 시스템 주파수 발굴에 대해 간단히 언급한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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