Analysis of Consideration Factors and Efficient Frequency Operation Strategies for Future Weapon Systems of Ground Forces

지상군 미래 무기체계 주파수 운용 고려 요소 및 효율적 운용 방안

Abstract

With the development of advanced technologies like artificial intelligence, drones, and robotics, weapon systems are becoming more unmanned, intelligent, and networked. The increased of networked unmanned and manned-unmanned hybrid systems will inevitably lead to various problem such as frequency demand, bandwidth for information, and frequency interference. In particular, the Korean Peninsula operates a large number of weapon systems in a limited area due to its geographical characteristics. In addition, frequencies must be pre-assigned according to the type of weapon system. This leads to problems with frequency interference and efficiency. This leads to frequency interference, frequency efficiency issues, and the need to operate and manage more frequencies to create a hyper-connected network utilizing 5G, 6G, etc. for unmanned and intelligent future weapon systems. The growing use of commercial drones for military purposes is also expected to further strain the defense electromagnetic environment. However, few studies are currently conducted to efficiently operate and manage limited frequencies, and no analysis of interference between future weapon systems and commercial drone frequencies is conducted. Therefore, this paper presents the factors to consider and operational strategies for efficient frequency utilization and management based on the operational concept of future C4I systems of ground forces.

인공지능, 드론, 로봇 등의 첨단 기술의 발전으로 무기체계의 무인화, 지능화, 네트워크화가 추진되고 있다. 네트워크로 연결된 무인 무기체계, 유·무인 복합 무기체계의 증가는 필수적으로 주파수 소요의 증가, 정보유통을 위한 대역폭 확보, 주파수간섭 등 다양한 문제를 야기할 것이다. 특히 한반도의 지형적 특성으로 한정된 지역에서 다수의 무기체계를 운용하여야 하며, 무기체계의 종류에 따라 사전에 할당된 주파수를 사용하여야 한다. 이 때문에 주파수 간섭, 주파수 효율성의 문제가 발생하며, 무인화, 지능화되는 미래 무기체계를 5G, 6G 등을 활용하여 초연결 네트워크를 구성하기 위해서는 더 많은 주파수를 운용, 관리해야 한다. 또한 상용 드론의 군사적 사용 증가는 국방 전파환경의 악화를 가져올 것으로 예상된다. 그러나 현재 한정된 주파수를 효율적으로 운용, 관리하기 위한 연구는 제한적으로 이루어지고 있으며, 미래 무기체계의 주파수와 전력지원체계로 도입하는 상용 드론 등과의 연관성 분석 등은 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 지상군의 미래 지휘통제·통신 및 감시정찰체계의 운용개념을 토대로 효율적인 주파수 운용, 관리를 위한 고려 요소와 운용 방안을 제시한다.

1. 서론

인공지능, 드론, 로봇, 5G/6G, 저궤도 위성통신 등 최신 기술의 발전은 무인화, 지능화, 네트워크화를 통해 국방 무기체계에 커다란 변화를 가져오고 있다. 미래전의 개념이 변화하고 이에 따라 기존의 병력이 탑승하여 운용하는 무기체계들이 점차 무인 무기체계나 유․무인 복합전투체계로 전환이 추진되고 있다[1-3].

특히 감시정찰 위주의 무인기 운용은 공격용, 통신중계용, 다목적용 드론 등 다양한 용도의 드론을 도입하면서 대대급 이하의 소부대까지 무인기를 군사작전에 활용하고 있다[4]. 최근 우크라이나는 드론을 적극적으로 활용하여 군사작전을 수행하고 있으나 러시아의 전자전 및 방공시스템에 의해 온전한 효과를 거두지는 못하고 있다. 이는 전파를 사용하는 무선 데이터 링크의 취약성으로 인해 드론의 활동이 제한되기 때문이다[5]. 그러나 1인칭 시점의 FPV 드론을 활용하여 적의 장갑차, 포병 및 병력 등의 공격에 효과적으로 활용하고 있다[1].

또한 미래 무기체계의 지능화는 다양한 AI 기술을 활용하여 사물, 사람, 상황을 인식하고 무기체계 스스로 전투 또는 지원임무를 수행할 수 있어야 하며, 지휘소와의 원활한 데이터 통신을 전제로 한다. 따라서 미래 무기체계를 네트워크로 연결하기 위해서는 충분한 주파수의 확보가 필수적이다. 이를 위해 미국방부는 5G 기반 유무인 복합전투체계의 실증 프로젝트를 시행하여 동적 주파수 활용 등에 대한 시험을 진행하고 있다[6]. 우리 국방부 또한 국방혁신 4.0을 통해 AI 기반의 과학기술강군 육성을 천명하고 AI 유·무인 복합전투체계를 중심으로 전력을 운영하기 위한 정책을 추진하고 있다[2].

이러한 경향은 기존의 전자전을 전자기 스펙트럼 작전으로 변화시키고 있으며 하나의 전장영역으로 구분하고 이 영역에서의 우세 달성을 위해 전자전 관련 무기체계의 개발, 고도화의 필요성을 이야기하고 있다[1, 7]. 레이더, 무인기의 제어 및 데이터 통신을 비롯하여 C4I체계까지 모든 무기체계가 유·무선 통신장비를 통해 정보를 유통하고 있으며, 군사작전이 수행되는 전장은 대부분 전파를 사용하는 무선 통신장비를 운용하기 때문이다. 그러나 전자기 스펙트럼 영역의 우세 달성의 토대가 되는 미래 무기체계의 주파수 관련 문제 해결을 위한 우리 군의 노력은 미흡한 실정이다. 또한 데이터 유통 측면에서 네트워크 발전 방안 등에 대한 연구는 진행하고 있으나[8, 9] 효율적인 주파수 운용, 관리 등에 관한 연구는 이루어지지 않고 있다.

따라서 본 논문에서는 전자기 스펙트럼 영역에서의 우세 달성에 필요한 미래 무기체계 주파수의 효율적인 운용, 관리를 하기 위해서 고려해야 할 요소를 분석하여 제시한다. 본 논문의 이후 구성은 다음과 같다. 2장에서는 주파수 관련 연구를 살펴보고, 3장에서 지상군 미래 무기체계 중 주파수 소요가 가장 많은 지휘통제·통신체계와 감시정찰체계의 운용개념 및 운용범위를 예측하며, 4장에서 효율적인 주파수 운용 및 관리 방안을 제시한다. 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.

2. 관련 연구

주파수 관련 연구는 전파의 경로손실 등 전파특성 연구, 주파수 간섭 문제 해결, 주파수 부족 문제의 해결 방안을 제시하는 연구가 주를 이루고 있다. 전파의 경로손실 측정 관련 연구로 5G 주파수 대역에서의 실내 복도 전파 경로손실 측정 및 분석 연구가 있다. 5G 이동통신에서 사용하는 3.7 GHz, 28 GHz 대역 주파수의 건물 복도에서 경로 손실을 측정, 분석한 연구이다. 그러나 이 연구는 주로 실외에서 사용하는 무기체계와 직접적인 연관은 없다. 다만 지하 공동구, 지하철도 등의 지하시설 내에서 군사작전 시에는 충분히 고려할 요소이다[10].

무기체계 관련 전파 특성에 대한 연구로 항공체계의 데이터링크 밀리터리 대역의 다중 경로 페이딩을 분석한 연구가 있다. 이 연구에서는 (그림 1)과 같이 항공체계에서 밀리미터 대역의 데이터링크를 사용할 때 다중경로 전파로 인한 페이딩 현상이 발생함을 250m, 500m, 1km의 통신거리에서 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 이를 토대로 밀리미터 대역의 주파수를 사용하는 공용데이터링크 시스템 설계 시 이러한 특성의 반영이 필요함을 주장하였다[11].

(그림 1) 다중경로 페이딩 발생의 예

전파 특성 연구 중에는 드론을 이용하여 DTV 무선국 안테나의 방사패턴을 측정한 연구도 있다. 이 연구는 드론을 활용하여 무선국의 안테나가 방출하는 전파의 수직, 수평 방사패턴을 측정하였다. 이는 궁극적으로 무선국의 제원 정보를 정확하게 분석하여 주파수 간섭 현상 분석 결과의 신뢰도를 향상하기 위한 연구이다[12].

다음은 주파수 간섭 문제와 관련된 연구이다. 드론 운용을 위한 433 MHz 전파 측정 및 분석 연구에서는 현재 2.4 GHz, 5 GHz 대역을 사용하는 드론의 운항 주파수에 433 MHz 대역이 2019년 신규 할당된 이후 아마추어 무선통신 주파수와의 간섭 영향을 분석하였다. 이 연구에서는 선박 통신에 사용하는 200 MHz 대역의 주파수 고조파가 433 MHz 대역에서도 수신되는 현상을 확인하여 아마추어 무선통신과 혼신 및 간섭 현상이 발생할 가능성이 있다고 판단하였다[13].

주파수 간섭의 이해, 분석 방법, Sub-GHz 주파수대역 적용 사례 연구에서는 주파수 간섭 이론을 체계적으로 정리하고, 면허 대역과 비면허 대역으로 구분하여 주파수 간섭을 분석한 사례를 들어 주파수의 효율적 사용이 필요함을 주장하였다[14].

저궤도와 정지궤도 위성통신의 하향링크 간섭을 분석한 연구도 있다. 이 연구에서는 정지궤도 위성과 저궤도 위성이 Ku-Band 주파수 대역을 공유하여 하나의 지상국을 지향하여 하향링크 전송을 할 때 간섭 현상을 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 간섭이 발생함을 확인하고 저궤도 위성의 고도에 따른 간섭 세기의 변화를 제시하고 있다. 이 연구 결과는 한반도 상공에서 군 정지궤도 위성인 ANASIS와 향후 군 저궤도 위성을 동시에 운용할 때 간섭 현상이 발생할 가능성이 있음을 시사하고 있다[15].

2.4 GHz 대역에서의 FHSS 기반의 운용 드론에 의한 주변기기 혼간섭 분석에 관한 연구에서는 비면허대역의 주파수를 사용하는 드론과 주변 통신 시스템 특히 무선랜에 대한 간섭을 분석하였다. 연구 결과 드론 운용대수가 증가할 경우, 드론의 운용 거리가 증가할 경우에 무선 랜 시스템의 패킷 에러율도 증가하는 현상을 발견하였다[16]. 따라서 상용 드론을 군사적으로 이용하는 경우 군사용 통신 시스템에 영향을 주는지에 대한 분석이 필요함을 시사한다.

무인기 주파수 지정을 위한 경로 및 영역 분석방법에 관한 연구도 있다. 이 연구에서는 군사용 무인기의 주파수 지정을 위해 간섭분석을 하는 경우 임무경로만 고려할 경우, 임무영역만 고려할 경우, 임무경로와 임무영역을 모두 고려할 경우 등 다양한 각도에서 주파수 간섭 분석이 필요함을 제시하였다[17].

주파수 활용 방안 및 주파수 부족 문제 해결 방안을 제시한 연구도 있다. 미래 유무인 복합체계 운용을 위한 공중노드 및 효율적 주파수 활용 방안 연구에서는 현재 군이 주파수를 사전 할당하여 운용하는 방식이 단점이 있으며 이를 극복하기 위해 주파수 재사용, 동적 주파수 운용이 가능한 자율 무선망의 도입을 제안하였다[18].

미래 첨단 무기체계 운용을 위한 주파수 부족 문제 분석 및 해결 방안을 제시한 연구도 있다. 이 연구에서는 지휘통제통신체계, 감시정찰체계, 국방 무인화 로봇이 사용하는 통신시스템, 주파수 특성 등을 분석하였다. 그리고 신규 무기체계를 위한 주파수 할당이 제한되고 있고 가용 주파수 영역은 한계를 가지고 있기 때문에 이를 해결하기 위해서 자유공간 광통신 기술을 적용하는 방안을 제시하고 있다[19].

이렇듯 주파수 관련 연구는 꾸준히 이루어지고 있다. 그러나 무기체계의 운용개념과 범위에 기반하여 효율적으로 무기체계 주파수를 운용, 관리하기 위한 고려요소와 상관관계를 분석한 연구는 미흡한 실정이다.

3. 미래 지상군 무기체계 운용 개념

지상군의 미래 무기체계는 다영역작전 또는 전 영역작전을 수행하기 위해 운용한다. 이를 위해서는 네트워크를 통한 정보의 유통이 필수적이며, 이는 전파를 사용하는 통신장비를 통해 이루어진다. 따라서 증가하는 지상군 미래 무기체계의 네트워크 내에서 주파수를 효율적으로 운용하기 위한 고려요소를 분석하기 위해서 먼저 미래 지상군 무기체계 중 전자기 스펙트럼과 밀접하게 관련된 무기체계들의 운용개념 및 범위 등을 통해 (그림 2)와 같이 전자기 스펙트럼 영역 측면에서 살펴본다.

(그림 2) 무기체계와 전자기스펙트럼 영역

또한 본 논문에서 제시하는 미래 군단의 부대 편성은 현재 휴전선에 인접하여 방어임무를 수행하는 4개의 군단이 약 240km의 휴전선 정면[20]을 균등하게 담당한다는 것을 전제로 군단의 책임 지역을 정면 60km, 종심 80km로 한정하였다. 군단 예하의 제대별 부대 수는 기존 연구에서 사용한 부대 수를 활용하였으나[21], 1개 대대는 3개 중대, 1개 중대는 3개의 소대로 동일 편성하는 것으로 수정하여 <표 1>과 같이 반영하여 운용개념 및 범위 등을 포함한 미래 지상군 군단급 부대의 무기체계 운용 개념을 제시하고자 한다. 특히, 전자기 스펙트럼을 사용하는 대부분의 무기체계들이 지휘통제‧통신체계와 감시정찰체계이므로 이 두가지 체계를 중점적으로 분석할 수 있는 운용 시나리오를 제시한다.

<표 1> 제대별 부대 수 및 운용이 예상되는 통신체계

3.1 지휘통제‧통신체계 운용 개념

지휘통제‧통신체계는 지휘통제체계와 통신장비로 구분할 수 있다. 지휘통제체계는 서버, 단말장비, 네트워크 장비로 구분하며, 주로 지휘소에서 운용한다. 직접적으로 전파를 사용하지 않고 전파를 사용하는 통신장비를 통해 정보를 유통한다. 따라서 지휘통제‧통신체계의 주파수 고려 요소는 통신장비에 대한 주파수 고려 요소를 의미한다. 통신장비는 (그림 3)과 같이 지상, 공중, 위성통신장비로 구분한다. 즉 지휘통제․통신체계의 전파는 지표면으로부터 지구 상공 약 36,000km까지 광범위한 고도에 걸쳐 사용된다. 또한 지상 부대의 책임지역의 면적에 따라 수평적으로 사용된다.

(그림 3) 미래 통신장비의 네트워크 구성 개념

지상통신장비는 부대와 부대의 백본 네트워크를 연결하기 위한 통신장비와 이동통신장비로 구분할 수 있다. 백본 네트워크를 연결하는 지상통신장비는 전술정보통신체계(TICN, Tactical Information Communication Network)의 대용량 전송장비와 소용량 전송장비로 구성되며, 이동통신장비는 기지국장비와 전술다기능단말기(TMFT, Tactical Multi Function Terminal)로 구성된다. 공중통신장비는 공중중계용 드론, 공중 무기체계의 통신장비 등이 있으며, 위성통신장비는 저고도 및 정지궤도 위성통신장비 등이 있다. 다만, 본 연구에서 공중통신장비는 공중통신소 즉 공중중계용 장비로 한정한다.

통신장비는 하나의 부대가 담당하는 작전 책임 지역 내에서 운용한다. 이 중 백본 네트워크를 구성하기 위한 대용량 및 소용량 전송체계장비는 (그림 4)와 같이 지상파를 이용하여 부대와 부대 또는 부대와 노드통신소 등의 네트워크를 연결하기 위해 사용한다. 통신 가시선이 확보된 경우 상급부대와 하급부대간 네트워크를 직접 구성하는 경우가 있으며, 통신장비의 전파 통달거리 등에 따라 노드통신소, 중계소 등을 통해 네트워크를 구성한다. 지형적 특성으로 인해 고지에 노드통신소 및 중계소를 운용하는 경우 안테나의 각도를 상향 또는 하향 조절하여 사용한다. <표 1>과 같이 백본 통신장비를 대대 이상 제대에서 운용할 때 60km × 80km의 군단 책임지역을 균등 분배한다면 약 31.5km² 당 1대의 부대별 백본 통신장비가 운용될 것이다. 여기에 지역지원을 위한 사단 및 군단에서 각각 5개소의 노드통신소를 운용한다고 가정하면 약 28.7km² 당 1대의 백본 통신 장비가 운용될 것이다. 그러나 산악, 하천, 도로 등을 제외하면 대대급 이상 제대가 주둔할 수 있는 위치, 작전의 형태 등을 고려한다면 실질적인 백본 통신장비의 운용 밀집도는 더 증가할 것이다.

(그림 4) 지상통신장비의 전파 운용

미래 지상군 군단이 <표 1>에서와 같이 이동통신장비와 위성통신장비는 모든 제대에서 각각 1대씩 운용한다면 이동통신장비 1,600여 대, 위성통신장비 1,600여 대를 운용하는 것이다. 이는 약 2.9km² 당 1대의 이동통신장비와 위성통신장비가 운용됨을 의미한다. 그러나 미래 지상군은 드론봇 전투체계 등 유‧무인 복합전투체계의 운용을 추진하고 있다. 따라서 실질적인 이동통신장비의 운용 밀집도는 더 증가할 것이다. (그림 3)과 같이 이동통신을 지원하기 위해 사단, 여단 및 대대에서 공중통신장비를 운용한다면 군단 책임지역 내에서 150여 대의 공중통신장비가 운용되는 것이다. 제대별로 운용하는 공중통신소는 (그림 4)와 같이 생존성 보장을 위해 비행을 하며 책임지역 내의 이동통신장비 등에 대한 기지국 역할을 하게 될 것이다.

(그림 5) 제대별 공중통신소 운용개념

저궤도 통신위성은 정해진 고도 및 궤도를 따라 빠른 속도로 이동하면서 정지 또는 이동 중인 지상의 저궤도 위성통신 단말기의 통신을 제공하는 역할을 하게 된다. 이외에도 전투무선망을 유지하기 위한 전술다대역다기능무전기(TMMR, Tactical Multiband Multirole Radio) 또한 운용된다. TMMR은 기계화보병, 전차, 자주포, 방공무기 등 장비단위로 운용하는 전투플랫폼에서 운용하는 것으로 다른 지상통신장비보다 밀집도가 더 높은 지상장비이다.

이러한 통신장비들의 운용 주파수는 00MHz ～ 00GHz까지 다양하며, 지상통신장비의 통신거리는 0km ～ 00km, 위성통신장비의 통신거리는 지상 ～ 위성고도까지로 요구되는 능력에 따라 출력, 채널당 대역폭 등이 모두 다르다.

3.2 감시정찰체계의 운용 개념

한국 육군은 경계작전에 다족형로봇, 레일형로봇 등을 활용하고 모든 부대를 AI 기반 유무인 복합전투체계 중심으로 전력화하는 정책을 추진하고 있다[22]. 이러한 정책의 추진은 현재 보병대대는 대대급 무인기와 지상정찰반을 운용하고 있으며, 드론, 로봇 등 기술을 토대로 소총중대에서도 감시정찰체계를 확대 운용할 것으로 예상된다[23].

미래 지상군이 운용할 것으로 예상되는 감시정찰체계를 Army TIGER 부대를 중심으로 분석하면 <표 2>와 같이 지상 감시정찰체계와 공중 감시정찰체계로 구분하여 운용할 것으로 예상된다.

<표 2> 제대별 운용이 예상되는 감시정찰체계

대포병탐지레이더는 전파를 방사하여 되돌아오는 반사파를 이용하여 적이 발사한 포탄의 탄도를 역추적하고 이를 통해 적 포병부대의 위치를 탐지하며, 국지방공레이더는 저고도에서 비행하는 비행체의 이동상황을 감시하기 위해 운용하는 레이더이다. 대포병탐지레이더는 종류에 따라 00km ～ 00km 범위까지 탐지가 가능하며[24], 국지방공레이더는 기존의 저고도탐지레이더 대비 2배 정도의 거리를 탐지할 수 있어 약 00km까지 탐지가 가능하다[25][26].

여단 이하 제대에서 운용할 것으로 예상되는 지상감시레이더 및 대드론레이더는 적 인원, 전차, 자주포 등을 운용하는 기계화부대 및 적 드론을 탐지하기 위해 운용하며, 0 ～ 0km까지 탐지가 가능하다[27][28]. 지상감시정찰로봇은 유‧무인 복합체계를 (그림 6)과 같이 대대정찰팀 및 여단 수색정찰팀과 연계하여 운용하고, 지상파를 이용한 직접 또는 통신가시선 제한시 저궤도 위성통신을 이용하는 방식 등으로 정보를 송수신할 것이다. 대대 및 여단의 정찰드론(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)은 대대 및 여단의 책임지역 전방의 적을 탐지하기 위하여 지속적으로 비행을 하면서 획득한 정보를 실시간으로 대대 및 여단의 지상통제소(GCS, Ground Control System)를 통해서 정보를 송‧수신하고, 작전 범위가 비교적 좁은 중대 및 소대의 정찰드론은 0 ～ 0km 이내의 범위에서 직접 통신 방식을 사용할 것이다.

(그림 6) 대대/여단의 정찰로봇 및 드론 운용개념

미래 군단 편성에서 감시정찰체계의 편성을 확정적으로 판단할 수 없으므로 감시정찰체계의 종류별로 모든 부대가 각각 1대씩 운용한다고 가정하면 군단 내에서 운용이 예상되는 감시정찰체계의 수량은 <표 3>과 같다.

<표 3> 미래 군단의 감시정찰체계별 예상 운용 수량

이와 같이 미래 군단의 책임지역 내에서 약 1.2 km² 당 1대의 감시정찰체계가 운용될 것으로 예상된다. 모든 감시정찰체계는 체계의 종류에 따라 수 km ～ 수백 km의 다양한 범위에 걸쳐 감시정찰 임무를 수행하고 탐지 및 제어 정보를 송·수신하기 위해 000MHz ～ 00GHz 범위의 주파수를 사용한다. 운용고도는 지상감시정찰로봇은 지표면에서 운용하고, 소대 및 중대급 정찰드론처럼 지표 인근의 초저고도부터 수 km 고도에서 운용하는 군단급 정찰드론(UAV)까지 다양한 고도에서 운용된다.

4. 효율적인 미래 무기체계 주파수 운용 및 관리 방안

4.1 효율적인 주파수 운용 및 관리를 위한 고려 요소

미래 지상군 군단 내에서 운용할 것으로 예상되는 지휘통제·통신 및 감시정찰체계 장비의 운용 수량은 7,300여 대이며 이들 중 일부는 이동하며 운용하고 일부는 고정된 장소에서 운용하기도 하며 각각의 장비가 위치한 고도 또한 다양하여 군단 책임지역에 7,300대의 장비를 고도 6km까지 임의로 배치한다면 (그림 7)과 같이 매우 밀집되어 운용될 것이다. 그러나 실제 대부분의 장비들은 6km 보다 낮은 고도에서 운용되므로 주파수를 이용하는 장비의 밀집도는 (그림 7)보다 더 조밀할 것이다. 이렇게 조밀하게 운용되는 장비들은 수 MHz ～ 수십 GHz까지의 주파수를 사용하며, 전장 상황을 식별하고 획득한 정보를 수 km ～ 수백 km까지 주파수를 이용하여 송·수신한다. 그러나 한정된 주파수를 특정 지역 내에서 운용하는 수 천대에 달하는 무기체계들에 할당하여 사용할 경우 주파수 간섭의 증가 및 주파수 할당의 복잡성 증가 등으로 무기체계 주파수 운용에 제한사항이 발생할 수 있다.

(그림 7) 군단 내 통신 및 감시정찰체계 운용 밀집도(임의 배치)

따라서 수 천대에 달하는 지휘통제·통신 및 감시정찰 무기체계들이 사용하는 한정된 주파수를 효율적으로 운용하기 위해서는 주파수를 사용하는 무기체계의 자체 특성과 종류 및 수량, 지형적 요소, 장비 분포 등을 고려해야 한다. 무기체계의 특성에는 무기체계별 운용 주파수(f), 통신거리(d), 송신출력(P_t), 운용고도(H), 이동속도(V_w) 및 이동경로(R_w), 운용 범위(A) 및 운용 시간(T) 등이 있다. (그림 8)에서 이러한 무기체계의 주파수 영향 고려 요소에 대한 예를 보여주고 있다.

(그림 8) 무기체계의 주파수 영향 고려 요소(예시)

이러한 요소들은 주파수를 운용 및 관리하는데 복잡하게 얽혀 있다. 운용 주파수(f)는 무기체계의 종류에 따라 다르게 할당되고, 동일한 무기체계에 할당하는 주파수라도 동일 시간에 사용하기 위해서 부대별로 사용하는 주파수가 다르게 할당하기 때문에 관리의 복잡도는 증가하게 될 것이다. 즉, 여러 개의 주파수가 할당된 동일한 통신장비를 사용하는 부대가 M개의 부대가 있을 때, 주파수의 수(N_f)와 부대 수(M)를 반영한 주파수 관리의 복잡도(C)는 식 (1)과 같다.

C = N_f‧M       (1)

1개의 부대는 지휘통제‧통신체계 장비, 감시정찰체계 장비 등 주파수를 사용하는 여러 종류의 무기체계를 사용하며 그 종류가 증가할수록 복잡도는 증가할 것이다. 따라서 무기체계의 종류의 수를 N_ws이라 하면, 무기체계 종류를 반영한 주파수 관리 복잡도는 식 (2)와 같다.

C = N_f‧M‧N_ws       (2)

주파수의 사용 영역은 (그림 9)와 같이 작전범위 전체에 해당한다. 그러나 소대 ⁓ 여단급 부대는 그 수가 많고, 주파수를 사용하는 무기체계 장비의 수 또한 증가하므로 주파수 사용 영역이 중복되는 영역 또한 증가한다. 따라서 주파수 사용 영역의 중복성을 주파수 관리 복잡도에 반영할 수 있다. 주파수 사용 영역의 중복성은 무기체계의 운용 범위(A)의 중복성과 동일하며, 무기체계의 특성 중 통신거리(d), 송신출력(P_t), 운용고도(H)는 운용 범위(A)의 하위 요소이므로 주파수 관리 복잡도에는 무기체계의 운용 범위(A)를 대표적으로 반영할 수 있다. 무기체계의 운용 범위(A) 또한 그 종류에 따라 다르므로 운용 범위가 얼마나 중복되는지 여부, 즉 무기체계별 운용 범위의 중복성(A_R)을 주파수 관리 복잡도에 반영할 수 있다. 운용 범위의 중복성(A_R)이 적을수록 주파수 운용 및 관리의 복잡도는 감소하고, 반대로 중복성(A_R)이 증가할수록 복잡도가 증가하므로 주파수 관리 복잡도(C)는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

(그림 9) 주파수 사용 영역

C = N_f·M·N_ws·A_R       (3)

무기체계 특성 중 무기체계의 이동속도(V_w)는 빠를수록 복잡도가 증가하고, 이동경로(R_w)가 복잡할수록 주파수 관리의 복잡도가 증가하게 된다. 운용 시간(T)은 짧을수록 주파수 관리를 위한 복잡도가 감소하고 길어질수록 증가하므로 무기체계의 특성을 반영한 주파수 관리 복잡도(C)는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

C = N_f·M·N_ws·A_R·V_w·R_w·T       (4)

LOS 판단 등을 위한 지형적 요소(C_T)는 평지 등 단순한 지형일수록 주파수 관리 복잡도(C)가 감소하며, 장비 분포는 운용하는 무기체계의 종류 및 수량에 관련된 요소이며, (식 2)에 반영된 요소이다. 따라서 지형적 요소(C_T)를 포함한 주파수 관리 복잡도(C)는 식 (5)로 나타낼 수 있다.

C = N_f·M·N_ws·A_R·V_w·R_w·T·C_T        (5)

이와 같이 식 (5)의 우변에 속한 요소들은 모두 효율적인 주파수 운용을 위한 고려 요소이므로 이 요소들의 값을 최소화하기 위한 노력이 필요하다.

4.2 효율적인 주파수 운용 및 관리 방안

미래 무기체계는 무인화, 지능화되어 제대별 지휘소와 각 무기체계별 정보 송·수신을 위한 주파수 사용의 증가를 유발한다. 지금까지 살펴본 바와 같이 군단급 작전지역 내에서 수 천대의 무기 체계 장비가 전파를 사용하게 되며, 그 종류와 수가 증가할 것으로 예상된다. 군사작전 임무 수행을 위해 수 천대의 장비가 기동하는 상황에서 주파수 간섭 발생 또는 지형적 요소에 의한 정보 송·수신 및 통제 제한 등으로 아군 간 피해 발생 가능성이 증가할 것이다. 따라서 미래 무기체계의 주파수 운용 및 관리의 효율화는 군사작전의 성공에 있어 매우 중요한 요소이다.

다양한 종류의 이기종 무기체계들이 사용하는 주파수를 효율적으로 운용 및 관리하기 위해서는 (식 5)에서 제시한 요소들의 값을 감소하는 방향으로 무기체계를 전력화 및 운용이 필요하며, 그 방법은 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다.

첫째, 통합 네트워크를 구성하여 사용하는 주파수의 수를 감소하는 방안이다. 현재의 지휘통제·통신장비는 제대별로 구분된 주파수를 사용하며, 네트워크 자체를 분리하여 사용함으로써 하나의 제대가 2개 이상의 네트워크를 구성한다. 이는 지휘통제·통신네트워크가 여러 개의 음성통신망과 데이터통신망을 분리하여 사용하기 때문이다. 이를 5G 같은 이동통신 데이터네트워크로 통합하여 사용 주파수 수를 줄이는 방안이다. 예를 들어 현재 지상군에서 사용하고 있는 전술이동통신체계(TMCS, Tactical Mobile Communication System)와 TMMR을 이용한 전투무선망을 하나의 네트워크로 통합한다면 주파수의 수를 감소시킬 수 있을 것이다.

둘째, 공중 통신소 또는 저궤도 위성통신망을 적극적으로 활용하여 주파수 수량, 운용 범위의 중복성, 이동속도, 이동경로, 지형적 요소 등으로 인한 주파수 관리 복잡도를 감소시키는 것이다.

셋째, 감시정찰체계 장비를 특정 부대에서 통합하여 직선적으로 운용하는 방안을 고려할 수 있다. 여단 또는 사단에서 해당 지역의 감시정찰체계를 통합하여 운용하고 개별 장비의 이동경로를 최대한 직선적으로 운용함으로써 다른 장비의 주파수와 운용 범위의 중복성을 감소시키는 방안이다. 이 방안을 적용할 경우 감시정찰체계 장비의 운용 시간 최소화도 가능할 것이다.

마지막으로, 무기체계의 종류에 따라 임무 및 주파수 영역을 분리하는 방안이다. 이는 각급 부대의 임무지역을 구분하고, 임무지역 내에서 사용하는 무기체계의 종류에 따라 사용하는 주파수, 장비의 송‧수신기 위치 및 고도, 운용 시간 등을 물리적으로 분리하는 방안이다. 예를 들어 5G 이동통신 네트워크로 통합된 무기체계라 하더라도 부대가 인접해 있다면 같은 주파수 대역을 사용할 수가 없으므로 주파수를 분리하여 운용해야 하기 때문이다. 이 방안은 현재의 제대별 무기체계 주파수 운용 방식보다 더 엄격하게 임무영역 및 주파수 영역의 분리가 필요하므로 M&S 등의 효과 분석이 필요하다.

5. 결론

본 논문에서는 미래 무기체계의 발전과 그에 따른 주파수 소요 증가 문제를 다루었다. 인공지능, 드론, 로봇 등 첨단 기술의 발전은 무기체계의 무인화, 지능화, 네트워크화로 이어지며, 군사작전의 방식과 전투체계의 전환을 초래하고 있다. 이러한 기술적 변화는 무기체계의 효율적인 운용을 위한 주파수 소요를 급격히 증가시키며, 특히 주파수 간섭과 효율성 문제를 해결하기 위한 새로운 접근이 필요하다.

미래 무기체계가 5G, 6G, 저궤도 위성통신 등 다양한 기반체계들을 융‧복합하여 다기능, 초연결 네트워크로 운용될 수 있도록 하려면, 기존의 주파수 운용 방식과 관리 체계를 재정비해야 한다. 또한, 상용 드론의 군사적 활용이 증가함에 따라, 국방 전파환경에 대한 심도 있는 분석과 연구가 필요하다. 그러나 현재까지 군 주파수 운용 및 관리 문제 해결을 위한 연구는 제한적인 실정이다.

본 논문은 지상군의 미래 무기체계 운용개념과 운용범위를 예측하고, 효율적인 주파수 운용을 위한 주요 고려요소를 제시하였다. 이를 통해 미래 무기체계를 안정적으로 운용할 수 있는 주파수 관리 및 운용 방안을 마련할 수 있을 것이다. 특히, 전자기 스펙트럼 작전에서 우세 달성과 무기체계의 네트워크화 및 데이터 유통을 위한 전략적 접근이 필요하다. 향후, 미래 전장에서 주파수 자원의 효율적인 운용과 관리를 뒷받침하는 기술적, 정책적 연구가 활성화되어 지속적으로 발전하기를 기대한다.