드론 원격 식별, 불법 드론 대응, 무인 비행체 식별, 식별 주파수, Drone Remote Identification, Identification Frequency, Remote Identification
KSP Keywords
frequency management, low altitude, small drones
Funding Org.
과학기술정보통신부
Research Org.
한국전자통신연구원
Project Code
23HH3300, Development of identification and frequency management technology of small drones at low altitude,
Kang Kyu-Min
Abstract
□ 연구개발 목표 및 내용 ◎ 최종 목표 드론의 이용 확산에 따른 역기능을 최소화하기 위하여 드론의 기본 정보를 식별할 수 있는 무선식별 기술 개발 및 식별·주파수 정보의 효율적인 통합관리 시스템 구축
◎ 전체 내용 o (주파수 이용 기술) 식별 용도의 주파수 발굴을 위한 후보 주파수의 전파 환경 분석 및 주파수 표준 기술 연구를 수행하며, 식별 주파수 인접 대역에서의 전파 간섭 방지를 위한 상호공존 평가 연구 등 주파수 이용 적정성 평가 기술을 개발 o (식별 통신 방식) 소형드론(국토부 분류 체계 준용) 탑재용 식별 모듈과 지상용 식별기의 안정적 식별 수행을 위한 고신뢰 저전력 식별 통신 기술을 개발하고, 드론 식별거리 확장 및 다중 드론 식별을 위한 송수신 알고리즘 기술을 개발 o (식별 테스트베드) 소형드론 탑재용 식별모듈 및 지상용 다중 식별기 테스트베드를 설계, 개발하여 성능을 검증하고, 소형드론 식별 테스트베드와 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템 연동 기술을 개발 o (정보 통합 관리 시스템) 드론 식별·주파수 이용 정보 저장 DB 및 실시간 조회 웹서버를 개발하여 소형드론 식별 주파수 정보 통합 관리 시스템을 구축하고, 소형드론 응용 시나리오별 식별 주파수 관리 기술을 개발
◎ 1단계 ● 목표 o 소형드론 식별 후보주파수 이용방식 연구, 식별 테스트베드(탑재용 식별모듈, 지상용 식별기) 및 정보 통합 관리 시스템(DB, 웹서버) 개발 o 드론 식별 표준기술 연구, 식별 테스트베드와 정보 통합관리 시스템 실환경 연동 및 모듈 최적화, 실험 서비스
● 내용 o 식별용 후보주파수 이용방식 연구, 전파환경 측정 및 분석 o 식별용 주파수 이용 적정성 및 상호공존 기술 연구 o 소형드론 식별 무선전송 규격 표준기술 연구 및 저전력 식별 송수신 방식, 프레임구조 개발 o 고밀도, 원거리 소형드론 무선식별 통신방식 및 접속 프로토콜 최적화, 표준기술 연구 o 드론 탑재용 식별모듈, 지상용 식별기 설계 및 개발 o 식별 테스트베드와 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템 간 실환경 연동 테스트 및 모듈 최적화 o 식별·주파수 정보 통합 관리 DB, 웹서버 설계 및 개발 o 소형드론 식별·주파수 정보 통합 관리 실험 서비스
□ 연구개발성과 o 소형드론 식별 표준 및 주파수 이용 적정성 연구 (기고서 46건, 특허 24건, 기술문서 15건, SCIE 논문게재 1건, 국내학술지 1건, 학술발표 5건) - Wi-Fi 기반 소형드론 식별 표준 기술(IEEE 802.11be) 개발 ⦁ 고신뢰 드론식별을 위해 Wi-Fi에서 다중링크(2.4/5/6㎓)를 이용하는 원천 기술과 이를 지원할 수 있는 다중링크 설정 프로토콜 기술 개발, 다중링크 전송 기술은 한 링크가 끊어지더라도 다른 무선링크를 이용하여 통신을 안정적으로 유지할 수 있어 고신뢰 소형드론 원격식별이 가능 ⦁ 무선랜 직접통신(direct WLAN) 이용 소형드론 무선식별 표준 기술 개발, 최초 정보 교환시에만 AP와 통신하고, 그 이후에는 AP 중재없이 식별기와 드론이 직접 식별 정보를 교환할 수 있어 전송 지연을 줄이고 제어신호를 최소화할 수 있음 ⦁ Wi-Fi 기반 저전력 소형드론 무선식별 표준기술 개발, 무선랜 다중링크 환경에서 듀티 사이클 정보 교환(듀티 사이클 시작 시점, on 구간, off 구간 등)을 통해 저전력 동작 수행 ⦁ EMLSR 기반 드론식별 기술, EMLSR(Enhanced Multi-Link Single Radio)은 단일 라디오(single radio)로 구현된 무선랜 단말에서 다중링크(multi-link)를 이용할 때 통신 링크를 옮겨가면서 저전력 동작할 수 있는 방법으로, 저가의 무선랜 단말에서 다중링크를 이용하여 드론식별할 수 있는 기술 ⦁ 무선랜 기반 드론식별 정보 우선 전송 기술 개발, 전송 진행중인 일련의 프레임 사이에 들어가서 자원을 선점(Preemption)하여 저지연 드론식별 데이터를 최우선 전송하는 기술임 - 소형드론 원격식별 국내외 정책 및 표준 동향 분석 ⦁ FAA(미연방항공청) 무인기 원격식별 최종규정(FAA-2020-28948) 분석 ⦁ EASA(유럽항공안전청) 무인기시스템 운용규정((EU)2019/947, 2019/945) 분석 ⦁ 한국 제3차 전파기본계획과 5G+ 스펙트럼플랜에서 드론 식별용 후보주파수 발굴 계획 분석 ⦁ ASTM F3411-19 및 IEEE 802 표준을 기반으로 소형드론 원격식별에 필요한 메시지(정보)와 송신 프레임(Wi-Fi, Bluetooth 등) 구조 분석 - 소형드론 식별 후보주파수 대역의 국내외 주요국 이용방식 및 기술기준 분석 ⦁ 소형드론 식별 후보주파수 대역의 국내 및 국외 주요국의 이용 방식 분석 ⦁ 소형드론 식별 후보주파수 대역의 국내 및 국외 주요국의 기술기준 분석 - 소형드론 탑재용 식별모듈 및 지상용 식별기와 무선기기 간 상호공존 기술 연구 ⦁ 5.8㎓ 대역에서 PRN/CSS 방식과 무선랜 AP 간 상호공존 실험 및 5.8㎓ 대역 이용 적정성 검토 ⦁ 무선랜(간섭원)이 드론식별장치(피간섭원)에 미치는 간섭 영향을 분석한 결과, 드론 식별장치의 동작 채널을 무선랜 동작 채널과 최소 2㎒폭 이상 이격할 경우 1.6㎞ 이상 식별 가능함 ⦁ 드론식별장치(간섭원)가 무선랜(피간섭원)에 미치는 간섭 영향을 분석한 결과, 드론식별 장치의 동작 채널을 무선랜 동작 채널과 최소 2㎒폭 이상 이격할 경우 간섭원-피간섭원 간 이격거리가 10m 이상이면 무선랜 전송속도 저하가 4% 미만임 ⦁ 물체감지센서와 드론식별장치 간 상호 간섭 영향을 분석한 결과, 상호간에 간섭(물체 감지센서의 오동작, 드론식별 성능 저하 등)은 없는 것으로 확인됨
o 소형드론 식별용 통신방식 및 접속 프로토콜 개발 (SCIE 논문게재 4건, 국내 학술지 3건, 학술발표 9건, 특허 7건, 기술문서 43건, SW 8건) - CSS(Chirp spread spectrum) 통신방식과 시간/주파수 동기화 알고리즘 FPGA 구현 및 성능 평가 ⦁ 정수부/소수부 시간/주파수 동기화 알고리즘: Upchirp 프리앰블 신호 및 Downchirp 프리앰블 신호 병렬처리 구조의 효율적 FPGA 구현 및 성능 검증 ⦁ CSS 통신방식: ROM(Read Only Memory), LFSR(Linear feedback shift register), XOR 연산 기반 효율적 FPGA 구현 및 성능 검증 - 원거리 소형드론 식별을 위한 처프 주파수 및 기울기 복합변조 기술 개발 ⦁ 하나의 심볼에 변조되는 비트 수를 SF로 유지하면서 시작 주파수에 변조되는 비트 수를 줄일 수 있는 방법으로, 데이터 전송률 저하 없이 고속환경 도플러 효과에 강한 성능을 가지는 변조 기술 ⦁ 처프 주파수 및 기울기 복합변조 기술의 성능 평가를 위한 링크 레벨 시뮬레이터 개발 ⦁ 실험 서비스 운용을 통한 처프 주파수 및 기울기 복합변조 방식 보완 ⦁ 처프 주파수 및 기울기 복합변조 다중안테나 기술 기반 식별거리 확장 알고리즘 개발 ⦁ 처프 주파수 및 기울기 복합변조 기반 멀티빔 형성 알고리즘 고도화 방식 개발 ⦁ 데이터 전송률 저하 없이 인접 심볼간 주파수 간격을 증가시킬 수 있어, 고속이동 환경의 도플러 효과에 강한 성능을 가짐 - 고밀도 소형드론 식별을 위한 BM-Hybrid(Bayesian estimation & maximum probability based hybrid DFS-ALOHA) 프로토콜 개발 ⦁ 성공, 충돌, 유휴(Idle) 슬롯의 수로부터 드론의 수를 추정하여 응답 슬롯의 수를 효율적으로 할당할 수 있는 랜덤 접속 프로토콜 ⦁ BM-Hybrid 프로토콜의 성능평가를 위한 시스템 레벨 시뮬레이터 개발 ⦁ 식별 성공 확률(시뮬레이션) 98.76%(산개형/밀집형 분포 평균) 달성 ⦁ 에너지 효율 개선율(시뮬레이션) 16.68%(산개형/밀집형 분포 평균) 달성
o 소형드론 식별용 테스트베드 개발(특허: 4건, SCIE: 1건, 학술대회: 6건, HW: 10건, SW: 2건, 기술이전: 1건, 기술문서: 36건) - 드론 탑재용 식별모듈 개발 ⦁ FAA, EASA 등 글로벌 드론식별 규정을 준수하는 드론 식별 정보 구조 설계 ⦁ 드론 식별 정보를 무선 신호로 생성하여, 드론 식별 후보 주파수로 송신하는 기능을 수행하는 HW 및 SW 개발 ⦁ 드론 비행에 최소한의 영향을 미치기 위해 소형 및 저전력 구조의 탑재용 식별모듈 HW 개발 ⦁ 드론 식별 운용 시나리오를 반영한 Stand-alone/Built-in 구조의 드론 탑재용 식별 모듈 개발 ⦁ 드론 비행제어컴퓨터와 연동을 위한 MAVLink 인터페이스 개발 - 고정형/휴대형 지상용 식별기 개발 ⦁ 드론 식별 후보 주파수로 송신되는 무선 신호를 수신하고, 드론 식별 정보를 수집· 분석하는 기능을 수행하는 HW 및 SW 개발 ⦁ 드론 식별 운용 시나리오를 반영한 고정형/휴대형 구조의 지상용 식별기 개발 ⦁ 드론 식별 신뢰도 향상 및 최대 식별거리 확장을 위한 안테나 선택 기반 다중 안테나 운용 기술 개발 ⦁ PRN/CSS/Wi-Fi/Bluetooth 방식으로 전송되는 드론 식별 정보를 수신하기 위한 멀티 전송방식 지원 기술 개발 ⦁ 드론 식별 정보 관리를 위한 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템과 연동 기술 개발 - 소형드론 식별용 테스트베드 실환경 테스트 및 실험서비스 운용 ⦁ 부여, 보은 등 실환경에서 드론 식별 방식에 따른 최대 식별거리 및 식별 성공 확률 측정: 23년도 식별성공확률(실환경측정) 97.7%(산개형/밀집형 분포 평균) 달성 ⦁ PRN/CSS/Wi-Fi/Bluetooth 방식으로 송신되는 드론 식별 정보를 지상용 식별기로 수신하여 정보 통합 관리 시스템에 연동
o 소형드론 식별·주파수 정보 통합 관리 기술 개발(특허 7건, 학술발표 4건, HW 6건, SW 3건, 기술문서 38건) - 소형드론 식별·주파수 정보와 드론 연계 정보를 연동하여 관리하는 정보 통합 관리 시스템 개발 및 최적화 ⦁ 드론식별 정보의 통합관리를 위해 식별정보, 이력 정보, 통계 정보 등을 저장하여 관리하는 DB 개발 및 최적화 ⦁ 드론식별 정보를 수집하여 처리하며, 사용자에게 정보를 제공하는 웹서버 개발 및 최적화 ⦁ 드론ID 기반의 드론 연계정보(소유자 정보, 비행승인 정보 등)를 제공하는 정부기관 가상 DB 개발 ⦁ 드론 식별 정보 DB, 통합 관리 웹서버, 드론 연계 정보 DB 및 모듈 간 인터페이스를 포함하는 정보 통합 관리 시스템 개발 - 사용자 권한 기반 차등적 정보 제공 모바일 앱 기술 개발 ⦁ 사용자 권한에 따라 드론 식별 모드(network/direct/paring 모드)별로 차등적 기능 및 정보를 제공하고 관리하는 드론 식별 정보 모바일 앱 개발 ⦁ 사용사 설정에 따른 알림 구역 설정 및 드론 칩입시 알림 전송 기능을 포함하는 모바일 앱 실험 서비스 - 통합 관리 시스템과 식별기, 모바일 기기 간 연동 기술 개발 및 실험 서비스 ⦁ 소형드론 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템과 식별 테스트베드 간 연동 기술 개발 및 실환경 테스트 ⦁ 통합 관리 시스템과 모바일 기기간 연동 기술 개발 및 실환경 테스트 ⦁ 소형드론 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템 실험 테스트
o 연구개발 성과물의 우수성 및 대표성과 요약 - (수상실적) 드론 원격식별 기반 마련 연구 등에 기여한 공로로 과기부 장관표창(4건) 수상, 드론식별·관리 개발 기술의 우수성을 인정받아 ‘2021년도 ETRI 10대 대표성과 우수상’ 수상, ‘2023년도 IITP ICT R&D 우수과제 25선’ 선정 - (SCIE 학술지 게재) Robust LoRa Modulation Scheme in the Presence of Residual Carrier Frequency Offset, IEEE Internet of Things Journal, IF 10.6, ‘23.8월 등 SCIE 논문 7건 게재 - (표준기고서) 23년도 IEEE802 Wi-Fi 기반 고밀도/저지연 소형드론 원격식별 표준 기고서 13건 제출 등 총 46건 제출 (사업목표대비 200% 초과 달성) - (기술이전) 드론 식별 장치 설계 및 식별 정보 관리 기술 기술이전 실시: ’21.11월 LIG넥스원 4.4억원 등 총 7건(10.34억원) 실시 - (성과확산 요약) ’23.11월 저고도 소형드론 원격식별 실험서비스 시연, ’22.2월/’23.2월 부산 벡스코 드론쇼코리아 전시회, ’22.5월 서울 코엑스 ETRI Conference 전시회 참가, 언론홍보, 워크샵 발표 등을 통하여 개발 결과물을 적극 홍보
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 o (국가 정책 수립) 저고도 소형드론 식별·관리 기반을 조성하여 안전사고로부터 국민의 생명과 재산을 보호하는 국가 차원의 드론 관리 안전 정책 및 신산업 활성화를 위한 주파수 정책에 활용 - 사후 책임소재 파악 및 보험처리 등의 효율적인 대처를 통한 안전한 드론 생태계 구축 - 신산업·생활 주파수를 이용한 드론 인프라 구축을 통하여 국가 주파수 활용 정책 목표 달성 o (불법·위협 대응체계 구축) 저고도 소형드론 식별·관리 기술 개발을 통하여 소형드론 불법·위협 역기능에 선제적으로 대응하고 통합적으로 관리할 수 있는 기반 조성에 활용 - 드론 식별용도의 주파수 이용 적정성 기술, 고신뢰 저전력 식별 통신 기술 확보 등을 통한 소형드론 관리 기반 구축 - 소형드론의 기본 정보를 저장·관리하는 식별·주파수 정보 통합 관리 시스템을 정부기관 관련 DB와 연계하여 불법·위협에 대응하는 체계 구축 o (국민 불안감 해소) 드론 식별관리 기반 조성으로 드론 조종자의 안전 책임의무 강화 및 범죄행위의 심리적 동기유발 방지를 통한 국민 불안감 불식 - 저고도 소형드론의 식별모듈 탑재를 통해 드론의 고유정보를 식별함으로써 투명한 운용이 가능하여 소유자 또는 조종자의 책임의식 강화 - 드론 소유주 추적에 따른 범죄행위 위축을 유도하여 드론에 대한 국민의 안전 불안감 불식 o (신산업 활성화) 드론 식별·관리 기반 조성을 통한 드론 이용 및 신산업 생태계 활성화- 4차 산업혁명의 주요 기술인 드론의 안전 인프라를 강화하여 신산업 활성화 및 성장 동력 제공 - 국내 중소 ICT 기업의 경쟁력 제고와 고용 창출을 통한 경제적 파급 효과 기대
(출처 : 요약문 4p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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