TRS 수직고공전파통신시스템의 링크버짓과 시스템 개념설계 慶熙 ...

碩士學位論文
TRS 수직고공전파통신시스템의
링크버짓과 시스템 개념설계
-The TRS, Link Budget and
Conceptual Design of System
Stratosphere High Altitude Radio Wave
Communication System -
指導敎授 陳 庸 玉
慶熙大學校 情報桶信大學院
電波桶信放送시스템工學科
鄭 孝 峻
2004年 8月

TRS 수직고공전파통신시스템의
링크버짓과 시스템 개념설계
-The TRS, Link Budget and
Conceptual Design of System
Stratosphere High Altitude Radio Wave
Communication System -
指導敎授 陳 庸 玉
이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함
慶熙大學校 情報桶信大學院
電波桶信放送시스템工學科
鄭 孝 峻
2004年 8月

鄭孝峻의 工學碩士論文을 認准함
主審敎授 印
副審敎授 印
副審敎授 印
慶熙大學校 情報通信大學院
2004年 8月

감사의 글
어느덧 대학원에 진학한지 2년 남짓 되었다. 이제는 졸업을 앞두고 그
동안의 생활들과 나에게 일어난 일들을 되짚어보면서, 많은 도움과 조언
을 해주신 모든 분들께 감사하며, 그분들의 도움과 조언들은 나에게 밝은
빛으로 인도해 주었다.
먼저 지금까지도 항상 기대만큼 많은 것을 이루지 못한 저를 믿고 바라
보시며 용기와 칭찬을 아끼지 않으시며, 행복한 가정에서 자랄 수 있게
해주신 부모님께 감사드립니다.
저의 지도교수님으로 남들보다 뛰어난 인지와 사고를 가지시고 저를 물
신양면으로 지도해주신 진용옥 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 교수님의
말씀 한마디 한마디가 저에게는 견문을 넓힐 수 있는 소중한 시간이었습
니다. 다시 한번 감사의 말씀을 드립니다.
제 논문에 많은 도움을 주신 김준원 교수님과 이계산 교수님께 깊은 감
사의 말씀을 드립니다. 연구실 선배님으로 김영문 선배님과 특히 연구실
의 생활과 일들을 도맡아하며 논문을 마무리하기까지 옆에서 선배님으로
써 형으로써 정말 많은 도움을 주었던 구재일 형에게 깊은 감사드립니다.
연구실 후배로 같이 생활하고 지내면서 도움을 주고 조언해준 이주영, 여
인기 후배님께도 감사드리며, 지금은 졸업한 이재광, 김갑순, 손준호, 최용
수 선배님들에게도 감사드립니다. 용석이형과 나에게 항상 격려를 해준
친구들, 그리고 가족들에게 감사드리며, 저와 작은 인연으로 만난 교수님
들과 선후배님들에게도 감사의 말씀을 드립니다.
마지막으로 모든 일에 후회 없는 삶을 살아 갈 수 있기를 바라며.....
2004년 7월
정 효 준 올림

P T : 안테나에 전달되는 파워
PR : 수신된 파워
PTX : 송신기 파워
약 어
R : 지상국에서 비행선까지의 거리
η : 안테나 표면적 효율
D : 반사 안테나의 직경
λ U : 업링크 파장길이
fU : 업링크 주파수
GT : 송신 안테나 이득
G Tma x : 최대 송신안테나 이득
λ : 파장길이(= c/f),
C/N 0 : 캐리어 파워 대비 잡음 파워 주파수대 밀도 비율
E b/N 0 : 비트 에너지당 잡음
S/N 0 : 신호 대 잡음비
k : 볼츠만상수 (= 1.379 10 − 23 =− 228.6dB (W/Hz ))
EIRP : 모든 방향으로 복사되는 유효파워
L FS : 자유공간손실(4πd/λ ) 2

요 약
본 연구는 TRS 수직고공전파통신시스템을 이용하기 위해 링크버짓은 성
층권 비행체의 통신시스템과 TRS 단말기와의 통신을 하기 위한 가장 일반
적인 계산방법이다. 그러므로,, 링크버짓의 결과에 따라서 통신에 관계된 모
든 것들이 결정된다. 따라서 모든 파라메터들은 실제의 사용하는 값들을 사
용하여 성층권 비행체와의 통신이 가능한지를 파악하고 어떠한 조건에서
가장 적합한 통신이 되는지를 알아본다. 링크버짓 성능분석을 위해 업링크
및 다운링크 과정으로 나누고 업링크에 대해서는 위성체에서 전력흐름밀도
및 명령수신기에서 여유를 계산하고 다운링크에 대해서는 다운링크 EIRP
및 지상국에서 C/No 및 Eb/No 여유를 계산하여 전체적인 통신성능 여유를
만족하는지 조사를 하였다. 업링크 링크버짓 분석결과 명령수신기에서 충
분한 전력 수신 여유가 있었으며 다운링크 링크버짓 분석결과 지상국에서
C/No 및 Eb/No의 여유가 적정함을 확인하였다.
- i -

목 차
제 1 장 서 론 ···························································································· 1
제 2 장 수직 고공 전파 통신 시스템 ······································· 3
제 1 절. 수직 고공 전파 통신 시스템의 개념 ····························· 3
제 2 절. 제3의 전파통신 ······································································· 4
1. 제 3 전파자원론 ····················································································· 4
2. 용어적 이해 ····························································································· 4
제 3 절. 수직 고공 전파 통신 시스템 구도 ·································· 5
1. 성층권 통신 관제 시스템 ····································································· 8
2. 비행선 고도 및 최소 서비스 요구 앙각 ··········································· 9
3. 서비스 커버리지 및 셀 구성 ····························································· 10
4. 국외 기술 개발 현황 ··········································································· 13
5. 국내 기술 개발 현황 ··········································································· 14
6. 성층권 통신 응용 서비스 및 전망 ··················································· 15
제 3 장. TRS 시스템 ············································································· 17
제 1 절. 디지털 TRS의 특징 ······························································ 19
제 2 절 국내외 TRS 서비스 현황 ···················································· 22
1. 국내 TRS 시장 현황 ············································································ 22
2. 국외 TRS 시장 현황 ············································································ 24
제 4 장. TRS 수직 고공 전파 통신 시스템 ························ 26
제 1 절. 수직 고공 전파 통신 시스템 ············································· 26
제 2 절. TRS 통신 시스템 ··································································· 30
제 5 장 링크 버짓 ·················································································· 32
제 1 절 링크 버짓 해석 ········································································· 32
- ii -

1. 업링크 해석 ··························································································· 33
2. 다운링크 해석 ······················································································· 33
제 2 절. 링크 버짓 해석 파라미터 ··················································· 34
1. 업링크 ····································································································· ·34
2. 다운링크 ··································································································· 37
제 3 절. 시뮬레이션 결과 및 분석 ··················································· 39
제 6 장 결 론 ····························································································· 45
□ 참고자료 ············································································································ 46
□ Abstract ············································································································ 47
- iii -

표 차례
성층권 무선중계 시스템의 주요 특징 ················································ 7
비행선 고도에 따른 서비스 지역 ······················································ 10
각국의 개발시스템 비교 ······································································ 15
TRS와 타 시스템 비교 ······································································· 20
국내 TRS 주파수 할당 현황 ····························································· 22
일반 규격 ································································································ 23
송신 규격 ································································································ 23
수신 규격 ································································································ 23
시뮬레이션을 위한 기타 파라메타 ···················································· 39
수신전계강도 시뮬레이션결과 ························································ 40
위성통신과 시뮬레이션결과 비교 ···················································· 41
Uplink의 파라메타 값 ········································································ 42
Downlink의 파라메타 값 ·································································· 42
- iv -

그림 차례
(그림 1) 성층권 환경과 전파통신 시스템의 진화 ··········································· 5
(그림 2) 성층권 통신 시스템 서비스 구도 ······················································· 6
(그림 3) 성층권 통신시스템의 지상관제 개념도 ············································· 8
(그림 4) 서비스 커버리지 반경과 요구 앙각 ··················································· 9
(그림 5) 일반적인 반사판 안테나의 복사 패턴 ············································· 11
(그림 6) 주파수 재사용 빔 배치 형태 ····························································· 11
(그림 7) 안테나 이득, 직경 및 빔폭 사이의 관계 ········································ 12
(그림 8) 지상국 TRS 시스템 구조 ·································································· 18
(그림 9) 성층권 비행선 통신 시스템 개념도 ················································· 26
(그림 10) 주링크 ·································································································· 27
(그림 11) 보조링크 ······························································································ 27
(그림 12) 통신제어기의 복부호기 ···································································· 28
(그림 13) 성층권 탑재체 트랜스폰더 ······························································ 28
(그림 14) LOS 서브시스템 ················································································ 29
(그림 15) iDEN 시스템 구성도 ········································································· 30
(그림 16) 성층권 비행체 통신간의 서비스망 연결도 ··································· 30
(그림 17) 1:1 단말기 통신 - Ad hoc를 이용한 Network 개념 ················ 31
(그림 18) TRS 단말기와 비행체의 통신링크 개념도 ·································· 32
(그림 19) 16-QAM Eb/No와 BER 곡선 ························································ 39
(그림 20) Uplink상의 수신요구전계강도와 수신안테나이득 ······················· 43
(그림 21) Uplink상의 수신파워와 캐리어 대 잡음비 ··································· 43
(그림 22) Downlink상의 수신요구전계강도와 수신안테나이득 ·················44
(그림 23) Downlink상의 수신파워와 캐리어 대 잡음비 ····························· 44
- v -

제 1 장. 서 론
최근 들어 무선이동통신의 가입자가 수가 증가함에 따라 우리나라 역시
현재 서비스되고 있는 디지털 셀룰러는 물론 디지털 주파수공용통신 (TRS
: Trunked Radio System), 개인휴대전화 (PCS : Personal Communication
Service), FPSMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication
Service)등 시스템의 개발과 기술의 디지털화가 가속화 되고 있다. 현재,
TRS 방식은 미국, 일본, 유럽 등 세계전역에서 걸쳐 활발히 운용되고 있는
데, 크게는 공공시스템과 사설시스템으로 나눌 수 있다. 국내에서는 오는
2010년까지 경찰ㆍ소방ㆍ의료기관 등 재난구조기관이 어떤 상황에서도 통
신망을 가동, 재난현장에서의 비상의료서비스와 구조요원의 안전보장 기능
등이 제공되는 지상망ㆍ위성망 통합형인 `광대역 멀티미디어 재난구조 통
신망이 구축된다.
성층권고공전파통신은 위성의 장점과 지상 이동통신의 문제점을 해결하
기 위해 차세대 무선통신 인프라로 최근에 다시 대두되고 있으며, 많은 기
업이나 연구소에서 연구를 하고 있다. 2003년 KARI에서 고공3000m에서
50m급 비행체 실험의 성공으로 연구개발에 박차를 가할 것이다. 저비용 서
비스의 실현, 고속 통신 서비스가 가능, 낮은 전송 손실, 광역성, 짧은 전송
지연 특성, 대규모 가입자 수용할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이, 성층권
고공전파통신을 이용하여 TRS를 위한 링크버짓을 해석한다.
TRS 무선통신을 위한 링크버짓은 성층권 비행체의 통신시스템과 단말기
와의 통신을 하기 위한 가장 일반적인 계산방법이다. 그러므로,, 링크버짓의
결과에 따라서 통신에 관계된 모든 것들이 결정된다. 따라서 모든 파라메터
들은 실제의 사용하는 값들을 사용하여 성층권 비행체와의 통신이 가능한
지를 파악하고 어떠한 조건에서 가장 적합한 통신이 되는지를 알아본다.
성층권 비행체와 TRS 장비의 통신시스템을 설계하고자 할 때는 우선 무
선 링크 설계를 통하여 변조방식, 전송 데이터율에 따른 송신전력, 복조방
식, 에러정정부호화 방식, 안테나 이득, 송수신 주파수 등의 제반사항을 결
정하고 이러한 이론적인 바탕위에서 실제 회로를 구현한다. 또한 시스템은
크게 아날로그 통신방식과 디지털 통신방식을 채용하며 아날로그 통신방식
에서는 복조기에서 신호의 충실도를 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio,
- 1 -

S/N)로 측정하나, 디지털 통신 방식에서는 비트 에러율(Bit Error Rate,
BER)로 측정하여 C/No를 구하고, 이러한 파라메터는 성층권 비행체와
TRS 단말기의 파라메터(RF Link 특성) 및 TRS 단말기의 지정학적 위치
(단말기 높이, 단말기 위치) 등에 의해 결정한다.
본 논문 제1장은 서론, 제2장은 수직고공전파통신시스템의 일반적인 개
념과 구도 등에 대해 설명하고, 제3장에서는 TRS 시스템에 대한 설명하고,
제4장과 제5장에서는 본 논문에서 제안하는 TRS 수직고공전파통신시스템
의 통신성능의 분석을 위해 개념설계 단계의 링크버짓을 계산하고 분석한
다. 제6장은 결론으로 본 논문을 마무리 한다.
- 2 -

제 2 장. 수직고공전파통신시스템
제 1 절. 수직고공전파통신시스템의 개념
성층권 통신시스템(Stratosphere Telecommunication system)은 고공항
등체(High altitude platform system)를 성층권에 체공시켜 통신과 방송
그리고 원격관측정보를 송수신 할 수 있는 전파통신 시스템이다. 이러한
성층권 통신은 향후 음성뿐 아니라 고속 데이터, 화상을 포함한 고속 멀
티미디어 서비스에 대한 수요가 크게 증가될 전망이며 특히 언제 어디에
서나 자유로이 접속할 수 있는 무선방식의 고속 멀티미디어 서비스가 요
구되고 있다. 이러한 성층권 통신 방식은 광역성, 동보성, 회선구성의 유
연성, 광대역성 등 위성통신망의 장점을 가지면서 수요에 따른 적기 공급,
시설의 유지보수 용이, 짧은 전송거리로 인한 단말의 소형화, 짧은 전송지
연 시간 등 지상 이동통신망의 장점도 가지고 있고, 경제성까지 갖춘 유
망한 제 3의 전파통신 방식이다.
성층권 통신/무선응용 시스템은 현재까지 실용화가 되지 않은 새로운
통신 방식으로서 이것을 수직고공전파통신이라고 새롭게 정의하고 지상전
파와 위성전파에 이은 제 3의 전파라고 말한다.
- 3 -

제 2 절. 제3의 전파통신
1. 제 3 전파자원론
시기 서비스 내용
제1전파 1896년 셀룰라통신 말코니의 수평지상파
제2전파 1960년대 위성통신 클라크궤도의 우주공간파
제3전파 2000년대 성층권통신 수직고공전파통신
2. 용어적 이해
용어 해석
HAPS 고공 항등(비행)체
ULDB 초장기 체공 기구비행체
TCS 항적 제어기술
ACS 고도 제어기술
항존성 보편 개인통신 Ubiquitous:UPT
보편 개인통신 Universal Personal Communication:UPT
참여 보편서비스
소외 방관계층을 참여 이용계층으로 전환서비스
PAN & RAN
인지전파 통신 CRC Cognitive Radio Communication 다기능 지능화
SDR Software Defined Radio의 상부체계에 해당
CRC 트랜스폰더 SDR기반 다기능 지능화 트랜스폰더
- 4 -

제3절. 수직고공전파통신시스템 구도
성층권 통신을 크게 수프라 구조와 인프라 구조로 나누면 기본적인 수
프라로는 서비스와 콘텐츠, 구난 방재와 개도국(북한포함)에 대한 통신 지
원과 광역 개인 이동통신, 참여 보편서비스, 사이버 공동체 시장을 들 수
있다. 또한 인프라로는 SDR기반 고공 기지국과 육상 이동화 기지국 그리
고 위성 보편화(3원체계)를 위한 중간기지국, DMB / DTV를 위한 방송
통신 결합 고공 송출국을 들 수 있다. 성층권 통신시스템은 (그림 1)에서
보는 바와 같이 대류권(Troposphere)과 전리층(Iono-sphere)사이의 성층
권(Stratosphere, 지상 약 20∼80km 상공)에 무선 중계기를 탑재한 비행
선을 일정 위치에 유지시키고, 각종 무선통신서비스를 제공하는 시스템으
로 서비스 대상 지역에 고정 및 이동 디지털 무선 채널들을 다양한 전송
율로 양방향 통신이 가능하다.
.
(그림 1) 성층권 환경과 전파통신 시스템의 진화
- 5 -

주요 장점
및 특징
저비용
서비스의
실현
고속 통신
서비스
기능
휴대 통신
기능(낮은
경로손실)
광역성
성층권 무선중계 시스템의 주요 특징
타 통신망 과의 비교 검토
•시스템 비용이 정지궤도 위성과 비교하여 1/4∼1/10에 불과함.
•2-3년마다 성층권 비행선을 하강시켜 수리, 연료 보급 등 유지 보
수가 용이하므로 LEO 위성(5∼7)년에 비교하여 수명이 김.
•특히 한반도 지역과 같이 서비스 범위가 적은 경우에 더욱 효율
적임.
•지상 방식과 비교시에도 높은 경쟁력을 갖음.
- 가입자당 시설비: $60
(셀룰라전화: $1000, Wire-line: $830, WLL: $680)
- 비디오 전화, 64kbps급 사용료: $0.04/분(약 55원)
(PCS 음성전화: 약 180원/분, GMPCS 음성전화: 약 1,400∼
4,200원/분)
•Ka 밴드 또는 밀리미터파대의 넓은 주파수 대역 사용으로 고속
통신 서비스가 가능함.
•사용 주파수 대역폭이 좁은 기존의 LEO 위성 또는 지상 이동망
에서는 화상 전화, 멀티미디어 통신이 어려우나 성층권 중계 시스템
에서는 초고속 멀티미디어 통신까지 가능함.
•정지궤도 위성에 비교할 때, 전송손실이 약 1/300만으로 감소되고
저궤도 위성과 비교할 때 전송손실이 1/1600로 감소되어 그만큼 단
말기 소형화가 가능하고 지상방식 수준의 저전력(약 100mw급) 휴대
통신이 가능함.
•직경 70 km(앙각 30도)에서 직경 500 km(앙각 5도)의 범위까지
광역 통신이 가능함.
•서비스 영역 설정에 융통성이 높고, 이동이 가능하여, 재설정이 자
유로움.
•도심과 저밀도 인구 지역 등 인구 밀도에 따라 앙각과 서비스 지
역의 크기를 효율적으로 설정할 수 있음.
짧은 전송 •정지궤도 위성 통신에서는 쌍방향 통신시 지연 시간 (240∼
지연 특성 270ms)이 문제가 되나, 성층권 무선 중계 시스템은 0.3ms에 불과함.
대용량의
회선 공급 •매우 작은 서비스 셀(직경 약 5∼20km)개념의 도입으로 주파수
(대규모 재사용효과를 극대화 하여 전송채널용량을 크게 증대시켜 대규모
가입자
수용)
가입자의 수용이 가능함.
- 7 -

1. 성층권 통신 관제시스템
성층권 관제시스템은 성층권 비행선의 이륙, 상승, 운용 고도에서의 임
무 활동, 지상으로의 귀환 및 착륙에 관련된 제반 활동을 관제할 수 있도
록 구성되며, 비행선 탑재 통신 중계기 및 비행선 자체를 원격으로 지상
에서 제어하기 위해 양방향 RF 통신 링크 기능, 원격명령 및 원격측정
데이터 처리 기능, 비행 데이터 분석 및 이상 상태 분석 기능, 비행 절차
수립 및 확인 기능, 시스템 운용 계획 기능 등을 가진다.
성층권 통신 관제시스템은 무선중계선의 이륙에서부터 운용위치유지 및
지상회항에 이르기까지 항상 가시경로(Line of Sight) 추적이 가능해야 하
므로 고정 관제국들을 네트웍으로 연결하거나 또는 이동 관제시설이 구축
되고, (그림 3)은 이러한 성층권 무선중계시스템의 지상관제 개념도이다.
(그림 3) 성층권 통신시스템의 지상관제 개념도
- 8 -

(그림 4)는 서비스 앙각에 따른 성층권 무선중계 시스템의 서비스 지역
및 제공 가능 통신 서비스 예를 제시한 것으로, 대도시 도심의 경우 60도,
중소 도시 및 대도시 외곽 지역의 경우 45도, 기타 전원 지역은 30도 이
상의 최소 앙각을 유지하는 것으로 가정하여 도시하고, 이때 성층권 비행
선의 고도는 지상 20km 상공으로 가정한다.
3. 서비스 커버리지 및 셀 구성
는 성층권 비행선의 고도가 20km에서 25km까지 변화할 때의
최소 요구 앙각에 대한 서비스 커버리지 반경을 제시한 것이며, 이러한
하나의 비행선에 의해 제공되는 서비스 영역은 여러 개의 작은 셀(cell)들
의 집합으로 구성되는데, 이는 전체 빔 커버리지를 수많은 작은 셀로 구
성함으로써 할당된 대역폭의 이용 효율 극대화를 위한 주파수 재사용을
가능하게 하고, 고 이득 빔의 사용으로 지구국 즉, 사용자 단말기 초소형
화(작은 안테나 이용)를 가능하게 한다. 동일 주파수를 공간 분리에 의해
재사용하기 위해서는 빔 간의 간섭이 적어야 하는데, 이를 위해 낮은 사
이드로브 특성을 지닌 안테나가 사용되어야 하고, 인접 빔 간의 간격이
적절히 유지되어야 한다.
비행선 고도(km)
20
22
25
비행선 고도에 따른 서비스 지역
서비스 요구 서비스 커버리지
앙각(Deg.)
반경(km)
60 11.54
22 20.00
25 34.64
15 74.64
60 12.70
45 22.00
30 38.10
15 82.10
60 14.43
45 25.00
30 43.30
15 93.30
- 10 -

(그림 7)은 성층권 무선중계 시스템용으로 고려되고 있는 주파수 대역
에서의 안테나 이득, 직경 및 반 전력 빔 폭 등의 관계를 안테나의 효율
은 60%로 가정하여 표시한 것으로서, 요구 반 전력 빔 폭에 따른 성층권
비행선에 탑재될 안테나의 크기 및 이득을 추정하는데 유용하게 사용될
수 있다. 예를 들면 47 GHz대역에서 셀 당 약 12도의 반 전력 빔 폭이
요구될 때 셀 당 안테나의 직경은 약 40mm, 이득은 약 23 dBi정도가 되
고, 여기서 간단한 삼각 함수 연산을 사용하면 비행선 바로 아래쪽에서의
셀 직경은 약 5 km 정도가 된다.
(그림 7) 안테나 이득, 직경 및 빔폭 사이의 관계
- 12 -

4. 국외 기술 개발 현황
1990년대 후반에 성층권 비행선 관련기술이 성숙함에 따라 미국과 일본
이 본격 개발에 착수하였고, 유럽의 ESA, 독일 등이 개발 대열에 합류하
는 등 경쟁이 가속화 되고 있다.
○ 1970년대 말 미국 해군에서 정찰 및 통신 중계 임무수행을 위하여 성
층권 비행선 개발 (HASPA, HAPP)을 계획하였으나, 당시의 기술수준이
성숙하지 못했고 생존성의 문제로 인해 상용화에 실패하였다.
○ 미국의 SSI사는 2002년부터 전 세계 성층권 통신 네트웍을 구성하여
통신 중계 및 지구과학 서비스를 시행할 계획이나 컨소시움 결성이 늦어
짐에 따라 지연이 예상된다.
○ 일본에서는 통신종합연구소와 문부과학성의 주도로 SKYNET 프로그
램이 현재 진행 중이며, 2004년에 비행 시험한다.
○ 이스라엘의 IAI(Israel Aircraft Industries)에서는 STARSAT이라는 성
층권 무선중계용 시스템에 대한 개념설계를 수행하였다. IAI는 전세계 시
장을 겨냥하여 위도별(20도, 30도, 40도) 환경 조건에 적합한 3종류의 성
층권 무선중계용 비행선(STARSAT-S, STARSAT-M, STARSAT-L)에
대한 개념 설계를 수행하였다.
○ 독일에서는 Stuttgart 대학의 Kroeplin 교수팀 주도로 Zeppelin 사와
정부 예산으로 시험 비행선 개발을 추진 중이다.
- 240m급 화물수송용 대기권 비행선 (Cargo Lifter)의 개발도 진
행 중에 있다.
○ 인도, 북한 등에서도 성층권 비행선 개발을 위한 노력의 일환으로 성
층권 주파수 할당을 위한 WRC 아시아 지역 회원국으로 참여하고 있다.
- 2000.6. WRC에서 HAPS를 IMT2000의 한 가지 방안으로 채택
키로 결정하였다.
- 13 -

5. 국내 기술 개발 현황
우리나라에서는 ETRI(Electronics and Telecommunications Research
Institute), SK텔레콤,KARI(Korean Aerospace Research Institute)
에서 비행선 타입으로 feasibility를 실시하고 있으며, 중국에서도 청화 대
학과 상해 교통대학에서 성층권 플랫폼을 이용한 통신 시스템의 연구가
정력적으로 진행되고 있다. 대기권 비행선에 대한 실용화 개발경험을 보
유하고 있고, 98년부터 성층권 비행선에 대한 개념설계를 진행하였다.
○ 1986년 : 한국기계연구소, 국내 최초로 8m급 무인비행선을 설계, 제작
및 시험비행 하였다.
- 형상설계 및 풍동시험, 시제기 상세설계 및 제작, 시험비행 수
행을 통해 비행선 개발에 대한 기반 기술을 구축하였다.
○ 1993년 : 한국항공우주연구소, 23m급 무인비행선 실용화 개발하여 93
년 대전 국제 엑스포 기간 중 지상관측 및 중계임무를 수행하였다.
- 독자적인 기본설계 및 풍동시험, 구조시험, 기능시험, 시제기 상
세설계 및 제작, 비행시험 및 운용을 통해 대기권 비행선의 실용화 기술
을 확보해야 한다.
○ 1998년 정보통신부의 소규모 과제로 성층권 비행선에 대한 기반기술연
구를 착수하여 기술가능성 및 사업성 분석, 설계요구조건 설정, 개념설계
등 수행. 현재는 2003년도에 KARI에서 성층권 비행체 비행실험 이후에,
항공우주연구원 주관으로 2010년 상용화를 목표로 추진하고 있다.
- 14 -

각국의 개발시스템 비교
개발 기관 미국 SSI사 일본 우정성 이스라엘 IAI사
1 운용 고도 23 km 20 km 18.5 km
2 최대 풍속 40 m/sec 30 m/sec 15∼22.5 m/sec
3 빔 커버리지
직경 36 km,
76 km, 150 km
반경 20 km, 100
km
반경 970 km
4 주파수 47/48 GHz
Ka(30/20 GHz)
검토
-
5 비행선 크기 150 m 270 m 130, 200, 300 m
6 탑재체 중량 2.8 ton 1 ton 1∼3 ton
7 탑재체 전력 - 10 kW 3∼10 kW
8 서비스 종류
화상 휴대폰,
이동 인터넷 등
휴대 통신 및
고속 데이터 통신
이동/고정 통신
9 상용화 시기 1999년(뉴욕) 2002년 2001년
10 서비스 확대
2005년경 전세계
(250기의 비행선)
일본 전역
(약 100기의
비행선)
전세계
11 예 산 $2.5 Bil
4500억엔
(기당 45억엔)
$ 15 Mil
12 개발 단계
핵심 기술 확보,
상용화 계획중
개념 설계 완료,
본격 설계 착수
개념 설계 완료
6. 성층권 통신 응용 서비스 및 전망
성층권 무선중계 응용 서비스 분야는 크게 고정 통신, 이동 통신, 전용
선 통신 및 공공 정보통신 서비스 등으로 구분할 수 있다. 미래의 무선통
신 시스템에서는 음성뿐만 아니라 고속데이터, 화상 등을 포함한 고속 멀
티미디어 서비스를 지원할 것으로 기대되므로, 인터넷을 통한 각종 멀티
미디어 정보 서비스가 보편화될 것이며, 특히 무선통신 시스템을 통한 무
선 인터넷 서비스에 대한 요구가 매우 증가할 것으로 예상된다. 현재 전
세계적으로 저궤도 위성을 이용한 GMPCS (Global Mobile Personal
Communications by Satellite) 사업이 활발히 진행되고 있으나, 이는 음성
및 저속의 데이터 서비스만을 목표로 하기 때문에 대용량 멀티미디어 서
비스 수요 증가에 따른 시장 요구에 즉각적인 대응이 어려운 형편이다.
- 15 -

또한 위성의 제작 기간, 발사 등의 경제적 부담에 따른 높은 사용 요금
(분당 약 3$)도 저궤도 위성 사업 추진의 장애 요인이 되고 있다. 따라서
이러한 상기한 문제점들을 해결하고, 적기에 경제적 경쟁력이 있는 대용
량의 무선 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해서는 성층권 무선중계선을
통한 서비스 제공이 가장 효과적인 방법이다. 성층권 통신망은 광역성, 동
보성, 회선 구성의 유연성, 광대역성 등의 위성통신의 장점을 지니고 있으
며, 망구축시 대도시를 중심으로 수요에 따라 점진적으로 서비스 지역을
확대해 나가는 구축 방법을 사용한다. 특히 가시경로통신 특성으로 인해
지상 이동통신 기지국에서 흔히 발생하는 음영 지역의 해소가 용이하며,
무선 전용 회선 공급이 적기에 유연히 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 성
층권 무선 중계망은 장차 국가의 초고속 무선 정보 통신 기반 구축 수단
으로써 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다. 또한, 통일 시에 통신
기반 시설이 취약한 북한지역의 통신 수요를 신속히 적기에 공급할 수 있
는 가장 유용한 수단이 될 수 있을 것이다. 성층권 무선 중계선에 의해
일반 사용자들에게 제공되는 서비스는 저속 메시지 서비스에서 초고속 멀
티미디어 서비스까지 다양한 서비스 제공이 가능하며, 크게 고정통신 서
비스, 이동 통신 서비스, 메시지 서비스, 전용선 서비스 등으로 생각할 수
있다. 한편 인터넷 서비스의 보편화와 함께 Full Motion 화상 회의 및 웹
TV 응용 서비스가 활성화될 전망이며, 사용자가 휴대형 멀티미디어 단말
기를 통하여 디지털 전화, 컴퓨터 및 비디오 정보를 수신할 수 있는 능력
을 제공하게 된다. 또한 국가 공공 통신 인프라로서 공공 서비스, 재해 통
신, 측위 등 보다 광범위한 응용을 제공한다.
- 무선 인터넷 접속 서비스
- 무선 디지털 가입자 통신 서비스
- 정지 위성과의 연동에 의한 국제간 서비스
- 기상 정보 서비스
- 초고속 이동 멀티미디어 서비스
- 동화상 전송 서비스
- 사건 및 재해 발생시 지상시스템의 백업 서비스
- PDA에 의한 데이터 전송 및 차량형 양방향 데이터 통신서비스
- 장애자지원 복지통신 시스템
- 영상소재 전송 서비스 등
- 16 -

제 3 장. TRS 개념
TRS는 Trunked Radio system을 뜻하는 것으로 주파수 이용의 효율성
을 높이기 위해 여러개의 주파수를 다수의 가입자가 공동으로 이용하는
무선통신 시스템이다. TRS는 이미 널리 사용되고 있는 차량전화나 휴대
전화에 비해 서비스 종류가 다양하고 가격도 저렴하여 주로 기업 등에서
업무용으로 적합한 통신 서비스이다. 즉, TRS는 하나의 단말기로 이동전
화는 물론 무선데이터, 양방향 무선호출 등의 기능을 발휘할 수 있으며
다양한 부가서비스를 이용할 수 있는 장점을 갖고 있다. 특히 TRS가 일
반 공중통신망(PSTN)과 연결되면 이동전화의 기능을 그대로 발휘할 수
있다. 이에 따라 TRS는 대형운수업체나 택시회사, 대규모 현장관리업무,
유통사업 분야, 보안서비스 등에 적합하다. 이 같은 TRS 서비스는 서비
스 방식에 있어서는 기존의 워키토키라고 불리는 무전기와 비슷하나 통화
권이 기지국을 중심으로 무전기는 2km 정도에 불과하지만 TRS는 최대
50km에 달한다. 또 혼신이 없고 보안성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있
다. 뿐만 아니라 TRS는 1개의 주파수 채널로 1대1 개별통신은 물론 1백
30여명 이상이 동시에 통화를 할 수 있다. 즉 그룹통화를 할 수 있다는
점이 TRS의 가장 큰 장점이다.
TRS 서비스는 지난 1960년대 미국에서 무선통신 서비스에 대한 수요
가 폭증하면서 나타난 주파수 부족현상을 해결하기 위한 수단으로 개발되
어 지난 1977년 8월부터 미국에서 본격적으로 상업용으로 이용되기 시작
했다. 또 일본에서는 지난 82년 10월 재단법인 이동무선센터가 동경지역
을 대상으로 서비스를 시작했고 영국에서는 밴드스리사가 지난 87년부터
서비스에 들어갔다. 국내에서는 지난 1988년 서울올림픽을 계기로 TRS
서비스가 도입되어 올림픽 기간동안 각국의 보도기관을 위한 통신지원용
으로 10개의 TRS 채널을 운영한 것이 국내 TRS 서비스의 효시이다. 이
어서 연안 선박들에 대한 자동전화 서비스를 목적으로 지금의 한국TRS
의 전신인 한국항만전화(주)가 지난 91년 2월 정부로부터 허가를 받아 그
해 12월부터 부산항만 일대를 대상으로 서비스에 들어갔다. 한국항만전화
는 그후 지난 93년 5월부터 11월까지 열린 대전엑스포 기간동안 TRS 서
비스를 운영한데 이어 94년 7월에는 인천 지역에 상륙, 육상에서 본격적
- 17 -

인 서비스를 제공하기 시작하여 지금은 전국을 대상으로 서비스를 하고
있다. 이어서 정부의 통신 산업 경쟁 확대 정책에 따라 지난해 6월 사업
허가를 받은 일부지역 사업자들이 최근 서비스를 개시했다. TRS는 또 상
업용 서비스 업체 외에 일부 대기업들이 자가 통신망으로 구축 활용하고
있기도 하며 경찰청이나 교통방송 검찰청 등에서도 자가 업무용으로
TRS망을 구축, 통신에 활용하고 있다.
TRS는 각 사용자가 특정한 주파수를 사용하던 가존의 무선통신방식과
달리 여러 개의 주파수를 다수의 가입자가 공동으로 이용하게 하는 방식
으로써 주파수 이용률 및 경제성이 매우 높은 무선통신 시스템이다. 현재,
TRS 방식은 미국과 일본에서는 MCA (Multi Channel Access), 한국과
유럽에서는 TRS(Trunked Radio System)이라고 한다. 주파수의 효율적인
활용을 위하여 사용되는 방법으로는 셀룰러 방식과 트렁크(Trunk) 방식
이 있다. 이 방식은 시간별로 다수의 그룹이 중계국과 주파수를 공용함으
로써 중계국시설이 감축되고 시설감축에 따른 부대 운영경비도 절감된다.
(그림 8) 지상국 TRS 시스템 구조
- 18 -

○ 각각의 다른 그룹의 가입자가 중계국을 공동으로 이용하기 때문에
사용자의 비용부담이 적다.
○ 망 확장이 용이한 구조로 되어 있어 시스템 하부구조 구축에 적합
하다.
○ 다양한 통화서비스를 제공할 수 있으며, 미래지향적 서비스 구축이
가능함.
○ 장치비, 사용료, 부가경비가 저렴한 대중통신 수단으로 도입이 용이
하며, 운수업, 제조업, 서비스업, 건설현장, 경비업체 및 연안선박 등의
부가 경비와 연계하여 물류비용을 최소화한다.
○ 고속통신에 강하고, 광역통신을 제공할 수 있어 경제적이다.
○ 채널당 가입자 수가 평균적으로 150~200명 정도 수용이 가능하다.
○ 통화 접속속도가 빠르기 때문에 가입자가 어느 곳으로 이동하든 망
간 통화가 가능하다.
○ 중계국의 핸드오버를 통해 원거리 통화 가능하다.
TRS와 타 시스템 비교
구 분 TRS 무 전 기 휴대전화
시스템 개발
용도
사용주파수
ㆍ그룹 내 동시통화
ㆍ그룹 내 개별통화
ㆍPSTN과의 접속통
화(이동전화)
806~821㎒
851~866㎒
- 20 -
기업내 업무연락 PSTN과의 접속통화
150, 200, 400 ㎒
824~849㎒
869~894㎒
채널수 600/800채널 832채널
통화방식 단신(PTT), 복신 단신 복신
기지국 송신출력 60~150W 50W 10~30W
기지국당
20~30Km 5~10Km 3~10Km
통화범위
호출방식 개별호출 일제호출 개별호출
로밍 가능 불가능 가능
핸드오버 가능 불가능 가능
주파수 활용효율 30명/채널 낮음 30명/채널
통화품질 높음 낮음 높음

현 TRS 시스템을 이용해 오는 2010년까지 경찰ㆍ소방ㆍ의료기관 등
재난구조기관이 어떤 상황에서도 통신망을 가동, 재난현장에서의 비상의
료서비스와 구조요원의 안전보장 기능 등이 제공되는 지상망ㆍ 위성망 통
합형인 `광대역 멀티미디어 재난구조 통신망'을 구축. 우선 재난구조 통신
망에 소요되는 주파수를 연내 기존 TRS 주파수 대역(300㎒ 또는 800㎒
대)에서 공급하고 이어 음성뿐 아니라 영상ㆍ고속 데이터 등 광대역 멀티
미디어 재난구조 통신망 구축을 위해 지상망과 위성망을 연계한 원격 재
해 사전감지ㆍ감시 및 구조 활동을 지원한다.
- 21 -

제 2 절 국내외 TRS 서비스 현황
주파수의 부족 문제에 대응하여 새로운 주파수 자원의 개발, 주파수 유
효 이용 기술의 개발 맟 디지털화의 추진 등 기초적, 선도적 연구 개발의
필요성에 따라 이러한 무선 통신 서비스의 수요를 충족시키는 한 방법으
로 TRS를 통한 서비스가 제시되고 있다. 국외에서의 광범위한 TRS서비
스에 비하여 빈약한 국내의 TRS 현황은 ‘96년 6월 신규 디지털 TRS공중
망 사업자의 선정으로 기존의 전국 사업자인 (주)한국 TRS와의 경쟁 구
도를 통해 TRS서비스에 대한 국내의 인지도 제고는 물론 물류비용의 절
감이라는 기업의 필요에 의해 괄목할 만한 성장이 예상된다.
1. 국내 TRS 시장 현황
91년 12월 한국 TRS(구 : 한국항만전화) 서비스개시 후, 93년 서울경찰
청의 112 지령통신 및 94년 한국 전력의 전력선 유지보수 무선통신망을
설치, 운영하며 실질적인 대규모의 TRS 통신망이 가동되었다. 이후 민간
기업에서도 TRS 시스템을 사용하게 됨에 따라 주파수 재원의 부족에 의
한 주파수 범위 확대가 요구되면서 기존 사용하던 800MHz 대역 외에
380MHz 대역을 추가로 확보하였다. 800MHz 대역의 경우는 25KHz 채널
할당이며, 380MHz 대역의 경우는 12.5KHz 대역 할당으로 각각 600과
800채널이 확보되어 있다. 아래의 에서 국내 TRS 주파수 할당 현
황과 , , 에서 중계기의 규격이다.
국내 TRS 주파수 할당 현황
구분 A밴드 B밴드 C밴드
할당용도 자가용 사업용 사업용
주파수대(800Mhz)
806~811Mhz
851~856Mhz
811~816Mhz
856~861Mhz
816~821Mhz
861~866Mhz
채널 수 200채널 200채널 200채널
주파수대(300Mhz)
371.5~376.5Mhz
389.5~349.5Mhz
376.5~381.5Mhz
394.5~399.5Mhz
채널 수 400채널 400채널
- 22 -

-주파수
-송신 주파수 간격
-채널 수용량
-채널 간격
-변조 방식
-주파수 허용 편차
-점유 주파수 대역폭
-송신 출력
-스프리어스 및
고조파
-최대 주파수 편이
-음성응답
-음성왜곡
-수신 감도
-신호 선택도
-스프리어스 및
고조파 억압
-음성응답
-음성왜곡
일반 규격
중계국 규격 단말기 규격
송신 851~866MHz 송신 806~821MHz
수신 806~821MHz 수신 851~806MHz
45MHz
45MHz
20채널 이상
600채널
250kHz
25kHz
주파수 변조
주파수 변조
1.5ppm
2.5ppm
16kHz
16kHz
송신 규격
중계국 규격 단말기 규격
75Watt 이하
휴대용 5W 이하
차량용 35W이하
-70dB
-60dB
± 5kHz
+1, -3dB 6dB/octave
(Pre-emphasis)
5%이하
(@ 1kHz, 3.5kHz Dev.)
수신 규격
- 23 -
± 5kHz
+1, -3dB 6dB/octave
(Pre-emphasis)
5%이하
(@ 1kHz, 3.5kHz Dev.)
중계국 규격 단말기 규격
0.3uW (12dB SINAD) 0.3uW (12dB SINAD)
-75dB
-70dB
-80dB
-60dB
+2, -8dB 6dB/octave
(Pre-emphasis)
5%이하
(@ 1kHz, 3.5kHz Dev.)
+2, -8dB 6dB/octave
(Pre-emphasis)
5%이하
(@ 1kHz, 3.5kHz Dev.)

2. 국외 TRS 시장 현황
일반적으로 TRS 서비스는 지역에 따라 다른 이름으로 불리워지고 있
는데 미국에서는 다수의 사업자가 지역적으로 특수 이동 무선(SMR :
Specialized Mobile Radio) 서비스로서 운용하고 있으며 TRS를 SMR의
범주에 포함시키고 디지털 SMR은 ESMR(Enhanced Specialized Mobile
Radio)로 불린다. 일본에서는 TRS가 MCA(Multi Channel Access), 유럽
에서는 PAMR(Private Access Mobile Radio : 사설 공중 접속 이동 무
선) 서비스로 블리워지고 있다. 국내와 마찬가지로 해외에서도 디지털
TRS에 대한 관심이 고조되고 있으며, 종합무선통신으로 각광 받고 있다.
가. 미국
미국의 서비스는 미국 FCC가 1974년 사설 육상 이동 무선 서비스를
다수의 사업자가 일정 지역에 사업적인 목적으로 제공할 수 있는 면허를
허가함으로써 시작되었다. 현재 800Mhz, 900Mhz 및 220Mhz 대역의 주
파수로 넥스텔 (Nextel Communication), 지오텍 (Geotec Communication)
등이 서비스를 제공하고 있으며 매년 12%이상의 성장률을 기록하고 있
다. 특히 넥스텔사는 모토롤라의 iDEN 기술을 이용하여 800Mhz 대역에
서 미국은 물론 멕시코 지역까지 서비스를 넓혀가고 있으며, 지오텍은
900Mhz 대역에서 전국42개 도시에 이미 1,200 채널을 확보하고 중소기업
을 집중적으로 공략하는 영업 전략으로 1996년 1월부터 상용 서비스 중이
다.
나. 일본
일본에는 1982년 재단법인 이동무선 센터가 도쿄 지역에 최초로
800Mhz 대역의 다중채널접속(MCA : Multi Channel Access) 방식에 의
한 TRS 서비스를 도입하였으며 현재 MCA는 권역별로 8개의 재단법인
이 서비스를 제공하고 있다. 또한 1987년 이래로 전용 MCA시스템이 소
개되어 모토롤라의 JSMR(Japan Shared Mobile Radio)시스템이 도쿠시마
지구 등에서 독점적으로 서비스를 제공하고 있다. 대표적인 사업자는
- 24 -

JAMTA와 MCA가 있다. 일본의 시장 동향을 살펴보면 1982년 서비스 개
시 이래,매년 증가율이 50%~70%로 급성장 추세에 있다. 이와 같은 수용
에 대처하기 위해 1.5Ghz 대역을 기존의 800Ghz대역에 추가하였으며,
1990년부터는 PSTN과의 상호접속도 제도적으로 인정하고 있다.
다. 유럽
유럽의 사설 이동 무선(PMR : Private Mobile Radio) 서비스는 중계국
과 차량간의 무선통신을 제고하기 위하여 시작하였고, 수요증가를 고려하
여 TRS 방식인 사설접속 공중이동무선(PAMR : Private Access Mobile
Radio) 시스템을 도입하였다. 아날로그 방식의 PMR의 문제점을 보완하여
발전한 PAMR은 범 유럽 주파수공용 통신 시스템인 디지털 방식의
TETRA(Trans European Trunked Radio)로 발전하였고, 유럽통신표준기
구(ETSI : European Telecommunications Standards Institute)에서 디지
털 TRS 표준방식으로 채택하여 개발하고 있다.
- 25 -

제 4 장. TRS 수직 고공 전파 통신시스템
TRS 수직고공전파통신시스템은 성층권 통신시스템에서 IMT-2000,
PCS, TRS 등의 서로 다른 주파수와 변조 방식들의 시스템을 성층권 탑
재체인 트랜스폰더에 하드웨어 구성 요소의 교체 없이 소프트웨어의 변경
만으로 가능하게 하는 무선기술인 SDR(Software Defined Radio) 시스템
을 이용한 통신으로, 이 방식들 중 860MHz 대역의 디지털 TRS를 이용
한 수직고공전파통신시스템에 대한 시스템 개념 설계를 한다.
제 1 절 수직 고공 전파 통신시스템
일반적인 수직 고공 전파 통신을 위한 성층권 비행선의 통신시스템의
탑재통신 장치도와 지상통신 장치의 개념도는 (그림 9)와 같다.
탑재통신장치에서는 영상장치와 FCC, 전원장치를 기반으로 크게 구성
이 되어 있고, 주통신 송수신부를 거쳐 RF단을 통한 송수신을 이룬다. 지
상국에 해당한 지상통신 장치에서는 RF단을 거쳐 주통신 송수신부를 거
쳐 정보원에 따른 분류처리를 한다.
(그림 9) 성층권 비행선 통신시스템 개념도
- 26 -

주링크(그림 11)와 보조링크(그림 12)의 따른 상세처리 과정은 아래 블
록도와 같다.
(그림 10) 주링크
(그림 11) 보조링크
- 27 -

통신제어기는 각 링크를 제어하고 전송신호의 기저대역신호를 처리, 전
방향 오류 정정, 동기화, 오류검출 및 프레임 형성 등의 기능을 수행하는
시스템이다. 이 시스템은 지상제어기와 탑제 제어기로 구성되며, 이 두 시
스템은 기능적으로 똑같은 역할을 수행한다(그림 12).
(그림 12) 통신제어기의 복부호기
(그림 13)은 ULDB 구성을 위한 성층권 탑제체의 트랜스폰더의 내부
설계 구성도이다. 본 논문에서는 기존의 LOS(Line of Sight) RF단에
860MHz 대역의 TRS 통신방식을 적용하고자 한다.
LO S
XMTTR #1
AUX
LO S
RCVR #1
MODEM
LO S
RCVR #2
MODEM
LO S
XMTTR #2
HD
#1
PCM
ENCODER
MONITORING
TDRSS
CMD
Science/
Ethernet
BUCD
Manual
Ballast
ARGOS
FLT
CPU
#1
STACK
Auto
Ballast
UTP
CAP
ROTATOR
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
DEVICE
SW ITCHING
POW ER
SW ITCHING
5V DC/DC
12V DC/DC
28V REGULATED
28V UNREGULAT
ARGOS
FLT
CPU
#2
STACK
Auto
Ballast
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HD
#2
IN M A RSA T
POW ER
DISTRIBUTION
BOX
ELECTRICAL
DISTRIBUTION
BOX
HGA
TD RSS
ACU
(그림 13) 성층권 탑제체 트랜스폰더
TD RSS
TRAN SPO N D ER
FLT C PU # 2 (1 )
MIL-S T D-1 5 5 3
FLT C PU # 1 (1 )
Q+/- F C # 1 (2 )
TDI C ard
I+ /- F C # 1 (3 )
BB-1
BB-2
BB-3
.
.
.
BB-10
TDI C ard
I+ /1 F C # 2 (3 )
Q+/- F C # 2 (2 )
uGPSi
BATTERY BOXES 1-10
GPS #1
GPS #2
BUCD
CMD’G
SOLAR
ARRAYS

(그림 13)에서 ULDB 성층권 탑제체 트랜스폰더의 LOS의 세부 구성도
는 아래와 같다.
DOWNLINK
Line of Sight Antennas
TX
L3COM
Model T-605HS
S-Band Xmitter
L3COM
Model T-605HS
S-Band Xmitter
PCM
Encoder
Aux.
Flt. CPU
#1
- 29 -
COMMAND LINK
EF JOHNSON
Model DL-3412
Receiver
PSK MODEM
VAL-COM . UHF
Type LSU ANT.
(그림 14) LOS 서브시스템
BUCD
RX
EF JOHNSON
Model DL-3412
Receiver
PSK MODEM
Flt. CPU
#2

제 2 절 TRS 통신시스템
이 절에서는 현재 서비스중인 iDEN 방식의 변조 기법(16-QAM)을 적
용한 TRS 서비스를 위한 구성이다. (그림 15)는 현재 KT파워텔에서 사
용하고 있는 미국의 iDEN방식의 구성도와 (그림 16)의 성층권 비행체와
중계기 그리고 단말기와의 개념도와 성층권 비행체 통신간의 서비스망 연
결도이다.
(그림 15) iDEN 시스템 구성도
(그림 16) 성층권 비행체 통신간의 서비스망 연결도
- 30 -

(그림 17)은 1:1 단말기 통신을 위한 애드혹을 이용한 네트웍의 개념도
이다.
(그림 17) 1:1 단말기 통신 - Ad hoc를 이용한 Network 개념
제5장에서는 앞장의 그림에서 성층권 통신과 TRS 통신방식과의 링크
버짓 계산식과 파라메타 그리고 링크 버짓을 구한다.
- 31 -

제 5 장 링크 버짓
제 1 절 링크 버짓 해석
통신링크는 송수신을 담당하는 두 TRS 단말기 사이에 비행선을 통한
무선 전파통신이다. 통신 링크는 두 부분으로 나누어지는데 TRS 송신 단
말기에서 비행선 수신기로의 업링크와 비행선 송신기에서 TRS 수신 단
말기로의 다운링크이다. 아래 (그림 18)은 TRS 단말기와 비행체의 통신
링크 개념도이다.
(그림 18) TRS 단말기와 비행체의 통신링크 개념도
여기서 링크 버짓은 통신링크에서 업링크 및 다운링크 과정으로 나누고
업링크에 대해서는 비행체에서 전력흐름밀도 및 명령수신기에서 여유를
계산하고 다운링크에 대해서는 다운링크 EIRP 1) 및 지상국에서 C/N o 2) 여
유를 계산하여 전체적인 통신성능 여유를 만족하는지 계산한 것이다. 링
크 버짓 해석 절차는 크게 업링크와 다운링크 해석 절차로 나누고 각각의
과정은 다음과 같다.
1) Effeectibe Isotropic Radiated Power
2) Carrier to Noise Ratio
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1. 업링크 해석
수신 안테나로 수신된 신호의 세기를 구하기 위해, 비행체에서의 파워흐
름밀도, 자유공간경로손실, TRS 단말기의 송신안테나 이득, TRS 단말기의
송신파워, TRS 단말기의 수신요구 전계강도를 계산하고, 비행선의 수신안
테나 이득과 수신파워를 계산한다. 그리고, 수신기 입력단에서의 캐리어 대
잡음비(C/N o)를 계산한다. 여기서 캐리어 대 잡음비는 EIRP, 자유공간 경
로손실(Free Space Path Loss), 비행체의 G/T, 볼츠만 상수 값들로부터 업
링크의 수신 C/N o를 계산한다.
2. 다운링크 해석
업링크와 마찬가지로 다운링크는 수신 안테나로 수신된 신호의 세기를
구하기 위해, TRS 단말기에서의 파워흐름밀도, 자유공간경로손실, 비행체
에서의 송신 안테나 이득, 비행체에서의 송신파워, 비행체에서의 수신요구
전계강도를 계산하고, TRS 단말기 수신안테나 이득과 수신파워를 계산한
다. 그리고, 수신기 입력단에서의 캐리어 대 잡음비(C/N o)를 계산한다. 여기
서 캐리어 대 잡음비는 업링크와 같이 EIRP, 자유공간 경로손실(Free
Space Path Loss), TRS 단말기의 G/T, 볼츠만 상수 값들로부터 다운링크
의 수신 C/N o를 계산한다.
업링크 다운링크
수신 안테나로 수신된 신호의세기 수신 안테나로 수신된 신호의 세기
업링크 EIRP 버짓 해석 다운링크 EIRP 버짓 해석
비행체에서의 피워흐름밀도 계산 TRS 단말기에서의 피워흐름밀도 계산
수신기 입력단에서의 C/N o 계산 수신기 입력단에서의 C/N o 계산
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제 2 절. 링크 버짓 해석 파라미터
안테나 지름 D=0.01m 인 TRS 단말기의 송신 안테나를 사용할 때 송
신 파워는 5W이고, 송신 주파수는 860MHz이다. 이 안테나가 20km 떨어
진 비행체의 안테나에 송신을 하고 , 비행체의 수신 안테나 빔은 빔폭이
θ 3dB =2 o 이다. 여기서 지상국의 위치는 비행체의 안테나가 커버하는 지
역의 정중앙에 있다고 가정하고, 따라서 비행체 안테나에서 최대의 안테
나 이득을 갖는다고 생각한다. 이때 최대의 안테나 이득을 갖기 위해 비
행체 안테나의 효율은 η =0.55 이다.
1. 업링크
수신 안테나로 수신된 신호의 세기를 계산하기 위해 TRS 단말기의 안
테나 이득을 구한다. TRS 단말기의 안테나 이득 (GTmax)은 기본적인 안
테나의 이득을 구하는 방법으로 1dB~10dB의 값을 가지고 구한다.
0 dBd = 2.15 dBi , dBi = dBd + 2.15
수신 안테나로 수신된 신호의 세기를 계산하기 위해 TRS 단말기에서
의 파워 흐름밀도를 구하고, TRS 단말기에서의 파워 흐름밀도를 계산하
기 위해 TRS 단말기의 송신파워와 TRS 단말기의 수신요구 전계강도를
구한다. (단, TRS 단말기의 안테나 이득은 10dB를 기준으로 계산한다.)
- 34 -

▪ TRS 단말기의 송신파워 (P TX )를 구한다.
P TX = 10log 5 ≒ 6.99dBW (dBW ) (1)
▪ TRS 단말기의 수신요구 전계강도(EIRP)를 구하면,
EIRP = P TX + G Tmax (dBW ) (2)
= 6.99 + 10.0 ≒ 16.99dBW
▪ 따라서, 비행체에서의 파워흐름밀도(Φ)는
Φ = P TG Tmax
4πR 2 (dBW/m 2 ) (3)
= 6.99 +10.0
4πR 2
≒ 16.99 − 10log (4π (20 10 3 ) 2 )
≒ 16.99 − 97.0
≒− 80.0 dBW/m 2
수신 안테나로 수신된 신호의 세기를 계산하기 위해 자유공간 경로손실
을 구한다.
▪ 자유공간 경로손실 3)(L FS)값은,
L FS =10log ( 4πR
λ U
) 2 =10log ( 4πRf U
c
= 10log (
4π 20 103 860 10 6
3 10 8 ) 2
≒ 117.2dB
3) Free Space Path Loss
- 35 -
) 2 (dB ) (4)

수신 안테나로 수신된 신호의 세기를 계산하기 위해 비행체의 수신안테
나 이득을 구한다.
▪ 비행체의 수신안테나 이득(G R = G Rmax)은
G Rmax = η( πD
λ U
= 0.55 (
) 2 = η ( 70π
Θ 3dB
70 π
2
) 2
≒ 10log 6650 = 38.2 dBi
θ 3dB =70( λ U
D
), D
λ U
) 2 (dBi ) (5)
= 70
, θ3dB =2
θ3dB o
위의 계산 값들을 이용하여 비행체의 수신파워를 구한다.
▪ 비행체의 수신파워(P R)
P R = EIRP − 자유공간손실 + 수신안테나이득(dBW ) (6)
=− 16.0 − 117.2+38.2 =− 95dBW
수신기 입력단에서의 캐리어 대 잡음비(C/N o )를 구한다.
C/N o = Φ (
λ 2
4π
)( 수신기이득
잡음온도
≒− 87.0 ( 8.3
12.6
≒ 42.9
- 36 -
)( 1
k
) ( − 57.88
290
) (dBHz ) (7)
) (228.9)

2. 다운링크
모든 계산식과 파라메타가 같을 경우(단, 송신파워가 75W를 가질 경우)
를 계산 한다. 수신 안테나로 수신된 신호의 세기는 비행체 안테나의 빔폭
이 송수신의 경우에 같도록 만들어져 있으므로 그 송수신 이득도 서로 같다
고 생각한다. 따라서 비행체의 송신파워와 수신요구 전계강도, TRS 단말기
의 파워 흐름밀도를 구하면,
▪ 비행체의 송신파워 (P TX )는
P TX =10log 75 ≒ 18.75dBW (8)
▪ 비행체의 수신요구 전계강도(EIRP)는
(EIRP ) SL = P TX + G Tmax (10)
≒ 18.75 + 38.2 =56.95dBW
다운링크상의 TRS 단말기에서의 파워흐름밀도Φ를 구한다.
Φ = P TG Tmax
4πR 2 (11)
= 18.75 + 38.2
4πR 2
≒ 57.0 − 10log (4π (20 10 3 ) 2 )
≒ 56.0 − 97.0
=− 41.0 dBW/m 2
자유공간 경로손실(L FS)은 f U = f D 업링크와 동일(L FS =117.2 )하고,
TRS 단말기의 수신 안테나 이득은 업링크에서의 TRS 단말기의 송신 안테
나의 이득과 같으므로 (GR=GRmax=GTmax)이므로 10dB 이다.
- 37 -

위의 값들을 이용한 TRS 단말기의 수신파워(P R)를 구한다.
P R = EIRP − 자유공간손실 + 수신안테나이득
= 57.0 − 117.2 +10=− 50.2dBW
TRS 단말기에서의 수신 C/N o을 계산한다.
C/N o = Φ ( λ2
4π
)( 수신기이득
잡음온도
≒− 41.0 ( 8.3
12.6
≒ 98.73
- 38 -
)( 1
k
) ( − 46.12
290
(13)
) (14)
)(228.9 )

제 3 절. 시뮬레이션 결과 및 분석
이 절에서는 시뮬례이션 결과를 도출하고 분석한 것으로, (그림 19)과
같이 업링크와 다운링크의 시뮬레이션과 수학적인 개념을 바탕으로 비교
계산한 값과 기타 파라메타 이다.
시뮬레이션을 위한 기타 파라메타
변위 내용 수치 비고
r Data Rate
다운링크 : 9~350Kbps
업링크 : 100~300bps
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ULDB LOS 기준
D 안테나의 직경
TRS 단말기 0.01m
비행체 4m
위성안테나 기준
λu 업링크 파장 0.375m f : 860MHz
η
안테나 표면적
효율
지상국에서
비행체 0.55 위성안테나 기준
R 비행체까지의
거리
20Km 성층권 통신 기준
T 잡음온도 290K 섭씨 -45~-70도(평균 -60도)
통신을 위한 BER 요구 조건 10 -3 을 충족하기위해 Eb/N0 = 10.5dB를 만
족하는 통신 시스템을 구성하는데 16-QAM을 적용한다. (그림 19).
(그림 19) 16-OAM Eb/N0 와 BER 곡선

성층권 통신에서 링크 버짓의 성능분석을 하고 업링크 및 다운링크의
과정으로 나누어서 위성통신의 값과 비교 설명하였다. 수신전계강도 시뮬
레이션 결과가 이다.
수신전계강도 시뮬레이션 결과
고도 성층권통신 10km 성층권통신 20km
link 업링크 다운링크 업링크 다운링크
주파수 860MHz 860MHz
Transmitter power(dBW) 6.99 18.75 6.99 18.75
Path loss(dBW) 111.1 117.2
Transmitter안테나이득(dB) 10 38.2 10 38.2
수신기 안테나 이득(dB) 38.2 10 38.2 10
EIRP(dBW) 16.99 56.95 16.99 56.95
Pr(안테나의 수신 파워)=
EIRP-Pathloss+안테나이득
수신기 입력단에서의 캐리어대
잡음비(dBhz)
-62.0dBW -50.2dBW -62.0dBW -50.2dBW
55.0 110.8 42.9 98.7
파워흐름밀도(Φ, dBW/m 2 ) -75 -35.0 -80.0 -40.0
- 40 -

에서는 성층권 통신의 20km 상공에서의 통신과 위성통신의
40000km의 통신을 비교하였다.
위성통신과 시뮬레이션 결과 비교
고도 성층권통신 20km 위성통신 40000km
link 업링크 다운링크 업링크 다운링크
주파수 860MHz 14GMHz 12GHz
Transmitter power(dBW) 6.99 18.75 20 10
Path loss(dBW) 117.2 207.4 206.1
Transmitter안테나이득(dB) 10 38.2 53.1 38.2
수신기 안테나 이득(dB) 38.2 10 38.2 58.1
EIRP(dBW) 16.99 56.95 73.1 48.2
Pr(안테나의 수신 파워)=
EIRP-Pathloss+안테나이득
수신기 입력단에서의 캐리어대
잡음비(dBhz)
파워흐름밀도(Φ, dBW/m) 2
-62.0dBW -50.2dBW -6.8mW -31.5mW
25.9 85.71 99.2 92.6
-80.0 -40.0 -89.9 -114.8
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제 6 장 결 론
본 논문은 성층권 통신시스템과 TRS 통신시스템을 이용한 시스템 설
계 및 링크 버짓을 구하였다. 시뮬레이션의 결과를 보면 알 수 있듯이 성
층권을 통한 통신의 가능성을 보여주었다. 안테나의 효율이 아직까지 이
두 분야에 대한 인지도가 적지만, 현재 성층권 통신시스템과 TRS 시스템
의 주파수 할당 문제와 개발에 국가적 차원으로 진행 한다. 본 논문에서
는 성층권 통신시스템이 실행된다는 가정 하에 작성하였다. 현재 성층권
통신시스템의 연구가 활발하게 진행 중이고 또한, 성층권 비행선에 탑재
체인 트랜스폰더에 사용될 SDR의 연구 또한 활발하게 진행 중이다. 이에
SDR로 구현 가능한 통신 방식인 IMT-2000과 PCS 및 TRS 등의 통신방
식 중 TRS를 이용한 시스템 설계와 링크 버짓을 구하였다. 현재 TRS 통
신방식은 타 무선통신보다 경제적이고, 재난 및 인명구조용 조난방재 통
신시스템의 대체방식인 통신 방식이다, 또한 성층권 통신 시스템도 대체
방식중 하나로 이 두 방식을 이용한 TRS 성층권 고공 통신의 시스템 설
계하고 링크 버짓을 구하였다. 여기서의 성층권 통신시스템은 TRS시스템
에 대한 중간기지국의 중계기역할을 한다. 이를 위해 먼저 위성과, 성층권
통신의 통신링크의 Link budget 성능분석을 하고, Link Budget을 위해서
업링크와 다운링크의 과정으로 나누어서 계산, 비교하였다. 비행체에서 전
력흐름밀도 및 명령수신기에서 여유를 계산하고 다운링크에 대해서는 다
운링크 EIRP 및 TRS단말기에서 C/N o 여유를 계산하여 전체적인 통신성
능 여유를 만족하는지 조사를 하였다. 비행체와의 링크 버짓을 통해서 성
능분석을 해보았는데 성층권 통신은 각각의 파라미터에서 볼 수 있듯이
지금의 위성통신에 비해서 우수하다. 이렇게 우수한 성층권 통신은 수평
파를 이용한 지상파 통신과 수직 위성파인 위성통신에 이은 수직고공인
제 3의 전파통신으로 주목받고 있다. 이러한 성층권 통신은 현재 정부 주
체로 항공우주연구원과 각 대학들 공동으로 비행선의 개발에 노력하고 있
으며, 비행선은 2010년까지 연구를 마치고 실용화할 방침이다. 아직은 비
행체 및 여러 가지 기술적인 제약이 있지만 실용화가 되면, 현재 위성통
신 위주의 획일 된 통신방식의 발전을 벗어나서 저비용, 저출력 고이득의
성층권 통신으로 지금의 통신을 이어나갈 수 있을 것이다.
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참 고 문 헌
[1] 진용옥, “ ULDB Telecommunication System”, 경희대학교, 2002.
[2] 윤 훈, “ 800MHz대 주파수 공용통신(TRS) 시스템의 활용에 관한 연
구 ”, 여수대학교 대학원 전자통신공학과, 2002.
[3] 이연우, “ 성층권 통신망 구축을 위한 무선 광 전송 시스템 설계 ”,
연세대학교 대학원 전파공학과, 2001.
[4] 안달준, “ 주파수공용통신(TRS)과 FHMA 가술 ”, ETRI, 주간기술동
향, 95-2, pp159, 1995.
[5] 한진호․오성환, “주파수를 효율적으로 이용하는 TRS 시스템 기술 및
구현”, 한국통신학회지, vol. 12, No. 5, pp. 406-413, 1995
[6] 진용옥, “ 성층권 전파응용서비스 시스템 ”, 경희대학교, 2002.
[7] 함동일, “ HAPS와 NGSO 시스템의 Service Link상의 간섭영향 분석
”, 군산대학교, 2003. 2.
[8] G. Maral․M.Bousquet 著 “ Satellite Communication Systems " -
역자 이연우 “인공위성 통신시스템” p.20~p.63
[9] http://airship.kari.re.kr
[10] http://www.aric.or.kr
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Abstract
The TRS, Link Budget and Conceptual Design of System
Stratosphere High Altitude Radio Wave Communication
System
Hyo June Jeong
Department of Radio Engineering,
Gradute School of Khung Hee University
Suwon, Korea
In order to perform the analysis of the link budget, we divided the
analysis process into two processes, i.e., uplink and downlink process. For
the uplink the power flux density at the spacecraft and the margin of the
command receiver are calculated. In the case of the downlink the downlink
EIRP and the margin of C/No at the ground station are calculated.
Through the uplink performance analysis, the power at the command
receiver has well efficient margin, and the margin of C/No is also fully
proper for the downlink case.
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