VCO DDS 및 SDR 기술 기반 UAV 간섭 기술 백서(1)

개요

최근 드론 산업은 급속도로 발전하며 드론 활용이 점차 보편화되고 있으며, 드론의 숫자 또한 매년 증가하는 추세를 보이고 있습니다. 하지만 동시에 드론은 사회 곳곳에서 심각한 안보 위협을 초래하고 있습니다. 최근 드론이 주요 기반 시설에 충돌 및 공격하는 사건이 빈번하게 발생하고 있어 효과적인 대응책 마련이 시급합니다. 드론 카운터드론 대응 기술에는 여러 가지가 있습니다.

• 무선신호 간섭기술 : 간섭무선주파수 신호를 송신하여 무인항공기의 원격제어, 영상전송, 항법 등의 무선신호를 간섭시켜 드론의 주행을 방해하거나 강제착륙시키는 목적을 달성하는 기술입니다.
• 무선 신호 기만 기술: 드론에 기만적인 무선 신호를 전송하여 드론이 잘못된 정보를 획득하고, 이를 통해 드론을 납치하는 목적을 달성할 수 있습니다. 무선 신호 기만 기술에는 위치 신호 기만과 원격 제어 신호 납치라는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
• 지향성 에너지 파괴 기술: 고에너지 레이저 또는 전자기 신호를 방출하여 무인 항공기를 물리적으로 파괴합니다. 이는 주로 레이저 파괴와 고에너지 마이크로파 파괴라는 두 가지 기술적 경로를 통해 이루어집니다.
• 물리적 손상/포획 기술: 총알, 순항 미사일을 발사하거나 드론과 충돌하여 침입하는 드론에 물리적 손상을 입히거나 포획망을 쏘아 침입하는 드론을 포획할 수 있습니다.

이 글에서는 주로 무선 신호 간섭 기술에 대해 논의합니다.

UAV 통신 프로토콜

드론은 일반적으로 다음 네 가지 유형의 무선 신호를 사용합니다.

그림 1 무인 항공기의 일반적인 무선 신호 구성도

1. RC：리모컨 기음그만큼N티아르 자형그만큼엘：원격 제어 신호를 통해 운영자로부터 드론으로 지시를 전송하여 드론이 해당 비행 동작을 수행하도록 합니다.
2. ~ 안에나디그리고그만큼전염：드론 카메라가 촬영한 영상 신호는 원격 조종 장치로 다시 전송되고, 조작자는 전송된 영상 신호를 기반으로 드론을 조종하여 적절한 비행 경로를 선택하고 장애물에 부딪히지 않도록 합니다.

N에이~에나g에이티나그만큼N: 드론은 항법위성으로부터 위치 신호를 수신하여 자체 위치를 파악합니다.

관측된 항법 신호에는 GPS, Beidou, GLONASS 등이 있으며, 작동 주파수 대역은 주로 1.2GHz와 1.6GHz에 분포되어 있습니다.

3. 티그리고엘그리고중그리고티아르 자형그리고：드론의 위치 등의 원격 측정 정보를 배포하는 데 사용되며, 원격 제어 및 근처 모니터링 스테이션에서 이 정보를 수신합니다.

그중에서도 원격 제어 신호와 영상 피드백 신호는 무선 주파수 간섭 대책의 주요 대상이며, 경우에 따라 항법 및 위치 신호에도 간섭을 일으킬 수 있습니다. 원격 제어 신호를 방해하면 드론은 조종자의 지시를 받을 수 없어 호버링 또는 복귀 동작을 수행합니다. 영상 피드백 신호를 방해하면 원격 제어 장치가 드론이 보고 있는 영상을 표시할 수 없어 드론이 제어력을 상실할 수 있습니다. 원격 제어 신호와 항법 위치 신호를 모두 방해하면 드론은 정확한 위치 정보를 얻지 못하고 직접 착륙하며, 초음파 센서를 사용하여 지면에 닿지 않고 일정 높이에서 호버링합니다.

다음 표는 일반적인 드론 원격 제어 및 이미지 전송 프로토콜을 보여줍니다. DJI와 AUTEL과 같은 주요 제조업체들은 전용 원격 제어 이미지 전송 프로토콜을 개발했으며, 그중 DJI의 OcuSync와 LightBridge가 가장 널리 사용되고 성능이 가장 뛰어납니다. 자체 개발한 원격 제어 이미지 전송 프로토콜이 없는 제조업체의 경우 일반적으로 Wi-Fi 프로토콜을 선택합니다. DIY FPV의 경우 ELRS 프로토콜과 TBSCrossFire가 실제 표준으로 자리 잡았습니다.

 OFDM 기술 소개

라이트브릿지、오큐싱크、스카이링크프로토콜 및와이파이, 티물리 계층의 인코딩 기술은 OFDM 기술을 채택합니다. 이 절에서는 OFDM 기술을 간략하게 소개합니다.

OFDM 티이 기술은 여러 개의 부반송파를 사용하여 각 부반송파 간의 주파수 간격을 동일하게 하여 동시에 데이터를 전송하는 다중 반송파 변조 다중화 기술입니다. 인접한 부반송파 사이에는 약간의 스펙트럼 중첩이 있지만, 서로 직교하므로 각 부반송파에서 전송되는 신호는 서로 영향을 미치지 않습니다. 이를 통해 여러 부반송파를 통해 데이터 정보를 동시에 전송할 수 있습니다.

OFDM기술은 일반적으로 디지털 신호 처리 기술을 기반으로 하며, 구체적인 구현 과정은 다음과 같습니다. 변조할 데이터 소스를 N개의 부반송파에 할당하고, 각 부반송파를 IQ 변조한 다음, N개의 부반송파의 IQ 변조된 데이터를 IFFT 역푸리에 변환하여 OFDM 심볼의 시간 영역 IQ 데이터를 얻습니다.

그림 2 OFDM 변조 기술 원리 개요

완전한 OFDM 프레임은 일반적으로 여러 개의 OFDM 심볼을 포함하며, OFDM 심볼의 길이는 부반송파 간격의 역수입니다. 예를 들어, 부반송파 간격이 15kHz일 때 OFDM 심볼의 길이는 66.67μs입니다. 각 OFDM 심볼의 시작 부분에는 더 짧은 순환 접두사(CP)가 확장되어 삽입됩니다. CP의 내용은 OFDM 심볼 끝 부분의 내용을 그대로 복사한 것입니다. CP를 확장하는 목적은 분산으로 인한 심볼 간 간섭을 방지하기 위한 것입니다.

그림 3 OFDM 심볼 및 부반송파

OFDM다중화 기술의 스펙트럼 활용 효율은 매우 높습니다. 주파수 영역에서 OFDM 신호는 여러 개의 부반송파로 구성되며, 각 부반송파의 에너지 할당은 비교적 균등하므로 OFDM 신호의 스펙트럼은 평탄한 직선에 가깝습니다. 시간 영역에서 OFDM 신호는 각각 고정된 길이를 가진 여러 개의 심볼로 구성됩니다.

그림 4 OFDM 심볼 및 부반송파

 디지 라이트브리지/오쿠싱크 규약

디지라이트브릿지그리고 오큐싱크 프로토콜은 민간 영상 전송 원격 제어 프로토콜의 기술적 기준이며, LightBridge 프로토콜은 초기에 개발되어 Phantom 3 및 Inspire와 같은 모델에 적용되었습니다. OcuSync 프로토콜은 비교적 늦게 개발되어 Phantom 4, Mavic 시리즈, Air 시리즈 등에 적용되었습니다. OcuSync 프로토콜은 지속적으로 업데이트되어 최신 버전은 OcuSync 4.0입니다. OcuSync 4.0 프로토콜은 강력한 전송 성능과 간섭 방지 기능을 갖추고 있습니다.

그림 5 DJI OcuSync 프로토콜의 시간 주파수 다이어그램

라이트브릿지&오큐싱크프로토콜의 물리 계층은 OFDM 인코딩 기술을 기반으로 하지만, OFDM 인코딩의 다양한 매개변수는 서로 다릅니다. LightBridge 프로토콜은 WiMAX와 유사한 물리 계층을 사용하며, 부반송파 간격은 10.9375KHz입니다. 하향링크는 864개의 부반송파를 사용하여 약 9.46MHz의 대역폭을 차지합니다. OcuSync 프로토콜은 LTE와 유사한 물리 계층을 사용하며, 부반송파 간격은 15KHz입니다. 10M 대역폭 하향링크는 600개의 부반송파를 사용하여 약 9.02MHz의 대역폭을 차지하며, 20M 대역폭 하향링크는 1200개의 부반송파를 사용하여 약 18.02MHz의 대역폭을 차지합니다.

 스카이링크 규약

스카이링크 프로토콜은 일반적인 이미지 전송 원격 제어 프로토콜이기도 합니다. 스카이링크 프로토콜은 다오통 EVO 시리즈 드론에 널리 사용됩니다.

Skylink 프로토콜의 물리적 계층 역시 OFDM 기술을 기반으로 하며, 약 10MHz의 대역폭과 15KHz의 부반송파 간격을 차지합니다.

그림 6 SkyLink 프로토콜의 시간 주파수 다이어그램

 Skylink 프로토콜은 15KHz의 하위 반송파 간격을 갖는 LTE와 유사한 물리 계층을 채택합니다.

 하향링크(영상 전송 신호)는 600개의 부반송파를 사용하여 약 9.02MHz의 대역폭을 차지하고, 상향링크(리모컨 신호)는 72개의 부반송파를 사용하여 약 1.1MHz의 대역폭을 차지합니다.

 와이파이 규약

위-Fi 통신 기술은 가전제품 분야에서 매우 널리 사용되고 있으며 많은 민간 무인 항공기가 Wi-Fi를 사용합니다.-Fi 프로토콜을 tra로그 물건의 이름을 말하다제어 신호와 이미지 피드백 신호. Wi-Fi 통신 프로토콜은 수년간의 기술적 반복을 거쳤습니다. 초기 Wi-Fi 외에도-Fi 1은 DSSS 확산 스펙트럼을 사용하고, 이후 Wi-Fi는 대역폭 등 다양한 기술적 매개변수를 갖춘 OFDM 기술을 사용합니다.

와이파이 기준	와이파이 버전	표준 릴리스	작업 빈도	물리 계층 재사용 기술	공간 흐름의 수	안에ide-band 채널	디그 요금들
802.11	와이파이1	1997	2.4GHz	DSSS	1	20MHz	2Mbps
802.11b	와이파이1	1999	2.4GHz	DSSS	1	20MHz	11Mbps
802.11a	와이파이2	1999	5GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11g	와이파이3	2003	2.4GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11n	와이파이4	2009	2.4GHz, 5GHz	MIMO-OFDM	최대 4개	20/40MHz	최대 600Mbps
802.11ac	와이파이5	2013	5GHz	MIMO-OFDM	최대 8개	20/40/80/160MHz	최대 3.47Gbps
802.11ax	와이파이6	2019	2.4GHz, 5GHz	OFDMA, MU-MIMO	최대 8개	20/40/80/160MHz	최대 9.6Gbps
802.11be	와이파이7	2024	2.4GHz, 5GHz, 6GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320MHz	최대 23Gbps

위-드론 분야에서 사용되는 Fi는 일반적으로 Wi-Fi의 표준인 802.11n 또는 802.11ac입니다.-이 두 표준을 위한 Fi 칩은 매우 발전되어 있습니다. 802.11n을 예로 들면, 일반적으로 두 가지 대역폭 모드가 있습니다.

표준은 매우 성숙되어 있습니다. 802.11n을 예로 들면, 일반적으로 20M과 40M의 두 가지 대역폭 모드 중에서 선택할 수 있으며, 부반송파 간격은 312.5KHz입니다. 20M 모드에는 56개의 부반송파가 있으며, 실제 점유 대역폭은 약 17.8MHz입니다. 40M 모드에는 114개의 부반송파가 있으며, 실제 점유 대역폭은 약 35.9MHz입니다.

그림 7 Wi의 시간 주파수 다이어그램-프로토콜이 되다

 FPV 규약 ELRS/TBS

FPV의 원격 제어 프로토콜과 이미지 전송 프로토콜은 별개입니다. 원격 제어 프로토콜은 일반적으로 ELRS 또는 TBS Crossfire를 사용하는 반면, 이미지 전송 프로토콜은 지연 시간 단축을 위해 일반적으로 시뮬레이션됩니다.

ELRS(ExpressLRS라고도 함)는 초저지연성과 더 긴 원격 제어 거리를 제공하는 오픈 소스 원격 제어 프로토콜입니다. ELRS의 물리 계층은 LoRA 프로토콜을 채택하고 SEMTECH의 SX127x/SX1280 칩을 기반으로 구현됩니다. ELRS는 주파수 호핑 및 확산 스펙트럼 기술을 채택하여 강력한 간섭 방지 기능을 구현합니다. ELRS의 확산 스펙트럼은 처프(선형 주파수 변조) 확산 스펙트럼 기술을 기반으로 합니다. 확산 계수가 클수록 확산 이득, 감도 및 전송 속도가 높아집니다. ELRS의 확산 대역폭은 500KHz이며, 일반적으로 SF6에서 SF9까지 선택됩니다. TBS Crossfire의 물리 계층 인코딩은 ELRS와 유사하며, 둘 다 처프(선형 주파수 변조) 확산 스펙트럼 기술을 사용하지만 확산 스펙트럼 대역폭은 250KHz에 불과합니다.

확산 인자	스프레드 스펙트럼 코드 길이	에스포식 이득（데시벨）
SF6	64	5
SF7	128	7.5
SF8	256	10
SF9	512	12.5
SF10	1024	15
SF11	2048	17.5
SF12	4096	20

그림 8 ELRS 프로토콜의 시간 주파수 다이어그램