제14부 민간 UAS — 기술·운용·응용

14.12 응용 X: 통신 중계·과학 관측

14.12.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

통신 중계와 과학 관측은 민간 드론 응용 가운데 높이에서 얻는 이점을 사용하는 임무다. 중계는 높이가 전파의 가시선을 넓히고, 관측은 높이에 따른 대기를 직접 잰다. 두 응용은 이질적이지만 결과를 정하는 것은 같은 종류의 물리 한계다. 중계에서는 링크 버짓과 전파 수평선 중 작은 쪽이 커버리지를 정하고, 대기 관측에서는 센서의 시간 지연이 상승 속도를 정한다. 이 장은 새 1차 원문을 읽지 못한 대신, 이 책의 전파·링크 장(3.2·3.8)의 식을 응용 수준으로 옮겨 세 가지 계산을 한다.

배우는 것:

• 드론 기지국의 커버리지 — 700 MHz·단말 23 dBm 가정에서 상향 링크가 24 km로 수평선(고도 21 m의 값)보다 먼저 한계가 되어, 고도를 올려도 반경이 늘지 않는다(14.12.3.1).
• 중계의 이득 — 중계 한 대로 두 지상국 거리가 직접 링크 11.7 km에서 고도 120 m의 101.9 km로 늘고 거리는 고도의 제곱근에 비례한다(14.12.3.2).
• 대기 관측의 센서 지연 — 시간 상수 2 s·상승 3 m/s에서 역전층(0.05 K/m)의 오차가 0.30 K, 수직 번짐이 6 m다(14.12.3.3).
• 응용과 제도의 위치 — 재난 통신 복구, 계류 기지국, 기상 관측 캠페인, 주파수 규제(14.12.4).

선수 지식: 3.2(전파 전파 I, 가시선), 3.8(링크 버짓), 3.10(무선 네트워킹, 중계의 이득과 대가), 3.14(셀룰러 연결 드론), 1.14(계류형 드론)를 읽었다고 가정한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 14.12.3을, 사업 담당자는 14.12.3.1·14.12.5를, 정책·법무 담당자는 14.12.4·14.12.9를, 인증 담당자는 14.12.4·14.12.8을 먼저 읽는다.

기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 이 장에는 새로 내려받아 읽은 1차 원문이 없다. 한국·미국·국제 규정의 본문을 읽지 못했다. 2차 출처로만 읽은 것: AT&T의 계류 드론 기지국 배치와 2017년 FAA 승인(기사 요약), 2026년 5월 도쿄대·오울루대의 드론 탑재 로컬 5G 기지국 실증과 2026년 재난 통신 복구 체계적 문헌 검토(검색 요약), WMO UAS 시연 캠페인(2024년, 약 50개 운용자)과 기상 드론 평가(2023년 Atmosphere 논문의 초록 수준, 논문 원문은 접근이 막혀 읽지 못했다). 읽지 못한 것: 드론 기지국의 주파수 허가 절차, 한국 재난 통신 체계와 계류 드론 운용 규정, WMO의 UAS 관측 요구 문서. 링크 버짓(주파수 700 MHz, 출력·이득·감도·페이딩 여유)과 센서 시간 상수·기온 감률은 설명용 가정이다. 자유 공간 손실만 사용하므로 커버리지 반경은 상한이다.

14.12.2 개념·직관

14.12.2.1 응용의 유형

14.12.2.2 높이가 주는 것

높이는 전파 가시선(수평선)을 넓히고 지면 반사·차폐를 줄인다(3.2). 그러나 이득이 거리에 선형이 아니다. 수평선 거리는 고도의 제곱근에 비례하므로 고도를 두 배로 올려도 거리는 약 1.4배만 늘어난다. 이 비선형이 이 장의 두 번째 계산이다.

14.12.3 원리 — 한계를 계산한다

14.12.3.1 드론 기지국의 커버리지

드론에 실은 셀룰러 기지국의 커버리지 반경은 전파 수평선, 하향 링크 버짓, 상향 링크 버짓 중 가장 작은 값이다. 자유 공간 손실 $L=20\log_{10}(4\pi d/\lambda)$에서 허용 손실 $L_{\max}$에 대한 거리는 $d=\dfrac{\lambda}{4\pi}10^{L_{\max}/20}$이다. 가정: 700 MHz($\lambda=0.428$ m), 기지국 출력 43 dBm·안테나 5 dBi, 단말 출력 23 dBm·0 dBi, 감도(기지국 −104 dBm, 단말 −100 dBm), 페이딩 여유 15 dB, 단말 높이 1.5 m.

수평선은 고도 30 m에서 27.6 km, 60 m에서 37.0 km, 120 m에서 50.2 km, 400 m에서 87.4 km다. 상향 허용 손실 117 dB의 자유 공간 거리 24.1 km가 고도 21 m 이상의 수평선보다 짧으므로 커버리지 반경은 고도와 무관하게 24.1 km(면적 약 1,830 km²)다. 이 가정에서는 단말 출력이 기지국보다 20 dB 낮아 상향 링크가 한계가 된다.

링크 버짓을 10 dB 개선하면(127 dB) 자유 공간 거리가 76 km로 늘지만 이때는 고도 120 m의 수평선 50.2 km가 한계가 되어 고도를 올려야 다시 반경이 는다. 높이는 반경을 직접 늘리지 않고 클러터·차폐 손실을 줄이는 방식으로 이득을 낸다(3.3·3.14). 이 계산은 자유 공간 손실만 사용하므로 실제 반경은 이보다 작다. 상향·하향 링크 모두 간섭 때문에 지상 셀을 교란할 수 있다(3.14). 장시간 체공은 계류 전력(1.14)과 백홀 용량이 정한다. 한 기사는 계류 드론이 이론상 24시간 연속 비행하며 최대 16일까지 가능하다는 회사 발언을 전한다((2차)).

14.12.3.2 중계로 늘어나는 두 지상국 거리

지상 안테나 높이 $h_g$, 중계 고도 $h$에서 중계 한 대로 이어지는 두 지상국 사이의 최대 거리(수평선 한계)는 다음과 같다.

$$D_{\max}=2\times4.12\left(\sqrt{h}+\sqrt{h_g}\right)\ [\text{km}]$$

$h_g=2$ m에서 직접 링크는 11.7 km이고 중계 고도별 결과는 다음과 같다.

중계 120 m가 두 지상국의 거리를 직접 링크의 8.7배로 늘린다. 그러나 고도를 120 m에서 300 m로 2.5배 올려도 거리는 1.5배만 늘어난다. 링크 버짓이 이 거리를 허용하는지는 3.8가 따로 정하고, 중계 노드의 이득과 대가(지연·재전송)는 3.10.6.3이 다룬다.

14.12.3.3 대기 측정의 센서 지연

상승하며 온도를 재는 센서는 시간 상수 $\tau$만큼 늦게 반응하므로, 상승 속도 $w$와 기온 감률 $dT/dz$에서 지연 오차와 수직 번짐은 다음과 같다.

$$\Delta T=\tau\,w\,\frac{dT}{dz},\qquad \Delta z=\tau\,w$$

가정: $\tau=2$ s, 상승 3 m/s. 감률 0.0065 K/m(표준 대기 약 6.5 K/km)에서 0.039 K, 0.02 K/m에서 0.12 K, 역전층 0.05 K/m에서 0.30 K다. 수직 번짐은 어느 경우나 6 m다.

목표 오차를 0.1 K로 두면 감률 0.05 K/m에서 상승 속도는 1.0 m/s 이하($0.1/(2\times0.05)$)이고, 0.02 K/m에서는 2.5 m/s 이하다. 센서 지연은 시간 상수를 알고 보정하면 줄일 수 있고(확인 필요), 로터 후류와 기체의 열이 센서를 교란하므로 센서 위치(붐, 로터 위)가 중요하다. 다중 로터에서 바람을 기체 자세에서 추정하는 방법이 연구되고 있다는 서술이 있으나 정확도를 읽지 못했다((2차)). 이 장은 WMO 요구 불확도를 읽지 못했다(확인 필요).

14.12.4 응용과 제도

14.12.4.1 통신 중계 사례(2차)

AT&T는 허리케인 마리아 뒤 푸에르토리코에서 LTE 장비를 실은 계류 드론("Flying COW")을 배치했고 FAA가 이를 승인했다는 2017년 보도가 있다. 시험 고도는 400 ft까지라는 서술과 450 ft라는 서술이 있고 기체 중량(55파운드 이하 여부)도 출처마다 다르다((2차)). 2026년 5월에는 도쿄대와 오울루대가 핀란드에서 드론 탑재 로컬 5G 기지국의 재난 복구 실증을 했다는 보도가 있고((2차)), 2026년의 체계적 문헌 검토는 드론 임시 통신망이 유망하지만 실제 환경 검증이 부족하다고 평가했다고 한다((2차)). 한국의 이동통신·재난안전통신망 연계 계류 드론 실증은 검색에서 확인하지 못했다(확인 필요).

14.12.4.2 과학 관측 사례(2차)

WMO는 2024년 3월부터 9월까지 전 세계 약 50개 운용자가 참여한 UAS 시연 캠페인에서 UAS 측정의 netCDF 템플릿과 BUFR 변환 코드를 마련했다고 한다((2차)). 헝가리 업체의 기상 드론은 최대 해발 2,500 m까지 올라 기온·습도·기압을 중복 센서로 재고 바람 벡터를 UAS 텔레메트리에서 계산하며, 계획 지점의 비행 가능률이 90~95 %라는 초록이 있다((2차)). 측정 정확도 통계는 그 초록에 없었다.

14.12.4.3 주파수와 공역

드론 기지국은 면허 대역을 사용하므로 주파수 허가와 간섭 조정이 필요하고(3.19·17.19), 고고도 장시간 플랫폼(HAPS)은 별도 국제 규제를 받는다(17.20). 계류 기지국의 비행은 항공 규제(고도 상한, 비가시권)에도 걸린다(14.4.5.1). 구체 조문과 한국 절차는 읽지 못했다(확인 필요, 18.16).

14.12.5 설계·선택의 트레이드오프

• ① 고도 대 클러터. 고도는 수평선보다 클러터 손실 감소로 이득을 내므로, 링크 버짓이 부족하면 고도를 올려도 반경이 늘지 않는다(14.12.3.1).
• ② 계류 대 자유 비행. 계류는 전력·백홀을 주어 체공이 길지만 고도와 이동이 제한된다(1.14). 자유 비행은 이동이 자유로우나 체공이 배터리에 묶인다.
• ③ 관측 상승 속도. 상승 속도를 올리면 수직 해상도가 낮아지고 지연 오차가 늘며(14.12.3.3), 낮추면 체공 시간이 소요된다.

견해: 드론 기지국 사업의 타당성은 상향 링크 버짓으로 먼저 점검하는 편이 낫다. 근거는 14.12.3.1의 계산이다. 가정에서 하향은 152 km인데 상향이 24 km여서 단말 쪽이 한계가 되므로, 기지국 안테나 이득과 수신 감도를 개선하는 것이 고도 증가보다 효과적이다. 반론은 이 계산이 자유 공간 손실만 사용한다는 점과 실제 환경의 클러터가 반경을 줄인다는 점이다. 그래도 사양 협상에서 고도 대신 상향 링크 버짓을 먼저 묻는 편이 낫다고 본다.

14.12.6 세 축 비교

14.12.7 관련 규격·프로토콜

14.12.8 관련 규제·인증 요구와의 연결

14.12.9 함정과 한계

14.12.10 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 드론 기지국의 커버리지를 수평선·상향·하향 한계에서 구할 수 있는가?
2. 중계 한 대의 두 지상국 최대 거리를 고도에서 계산할 수 있는가?
3. 센서 지연 오차와 수직 번짐을 시간 상수·상승 속도·감률로 계산할 수 있는가?
4. 고도를 올려도 커버리지가 늘지 않는 조건을 설명할 수 있는가?
5. 드론 기지국에 주파수 허가와 항공 규제가 함께 필요한 이유를 설명할 수 있는가?

연구 질문(25.7에 모은다)

• 실제 도심·산악 환경에서 드론 기지국의 상향 링크 한계는 자유 공간 상한의 몇 %인가?
• 계류 드론 기지국의 백홀 용량과 가용 사용자 수는 얼마인가?
• WMO가 UAS 관측에 요구하는 불확도와 센서 지연 보정의 요구는 무엇인가?
• 한국의 재난 통신 체계에서 드론 기지국의 허가·운용 절차는 어떻게 정해지는가?

1차 출처(이 장)

• 이 장은 새로 읽은 1차 원문이 없다. 이 책의 3.2·3.8·3.10의 식과 3.14·1.14의 서술을 응용 수준으로 옮겼다. 2차 사례는 기사·초록 요약이다.

다음 장: 14.13 응용 XI: 인도주의·개발협력·지뢰 탐지 — 같은 센서·중계가 취약 지역에서 규범과 안전이 다른 조건을 만난다.