고자경
(Ja Kyung Ko)
1
문학룡
(Hak Ryong Moon)
†iD
-
(University of Science and Technology)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
TV White Space(TVWS), Wireless Modem, Image Data Transmission
1. 서 론
정보를 수집하고 제어하기 위한 통신망은 유선망의 경우 인프라 구축비용, 무선망의 경우 통신거리 및 데이터 전송량에 한계가 있는 실정이다(1). 특히, 영상 데이터는 카메라 화질이 점차 발전함에 따라 용량도 증대되면서, 인프라 운영에 있어 큰 데이터 용량에 수반되는 막대한 통신비용이 문제가
되는 상황이다.
기존 데이터 통신망의 경우 유․무선을 막론하고 데이터 사용량에 비례한 사용료를 부과하기 때문에 장비를 지속적으로 운행하기 위하여 막대한 비용에 대한
대책이 필요하다(2). 그 일환으로, 방송주파수의 유휴대역을 활용하는 TVWS(TV White Space) 통신 기술은 무료 데이터 통신비용으로 원거리 무선통신이 가능한
장점이 있다(2).
TVWS 기술은 미국, 영국, 독일, 프랑스 등과 더불어 한국, 일본, 중국 등과 같이 세계 나라들이 대부분 2011년도부터 주파수 활용 차원의 계획
수립과 더불어 시범 사업 및 상용화 서비스 등을 실시하기 시작하였다(3). 이와 관련한 연구들은 TVWS 요소적인 측면의 스펙트럼 제어 기술 등이 진행되었다(4)(5). 국내에서는 ’17년부터 부분적으로 Wi-Fi 형태로 국내 적용이 시작되었으나, 인프라에 적용 가능한 모뎀 장비 개발 연구는 미진한 상황이다.
본 연구에서는 방송용 주파수 중 유휴 주파수 대역을 활용한 TVWS 통신 기술을 제시하고, 해당 기술을 적용하여 TVWS 무선모뎀, 중계기, Base
Station으로 구성된 시스템을 개발하였다. 또한, 통신 안정성 확보를 위해 Auto Channel Scan, 채널변경 기능을 포함한 PnP(Plug
and Play) 기능을 무선모뎀에 탑재하였다.
해당 TVWS 무선모뎀은 서비스 커버리지가 넓고 건물 투과율이 높다는 장점이 있다(4)(5). 또한, 점유 채널 정보 및 주파수 대역은 지역 규모로 차이가 발생하므로, 지자체 규모로 운영되는 도시단위 인프라에 적용하기에 적합하다.
2. 본 론
2.1 자가복구형 TVWS 무선모뎀 시스템 구성
TVWS 통신 시스템은 그림 1과 같이 크게 단말에 장착되어 통신하는 TVWS 통신모뎀, 각 단말에 장착된 모델과 페어링하는 CPE 중계기, 서버와 통신하고 데이터를 백업하는 Base
Station으로 구성된다.
그림. 1. TVWS 시작품 구성도
Fig. 1. TVWS System Diagram
그림. 2. TVWS 통신모뎀 구성도
Fig. 2. TVWS Modem System Diagram
2.1.1 TVWS 통신모뎀
TVWS 무선모뎀은 470 ~ 698 MHz 대역을 활용하여 다양한 사물기기에 장착할 수 있도록 하였다. 해당 모뎀은 개별 단말장치, CPE(Consumer
Premise Equipment) 중계기, Base Station 장비들과 통신하는 역할을 수행한다. 본 통신방식은 TCP/IP 기반으로 운영되며,
해당 TCP/IP 데이터의 TVWS용 패킷 가공 및 원상 복구 알고리즘으로 빠르고 일정한 처리속도를 확보가 가능하다. TVWS 무선모뎀은 그림 2과 같이 파워 공급부, 디지털 데이터 처리부, 무선통신부의 세 블록으로 구분된다.
무선통신부는 서버와 데이터를 교환 및 사용주파수 영역(470MHz ~ 698MHz)을 결정한다. 전송된 데이터의 경우에는 모듈레이터 및 디모듈레이터를
거쳐 변조 및 복조 및 데이터의 가공 처리가 이루어진다. 또한, 가공처리 과정에서 데이터는 암호화되기 때문에, 통신 보안성에 있어 우수성을 확보할
수 있다.
디지털 데이터 처리부의 경우, 단말의 수집 데이터를 무선통신 전송 가능한 형태의 데이터로 인코딩, 암호화, 압축하는 역할을 수행한다.
파워 생산부의 경우, 독립전원을 통해 중앙처리 장치에 전력을 공급 가능하도록 배터리와 태양광 패널로 구성하였다. 또한, 다른 통신 방식 적용을 위해
RJ-45, WiFi, RS-232C, RS-485, LoRa, Zigbee에 접속할 수 있도록 확장 접속단자를 구현하였다.
2.1.2 CPE 중계기
CPE 중계기는 주기적인 유휴 채널의 유효성 확인, 해당 채널의 통신 품질을 위한 트래픽 관리 역할을 담당한다. 또한, Base Station 서버와
통신이 불가능한 상황을 위하여, CPE 중계기 단독으로도 외부 서버와도 연동이 가능하며 데이터 공유 및 Data Rate를 능동적으로 관리한다. 그림 3은 CPE 중계기의 외형도이다.
그림 4는 CPE 중계기와 Base Station 서버를 연동하여 동작시킬 때에, 데이터 동기화 및 통신 인증이 이루어지는 과정을 나타낸 것이다.
그림. 3. CPE 중계기
Fig. 3. CPE Repeater
그림. 4. CPE 중계기 작동 블록도
Fig. 4. CPE Repeater Operating Block Diagram
2.1.3 Base Station
Base Station 파트의 주 역할은 CPE 중계기와 DB 서버 사이를 연결하여, 단말 및 중계기에서 수집한 데이터를 서버에 저장하고, 그 결과를
가공하여 직접 표출하거나 인터넷 환경에 정보로 제공하는 것이다.
그림 5는 Base Station과 연동하여 CPE 중계기를 통해 장비 제어가 가능하도록 구성한 관제 프로그램의 화면이다. 해당 관제 프로그램은 TVWS
무선모뎀 뿐 아니라, CPE 중계기 단말에 대하여서도 통신 연결, 갱신, 리부팅, 통신 해제 등이 가능하며, 웹 DB 서버 역시 접근할 수 있도록
구성하였다. 그림 6은 해당 관제 프로그램을 통하여 Base Station의 통신정보를 표출한 화면이다.
그림. 5. Base Station 관제 프로그램 화면
Fig. 5. Base Station Control Program
그림. 6. Base Station 통신정보 표출 화면
Fig. 6. Base Station Information Display
2.2 자가복구형 TVWS 무선모뎀 소프트웨어 구성
본 소프트웨어 구성부에서는 TVWS 무선모뎀, CPE 중계기 및 서버 스테이션 간의 무선통신 채널과 통신의 신뢰성을 확보하기 위한 알고리즘을 구현하였다.
구현된 알고리즘은 TVWS 통신에 필요한 안정적인 채널 확보를 통해 사용 환경의 공간적, 시간적 변화에 대응할 수 있도록 한 Auto Channel
Scan 기능과 다수 디바이스와 간편한 페어링이 가능하도록 한 PnP Pairing 기법을 포함한다.
2.2.1 Auto channel scan 및 채널변경 기능
일반적으로 TVWS 통신에는 대략 38개~41개의 전체 DTV 채널 중 사용하지 않는 유휴채널, 즉 DTV 가용채널을 사용하게 된다. 따라서 시간이나
공간 변화에 따라 통신에 이용하던 채널을 방송에서 사용할 경우, 통신 가능한 다른 채널로 주파수 대역을 변경할 필요성이 있다.
Auto channel scanning 기능에서는 DB Provider로의 서버 접속 후 쿼리방식으로 가용채널 정보를 습득하여 사용할 채널을 결정하게
된다. 또한, 단순히 비어있는 채널을 찾는 것 뿐 아니라, 가용채널 중 정보 처리량이 적합한 채널 탐색 및 변경 작업을 통해 통신이 가장 잘 이루어지는
채널을 실시간으로 선별할 수 있도록 구현하였다. 그림 7은 해당 기능이 작동하는 Auto Channel Scanning 소프트웨어 블록 구성도이다.
그림. 7. Auto Channel Scan 소프트웨어 흐름도
Fig. 7. Auto Channel Scan Block Diagram
표 1. 트래픽 분석부 수집 정보
Table 1. Traffic Analysis Part Information Input
|
항목
|
설명
|
|
Tx Power
|
안테나에 공급하는 전력
|
|
RSSI
|
Received signal strength indication의 약자, 수신 전파의 전력
|
|
SNR
|
signal-to-noise ratio의 약자, 신호 대비 잡음비
|
|
주파수
|
bit error ratio의 약자, 비트 오류율
|
|
오류 발생 여부
|
HCS Error, CRC Error, Packet Error 등의 오류 발생 여부
|
Auto Channel Scan부에서는 이벤트 발생부 및 이벤트 검출부에서 가용채널 이용 가능 여부 및 통신 장애 발생 시 자동적으로 통신 두절 시간에
따라 문제원인을 판단한다. 즉 장애 발생시 트래픽 분석부 및 실시간 채널 품질 분석 부의 데이터를 이용하여 채널 변경 여부를 최종 결정한다. 표 1은 채널 품질을 판단하기 위해 해당 블록에서 수집하는 통신정보 항목이다.
시뮬레이션부에서는 변경 전, 후의 채널 정보를 기반으로 채널 변경 경우의 수에 따른 시뮬레이션을 실시한다. 즉, 최소 24시간에 1회 이상 DB 제공자로부터의
가용채널 획득하여 DB갱신부에 저장하고 시뮬레이션 부에 전달한다. 이를 통하여 채널 변경부에서는 통신 두절 시간을 1초 이내로 최소화하도록 채널 변경을
수행한다. 그림 8과 같은 채널 변경 시퀀스를 거치게 된다.
그림. 8. 채널 변경 시퀀스
Fig. 8. Channel Change Diagram
2.2.2 PnP Pairing 기능
TVWS 무선모뎀은 단말 디바이스에 장착되므로 사용자와 가까운 곳에서 서비스를 제공하면서, 지연시간 축소 및 네트워크 트래픽의 적절한 활용이 가능하여야
한다. 따라서 Auto channel scan 기능을 기반으로 단말 디바이스와 중계기 간의 간편한 페어링을 위한 PnP(Put and Play) Pairing
기능을 구현하였다. 이를 통해 여러 개의 CPE중계기와 PnP모뎀이 존재하는 상황에 있어, 특정 PnP모뎀이 어떤 CPE중계기와도 페어링이 가능하다.
또한, 미고정 단말 디바이스에 대하여 역시 위치 변화 및 ID 변경 시에도 자동으로 페어링이 가능하도록 하였다. 그림 9는 PnP Pairing 시퀀스 작동 알고리즘 흐름도이다.
그림. 9. PnP 페어링 시퀀스
Fig. 9. PnP Module Operating Algorithm
3. 실험결과
3.1 통신주파수대역(채널) 변경 실험
본 실험은 채널 변경시 통신 안정성 유지를 확인하는 것을 목적으로 한다. TVWS 통신방식의 이용 주파수 범위인 470 MHz ~ 698MHz 내에서
밴드폭 8MHz를 기준으로 주파수 대역대를 변동하며 영상 전송 실험을 수행하였다. FDD 방식을 사용하며, 변조 방식은 64QAM을 이용한다. 실험
결과, 표 2와 같이 본 실험의 주요 조작변인인 주파수 대역이 변경됨에도 안정적으로 일정 데이터 속도를 확보 가능하다는 것으로 입증하였다.
채널 변동 시 Data Rate의 평균은 22.76MHz, 최소값은 21.54MHz로 목표 Data Rate 20MHz를 초과하는 값을 전체 채널에서
달성하였다. 표준편차는 1.19MHz로, 채널이 변경되어도 일정한 Data Rate로의 통신이 가능하다는 결론을 도출할 수 있다.
그림 10은 관제 시스템을 통해 통신 주파수를 채널 40(주파수 대역 626 MHz)에서 채널 31(주파수 대역 554 MHz)로 변경하는 화면이다.
표 2. 주파수 변동에 따른 Date Rate 변동
Table 2. Date Rate Change following Frequency Change
|
주파수
(MHz)
|
Uplink
(Mbps)
|
Downlink
(Mbps)
|
SUM
(Mbps)
|
|
626
|
7.42
|
16.6
|
24.02
|
|
554
|
7.34
|
14.2
|
21.54
|
|
546
|
7.45
|
14.6
|
22.05
|
|
530
|
7.31
|
14.5
|
21.81
|
|
474
|
7.77
|
16.6
|
24.37
|
|
평균속도
(Mbps)
|
22.76
|
표준편차
(Mbps)
|
1.19
|
그림. 10. 통신 채널의 변동
Fig. 10. Channel Change Control
3.2 다수 단말 연결 실험
본 실험은 1개 CPE 중계기에 다수 TVWS 단말 모뎀을 접속하는 실험이다. 표 3는 통신속도가 6MHz의 Band Width의 범위 내에서 카메라 대수 변동에 따른 Data Rate를 측정한 것이다.
카메라 단말이 다수 연결될 경우, 일정 주파수 대역폭이 영상 통신 단말에 할당되고 포화되며 남은 공간의 통신 속도가 점차 감소하게 된다. 그러나 6대라는
다수의 단말이 사용되는 상황에서도 해당 대역폭은 완전히 포화되지 않는 것을 관측할 수 있다.
표 3. 카메라 대수 변동에 따른 Date Rate 변동
Table 3. Date Rate Change following Number of Camera
3.3 통신거리 실험
본 실험에서는 통신 성능을 나타내는 주요 지표인 최대 통신거리를 측정하기 위하여, 개활지 환경에서 거리에 따라 안테나 종류를 변경해가며 진행하였다.
1) 1km 이내 단거리 실험
본 실험은 실내에서 진행한 경우, Base Station 및 CPE 중계기 모두 폴 안테나를 이용하였으며, 실외의 경우 미사리 조정 경기장에서 야기
안테나를 이용하였다. 표 4는 통신 결과이다.
표 4. 통신거리 실험(단거리)
Table 4. Communication Range Test(Short Range)
2) 3km 이내 중거리 실험
중거리에서의 통신 실험은 그림 11과 같이 연구원 옥상 및 김포의 도로 지점에 각각 Base Station 20m 높이, CPE 중계기 6m 높이로 야기 안테나를 설치하였다. 그 결과
최대 2.3km 거리까지 통신하였으며, 해당 지점에서의 통신 속도는 표 5와 같다.
그림. 11. 통신거리 실험(3km이내)
Fig. 11. Communication Range Test(Under 3km)
표 5. 통신거리 실험 결과(3km이내)
Table 5. Communication Range Test Result(Under 3km)
|
측정(횟수)
|
Uplink
(Mbps)
|
Downlink
(Mbps)
|
SUM
(Mbps)
|
|
1
|
1.75
|
2.70
|
4.45
|
|
2
|
1.91
|
1.81
|
3.72
|
|
3
|
2.11
|
2.13
|
4.24
|
|
평균속도(Mbps)
|
1.92
|
2.21
|
4.14
|
3) 3km 이상 장거리 실험
그림 12는 통신구간에 Base Station 10m, CPE 중계기 4m 높이로 설치한 것으로, 시화호 방조제에서 최대 4.2km 거리까지 통신 실험을 하였다.
해당 실험에 있어 제반 환경 상 안테나 설치 높이에 한계가 있었으며, 통신 안테나를 설치하기 위한 충분한 높이 확보 시 추가적인 통신거리 확장이 기대된다.
그림. 12. 통신거리 실험(3km~5km)
Fig. 12. Communication Range Test(3km~5km)
3.4 도심지역 통신 시나리오
본 실험이 진행된 문정 현대지식 산업센터의 경우, 그림 13과 같이 북쪽에 통신을 방해할 수 있는 15층 이상 고층 건물이 존재하는 반면, 남쪽은 평이한 수준의 높지 않은 건물로 구성되어있다. 이러한 환경에서
실험을 수행한 결과, 표 6과 같은 실험 결과를 획득하였다.
그림. 13. 도심 통신실험 수행 위
Fig. 13. Communication Test Area(Urban Area)
표 6. 도심 통신실험 수행 결과
Table 6. Communication Test Result(Urban Area)
|
지점(#)
|
거리(m)
|
방해물
여부
|
통신 성공
여부
|
|
1
|
354
|
O
|
실패
|
|
2
|
887
|
O
|
실패
|
|
3
|
2,400
|
O
|
실패
|
|
4
|
988
|
×
|
성공
|
|
5
|
1,200
|
×
|
성공
|
|
6
|
1,600
|
×
|
성공
|
|
최장 통신거리
|
1,600m
|
도심 지역의 경우, 통신 구간에 장애물로 작용할 수 있는 물체가 다양하기 때문에 통신 거리의 변화 폭이 크게 발생한다. 따라서 건물 밀집 구간은 장애물의
회피가 가능하도록 더 높은 지점에 안테나를 설치하거나 더 많은 중계기를 설치하는 등의 조치가 필요하다.
4. 결 론
기존 무선망은 1Mbps 전송용량과 30m 이내 통신 기술이 가능한 DSRC(Dedicated Short Range Communication),
10Mbps 전송용량과 1km 이내의 통신이 가능한 WAVE 및 Wi-Fi와 같은 무선 근거리 통신망(WLAN)나 5G와 같은 통신 기술을 활용하고
있다. 그러나 이러한 기존 통신방식은 거리 제한, 전송 데이터량 한계 및 통신비용 발생으로 인프라 적용에 한계가 있다. 특히 영상수집기술은 발달하는
반면, 무선통신기술에 비용 및 인프라 문제와 같은 현실적 제약이 존재하여 영상 데이터를 정보화시스템에 전송하여 활용하는 데에 장애 요인이 되는 실정이다.
본 연구에서 TVWS 무선 통신을 이용한 무료 데이터 통신비, 원거리 통신이 가능한 장점을 가진 TVWS 무선모뎀, CPE 중계기, Base Station으로
구성된 자가복구형 TVWS 무선모뎀 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 가용 채널 중 사용 후보 채널의 품질을 실시간으로 분석하여, 각 트래픽 상황에서
최적의 채널로 변경하는 Auto Channel Scan 기능과 CPE중계기와 PnP모뎀 간 페어링을 위한 알고리즘으로 여러 개의 CPE중계기와 여러
개의 PnP모뎀이 존재하는 상황에서 특정 PnP모뎀(단말 디바이스)이 어느 CPE 중계기와도 페어링이 가능한 PnP Pairing 기능을 개발 및
적용하였다. 해당 시스템에 대한 실험을 진행한 결과, 20Mbps의 통신 속도와 더불어 통신거리의 경우, 개활지에서 약 5km, 도심 지역 약 2km의
결과를 보였다.
개발된 TVWS 무선모뎀 시스템은 문자, 영상 데이터를 통신비용 없이 원거리로 전송 및 상호간 통신이 가능하다. 또한 통신거리 측면에서는 안테나의
높이나 지형에 따라 통신거리의 변화 폭이 크므로, 적절한 통신환경이 확보될 경우에는 실험결과 이상의 장거리 통신이 가능할 것으로 판단된다. 개발된
자가복구형 TVWS 무선시스템은 스마트시티의 방범, 인프라 관리시스템 등 제반 산업 분야뿐 아니라, 통신 소외지역에 해당되는 섬이나 도서지역에 효과적인
적용이 가능할 것으로 예상된다.
Acknowledgements
This research was supported by the Construction Test & Certification Department, Korea
Institute of Civil Engineering and Building Technology(KICT) in 2020.
References
Kelechi Hilary Anabi, Rosdiadee Nordin, Nor Fadzilah Abdullah, November 2016, Database-Assisted
Television White Space Technology: Challenges, Trends and Future Research Directions,
IEEE Access, Vol. 04
Hak Ryong Moon, Ja Kyung Ko, August 2019, Technology Trend Analysis on TVWS Wireless
Communication for Smart City Implementation, The 51th KIEE Summer Conference 2019,
pp. 2125-2126
J. H. Jahng, June 2013, TV White Space Ecosystem and Commercial & Trial Service Trends,
Electronics and Telecommunications Trends, Vol. 28, No. 3
Sadip Midyadhl, April 2020, QoS aware distributed dynamic channel allocation for V2V
communication in TVWS spectrum, Computer Networks, Vol. 171, No. 22
Yoon Hyun Kim, July 2012, Interference Analysis between DTV Relay System and Low Power
Device for Efficient Utilization of TV White Space, Korea Society of Satellite Technology,
Vol. 7, No. 3, pp. 69-74
저자소개
과학기술연합대학원대학교
건설환경공학과
박사과정
한국건설기술연구원
미래융합연구본부 스마트모빌리티 연구센터 연구위원
과학기술연합대학원대학교
건설환경공학과 교수