드론 통신 거리 늘리는 방법

드론통신거리 20km 확장 저주파 통신기술 개발 [사진 =클립아트 코리아]

기존에 많이 사용되는 와이파이 주파수를 이용하면 통신 거리가 대략 2km 이내이다. 이는 통신 주파수의 특성과도 관련이 있고 또한 여러 가지 전파 간섭과도 상관이 있다.  그래서 드론을 10km 이상 날릴 수 있는 기술은 아직까지 쉽지 않은 실정이다.  뉴스에 보면 다음과 같은 글을 찾아볼 수 있습니다.  

 

 과기부 "드론 고도 20㎞까지 늘리는 통신기술 개발추진"  요약된 내용은 아래와 같습니다.
통신 거리가 짧아 반경 1km까지만 비행이 가능하던 드론을 최대 20km까지 날게 하는 기술 개발이 시작된다. 
과학기술정보통신부는 3일 최대 20km까지 통신이 가능한 저주파수 대역인 433메가 헤르츠(MHz)에 기반한 드론 응용 통신 기술 개발과 실증 사업 수행기관으로 선정된 광운대 컨소시엄이 본격적인 연구에 착수했다고 밝혔다.

 

본 블로고에서는 어찌하여 433 MHz 대역을 사용하여 드론 통신거리를 늘리는 게 가능한지와  장단점에 관하여 기술하고자 합니다.

 

433 MHz를 사용하는 이유 

기존에 사용되던하는 ISM 대역의 와이파이  주파수는 통신거리를 넓히는 데는 한계가 있습니다. 그래서 아마 433 MZH 대역의 주파수를 사용하여 통신거리를 늘리려는 것 같습니다. 주파수 설정은 국가마다 허가를 받아야 하는 항목이며 이는 절차상의 문제 임으로 이 주파수를 지정한 것에 대해서는 언급을 특별히 하지 않겠지만 이는 주파수에 따라 통신거리가 달라지는 원리는 전파의 특성과 관련이 있습니다

주파수에 따라 통신 거리가 달라지는 원리는 전파의 특성과 관련이 있습니다.

1. 주파수와 전파의 통신거리

일반적으로 낮은 주파수는 높은 주파수보다 더 멀리 전파될 수 있습니다. 이는 낮은 주파수의 전파가 물리적 장애물을 더 잘 통과하고, 대기 중의 입자에 의해 산란되는 정도가 적기 때문입니다. 예를 들어, 433 MHz 주파수는 2.4 GHz나 5.8 GHz 주파수보다 건물이나 나무 등의 장애물을 더 잘 통과할 수 있습니다.
주파수가 작으면 높은 주파수에 비해 채널 주파수 대역폭이 작아집니다. 채널 대역폭이 작을 때 통신 거리가 더 멀어질 수 있는 이유는 에너지 보존 법칙과 관련이 있습니다.

 

주파수 대역폭이 작은 경우, 같은 에너지를 더 적은 주파수 범위에 집중할 수 있기 때문에, 신호의 강도가 상대적으로 강해집니다. 이는 신호가 더 멀리 전파될 수 있게 만들어줍니다. 반대로 주파수 대역폭이 넓으면 동일한 에너지가 더 넓은 주파수 범위에 분산되므로, 각 주파수에서의 신호 강도는 약해집니다.

또한, 주파수 대역폭이 작은 경우에는 노이즈와 간섭에 대한 영향이 줄어들게 됩니다. 주파수 범위가 좁다는 것은 그만큼 노이즈와 간섭이 발생할 가능성이 있는 주파수 범위가 줄어든다는 것을 의미합니다. 이 역시 신호가 더 멀리 전파될 수 있게 도와줍니다.

그러나 주파수 대역폭이 너무 작아지면 한번에 전송할 수 있는 데이터의 양이 줄어들어 데이터 전송률이 감소하는 단점이 있습니다. 따라서 주파수 대역폭과 통신 거리, 데이터 전송률 사이에는 적절한 균형이 필요합니다

2. 주파수와 전파의 에너지

 주파수가 높을수록 전파의 에너지가 높아집니다. 이는 높은 주파수의 전파가 데이터를 더 빠르게 전송할 수 있음을 의미하지만, 에너지 소모가 더 많아지므로 통신 거리가 줄어듭니다. 따라서 낮은 주파수를 사용하면 더 멀리까지 신호를 전송할 수 있지만, 데이터 전송 속도는 느려질 수 있습니다. 반대로 높은 주파수를 사용하면 데이터 전송 속도는 빨라지지만, 통신 거리는 줄어들 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 각 주파수 대역은 그에 적합한 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 433 MHz는 장거리 통신을 위해, 2.4 GHz나 5.8 GHz는 고속 데이터 전송을 위해 주로 사용됩니다.

우선, 433MHz 주파수 대역은 LPWAN(Low Power Wide Area Network)인 LoRa(Long Range) 통신에 널리 사용되는 주파수입니다. 이 주파수 대역은 전력 소모가 적고 광범위한 범위를 커버할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 이는 드론의 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

다음으로, 5G는 높은 데이터 전송 속도와 낮은 지연 시간을 제공합니다. 이러한 특성은 실시간으로 고해상도 비디오를 스트리밍 하거나, 복잡한 명령을 신속하게 전달하는 것과 같은 드론의 고급 기능에 이상적일 수 있습니다.

이 두 기술을 결합하면, 낮은 전력으로 넓은 범위를 커버하면서도 높은 데이터 전송 속도를 제공하는 드론 통신 시스템을 구축할 수 있을 것입니다. 하지만, 이러한 시스템을 개발하고 구현하는 것은 복잡하고 어려울 수 있습니다. 특히, 두 통신 기술 간의 간섭 문제, 전력 관리, 안정된 연결 유지 등에 대한 고려사항이 있을 것입니다.

 

3. RSSI 확인 하기

통신거리와 관련하여 무선 통신장치가 수신하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator)의 값을 잘 확인해야 합니다
RSSI 값이 높을수록 수신 신호의 품질이 좋다는 것을 의미하며, 이는 통신 거리가 가까워짐을 나타냅니다. 반대로 RSSI 값이 낮을수록 수신 신호의 품질이 나빠지며, 이는 통신 거리가 멀어짐을 의미합니다. 따라서 RSSI는 드론과 조종기 간의 통신 거리를 판단하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다. 하지만 RSSI 값은 환경적 요인에 크게 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어, 물리적 장애물, 기상 조건, 전파 간섭 등으로 인해 실제 통신 거리와 RSSI 값 사이에 차이가 발생할 수 있습니다.
그러므로 RSSI 값을 통해 통신 거리를 판단할 때에는 이러한 요인들을 고려해야 하며, RSSI 값이 특정 임계값 이하로 떨어질 경우 드론을 안전한 범위 내로 되돌리는 등의 조치가 필요합니다.

 

드론의 수신 감도를 높이 방법

드론의 수신감도를 높이는 방법 몇 가지를 소개합니다:

1. 안테나 업그레이드:
 수신감도를 향상하는 가장 직접적인 방법 중 하나는 더 좋은 품질의 안테나로 업그레이드하는 것입니다. 고성능의 안테나는 신호를 더 잘 수신할 수 있으므로 수신감도를 높일 수 있습니다.

2. 안테나 위치 최적화: 
안테나의 위치와 방향을 최적화하면 수신감도를 향상할 수 있습니다. 일반적으로 안테나는 장애물로부터 멀리 떨어져 있어야 하며, 드론과 조종기 간의 직선 경로를 유지하는 것이 중요합니다.

3. 조종기 파워 업그레이드:
조종기의 전송 파워를 증가시키면, 더 강력한 신호를 발송할 수 있으므로 드론의 수신감도를 향상할 수 있습니다. 하지만 이 방법은 법적 제한에 주의해야 합니다.

4. 무선 잡음 최소화:
드론 주변의 무선 잡음을 최소화하면 수신감도를 향상할 수 있습니다. 예를 들어, 다른 무선 장치와의 거리를 멀리하거나, Wi-Fi 신호가 약한 곳에서 비행하는 등의 방법이 있습니다.

5. 증폭기 사용: 
RF(Radio Frequency) 증폭기를 사용하면 신호의 강도를 향상하고 수신감도를 높일 수 있습니다. 하지만 이 역시 법적 제한에 주의해야 합니다. 증폭기를 사용하면 출력을 높일 수 있지만 이는 전파 제한 규정법을 확인하고 사용하여야 합니다.

 

마무리하며

지금까지 저주파를 사용할 때와 고주파를 사용할 때의 통신거리 및 데이터 전송량 등의 특성을 간단하게 알아보았습니다. 이는 실제도도 이러한 시스템 등을 구체화하기 위해서는 많은 연구가 필요합니다. 고성능 안테나 개발 및 이에 이에 맞는 통신 모듈 개발 및 , 시스템 구축방향등도 고려해야 합니다. 이러한 방법들은 모두 수신감도를 높이는 데 도움이 될 수 있지만, 각각의 효과는 드론의 종류, 사용 환경, 통신 기술 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있습니다.