제3부 전파·통신
3.12 영상·임무 데이터링크: 아날로그와 디지털 영상 전송·압축·지연
3.12.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
영상 링크는 C2 링크(3.11)와 요구가 반대다. C2는 작고 틀리면 안 되는 데이터이고, 영상은 크고 일부가 틀려도 견디는 데이터다. 그래서 같은 전파로 가면서도 설계 질문이 다르다. 얼마나 빨리 보이는가(지연), 얼마나 선명한가(비트율과 화질), 끊기면 얼마 만에 돌아오는가(복구). 이 장은 아날로그 FPV와 디지털 영상의 원리를 보이고, 비트율이 링크 버짓과 지연을 동시에 정한다는 한 가지로 묶는다.
배우는 것:
- 아날로그 FPV — 5.8 GHz 주파수 변조(FM) 영상이 지연이 작고 점진적으로 열화하는 이유와 대가.
- 디지털 영상 — 원본 비트율(746.5 Mbit/s)이 H.265로 약 4 Mbit/s가 되는 압축비 187배, I·P·B 프레임과 GOP, 손실 뒤 복구 시간.
- 지연 구성 — 2.11.6의 디지털 FPV 98 ms(영상 경로)를 구성요소 모형으로 재현하고, 공개된 제조사 지연 주장치와 왜 다른지 설명.
- 비트율과 링크 버짓 — 영상 비트율이 필요 SNR과 통달거리를 어떻게 정하는가(3.9와 3.8를 잇는다).
- 오류 대응과 적응 비트율 — FEC와 재전송(ARQ)의 지연 교환, 링크 용량 변동에 인코더를 맞추는 법.
- 군 영상 링크와 메타데이터, 선택 전송, 품질 지표, 보안(범주 수준).
선수 지식: 2.11.5·2.11.6(지연 버짓), 2.9.5(1080p 비압축 비트율과 H.265 4 Mbit/s 가정), 3.9(MCS·필요 SNR·ARQ), 3.10(접속·QoS). 영상 센서와 해상도는 6.3·6.4, 영상 분석은 6.12, 메타데이터 규격은 9.8이 맡는다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.12.5(지연 모형)와 3.12.6(링크 버짓)을 건너뛰지 않는다. 정책·사업 담당자는 3.12.2와 3.12.12의 설계 선택지가 핵심이다. 법무·인증 담당자는 영상 링크가 평문일 때의 위험(3.12.10)과 송신 규칙(3.12.15)을 본다.
기준 시점과 정직성. 2026년 10월 기준의 원리 장이다. 계산은 파이썬(
math)으로 했고 스크립트는fig-src/3.12-model.py에 있다. 지연 모형은 2.11.6의 B(98 ms)를 재현하도록 짠 설명용 모형이며 측정이 아니다. 제조사의 지연 수치는(공개 주장치)로 표시하고 측정 조건이 제조사 것임을 밝혔다. 독립 측정은 블로그·커뮤니티 수준이어서 인용하지 않거나(2차)로 표시했다. 규격의 판과 제품의 세부는 확인한 것만 단정했다.
3.12.2 개념·직관 — 조종용 영상과 임무용 영상은 다른 문제다
영상은 두 가지 일을 한다. 조종용 영상(FPV)은 사람이 기체의 눈으로 보고 조종하는 영상이다. 지연이 조종의 안정성을 정하므로(2.11.5) 화질이 낮아도 늦지 않아야 한다. 임무용 영상은 정찰·점검·측량의 결과물이다. 지연은 수 초까지 허용할 수 있지만 화질과 위치 정보(메타데이터)가 가치다. 한 링크에 둘을 함께 싣는 설계가 많지만 요구가 다르다는 점은 잊지 않는다.
비트율은 이 장의 중심 변수다. 비트율을 낮추면 필요 SNR이 내려가 통달거리가 늘고, 프레임당 전송 시간이 줄어 지연이 준다. 대가는 화질이다. 거꾸로 화질을 올리면 같은 링크에서 거리와 지연이 나빠진다. 이 세 가지(화질·거리·지연)의 교환이 뒤의 계산 전체를 관통한다.
세 축에서 같은 교환이 다르게 풀린다.
- 군용 드론은 임무용 영상이 중심이다. 영상과 위치·자세 메타데이터를 함께 보내 영상의 지리적 가치를 높이고, 링크 암호와 항재밍이 추가된다(9.8·9.10·3.18). 광대역 영상은 위성 Ku·Ka 링크로도 간다(3.13).
- 민간 UAS는 FPV 취미·경주와 점검·촬영이 구분된다. FPV는 아날로그에서 디지털로 옮겨 갔고, 점검·측량은 기체에 기록하고 필요한 것만 보낸다.
- AAM에서 영상은 원격 조종·감독에 필요한 시야와 지상 감시가 중심이며, 승객 대면 영상과 달리 안전 필수 정보일 수 있어 지연·가용도 요건이 붙는다
(요건의 구체 내용은 확인 필요).
3.12.3 아날로그 FPV — 지연이 작고 열화가 부드럽다
아날로그 FPV는 카메라의 영상 신호(NTSC 60 Hz 또는 PAL 50 Hz)를 5.8 GHz의 주파수 변조(FM)로 곧바로 실어 보낸다. 압축도 부호화도 없다. 2.11.6의 A 구성은 영상 경로가 34 ms다. 포착 16.7 ms와 표시 16.7 ms가 전부이고 링크는 1 ms다. 지연의 대부분이 화면과 센서의 프레임 시간이고 링크가 낳는 지연은 거의 없다.
열화는 부드럽다. FM은 수신 반송파 대 잡음비(CNR)가 문턱 위에 있을 때는 신호가 1 dB 약해지면 화면의 잡음비도 약 1 dB 나빠진다. 그래서 거리가 멀어질수록 영상에 눈(snow)이 서서히 낀다. 문턱(대략 10 dB 안팎 (경험 범위)) 아래로는 급히 붕괴하지만, 그 앞 구간이 넓어 조종자가 열화를 보고 대처할 시간이 있다. 디지털의 절벽 효과와 대비된다(3.12.6).
대가는 다섯이다. ① 해상도가 낮다(표준 화질급). ② 채널을 FDMA로 나눈다. 경주용 관례로 5.8 GHz대에 8채널(37 MHz 간격)을 두며 같은 채널에 둘이 날면 서로 망친다. 일부 채널은 국가별로 허용되지 않는다 (확인 필요, 18.16). ③ 같은 대역의 다른 FM 송신기가 근접하면 포획이 일어난다. ④ 암호화가 없다. 주파수만 맞으면 누구나 본다(3.12.10). ⑤ 화면 위에 정보를 중첩 표시하려면 별도 OSD 장치가 필요하다.
3.12.4 디지털 영상 — 압축과 프레임 구조
3.12.4.1 원본과 압축 — 비트율 187분의 1
결론부터: 영상은 프레임 사이와 프레임 안의 중복이 크다. 압축은 이를 버려 비트율을 100배 이상 줄인다. 대가는 인코더·디코더 지연과 손실에 대한 취약성이다.
| 항목 | 값 | 계산 |
|---|---|---|
| 1080p 30 Hz 원본(YUV 4:2:0, 화소당 12비트) | 746.5 Mbit/s | $1920\times1080\times12\times30$ (2.9.5) |
| H.265 압축 후(가정) | 약 4 Mbit/s | 2.9.5의 가정 |
| 압축비 | 186.6 : 1 | $746.5\div4$ |
| 화소당 비트 | 0.064 bit | $4\times10^{6}\div(1920\times1080\times30)$ |
규격은 ITU-T H.264(ISO/IEC 14496-10, AVC, 2003 초판)와 H.265(ISO/IEC 23008-2, HEVC, 2013 초판)가 널리 사용된다. 같은 화질에 H.265의 비트율은 H.264의 대략 절반이라고 흔히 서술된다 (경험 범위). 위 4 Mbit/s는 보통 장면의 가정이다. 나뭇잎·잔디처럼 움직임과 질감이 큰 드론 영상은 같은 화질에 몇 배가 들 수 있다 (경험 범위).
3.12.4.2 I·P·B 프레임과 GOP — 복구 시간과 비트의 교환
압축은 프레임 종류를 나눈다. I 프레임은 다른 프레임을 보지 않고 그 자체로 복원되며 크다. P 프레임은 앞 프레임과의 차이만 포함해 작지만 앞 프레임이 깨지면 따라 깨진다. B 프레임은 앞뒤를 모두 참조해 가장 작지만 뒤 프레임을 기다려야 하므로 재정렬 지연이 생긴다. I 프레임에서 다음 I 프레임 전까지를 GOP라 하고 길이를 $N$이라 한다.
GOP 길이는 두 가지를 정한다. I 프레임 크기가 P의 $r$배라면 I가 사용하는 비트의 몫은 다음이다.
$$\text{I 비트 몫}=\frac{r}{r+N-1}$$
그리고 GOP 안 임의 프레임이 손실되면 다음 I 프레임까지 $N-k$개가 깨진다($k$는 손실 위치, I 프레임이 손실이면 $N$개). 위치가 균일하다면 평균 $(N+1)/2$개, 30 fps에서 $(N+1)/60$초가 평균 복구 시간이고 최악은 $N/30$초다.
$r=10$인 경우 GOP 30(1초)이면 I 프레임이 비트의 25.6 %를 사용하고 평균 복구가 0.52 s다. GOP 10이면 52.6 %를 사용하고 0.18 s, GOP 60이면 14.5 %에 1.02 s다. 같은 비트율에서 I 프레임이 많이 사용하는 비트는 화질에서 빠진다. 손실에 강하게 하려면 화질을 내줘야 한다.
3.12.4.3 복구 방식 셋
① 주기적 I 프레임. 위 방식이다. 단순하고 되먹임이 필요 없으며 복구 시간은 GOP가 정한다. ② 인트라 리프레시. I 프레임을 한 번에 보내지 않고 매 프레임의 일부 영역(열이나 블록)만 I로 부호화해 $N$프레임에 걸쳐 화면 전체를 갱신한다. 프레임 크기가 고르고 큰 I 프레임이 없으므로 저지연 영상에 유리하다(아래). ③ 손실 통지 뒤 I 프레임 요청. 수신기가 손실을 알리면 송신기가 곧바로 I를 보낸다. 복구 시간은 왕복 시간 + I 프레임 전송 시간이다. 링크 8 Mbit/s에서 I 프레임(1.03 Mbit)이 128 ms이므로 가시선(왕복 40 ms)에서는 복구에 0.17 s가 걸려 주기 방식의 평균(0.52 s)보다 빠르다. GEO 위성(왕복 0.58 s)에서는 0.71 s로 오히려 느리다. 되먹임이 느린 링크에서는 요청 방식이 이득이 없다.
큰 I 프레임은 지연에도 해롭다. 평균 4 Mbit/s에서 GOP 30·$r=10$이면 P 프레임이 103 kbit, I 프레임이 1.03 Mbit다. 링크가 8 Mbit/s이면 P가 12.8 ms, I가 128 ms에 실려 나가므로 I 프레임이 지나갈 때 영상이 128 ms 지연된다. 이 쏠림 때문에 저지연 인코더는 프레임 크기를 일정하게(프레임당 비트 상한) 제한하는 쪽으로 설계된다 (일반적 설명, 제품별 확인 필요).
3.12.5 지연 구성 — 2.11.6과 맞춘다
3.12.5.1 구성요소 모형
영상 경로의 지연(포착~표시)을 다섯 항으로 나타낸다. 프레임 시간을 $T=1/\mathrm{fps}$라 하자.
$$T_{\mathrm{path}}=\underbrace{T}_{\text{포착}}+\underbrace{n_{enc}\,T}_{\text{인코딩}}+\underbrace{\frac{R_v/\mathrm{fps}}{R_L}+T_{mac}}_{\text{링크}}+\underbrace{T+T_{dec}}_{\text{지터 버퍼·디코딩}}+\underbrace{T}_{\text{표시}}$$
$n_{enc}$는 인코더가 프레임을 붙잡는 프레임 수다(B 프레임 재정렬·선읽기), $R_v$는 영상 비트율, $R_L$은 링크가 영상에 사용하는 순간 처리율, $T_{mac}$·$T_{dec}$는 접속·복호의 고정 몫(3.3 ms 가정)이다. 링크 항은 프레임이 링크를 지나는 시간이다. 영상 비트율이 링크 용량에 가까울수록 한 프레임의 전송이 한 프레임 시간을 다 차지한다.
2.11.6의 디지털 FPV(B)는 합만 주어졌으므로 이 장이 60 fps, 영상 비트율과 링크 용량이 같은 경우(예: 25 Mbit/s)를 가정해 넣으면(이 가정은 2.11.6에 없다) $T=16.7$ ms, $n_{enc}=1.5$로 포착 16.7, 인코딩 25.0, 링크 $16.7+3.3=20.0$, 버퍼·디코딩 $16.7+3.3=20.0$, 표시 16.7 ms이고 합 98.3 ms다. 2.11.6의 B와 같다. C(LTE, 30 fps)의 인코딩 66.7 ms는 $n_{enc}=2$, D(GEO)의 100 ms는 $n_{enc}=3$(B 프레임 두 장의 재정렬)으로 같은 식에서 나온다. 2.11.6이 값을 가정으로 두었으므로 이 장은 그 값이 어떤 설계 선택에서 나오는가를 보인다.
3.12.5.2 이 모형이 가르쳐 주는 것과 공개된 제조사 주장치
모형을 B에서 출발해 한 가지씩 바꾸면 지연이 어디서 줄어드는지 보인다.
| 변화 | 영상 경로 [ms] | 줄어든 이유 |
|---|---|---|
| B(60 fps, 링크 용량 = 비트율) | 98.3 | 기준 |
| 링크 용량을 2배로 | 89.9 | 프레임 전송 시간이 절반(−8.4 ms) |
| 120 fps로 올림(같은 구조) | 52.4 | 모든 프레임 시간이 절반 |
| 120 fps + 슬라이스 파이프라인 | 23.3 | 한 프레임을 다 모으지 않고 조각마다 인코딩·전송·표시(포착·표시·인코딩·버퍼 0.5 프레임) |
| A 아날로그(참고) | 34.3 | 포착·표시의 프레임 시간뿐 |
공개된 제조사 주장치와 견주어 보자. DJI는 O3 Air Unit의 가장 낮은 영상 전송 지연을 FPV 고글 V2에서 810p·120 fps일 때 28 ms 미만, 고글 2에서 1080p·100 fps일 때 30 ms라고 발표했다. 측정은 옥외 개활지의 간섭 없는 환경이고 고글에 따라 다르다고 밝혔다 (공개 주장치, DJI 공식 발표). HDZero는 카메라에서 표시까지 평균 약 14 ms라고 제조사가 밝힌다고 소개하는 기사가 있다 (공개 주장치, 2차 인용). 소매점 문구의 ‘3 ms 미만’은 어느 구간인지 불분명해 인용하지 않는다. Walksnail의 22~26 ms는 한 블로그의 글이어서 측정법을 알 수 없다 (2차).
2.11.6의 B(98 ms)와 이 값들(28~30 ms)이 다른 이유는 셋이다. ① 프레임 속도. 100~120 fps에서 프레임 시간이 8~10 ms여서 같은 구조의 모형이 52 ms가 된다. ② 슬라이스 파이프라인. 모형이 23 ms까지 내려가는 이 구조가 제조사 값이 놓이는 자리다. 이 계산은 28 ms가 물리적으로 가능하다는 증거이지 제품이 그 구조라는 증거가 아니다. ③ 측정 구간의 정의. 제조사 지연이 센서 노출 시작부터인지, 마지막 줄의 표시까지인지, 고글의 표시 처리를 포함하는지는 발표만으로 알 수 없다. 독립 측정은 포토다이오드로 화면의 밝기 변화를 재는 방식이 정석이다 (3.20). 따라서 이 책은 조종 설계에는 2.11.6의 보수적 값(B)을 사용하고, 제조사 값은 상한 추정으로만 사용한다.
3.12.6 비트율과 링크 버짓
결론부터: 영상 비트율은 링크 용량을 정하고, 링크 용량은 MCS와 대역폭을 정하며, MCS는 필요 SNR을, 필요 SNR은 통달거리를 정한다. 비트율을 절반으로 줄이면 거리가 약 1.4배 늘 수 있다(3 dB). 단 용량의 여유를 남겨야 한다.
기준 C2 링크(3.1)에서 바꾼 값을 표로 밝힌다.
| 항목 | 기준 C2 링크 | 이 장의 영상 링크 |
|---|---|---|
| 주파수 | 2.4 GHz | 5.8 GHz (자유공간 손실 1 km에서 107.7 dB) |
| 송신 전력 | 20 dBm | 23 dBm(200 mW) |
| 기체 안테나 · 지상 안테나 | 2 · 8 dBi | 3 · 9 dBi |
| 케이블 합 · 잡음지수 | 2 dB · 6 dB | 같음 |
| 대역폭 | 1 MHz | 5·10·20 MHz |
| 필요 SNR | 설명용 가정 | 3.9.5의 표(제약 용량 + 2 dB) |
수신 감도 $S=-174+10\log_{10}B+\mathrm{NF}+\mathrm{SNR}_{\mathrm{req}}$이고 순 데이터율은 $\eta B\times0.8$(CP·파일럿)이다. 허용 경로 손실은 $23+3+9-2-S=33-S$다. 여유 20 dB에서의 거리는 이 허용 손실에서 20 dB를 빼 구한다.
| 영상 비트율 · 대역 · MCS | 용량(헤드룸) | 감도 [dBm] | 거리, 여유 20 dB | 여유 10 dB | 여유 0 dB |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 Mbit/s · 5 MHz · BPSK 1/2 | 2 Mbit/s(1배) | $-101.8$ | 2.27 km | 7.2 km | 22.7 km |
| 4 Mbit/s · 5 MHz · QPSK 1/2 | 4 Mbit/s(1배) | $-98.8$ | 1.61 km | 5.1 km | 16.1 km |
| 4 Mbit/s · 10 MHz · QPSK 1/2 | 8 Mbit/s(2배) | $-95.8$ | 1.14 km | 3.6 km | 11.4 km |
| 20 Mbit/s · 20 MHz · QPSK 3/4 | 24 Mbit/s(1.2배) | $-89.6$ | 0.56 km | 1.8 km | 5.6 km |
읽을 것 셋. 첫째, 비트율을 10배(2에서 20 Mbit/s)로 올리면 거리가 4분의 1이다(여유 20 dB 기준 2.27 km에서 0.56 km, 필요 감도 12.2 dB 차이). 둘째, 같은 4 Mbit/s에서 헤드룸을 2배로 두면 거리가 0.71배다(1.61 km에서 1.14 km, 3 dB). 헤드룸은 큰 I 프레임을 받아 내고 프레임 전송 시간을 줄여 지연을 낮추지만(3.12.5.2) 거리로 값을 치른다. 셋째, 디지털은 절벽 효과(cliff effect)를 보인다. 3.9.3.2의 BER 곡선에서 오류율이 $10^{-3}$에서 $10^{-5}$로 가는 데 $E_b/N_0$가 2.8 dB밖에 안 걸리므로 부호화 링크의 감도 문턱 근처에서 SNR이 3 dB만 변해도 화면은 선명에서 끊김으로 간다. 아날로그의 부드러운 열화와 반대다. 이 계산은 자유공간이고 가림·반사는 3.2의 두 선 모델과 3.3·3.4으로 더한다. 안전한 설계는 여유를 20 dB 이상 두고 거리를 정한다.
3.12.7 오류 대응과 적응 비트율
3.12.7.1 FEC와 재전송(ARQ) — 지연을 어디서 치르는가
패킷이 틀렸을 때 두 방법이 있다. FEC는 중복 패킷을 미리 보낸다. 오류가 나도 되돌려 받지 않아 지연이 일정하지만, 블록 전체를 모아야 복구하므로 블록 길이만큼 지연이 붙고 중복 몫만큼 용량을 사용한다. ARQ는 틀리면 다시 보낸다. 평소에는 지연과 용량이 들지 않으나 틀린 패킷은 왕복 시간만큼 늦는다.
| 링크 속도 | 1,500 B 패킷 10개 블록 | 20개 | 50개 |
|---|---|---|---|
| 6 Mbit/s | 20 ms | 40 ms | 100 ms |
| 25 Mbit/s | 4.8 ms | 9.6 ms | 24 ms |
FEC 블록 지연은 위와 같이 패킷 시간 × 블록 길이다. 조종용 영상(B 구성의 버퍼 20 ms)에서는 낮은 속도 링크의 긴 블록이 버짓을 다 소비한다. 반대로 ARQ는 시도당 오류율 $p=0.1$에서 재전송 $K$번 허용 시 남는 손실이 $p^{K+1}$(3.9.6.2)이다. $K=3$이면 $10^{-4}$이고 평균 송신 횟수는 1.11번뿐이다. 허용 지연 안에서 왕복이 $K$번 들어가는가가 조건이다. 가시선 링크의 시도당 왕복이 5 ms라면 버퍼 20 ms 안에서 $K=3$이 가능하고, 왕복 0.58 s의 GEO 위성에서는 조종용으로 불가능하며 임무용 영상(수 초 지연 허용)에서만 가능하다.
| 용도 | 지연 버짓 | 사용하는 방법 |
|---|---|---|
| 조종용 FPV(가시선) | 버퍼 20 ms | 짧은 FEC + 인트라 리프레시, 제한된 ARQ |
| 임무용 영상(가시선) | 수백 ms~수 초 | ARQ를 크게, 높은 신뢰 |
| 위성 영상 | 수 초 | FEC 위주, 지상에서 ARQ(게이트웨이) |
| 기록 파일 전송 | 무관 | 파일 단위 완전 ARQ |
3.12.7.2 적응 비트율
링크 용량은 MCS에 따라 변한다(3.9.6.1). 인코더 목표 비트율이 용량을 넘으면 큐가 차고 지연이 폭증하거나 프레임이 버려진다. 규칙은 셋이다. ① 인코더 목표를 링크 용량의 70~80 %로 두어 헤드룸을 남긴다(경험 범위). ② 링크 계층이 아는 MCS를 인코더에 직접 알린다. 영상 쪽 지연 추정으로 용량을 맞추면 한두 초가 늦는다. ③ 비트율을 평균이 아니라 낮은 분위 용량에 맞춘다. 레일리 페이딩에서 평균 SNR 20 dB일 때 시간의 1.6 %만 QPSK 1/2(필요 2.19 dB) 아래이고, 3.4 %가 QPSK 3/4(5.39 dB) 아래이며 12.6 %가 16QAM 3/4(11.30 dB) 아래다(3.9.6.1의 모형). 높은 MCS를 기준으로 비트율을 잡으면 12.6 %의 시간 동안 영상이 막힌다.
3.12.8 영상 품질 지표
| 지표 | 무엇을 재나 | 한계 |
|---|---|---|
| PSNR $=10\log_{10}(255^2/\mathrm{MSE})$ | 원본과의 화소 오차 | 사람이 느끼는 화질과 어긋날 수 있다 |
| SSIM | 구조 유사도 | 시간 차원이 없다 |
| VMAF | 인간 지각을 학습한 점수(Netflix 개발, 0~100) | 일반 영상으로 학습한 값이다 |
| 비디오 NIIRS | 판독 가능성(군 영상의 판독 척도) (MISB 권고, 확인 필요) | 운용자 판독이 필요하다 |
| 종단 지연(glass-to-glass) | 장면 변화에서 화면 변화까지 | 측정 장비가 필요하다(3.20) |
| 정지·끊김 비율 | 영상이 멈춘 시간의 비율 | 지터 버퍼 설정에 좌우된다 |
임무용 영상에서는 판독 가능성이 목표이므로 화소 오차 지표는 보조다. 해상도·지표 해석은 6.1·6.3·6.4에서 다룬다. 조종용 영상에서는 지연과 정지 비율이 화질 지표보다 중요하다. 한 가지 어긋남에 주의한다. 화질 지표는 대개 정상 수신 상태의 값이어서 링크 열화 때 어떻게 붕괴하는가를 말해 주지 않는다.
3.12.9 군 영상 링크·메타데이터와 온보드 압축
군 영상 링크는 영상과 위치·자세·센서 방향·시각 같은 메타데이터를 함께 보낸다. 공개된 군 상호운용 규격에서 영상 쪽은 STANAG 4609(NATO 디지털 모션 이미저리 표준)이 영상 부호화와 전송 구조를, MISB의 KLV 메타데이터가 정보를 정한다. 영상과 메타데이터를 MPEG-2 전송 스트림(ISO/IEC 13818-1)에 다중화하는 구조가 알려져 있다(상세는 9.8). 링크 쪽 규격은 공통 데이터링크(CDL)와 STANAG 7085가 있다(9.10). 메타데이터 한 건이 200 B이고 영상 프레임마다 보낸다면(30 Hz) 48 kbit/s로 4 Mbit/s 영상의 1.2 %다 (가정). 부포함한 작지만 영상과 시각이 어긋나면 지리 위치가 틀린다(6.2·6.10의 지리 위치 결정). 그래서 메타데이터는 영상 프레임과 같은 시간 기준을 사용한다.
온보드 압축과 선택 전송(6.11)은 링크를 바꾼다. 풀 영상을 모두 보내는 대신, 기체가 영상을 분석해(6.12) 관심 객체의 조각(chip)과 위치만 보낸다. 8 kB 조각을 초당 2개 보낸다면 128 kbit/s로 4 Mbit/s 영상의 31분의 1이다 (가정). 원본은 기체에 기록해 두고 필요할 때 따로 내려받는다. 링크가 끊겨도 임무 데이터는 기체에 남는다는 이점이 있다. 대가는 운용자가 기체의 판단을 신뢰하거나 확인해야 한다는 점이다(7.11). 1:N 운용에서 한 대만 고해상으로 보내는 정책(3.10.9)도 같은 논리다.
3.12.10 영상 보안 — 평문의 위험(범주 수준)
아날로그 FPV는 암호화가 없다. 같은 대역의 수신기만 있으면 누구나 영상을 본다. 디지털도 암호화를 켜지 않으면 마찬가지이고, 제품마다 암호 옵션의 유무는 다르다 (확인 필요). 위협은 네 범주로 정리한다.
| 위협 | 영향 | 방호 | 상세 |
|---|---|---|---|
| 도청(수신) | 영상·위치 정보 유출, 개인정보 침해 | 링크 암호, 저피탐·저피요격 파형 | 3.18·9.19 |
| 영상 주입·위변조 | 거짓 영상으로 운용자 오도 | 인증, 무결성 검증 | 9.19·8.16 |
| 간섭·재밍 | 영상 끊김, 절벽 효과 | 여유, 항재밍 파형, 자동 복귀 | 5.2·5.8 |
| 링크 하이재킹 | 영상 경로를 통한 제어 침해 | 링크 분리, C2의 별도 인증 | 8.16 |
원칙은 영상 경로와 C2 경로를 분리하고 영상 쪽 침해가 C2로 번지지 않게 하는 것이다(3.11). 군용은 영상 암호화가 기본이며 방호의 구체는 다루지 않는다.
3.12.11 수치 예시·워크스루 — 1080p 영상 한 대를 5.8 GHz로 2 km 보내기
가상 구성이다. 1080p·30 fps 영상, 목표 거리 2 km, 여유 20 dB, 링크는 3.12.6의 표(5.8 GHz, 23 dBm)다.
| 단계 | 계산 | 결과 |
|---|---|---|
| ① 압축 | 746.5 Mbit/s → 4 Mbit/s | 압축비 186.6, 화소당 0.064 bit |
| ② 필요 감도 | 2 km의 자유공간 손실 113.7 dB + 여유 20 dB = 133.7 dB, 허용 손실 $33-S$ | $S\le-100.7$ dBm |
| ③ 후보 1: 4 Mbit/s, 5 MHz QPSK 1/2 | 감도 $-98.8$ dBm | 1.9 dB 부족(1.61 km) |
| ④ 후보 2: 2 Mbit/s, 5 MHz BPSK 1/2 | 감도 $-101.8$ dBm | 2.27 km 충족, 헤드룸 1배 |
| ⑤ 후보 3: 4 Mbit/s에 송신 +2 dB(25 dBm) | 허용 손실 +2 dB | 2.03 km 충족, 규정 한도 확인 필요(18.16) |
| ⑥ 지연(30 fps, $n_{enc}=1.5$) | 링크 용량 = 비트율이면 링크 항 36.6 ms | 합 189.9 ms |
| ⑦ 지연(용량 2배) | 링크 항 20.0 ms | 합 173.3 ms |
| ⑧ I 프레임(GOP 30, $r=10$) | 1.03 Mbit ÷ 링크 용량 | 4 Mbit/s에서 256 ms, 8 Mbit/s에서 128 ms |
| ⑨ 메타데이터 | 200 B × 30 Hz | 48 kbit/s(1.2 %) |
읽을 것 셋. 첫째, 2 km·여유 20 dB를 맞추려면 비트율을 반으로 낮추거나(후보 2) 송신 전력을 올리거나(후보 3) 지상 안테나 이득을 올려야 한다. 화질·거리·지연의 교환이 구체적 숫자로 보인다. 둘째, 후보 2는 거리를 얻는 대신 용량 헤드룸이 1배라 I 프레임이 256 ms를 차지한다. 인트라 리프레시나 프레임 크기 상한이 없으면 영상이 주기적으로 멈춘다. 용량을 2배로 잡으면 지연이 17 ms 줄고 I 프레임 지연도 반이 되지만 거리가 0.71배가 된다. 셋째, 이 구성의 영상 경로 지연은 173~190 ms로 2.11.6의 B(98 ms)와 C(313 ms) 사이다. 속도 명령 수준(한도 1.30 s)은 충분하고 정밀 호버(26 ms)는 불가능하다(3.11.3.3).
3.12.12 설계 트레이드오프 — 아날로그와 디지털, 한 링크와 두 링크
① 아날로그 FPV. 지연이 가장 작고(34 ms) 열화가 부드러우며 장비가 싸다. 대가는 낮은 해상도, 채널 충돌, 평문, 정보 중첩의 어려움이다. 가시권 경주·교육과 지연이 우선인 조종에 맞다.
② 저지연 디지털 FPV(전용 링크). 해상도와 간섭 내성이 좋고 암호 옵션이 있으며 지연을 수십 ms로 낮추는 제품이 공개돼 있다. 대가는 절벽형 열화, 제조사 독자 방식(상호운용 없음), 값이다.
③ 표준 IP 영상(와이파이·셀룰러·위성)과 적응 비트율. 임무 데이터와 한 망에 싣기 쉽고 도달이 넓다. 대가는 지연 변동과 큰 지연(2.11.6의 C·D)이다.
견해: 조종용 영상과 임무용 영상은 링크를 분리하는 편이 낫다고 본다. 근거는 셋이다. 첫째 요구가 반대다(3.12.2). 둘째 3.9.10·3.11의 계산처럼 영상(수 Mbit/s)과 C2(수십 kbit/s)의 속도비가 80배라 한 파형이 둘을 함께 만족하지 못한다. 셋째 영상이 끊겨도 C2가 살아 있게 해야 한다. 한 기체에 두 영상이 필요하면 조종용은 ①이나 ②, 임무용은 ③으로 가는 구성이 흔하다. 소형 UAS 한 대의 가시권 비행에서는 한 링크의 디지털 영상이 합리적이다. 군용에서는 항재밍·암호가 우선이어서 영상 링크도 ②나 ③에 보안을 추가한다.
3.12.13 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 영상의 주 용도 | 정찰·표적 식별, 메타데이터 포함 | FPV·점검·촬영·배송 확인 | 원격 조종·감독의 시야, 지상 감시 |
| 주 링크 | CDL·위성 Ku·Ka, 암호 | 아날로그·디지털 FPV, 와이파이·셀룰러 | 지상 인프라·셀룰러, 이중 경로 |
| 지연 요구 | 임무용은 완화, 조종은 엄격 | FPV는 수십~백 ms | 원격 조종 단계에 따라 엄격 (확인 필요) |
| 보안 | 영상 암호가 기본 | 대부분 평문 | 인증된 링크 보안 |
| 관련 장 | 9.8·9.10 | 3.14·14.1·14.15 | 15.15 |
3.12.14 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| ITU-T H.264 · ISO/IEC 14496-10 (AVC) | ITU-T·ISO/IEC | 영상 압축(2003 초판) | — |
| ITU-T H.265 · ISO/IEC 23008-2 (HEVC) | ITU-T·ISO/IEC | 영상 압축(2013 초판) | — |
| ISO/IEC 13818-1 (MPEG-2 시스템) | ISO/IEC | 영상·메타데이터의 전송 스트림 다중화 | 9.8 |
| STANAG 4609, MISB 규격(KLV 메타데이터) | NATO·MISB | 군 영상 형식과 메타데이터 (판 확인 필요) | 9.8 |
| CDL, STANAG 7085 | 미 국방부·NATO | 군 ISR 영상·데이터링크 (공개 요약 범위) | 9.10 |
| IETF RFC 3550 (RTP) | IETF | 실시간 영상 전송의 패킷 형식 | 3.10 |
| IEEE 802.11, 3GPP | IEEE·3GPP | 와이파이·셀룰러 영상의 하부 링크 | 9.15 |
3.12.15 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 이 장의 기술 | 일으키는 요구 | 연결 |
|---|---|---|
| 5.8 GHz 영상 송신 | 허용 대역·출력 한도·적합성 인증(국가별로 다르다. 일부 FPV 채널은 허용되지 않는다) | 18.16·17.19 |
| 영상 촬영 | 개인정보·위치정보·영상정보 규제, 항공사진·공간정보 보안 | 18.17·18.20·18.6 |
| 영상 지연·가용도 | 원격 조종 단계의 시야 요건(비가시권·야간) | 14.15·14.17 |
| 평문 영상 | 보안 요건·수출통제 암호 모듈 | 9.19·8.11 |
| 군 영상 링크 | 군 상호운용·암호 승인 | 9.8·9.10 |
3.12.16 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "제조사가 말한 28 ms가 시스템 지연이다" | 제조사가 정한 구간이다. 2.11.6의 보수적 값은 98 ms다 | 3.12.5.2 |
| "압축하면 지연도 준다" | 인코더 지연·재정렬·I 프레임 쏠림이 붙는다 | 3.12.4.3 |
| "비트율을 낮추면 거리가 늘기만 한다" | 대역과 MCS를 함께 낮출 때만 감도가 오르고, 헤드룸 없이는 I 프레임이 지연을 만든다 | 3.12.6 |
| "디지털이 아날로그보다 열화가 부드럽다" | 절벽 효과가 있다. 아날로그가 부드럽다 | 3.12.3·3.12.6 |
| "GOP를 짧게 하면 화질만 나빠진다" | 복구 시간이 줄고 비트가 I에 쏠린다. 교환이다 | 3.12.4.2 |
| "ARQ로 신뢰도를 올린다" | 왕복이 지연 버짓을 넘으면 불가능하다(GEO) | 3.12.7.1 |
| "영상 링크는 C2와 같은 파형이면 된다" | 속도비 80배, 요구가 반대다 | 3.12.12 |
이 장의 한계도 밝힌다. 지연 모형은 2.11.6의 B를 재현하도록 짠 설명용 모형이며 실제 제품의 구조·값이 아니다. 압축 4 Mbit/s는 2.9.5의 보통 장면 가정이다. 링크 버짓은 자유공간이고 가림·반사는 넣지 않았으며 MCS 표는 용량 + 2 dB의 가정이다. 제조사 지연은 (공개 주장치)이고 독립 검증이 아니다. 군 영상 링크의 성능·파형은 공개 범위를 넘어서 작성하지 않았다. 실제 값은 3.20의 시험(포토다이오드 종단 지연 측정 포함)으로 확인한다.
3.12.17 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 1080p·30 Hz 영상의 원본 비트율이 746.5 Mbit/s인 계산과 H.265 4 Mbit/s의 압축비를 구하라.
- GOP 30(30 fps)에서 손실 뒤 평균 복구 시간 0.52 s와 최악 1.0 s를 유도하라. I 프레임이 비트의 몇 %를 사용하는가($r=10$)?
- 2.11.6의 B(영상 경로 98 ms)를 구성요소 식으로 재현하고, 링크 용량을 2배로 하면 얼마나 줄어드는지 계산하라.
- 제조사가 28 ms를 주장하는 영상 링크와 2.11.6의 B가 3.5배 차이 나는 이유 세 가지를 설명하라.
- 같은 4 Mbit/s에서 링크 용량 헤드룸을 1배에서 2배로 올릴 때 거리와 지연이 어떻게 달라지는가?
- GEO 위성 영상에서 ‘손실 통지 뒤 I 프레임 요청’이 주기적 I 프레임보다 느린 이유는?
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 종단 지연의 공개 측정 — 제조사 주장치와 독립 측정(포토다이오드 방식)의 차이를 어떻게 체계적으로 수집할 수 있는가? 측정 구간을 표준으로 정의할 수 있는가?
- 링크의 절벽 효과와 영상 인코더의 공동 설계 — 링크 계층의 MCS 변화를 인코더가 몇 ms 안에 알고 반응하게 하면 정지 비율을 얼마나 줄이는가?
- 임무용 영상의 압축과 판독성 — 압축률과 비디오 NIIRS의 관계, 링크 열화 때 판독성이 붕괴하는 방식을 공개 데이터로 어떻게 보일 수 있는가?
- 선택 전송의 운용 효과 — 온보드 분석이 보내는 조각만으로 운용자의 판단 시간과 오류가 어떻게 달라지는가(7.11)?
1차 출처(이 장)
- ITU-T Recommendation H.264 | ISO/IEC 14496-10; ITU-T Recommendation H.265 | ISO/IEC 23008-2.
- Wiegand, T.; Sullivan, G. J.; Bjøntegaard, G.; Luthra, A., "Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard", IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2003.
- Sullivan, G. J.; Ohm, J.-R.; Han, W.-J.; Wiegand, T., "Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard", IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2012.
- Wang, Z.; Bovik, A. C.; Sheikh, H. R.; Simoncelli, E. P., "Image Quality Assessment: From Error Visibility to Structural Similarity", IEEE Transactions on Image Processing, 2004.
- IETF RFC 3550 (RTP); ISO/IEC 13818-1; STANAG 4609 및 MISB 규격(9.8); CDL·STANAG 7085(9.10) — 본문 미확인, 공개 요약 범위.
- DJI 공식 발표 DJI Launches O3 Air Unit(제조사 지연 주장치, 측정 조건은 제조사 것).
- Haykin, S.; Moher, M., Communication Systems, 5th ed., Wiley, 2009(FM 문턱 효과).
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9, 규격의 지형은 9.1에서 다룬다.
다음 장: 3.13에서 비가시권의 큰 축, 위성통신으로 넘어간다. 정지궤도·중궤도·저궤도의 전파 지연·도플러·가시 시간, 위성 링크 버짓과 $G/T$, 항공 위성 서비스와 저궤도 군집, 3GPP의 비지상망(NTN)을 다룬다. 이 장의 영상 링크와 앞 장의 C2 링크가 위성에서 어떻게 분리되는지도 거기서 이어진다.