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Ⅰ. 서 론
드론레이싱시스템의 레저스포츠로써 대중들의 인기는 한국, 미국, 유럽, 아시아 등 세계 각지에서 급속하게 높아지고 있다. 단순히 애호가 단체가 주도하는 취미 활동을 넘어 전문 경기 단체가 설립되어 운영되어지고 있는 상황이다. 국내에서는 드론레이싱시스템 단체인 한국드론협회, 한국드론기술협회, 한국드론산업진흥협회 등과 같은 많은 기관들이 대회개최, 교육사업, 전시회와 같은 활동으로 활발히 운영되고 있으며, 그 중 한국드론기술협회는 2015년 09월 수원 드론페스티벌을 최초로 개최되었고, 일 년도 채 되지 않아 이미 그 회원 수가 500명을 돌파하였다. 또한, 미국, 유럽, 호주, 일본 등의 국외 여러 국가들에서도 2015년부터 다수의 드론레이싱시스템을 위한 이벤트를 개최하고 있으며, 대중적인 스포츠로 발전시키기 위하여 비교적 큰 규모의 대회로 확대해 나아가고 있다. 드론레이싱시스템이 레저 스포츠의 분야로써 열광을 받고 있는 만큼 경기 규칙이나 시스템은 여러 대회가 개최되면서 점차 자리잡아가고 있지만, 대부분의 국가에서 드론 비행 자체에 대한 상세한 규제, 기술기준 등이 확립되어 있지 않아 드론레이싱시스템의 운용에 대한 적법성으로부터 문제의 여지가 있는 상태이다. 특히, 한국에서는 드론레이싱시스템을 운용할 수 있는 전파법인 “신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선기기”의 “무선데이터통신시스템용 무선기기”의 기준을 따르고 있는데, 그 기술기준을 살펴보면 가용할 수 있는 주파수가 5,725 ~5,850 MHz이며, 안테나공급전력이 10 mW 이하이다. 하지만 실제 드론레이싱시스템을 운영하기 위한 시스템 특성을 보면 전 세계적으로 25 mW 또는 200 mW 이상의 전력을 가진 드론레이싱시스템을 이용하여 경기진행을 해야만 한다. 현재 한국에서 개최되고 있는 경기장의 현황을 보면 허가 무선국 제도를 활용하여 일시적인 주파수 및 무선국 운용을 허가하여 25 mW 또는 200 mW의 출력으로 경기를 진행하고 있으며, 결과적으로 현재 국내 기술기준에 만족하지 못하고 있는 수준이다.
유럽의 드론레이싱시스템을 사용하기 위한 기술기준인 근거리무선장치(SRD)의 주파수대역은 5,725~5,875 MHz이고, 최대출력은 25 mW으로 국내기술기준은 해외기술기준에 비해 주파수 채널이 적게 분배되어 있으며, 낮은 출력만 허용되고 있어 국내기술기준 완화 또는 별도의 드론레이싱시스템에 대한 기술기준이 절실하게 필요한 상황이다. 또한, 대부분의 주요 드론레이싱시스템 제조사들은 유럽기술기준을 적용하여 제작하고 있으며, 이에 실제 운용자들도 실제 운용기준을 유럽의 기준을 반영해줄 것을 요청하고 있는 상황이다.
하지만 드론레이싱시스템에 대한 기술기준을 확립하기에 앞서 드론레이싱시스템과 동일·인접대역으로 분배되어 있는 기존운용시스템과의 간섭영향이 있는지 분석이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 드론레이싱시스템과 인접대역에 분배되어 있는 지능형 교통체계시스템(ITS)과의 간섭영향분석을 바탕으로 공존방안을 마련하였다. 제시된 연구결과는 국내 전파관리정책 및 기술기준 개선 추진에 도움이 될 뿐만 아니라, 드론레이싱시스템 관련 문화 및 스포츠계의 세계시장 확보 및 경제 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Ⅱ. 기술기준현황
드론레이싱시스템은 유럽에서 무인항공기(unmanned aircraft system: UAS)라고 하며, 크게 전문적인 무선사용(professional)과 비전문적인 무선사용(non-professional)으로 나뉜다. 먼저 전문적인 무선사용은 대형 운용 범위 사용, 큰 무선방사전력 등에 대해 규제 및 허가를 통해서 사용할 수 방식을 말한다. 드론레이싱시스템의 운용기준인 비전문적인 무선사용은 근거리무선장치의 기술기준을 따르며, 이 기술은 ITU-R 전파규칙의 ‘전파업무’와 무관하고, 특정조건(중심주파수, 대역폭, 출력, 공존기술 적용조건) 만족 시 면허 획득이 불필요하다. 또한, “무선국에 유해한 간섭 발생불가 및 전파업무를 위한 무선국으로부터 보호요청 불가”라는 규정을 가지고 있고, 응용분야는 총 13종류로 나뉘며, 드론레이싱시스템과 관련된 분야는 Non- specific short range devices와 Tracking, tracing and data acquisition에 해당되며, 관련된 자세한 기술기준은 표 1과 같다[1].
Non-specific short range devices의 경우, 다른 제한조건은 없지만 Tracking, tracing and data acquisition의 경우 25 ~400 mW를 사용할 경우 아마추어 무선인(HAM license)이라는 자격을 취득해야만 무선기기를 운용할 수 있는 기준이 있다. 불요방사의 최대 출력파워 규격치는 표 2와 같다[1].
| State | Operating | Standby |
|---|---|---|
| Frequency | ||
| 47~74, 87.5~108 174~230, 470~862 [MHz] | 4 nW | 2 nW |
| ≤1 [GHz] | 250 nW | 2 nW |
| > 1 [GHz] | 1 μW | 20 nW |
표 2에서와 같이 본 논문에서 연구하고자 하는 5.8 GHz 대역에서는 “> 1 GHz” 대역으로 운용중일 때는 1 μW로 −30 dBm 이하, 대기상태일 때는 20 nW로 −47 dBm 이하의 출력을 만족시켜야 한다. 또한, Duty Cycle에 대한 조건은 따로 없다.
현재 국내에서는 단순 취미용이 아닌 레저스포츠용 드론레이싱시스템을 위한 별도의 기술기준은 없으며, 흔히 비면허 무선기기라고 칭하는 “신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선기기”의 기술기준을 따른다. 그 중 특정소출력무선기기에서 무선데이터통신시스템용 무선기기에 포함되며, 기술기준은 표 3과 같다[2].
| Frequency band | Power density |
|---|---|
| 2,400~2,483.5 MHz | 10 mW/MHz or less |
| 5,725~5,850 MHz |
불요발사는 주파수대역 밖의 주파수에서 100 kHz 분해대역폭으로 측정하였을 때 −30 dBm 이하여야 하며, 시스템의 점유대역폭에 따른 기술기준은 표 4와 같다[2].
| Occupied bandwidth | Power density | Antenna gain |
|---|---|---|
| 0.5~26 MHz | 10 mW/MHz or less | 6 dBi or less |
| 26~40 MHz | 5 mW/MHz or less | |
| 40~80 MHz | 2.5 mW/MHz or less | |
| 40~60 MHz | 0.1 mW/MHz or less |
Ⅲ. 분석에 필요한 운용시스템들의 특성
유럽의 기술기준을 반영하여 드론레이싱시스템의 분석에 적용된 특성은 표 5와 같다[3].
드론레이싱시스템의 제조사들은 국제주파수채널(race band)을 적용하여 사용할 수 있는 주파수를 제시하고 있으며, 현재 국내에서도 한시적으로 Race band를 사용하고 있어 Race band를 기준으로 분석하였으며, 표 6과 같다[4].
| Ch. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Freq. [MHz] | 5,658 | 5,695 | 5,732 | 5,769 | 5,806 | 5,843 | 5,880 | 5,917 |
스펙트럼 마스크는 실제 경기장에서 운용되고 있는 드론레이싱시스템의 송신파워를 샘플로 측정한 데이터를 반영하여 가정하였으며, 그림 1과 같다. 실선은 측정한 값을 고려한 스펙트럼 마스크 특성이고, 점선은 한국과 유럽의 규격을 반영한 스펙트럼 마스크 특성이다[1],[2].
국내에서 운영되고 있는 차세대 지능형 교통체계시스템은 교통시스템 구성요소가 실시간 상호 연계를 통해 차량이 주행 중 운전자에게 주변 교통상황과 급정거, 낙하물 등의 사고 위험 정보를 실시간으로 제공하는 시스템이다. 이 시스템의 특성은 표 7과 같으며, 주파수채널은 표 8과 같다[5],[6].
| Ch. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Freq. [MHz] | 5,860 | 5,870 | 5,880 | 5,890 | 5,900 | 5,910 | 5,920 |
Ⅳ. 국내에서 드론레이싱시스템을 운용하기 위한 방안 및 공유분석결과
유럽의 근거리무선장치 기술기준의 허용 가능한 주파수대역 내에서 지능형 교통체계시스템과 제일 인접한 대역인 드론레이싱시스템 5,843 MHz와 지능형 교통체계시스템 5,860 MHz를 고려하여 분석하였다. 그림 2는 두 시스템간의 간섭에 대한 영향을 보여줄 수 있는 주파수시나리오이다.
두 시스템간의 간섭영향을 분석하기 위해 적용한 방법은 확률변수를 이용하여 원하는 방정식의 값을 확률적으로 분석할 수 있는 몬테카를로방법의 SEAMCAT 시뮬레이션 툴이다. 이 툴은 주로 유럽에서 전파간섭분석을 위해 사용되며, 시스템의 파라미터들을 어떻게 정의하는가에 따라 거의 모든 무선 간섭 시나리오에 적용할 수 있는 방법으로써 적용되는 파라미터는 주파수, 대역폭, 보호비, 안테나, 시나리오 환경 구성 등과 같다[7].
그림 3은 SEAMCAT 툴을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 그림으로 왼쪽 그림은 간섭원과 희생원의 송·수신기간의 시스템 설정위치를 보여주며, 오른쪽 그림은 dRSS, iRSS를 시뮬레이션 수행 횟수에 따른 확률적으로 분석한 결과를 나타내고 있는 그래프들이다. dRSS는 희생원의 송·수신기간의 원하는 신호의 세기를 말하며, iRSS는 간섭원의 송신기에 의해 원하지 않는 신호가 희생원의 수신기에 수신된 신호의 세기를 의미한다.
분석결과, 드론레이싱시스템이 10 mW, 25 mW, 200 mW의 출력일 경우에는 보호이격거리 없이 운용하고 있더라고 지능형 교통체계시스템에 5 % 이하의 간섭확률로 간섭영향이 거의 없다. 하지만 400 mW의 출력을 고려하였을 경우에는 5 % 이하의 간섭확률을 만족시키기 위하여 약 17 m의 보호이격거리가 요구되어졌다. 분석한 결과는 그림 4와 같다.
드론레이싱시스템에 의한 최대간섭환경조건을 분석하기 위한 즉, 최악의 경우를 고려하기 위하여 드론레이싱시스템의 Race band 채널과 지능형 교통체계시스템이 동일 채널을 사용하는 경우인 중심주파수 5,880 MHz에 대해 분석하였다. 그림 5는 두 시스템간의 간섭에 대한 영향을 보여줄 수 있는 주파수 시나리오이며, 5,875~5,885 MHz는 두 시스템간의 동일 대역을 사용하는 부분이다.
두 시스템간의 최악의 경우를 고려한 시나리오도 몬테카를로방법의 SEAMCAT 툴을 적용하여 드론레이싱시스템의 10 mW, 25 mW, 200 mW, 400 mW 출력인 경우를 분석하였다. 그 결과, 드론레이싱시스템에서 주로 사용하는 출력인 25 mW인 경우, 5 % 이하의 간섭확률을 만족시키기 위하여 최소 0.8 km 이상의 보호이격거리가 요구되어졌다. 자세한 분석결과는 그림 6과 표 9와 같다.
* P.D.: protection distance, I.P: interference probability
Ⅴ. 결 론
드론레이싱시스템은 세계적으로 레저스포츠로써의 대중화가 높아지고 있지만, 드론 비행에 대한 상세한 규제 및 기술기준은 국내에 확립되어 있지 않아, 국내 운용방안을 제시하기 위해 기존운용시스템인 지능형 교통체계시스템과의 간섭영향분석을 하였다. 간섭분석 시뮬레이션 결과로 부터, 실제 운용자 및 제조사들의 요청을 만족시키기 위한 유럽 기술기준을 고려한 경우에는 인접대역에서 400 mW의 출력을 사용할 경우에만 약 17 m의 보호이격거리가 요구되어졌다. 그리고 두 시스템간의 최악의 경우인 동일대역을 고려한 경우에는 국내 허용 출력인 10 mW에서 약 0.46 km의 보호이격거리가 요구되어졌으며, 드론레이싱시스템의 운용 출력인 25 mW인 경우에는 약 0.8 km의 보호이격거리가 확보되어야만 기존운용시스템에 간섭영향이 없는 것으로 시뮬레이션이 되었다. 본 논문의 분석결과는 무선데이터통신시스템용 국내 기술기준 개정 및 전파관리 정책 반영에 기여 될 것으로 여겨진다. 그리고 5.8 GHz 대역 기존운용시스템 보호를 위해 드론레이싱시스템의 간섭파워 영향에 따른 보호거리를 제시함으로써 드론레이싱 시스템 실제 운용 조건 등 공존 방안 마련에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
