다중 배열 지향성 안테나와 고속 스위치를 이용한 Drone ID 디코딩 장치 설계

Ⅰ. 서 론

무인기(이하 드론이라 통칭함)의 통신 체계는 드론의 제어를 위한 GCS(ground control system)에서 무인기 또는 드론으로 송신하는 RC(radio control) 신호, 드론에서 GCS로 비행 상태를 전송하는 telemetry 신호, 드론에서 영상 등 정보 데이터를 전송하는 데이터 링크 신호로 구성된다. 국내외 관련 기술과 논문 대부분은 신호의 분류, AI 기반의 식별 기법들이며, 하나의 수신기 및 무지향성 안테나 사용에 관해서 기술하고 있다. 이는 단일 수신기로 전 방향탐지가 가능하고 경제적이기 때문인데, 단점은 탐지 거리가 짧다는 것이다^[1]. 위협 드론 신호의 탐지 및 분석을 위해서는 먼 거리의 탐지뿐 아니라 넓은 수직 지향 각 범위가 요구된다. 따라서 지향성 안테나를 사용하게 되면 각 안테나에 대해서 수신기가 필요하게 되며, 전 방향탐지 시 비용이 증가하는 단점이 있다^[2]. 그러므로 기존 무지향성 시스템 대비 극복해야 하는 기술적 요소는 다음과 같다.

이를 달성하기 위해 본 논문에서는 하나의 수신기와 고이득 지향성 안테나들로 수신 단을 설계하여 신호 복조 및 디코딩 과정을 거쳐 데이터 손실이 최소화되고 탐지 거리를 늘리고 수직 탐지 각을 더 확대하는 방법을 제시하였다.

Ⅱ. 제안하는 기법의 대상 신호 분석

세계시장 90 % 이상의 상용 드론 시장을 점유하고 있는 DJI사의 Occusync 통신 프로토콜에 대한 탐지, 복조 및 디코딩 및 탐지 거리 성능을 무지향성 안테나와 자체 설계한 다배열 지향성 안테나를 적용한 수신 플랫폼을 설계 제작하여 비교 시험한 결과를 제시한다.

그림 1과 같이 Ocusync Drone ID 신호는 15 MHz 대역폭을 사용하며, 매 신호 방사주기는 10개의 연속적인 Burst 형태의 펄스 신호가 640 ms마다 방사되며 2.4 GHz 및 5 GHz 대역에 걸쳐 주파수 도약 신호 형태로 나타난다.

그림 1. | Fig. 1. Drone ID 신호의 스펙트럼 | Spectrum of drone ID signal.

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신호의 프레임 구조는 그림 2와 같이 601개의 부반송파와 15 kHz 부반송파 간격을 가지는 OFDM 신호이다. 한 프레임 길이는 648 us이고, 심볼 하나의 폭은 72(7개)와 80(2개) us로 총 9개의 심볼로 구성되어있다. 4번과 6번째 심볼에 root index 600과 147의 ZC(Zadoff-Chu) 시퀀스를 포함하고 있다^[3].

그림2. | Fig. 2. Drone ID 패킷의 스펙트럼^[3],[4] | Spectrum of drone ID packet^[3],[4].

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기술적 해결 문제를 위한 개선점들은 아래와 같다.

Ⅲ. Drone ID 신호 디코딩 방법

앞에서 기술한 바와 같이 펄스 한 프레임의 길이는 648 us이고 연속 10개 프레임 배열 형태와 640 ms 주기로 방사되므로, 신호의 유효 데이터 획득을 위해 적절한 배열 안테나의 스위칭 시간이 중요하다.

그림 3(a)의 펄스 타입 1의 경우에는 신호 획득이 쉬우므로 넓은 펄스폭 설정과 빠른 스위칭 기반으로 설정한다. 펄스 타입 2의 경우에 대해 안테나 어레이는 펄스 신호의 주기에 따라 수 msec에 걸쳐 가중치가 부여된 벡터 데이터를 구성하여 설정한다. 그림 3(b)는 어레이 안테나의 수신 스위칭을 통한 벡터 합성 상태를 나타낸다.

그림 3. | Fig. 3. 어레이 안테나 기반 수신 플랫폼 구조 | Platform structure of array antennas based receiver.

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수집된 신호는 그림 4와 같이 대역폭 98 MHz에 대해 12.88 Msps로 ADC 샘플링되고 15.36 Msps로 Decimation (8:1) 된다. 이후 신호처리는 동시에 입력신호와 미리 확인된 ZC 절차를 상호상관(cross-correlation) 처리 및 입력 신호전력을 계산하게 되고 평균화된 신호가 일정한 임계치(threshold)를 넘으면 저장된 신호가 CPU로 전달하게 설계되었다.

그림 4. | Fig. 4. 드론 telemetry 신호처리 과정 | The signal processing diagram for the drone telemetry.

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그림 5의 도식화 그림은 입력된 신호가 coarse frequency offset을 구한 후 보상하는 과정을 거치며, 1,024 FFT 처리되고 기준 심볼을 이용하여 수신 신호의 채널을 추정 및 보상하는 과정을 거치고, symbol de-mapping과 de-rate matching 후 터보 복호화를 수행하는 과정을 나타내고 있다. 이 과정에서 터보 복호화가 정상적일 경우, 순환중복검사(CRC)에서 문제가 없음을 확인하게 된다. 그림 5와 같이 최종적으로 드론 및 위치정보 데이터를 추출할 수 있게 된다.

그림 5. | Fig. 5. 드론 telemetry 신호 복조 및 디코딩 과정 | The process of demodulation and decoding for the drone telemetry signal.

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Ⅳ. 수신장치의 하드웨어 설계, 구현 및 실험

4-1 다배열 안테나와 스위치를 적용한 수신기 설계

드론 신호 탐지 및 분석 플랫폼의 구성은 여섯 방향으로 지향성 안테나를 배열하고 SP6T 또는 SP8T 스위치를 이용하여 신호 수신분석기에 연결한다^[5]. 구성된 안테나는 2.4 GHz 및 5 GHz 대역의 지향성 안테나로 각 6개씩 그림 6 및 그림 7과 같이 설계 및 제작하였다^[6].

그림 6. | Fig. 6. 시스템 설계 구성 | The block diagram of system HW.

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그림 7. | Fig. 7. 지향성 다중 배열 플랫폼 실내 측정 | The system test in the chamber.

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4-3 실내외 성능 시험 결과

표 1은 상용 무지향성과 자체 제작한 지향성 안테나를 사용하여 신호 복조 및 복호화 과정을 거쳐 유효한 패킷 테스트에 대한 실내 비교 실험 결과이다. 상용 무지향성 안테나는 PCTEL사 MHODB2449로 2.4 GHz에서 3 dBi, 5.8 GHz에서 5 dBi 이득을 가지며 수직 빔각은 각각 35°/25°이다.

표 1. | Table 1. Omni 대비 지향성 스위칭 결과 비교(실내) | The comparison of omni vs directional (indoor).

Switch time/cycle	Omni-directional		Directional +switching		Ratio to omni-directioanl (%)
	Number of packets passed		Number of packets passed
	2.4 GHz	5 GHz	2.4 GHz	5 GHz	2.4 GHz	5 GHz
10 us	288	273	0	0	0	0
100 us	288	273	0	0	0	0
500 us	288	273	144	122	50	40
1 ms	288	273	206	162	72	59
30 ms	288	273	276	185	96	65
100 ms	288	273	274	177	95	65
500 ms	288	273	271	195	94	71

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하나의 프레임 길이가 664 us이고 각 심볼이 길이가 72 us이기 때문에, 유효 샘플링을 위해 신호전력이 머무는 시간은 최소 동기 심볼인 4~6번 길이 이상 약 216 us 이상이어야 한다. 따라서 10, 100, 500 us, 1, 30, 100, 500 ms에 대한 스위치 시간에 따른 신호 복호화 실험을 수행하여 500 ms 스위칭 시간의 경우 두 대역 모두 높은 유효 패킷을 획득하였다. 이 결과의 의미는 패킷의 Zadoff-Chu 동기심볼 4와 6을 복호화 할 수 있는 시간 이상에 따라 유효함을 알 수 있었다.

그림 8은 DJI Mavic의 Drone ID 신호에 대한 탐지 및 복호화를 통한 위․경도 좌표, 고도, 모델명, 일련번호 등을 추출하는 방식으로 최대 5 km 범위에서의 성능 시험 결과이며, 무지향성 탐지 및 디코딩 3 km 보다 약 1.65배 이상인 5 km 탐지 및 디코딩 성능 결과를 나타냈다. 이때의 스위칭 시간은 30 ms 일 때 가장 높은 유효 패킷 통과 결과가 나타났고, 이는 실내 근거리 환경과 달리 인근 안테나의 신호 수신 영향이 감소 되어 100, 500 ms 스위치가 동작하는 시간보다 신호의 탐지 확률을 높이기 위한 적절한 스위칭 시간인 30 ms가 적절함을 알 수 있었다.

그림 8. | Fig. 8. 실외 비행 탐지 성능 시험 결과 | The results of detection performance test.

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Ⅴ. 결 론

Drone ID 신호 디코딩 기법을 이용한 드론 탐지 및 추적 방법에서 무지향성 안테나를 사용한 방법보다 6개의 고이득 지향성 안테나를 다중 배열하여 스위칭한 방법이 약 1.65배 이상의 높은 탐지 거리가 도출되었고, 신호의 복호화 성능은 무지향성 대비 2.4 GHz 대역에서는 95 %, 5 GHz 대역에서는 65 % 정도를 유지하였다. 복호화율이 다소 낮더라도 30 ms 스위칭 시간에서 최종 탐지 및 추적 시간이 전자지도상에 표출되는 결과에는 영향이 없음을 그림 8과 같이 알 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 무지향성 수신 시스템 구성의 측정 거리 한계를 극복하여 탐지 거리를 늘림과 동시에 수직 탐지 범위도 더 크게 확대할 수 있어 고성능 드론 신호 탐지 장치로 활용할 수 있음을 입증하였다.