AEGLOSLAB 무인항공과 첨단항공모빌리티

제3부 전파·통신

3.18 통신 보안과 항재밍 통신: 저피탐·저피요격(LPD·LPI)·대역확산·주파수 도약·암호화

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

링크가 곧 조종석이라면(3.1) 링크를 보호하는 일은 기체를 보호하는 일이다. 이 장은 방호 설계의 관점에서 링크를 보호하는 기술을 정리한다. 링크가 위협받는 방식은 세 가지다. 내용을 엿보이는 것, 명령을 위조당하는 것, 끊기는 것이다. 하나의 기술이 셋을 모두 막지 못하므로 계층마다 다른 수단을 사용한다.

배우는 것:

  • 통신 보안의 세 요소 — 기밀성·무결성·가용성과, 링크 계층의 인증·암호·재전송 공격 방지를 개념 수준에서 이해한다(키 관리와 규격은 9.19).
  • 대역확산과 처리 이득 — $G_p=B_{ss}/R_b$가 무엇을 사고 무엇을 사지 못하는가. 열잡음에 대한 이득이 아니라는 점.
  • 주파수 도약 — 도약률·체류 시간·점유 대역과, 비면허 대역의 규칙이 설계에 거는 제약.
  • 재밍 마진 — $M_J=G_p-(E_b/N_0)_{\mathrm{req}}-L_{\mathrm{sys}}$를 방호 설계의 지표로 읽는 법과 그 한계.
  • LPD·LPI — 방출을 줄이는 수단(전력 제어·지향 안테나·짧은 방사·확산)과, 그것이 "보이지 않음"이 아니라 "찾기 어려움"인 이유.
  • 링크 방호의 경계 — 하이재킹·GNSS 방호·노획 시 보호가 어느 장의 몫인지.

선수 지식: 공통 기호표와 $E_b/N_0$ 정의는 3.1.8, 변조·부호와 필요 $E_b/N_0$는 3.9, 링크 버짓은 3.8다. 확산의 개요는 3.9.8이 이미 놓았고, 이 장은 그 해석을 맡는다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.18.4·3.18.5와 3.18.9를 건너뛰지 않는다. 법무·정책 담당자는 3.18.13과 경계 상자가 먼저다. 사업 담당자는 3.18.2와 3.18.10만 읽어도 어떤 보안 수단이 무엇을 보호하고 무엇을 못 보호하는지 알 수 있다. 인증 담당자는 3.18.3과 3.18.13을 본다.

기준 시점과 경계. 이 장은 2026년 10월 기준의 원리 장이며 지식은 2026년 중반까지다. 비면허 대역의 규칙(미국 47 CFR 15.247, 유럽 ETSI EN 300 328 V2.2.2)은 조문 원문을 확인한 것만 단정했고, 제품·체계의 항재밍 성능은 공개 자료가 거의 없어 이 장은 원리로 계산한 값만 작성한다((공개 주장치)가 필요한 제품 수치는 싣지 않았다). 이 장은 방호만 다룬다. 재머의 제작, 특정 수신기·링크를 무력화하는 파라미터와 절차, 재밍의 신호비·번스루 계산은 작성하지 않으며 재밍의 원리는 5.2이 맡는다. 군 파형·암호·주파수 계획은 비공개이므로 작성하지 않는다.

3.18.2 개념·직관 — 링크 보안은 세 가지 일이고 한 기술이 셋을 막지 못한다

정보보안의 세 요소를 링크에 대응시키면 위협과 수단이 이렇게 짝지어진다.

요소위협링크에서의 수단한 줄 요약
기밀성전파를 가로채 내용을 읽는다링크 암호, 방출을 줄이는 LPD읽지 못하게 한다
무결성(진본성 포함)명령을 위조·변조·재전송한다메시지 인증, 재전송 공격 방지, 키 관리믿을 수 있게 한다
가용성링크를 끊거나 잡음에 묻는다확산·도약·부호화·지향 안테나·다중화끊기지 않게 한다

핵심은 수단이 요소마다 다르다는 것이다. 암호는 기밀성과 무결성을 주지만 링크가 끊기는 것은 막지 못한다. 대역확산은 가용성을 높이지만 위조 명령은 막지 못한다. 보안 설계에서 가장 흔한 실수는 한 계층의 강점을 다른 요소의 보증으로 읽는 것이다. 아래 그림은 계층별로 어느 요소에 기여하는지 한 장에 놓은 것이다.

기밀성 무결성 가용성 물리 계층 확산·도약·지향·전력 제어 부호화 계층 오류정정·인터리빙·적응 필터 링크 계층 인증·암호·재전송 공격 방지 키 관리 배포·갱신·폐기(9.19) 응용 계층 명령 권한·서명(9.5) 주된 기여 보조 해당 없음
링크 보안의 계층 — 한 계층이 세 요소를 모두 지키지 못한다. 기밀성과 무결성은 링크 계층의 암호·인증과 키 관리가, 가용성은 물리 계층의 확산·도약과 부호화 계층이 맡는다. 인증이 있어도 가용성은 지켜지지 않는다

세 축에서 무게가 다르다.

  • 군용 드론은 가용성과 은닉이 우선이다. 확산·도약·지향 안테나와 암호를 병용하고 파형은 대부분 비공개다(3.16·5.8).
  • 민간 UAS는 무결성이 먼저다. 비면허 대역의 규격 칩에서 명령이 위조되지 않는 것이 첫 요구이고, 가용성은 대역 선택과 다중화(3.11)로 푼다.
  • AAM은 세 요소가 모두 안전 논거에 들어간다. 링크의 무결성·가용성은 성능 요건(9.13)이고 사이버보안은 감항 보안의 일부다(8.11).

3.18.3 링크 계층의 보안 — 개념 수준

3.18.3.1 암호와 인증 — 무엇을 보호하는가

결론부터: 암호는 내용을 숨기고, 인증은 보낸 자와 내용이 바뀌지 않았음을 증명한다. 짧은 C2 패킷에서는 암호보다 인증이 더 중요하고 더 비싸다. 명령이 읽히는 것보다 위조되는 것이 사고가 되기 때문이다.

링크 계층의 보호는 세 부품으로 이루어진다.

  • 암호화 — 공유 비밀 키로 내용을 가린다. 평문 영상이 도청에 노출되는 위험은 3.12.10이 다뤘다.
  • 메시지 인증 — 키로 만든 짧은 태그를 메시지에 붙이고 수신 쪽이 같은 키로 검증한다. 태그가 맞지 않는 메시지는 버린다.
  • 재전송 공격 방지 — 이전에 유효했던 메시지를 다시 보내도 받아들이지 않는다(3.18.3.2).

세 부품 모두 키에 달려 있다. 키의 생성·배포·갱신·폐기와 규격(FIPS 140-3, KCMVP 등)은 9.19가 맡고, 기체를 노획당했을 때 키를 지우는 문제는 8.17이 맡는다. 이 장은 어떤 보호가 링크의 성능과 맞바꾸는 비용을 치르는가만 계산한다.

3.18.3.2 재전송 공격 방지 — 카운터의 수명

위조가 아니라 옛 메시지를 그대로 다시 보내는 것도 위협이다. 방호는 메시지마다 단조 증가하는 순서 번호나 시각을 인증 대상에 넣고, 이미 본 값 이하는 버리는 것이다. 이때 카운터의 비트 수가 키 하나의 수명을 정한다. 한 번 넘치면 같은 키로 값이 되풀이되므로 키를 바꿔야 한다.

카운터초당 50개 송신 시 한 바퀴갱신 요구
16비트21.8분한 비행 안에 여러 번
24비트3.9일매 비행 전
32비트2.7년정비 주기마다
48비트약 178,000년사실상 없음

(계산: $2^{b}/50$ 초.) 짧은 카운터는 헤더가 작다는 이점이 있지만 키 갱신이 운용의 일이 된다. 오픈 프로토콜의 예로 MAVLink 2의 서명 블록은 링크 식별 8비트·타임스탬프 48비트(10 µs 단위, 2015년 1월 1일 기준)·서명 48비트의 13바이트이며, 서명은 비밀 키와 메시지를 붙여 SHA-256을 한 뒤 앞 48비트를 사용한다(MAVLink 문서 확인). 타임스탬프 48비트는 10 µs 틱에서 약 89년이므로 수명 문제는 아니다. 서명은 인증만 하고 암호화는 하지 않는다고 알려져 있으며 (9.5에서 확인), 서명 사용은 선택이다. 이 구조의 한계와 공개된 보안 평가는 9.5이 맡는다. 명령의 유효 시간(TTL)으로 낡은 명령을 버리는 운용 쪽 장치는 3.11.7이 다뤘다.

3.18.3.3 태그 길이의 교환

태그가 $t$비트이면 위조 메시지가 한 번에 통과할 확률은 $2^{-t}$다. 길이는 두 가지와 맞바꾼다. 하나는 짧은 패킷의 오버헤드, 다른 하나는 공중에서의 시도 횟수다.

태그 길이한 번 통과할 확률초당 50번 시도 시 기대 시간40바이트 패킷에 붙일 때 증가분
32비트$2.3\times10^{-10}$약 2.7년4바이트(10 %)
48비트$3.6\times10^{-15}$약 178,000년6바이트(15 %)
128비트$2.9\times10^{-39}$우주 나이보다 길다16바이트(40 %)

48비트 태그는 위조 시도가 전파로 이루어져 초당 수십 번으로 제한된다는 사실에 기댄 선택이다. 공중에서 묻는 시도는 느리지만, 같은 키를 사용하는 기체가 많으면 시도 대상이 늘어난다. 한 키로 여러 기체를 사용하지 않는 것이 이 가정의 전제다. 길이는 무결성 요구(3.11.3)와 패킷 길이의 교환으로 정한다. 어느 값이 옳다고 이 장이 정하지 않는다.

3.18.4 대역확산 — 처리 이득

3.18.4.1 직접 수열 확산(DSSS)과 처리 이득

데이터 비트 하나를 훨씬 빠른 칩 열에 곱해 대역을 넓힌다. 칩률 $R_c$가 확산 대역폭 $B_{ss}$를 정한다. 처리 이득은 대역이 비트율의 몇 배인가다.

$$G_p=\frac{B_{ss}}{R_b}\ \ (\text{dB: }10\log_{10}G_p),\qquad \frac{E_b}{N_0}=\mathrm{SNR}_{\mathrm{in}}+G_p$$

두 번째 식은 3.1.8의 $E_b/N_0=\mathrm{SNR}+10\log_{10}(B/R_b)$에 $B=B_{ss}$를 넣은 것과 같다. 칩률 10 Mcps·데이터 10 kbit/s이면 $G_p=1{,}000$, 곧 30 dB다. GPS C/A 부호는 1.023 Mcps에 50 bit/s로 43.1 dB다(3.9.8). 같은 식으로 수신기 입력 SNR의 요구가 내려간다.

$$\mathrm{SNR}_{\mathrm{in,req}}=\left(\frac{E_b}{N_0}\right)_{\mathrm{req}}-G_p$$

필요 $E_b/N_0$가 2.19 dB(3.9.5의 BPSK 1/2)이면 $G_p=30$ dB에서 $\mathrm{SNR}_{\mathrm{in,req}}=-27.8$ dB다. 수신기 입력에서 신호가 잡음보다 28 dB 낮아도 읽는다는 뜻이다.

여기서 흔한 오해를 바로잡아야 한다. 처리 이득은 열잡음에 대한 이득이 아니다. 기준 링크의 5 km에서 수신 전력은 $-86$ dBm이다(3.1.9). 10 MHz로 확산하면 잡음 $-98$ dBm에 대해 $\mathrm{SNR}_{\mathrm{in}}=12.0$ dB이고 $E_b/N_0=12.0+30=42.0$ dB다. 확산하지 않고 10 kHz로 보내면 잡음이 $-128$ dBm으로 30 dB 낮아 $\mathrm{SNR}=42.0$ dB이고 $E_b/N_0$도 같은 42.0 dB다. 열잡음만 있는 링크에서는 확산이 통달거리를 늘리지 못한다. 확산이 사는 것은 스펙트럼의 모양이다. 같은 에너지를 넓게 펴서 전력 밀도를 낮추고(아래 그림), 좁은 대역에 몰린 방해에 덜 민감하게 한다.

103 104 105 106 107 −200 −180 −160 −140 −120 중심에서의 주파수 간격 [Hz] 수신 전력 밀도 [dBm/Hz] 잡음 밀도 −168 dBm/Hz(NF 6 dB) 협대역 10 kbit/s 확산 10 Mcps
확산 전후의 전력 밀도 — 총 수신 전력은 같다(−86 dBm). 협대역 신호는 한 점에 모여 잡음보다 42 dB 높고 약 0.4 MHz 밖에서는 잡음 밑으로 내려간다. 10 Mcps로 확산한 신호는 밀도가 30 dB 낮아 잡음보다 12 dB 높을 뿐이지만 10 MHz 가까이 넓게 퍼진다. 밀도가 낮아진 대신 같은 $E_b/N_0$(42 dB)를 더 넓은 대역에 나눠 싣는다

3.18.4.2 주파수 도약(FHSS)

반송파를 짧은 시간마다 바꾸는 방식이다. 설계 변수는 네 가지다.

변수뜻설계에서의 의미
채널 수 $N$도약 집합의 크기점유 대역 $B_{\mathrm{hop}}=N\,\Delta f$, 처리 이득 $G_p=B_{\mathrm{hop}}/R_b$
도약률초당 도약 횟수동기·전환 시간이 체류 시간의 일부를 차지한다
체류 시간한 채널에 머무는 시간길면 한 채널의 간섭이 한 패킷을 통째로 지운다
도약 순서키에서 나오는 의사 난수순서를 모르면 다음 채널을 알 수 없다

도약은 일부 채널에 간섭이 있어도 평균을 취해 살아남는 수단이다. 대신 채널 하나하나에서는 넓지 않은 대역에 순간 전력이 집중되므로 확산 방식처럼 순간 밀도가 낮아지지는 않는다. 시간 평균 밀도만 $10\log_{10}N$ dB 낮아진다(79채널에서 19 dB). 두 방식은 보완 관계여서 섞어 사용하기도 한다.

비면허 대역의 규칙은 도약에 구체적인 모양을 강제한다. 미국 47 CFR 15.247(a)(1)은 2,400~2,483.5 MHz의 도약 시스템에 채널을 15개 이상, 한 채널의 평균 점유 시간을 0.4 s × 채널 수의 관측 창 안에서 0.4 s 이하로 요구한다(원문 확인). 79채널·초당 1,600번 도약·체류 625 µs로 균등하게 도약하면 한 채널의 누적 시간이 31.6 s 창 안에서 0.4 s로 한도와 정확히 같다. 규칙이 균등한 연속 도약을 한계로 설계돼 있다는 뜻이고, 전송에 쉬는 시간이 있으면 여유가 생긴다. 유럽 ETSI EN 300 328 V2.2.2는 적응형 도약 장비에 도약 주파수 15개 이상과 한 도약 주파수의 누적 송신 시간 400 ms 이하(관측 창은 400 ms × 도약 주파수 수)를 요구하고, EIRP를 20 dBm 이하로 둔다(원문 확인). 도약 시스템이 다른 시스템과 도약 집합을 맞춰 중첩되지 않으려고 협조하는 것은 15.247(h)가 허용하지 않는다(원문 확인, 3.19.6에서 다시 본다).

3.18.4.3 방식 비교

방식방호하는 것대가비면허 규칙에서
DSSS순간 밀도를 낮춤, 좁은 대역 간섭에 강함넓은 연속 대역·동기6 dB 대역 ≥ 500 kHz, 밀도 ≤ 8 dBm/3 kHz(15.247)
FHSS일부 채널의 간섭 평균, 순서 비밀동기·전환 시간채널 수·점유 시간 제한
처프 확산(LoRa 계열)낮은 SNR에서의 수신낮은 데이터율(3.9.8)디지털 변조 규칙 (확인 필요)
단순 협대역대역 효율간섭·방출 노출밀도 한도에 걸린다

15.247(e)는 디지털 변조 장비의 전력 밀도를 3 kHz당 8 dBm 이하로 제한한다(원문 확인). 평탄한 밀도를 가정하면 20 dBm을 보내려면 최소 47.5 kHz, 30 dBm이면 약 475 kHz의 대역이 필요하다(계산). 비면허 대역에서는 규칙이 확산(넓은 대역)을 사실상 강제한다. 이 장의 기준 링크가 10 kbit/s 정보를 10 MHz로 보내는 것은 규칙에 맞는 선택이기도 하다.

3.18.5 재밍 마진 — 방호 설계의 지표

3.18.5.1 정의와 읽는 법

결론부터: 재밍 마진은 수신기가 방해 전력이 신호 전력의 몇 dB 배까지 커져도 읽어 내는가의 한도를, 처리 이득에서 필요한 $E_b/N_0$와 손실을 빼서 적은 방호 설계의 지표다. 값이 크다고 안전이 보증되는 것이 아니라, 같은 조건에서 어떤 설계가 더 견디는가를 견주는 잣대다.

$$M_J=G_p-\left(\frac{E_b}{N_0}\right)_{\mathrm{req}}-L_{\mathrm{sys}}\ \ [\mathrm{dB}]$$

기호뜻
$G_p$처리 이득 $B_{ss}/R_b$ [dB]
$(E_b/N_0)_{\mathrm{req}}$목표 오류율에서 필요한 값(3.9의 표)
$L_{\mathrm{sys}}$구현 손실·동기 손실·필터 손실의 합(가정)

이 식은 방해가 신호 대역 전체에 퍼진 잡음처럼 들어올 때의 지표이고, 정의상 방호 쪽의 수신기 성능을 정리한 것이다. 방해 전력과 거리의 관계(방해 대 신호비 J/S, 번스루 거리)와 방해의 종류는 5.2이 맡는다. 이 장은 그 계산을 하지 않는다.

처리 이득 $G_p$20 dB30 dB40 dB50 dB60 dB
$M_J$, $(E_b/N_0)_{\mathrm{req}}=9.6$ dB(부호 없는 BPSK, BER $10^{-5}$)7.417.427.437.447.4
$M_J$, $(E_b/N_0)_{\mathrm{req}}=2.19$ dB(BPSK 1/2, 3.9.5)14.824.834.844.854.8

($L_{\mathrm{sys}}=3$ dB 가정, 계산값.) 부호를 사용하면 같은 처리 이득에서 7.4 dB를 더 얻는다. 처리 이득을 10배 올리는 것과 부호 하나를 추가하는 것의 값이 같은 자릿수라는 점이 다음 절의 주제다.

3.18.5.2 마진은 데이터율에 반비례한다

$G_p=B_{ss}/R_b$이므로 대역이 고정되면 데이터율을 10배 올릴 때마다 마진이 10 dB 줄어든다. 비면허 2.4 GHz 대역의 폭이 약 83.5 MHz여서(3.1.4) 확산 대역은 그보다 넓을 수 없다. 아래 그림은 대역 1·10·80 MHz에서 데이터율에 따른 $M_J$를 그린 것이다.

103 104 105 106 107 −20 0 10 20 30 40 50 비트율 Rb [bit/s] 재밍 마진 MJ [dB] C2 50 kbit/s 영상 4 Mbit/s 확산 대역 1 MHz 확산 대역 10 MHz 확산 대역 80 MHz
재밍 마진 대 데이터율 — 마진은 데이터율이 10배 오를 때마다 10 dB씩 줄어든다. 80 MHz 대역에서 50 kbit/s C2는 약 27 dB를 얻지만 4 Mbit/s 영상은 7.8 dB뿐이고, 10 MHz 대역에서는 영상이 0 아래(−1.2 dB)로 내려가 확산의 이득이 필요 $E_b/N_0$와 손실을 채우지 못한다
데이터율50 kbit/s(C2)1 Mbit/s4 Mbit/s(영상, 2.9.5)
확산 대역 10 MHz17.8 dB4.8 dB$-1.2$ dB
확산 대역 80 MHz26.9 dB13.8 dB7.8 dB

(필요 $E_b/N_0$ 2.19 dB, $L_{\mathrm{sys}}$ 3 dB.) 4 Mbit/s 영상은 10 MHz 대역에서 마진이 음수다. 확산의 이득이 필요 $E_b/N_0$와 손실을 채우지 못한다는 뜻이다. 80 MHz를 모두 사용해도 7.8 dB다. 확산은 느린 링크의 도구다. 이것이 항재밍 설계에서 C2와 영상을 따로 보호하는 이유이고(3.9.11의 견해와 같은 결론), 영상은 마진을 대신 지향 안테나·전력·재전송·압축으로 산다(3.12).

3.18.5.3 마진이 말하지 않는 것

  • 거리가 아니다. 마진 dB를 통달거리로 번역하려면 방해원의 위치·전력·안테나가 필요하며, 그것은 5.2의 계산이다.
  • 방해의 종류가 하나다. 광대역 잡음형을 가정한 값이다. 대역 일부·짧은 펄스·특정 신호 모방에서는 같은 $G_p$가 다른 마진을 준다(5.2·5.3).
  • 링크만의 값이다. 수신 안테나가 방해 방향의 이득을 얼마나 줄이는지(3.7·4.6), 증폭기의 포화와 선형성(3.9.7.4)은 따로 따진다.
  • 보증이 아니다. $L_{\mathrm{sys}}$가 가정이므로 값은 시험으로 확인한다. 허가된 환경에서 하는 시험의 범위는 3.20이 다룬다.

3.18.6 부호화·인터리빙·적응 필터

확산 이외의 방호 수단은 한 번에 많이 지워지는 것(버스트)과 한 곳에 몰린 간섭에 맞선다.

인터리빙. 부호는 오류가 흩어져 있을 때 잘 고친다. 짧은 시간에 오류가 몰리는 버스트를 여러 부호어에 나눠 심으면 부호어마다 오류가 적어진다. 깊이 $D$의 블록 인터리버에서 길이 $b$의 버스트는 부호어당 $\lceil b/D\rceil$개 오류가 된다.

깊이 $D$버스트 100심볼의 부호어당 오류지연(인터리브+디인터리브, 부호어 64심볼·100 ksym/s)
11001.3 ms
5206.4 ms
20525.6 ms
50264.0 ms

(계산.) 부호어가 8개 오류까지 고친다면 깊이 20이면 충분하다. 대가는 지연이다. C2의 지연 한도(3.11.3.3)와 맞바꾼다. 영상처럼 지연이 덜 중요한 흐름은 깊게, C2는 얕게 둔다.

협대역 간섭 제거. 확산 수신기는 넓은 대역 안에 좁게 박힌 간섭을 필터로 도려낼 수 있다. 도려낸 만큼 신호도 잃는다. 대역의 비율 $\rho$를 도려내면 신호 손실은 $-10\log_{10}(1-\rho)$다.

도려낸 비율1 %5 %10 %20 %
신호 손실0.04 dB0.22 dB0.46 dB0.97 dB

(계산.) 10 MHz 대역에서 1 MHz를 도려내도 신호는 0.46 dB만 잃는다. 협대역 간섭에는 큰 이득이지만 광대역 방해에는 사용할 곳이 없다.

3.18.7 LPD·LPI — 방출을 줄이는 설계

3.18.7.1 정의와 층

  • 저피탐(LPD, low probability of detection) — 신호가 있다는 것 자체를 알아채기 어렵게 한다.
  • 저피요격(LPI, low probability of intercept) — 알아채더라도 신호를 식별·위치 결정·복조하기 어렵게 한다.
  • 항재밍(AJ) — 방해 속에서도 링크를 유지한다(앞 절).

문헌마다 정의의 경계가 조금씩 다르다 (용어 차이는 확인 필요). 여기서 중요한 것은 셋이 다른 목표이고 설계 수단이 일부 중복된다는 점이다. 확산은 AJ와 LPD를 함께 돕고, 지향 안테나는 LPD와 AJ를 함께 돕는다. 암호는 LPI의 일부(내용 해독)이지만 LPD와는 무관하다.

3.18.7.2 방출을 줄이는 네 가지 수단

방출은 전력 × 시간 × 방향 × 주파수 폭의 곱이다. 네 항 각각에 수단이 있다.

수단줄이는 항값(계산)대가
전력 제어전력기준 링크가 1 km에서 여유 26 dB이면 목표 여유 10 dB까지 16 dB를 낮출 수 있다. 자유공간에서 방출이 닿는 반경이 0.16배(약 6분의 1)로 준다거리가 변하면 계속 조정, 피드백 필요
지향 안테나방향지름 0.3 m 접시(15.0 dBi, 빔폭 29°, 3.6.9)는 방위의 약 8 %에만 주빔을 둔다지향·추적(3.7), 기체 안테나가 지향이면 자세 제어
짧은 방사·낮은 듀티시간연속 송신 대비 듀티 10 %는 평균 전력 −10 dB전송 지연·낮은 갱신율
확산주파수 밀도같은 전력을 $G_p$배 넓게 펴 밀도가 $G_p$ dB 내려간다(3.18.4.1)대역·동기

전력 제어는 기체와 지상 사이의 거리가 줄었을 때 가장 값이 크다. 방출을 필요한 만큼만 내보내는 설계는 은닉뿐 아니라 같은 대역을 사용하는 다른 이용자에 대한 간섭도 줄인다(3.19). 군용에서는 방출을 통제하는 방사 통제가 운용 개념에 들어간다(3.16.7).

3.18.7.3 LPI는 상대적이다

"탐지되지 않는다"는 보증이 아니다. 방출이 있는 한 충분히 오래 관측하고 신호의 구조를 아는 수신 쪽은 탐지할 수 있는 경우가 있다. LPI는 탐지·식별을 어렵고 느리게 만드는 정도를 말한다. 그리고 기체에는 링크 말고도 방출원이 남는다. 항법·고도계·레이더·영상 송신기가 그렇다. 링크만 숨기고 다른 방출을 두면 LPI가 성립하지 않는다. 탐지의 원리와 한계는 방호의 반대편이어서 5.4이 맡는다. 방출이 없는 링크(광섬유, 3.17)는 이 문제를 비켜 가는 대신 길을 가져야 한다.

3.18.8 링크 방호의 경계 — 하이재킹·GNSS·노획

위협링크 계층에서 막는 것이 장이 하지 않는 일다른 장
제어권을 빼앗김(하이재킹)메시지 인증·재전송 공격 방지·키 관리공격 경로의 상세8.16
위치 신호의 위조·교란— (링크가 아니라 수신기의 문제)수신기 방호 기술4.5·4.6
기만(위조 신호)인증으로 위조 메시지를 버린다기만의 원리5.3
기체 노획키를 기체에 남기지 않는 설계안티탬퍼8.17
전자전 환경 전체확산·도약·방사 통제체계 수준의 생존성5.8

링크 방호는 GNSS 방호의 대체물이 아니다. 같은 기체의 위성 항법 수신기는 별도의 방호(4.6)가 필요하다. 이 장의 모든 수단은 통신 링크에 한정된다.

3.18.9 수치 예시·워크스루 — 기준 링크에 확산과 인증을 추가하면

기준 C2 링크(3.1.8)를 그대로 사용하고 변경 사항만 표로 밝힌다.

항목기준 링크이 절의 변경
주파수·송신·거리2.4 GHz · 20 dBm · 5 km같음
대역폭1 MHz확산 대역 10 MHz(칩률 10 Mcps)
비트율(미정)10 kbit/s(채널 속도)
필요 $E_b/N_0$10 dB(설명용 SNR)2.19 dB(3.9.5의 BPSK 1/2)
$L_{\mathrm{sys}}$—3 dB(가정)

① 처리 이득과 마진.

단계값계산
처리 이득 $G_p$30.0 dB$10\log_{10}(10\ \mathrm{Mcps}/10\ \mathrm{kbit/s})$
수신 전력 $P_r$$-86.0$ dBm3.1.9
잡음(10 MHz)$-98.0$ dBm$-174+70+6$
$\mathrm{SNR}_{\mathrm{in}}$12.0 dB$-86.0-(-98.0)$
$E_b/N_0$42.0 dB$12.0+30.0$
협대역 10 kHz일 때 $E_b/N_0$42.0 dB$\mathrm{SNR}=-86-(-128)=42.0$
재밍 마진 $M_J$24.8 dB$30.0-2.19-3.0$

열잡음에 대한 여유는 두 방식이 같고, 확산이 사는 것은 마진 24.8 dB(방호 지표)와 전력 밀도다.

② 전력 밀도와 규칙.

항목협대역 10 kHz확산 10 MHz
송신 밀도(20 dBm)$-20$ dBm/Hz$-50$ dBm/Hz
15.247(e) 한도 $-26.8$ dBm/Hz(8 dBm/3 kHz)6.8 dB 초과23.2 dB 아래
수신 밀도(5 km)$-126$ dBm/Hz(잡음보다 42 dB 위)$-156$ dBm/Hz(잡음보다 12 dB 위)

협대역 방식은 20 dBm으로 보내면 규칙 한도를 넘는다. 확산 방식은 규칙 안에서 송신 밀도가 30 dB 낮다.

③ 인증의 비용. C2 명령 초당 20개, 패킷 40바이트이면 6.4 kbit/s다. 13바이트 서명(MAVLink 2의 서명 블록)을 붙이면 53바이트, 8.5 kbit/s로 33 % 늘고 채널 속도 10 kbit/s의 85 %를 사용한다. 남는 몫이 15 %뿐이어서 재전송과 하트비트를 넣을 여유가 얇다. 같은 서명을 초당 50개에 붙이면 $53\times8\times50=21.2$ kbit/s로 10 kbit/s 채널에 넣을 수 없다(계산). 인증은 패킷 수와 길이가 맞아야 추가할 수 있는 비용이다.

④ 도약으로 바꾸면. 79채널(1 MHz 간격)·초당 1,600번 도약이면 점유 대역 79 MHz, 시간 평균 밀도는 19 dB 낮아지고(순간 밀도는 같음), 규칙 점검은 3.18.4.2의 값(31.6 s 창에서 한 채널 0.4 s)으로 한도와 같다.

3.18.10 설계 트레이드오프 — 어떤 보호를 어디에 사용할 것인가

선택지는 셋이다.

① 인증·암호만 사용한다(확산·도약 없음). 부품이 싸고 규격 칩에 이미 있다. 위조와 도청은 막지만 링크가 끊기는 것은 막지 못한다. 비면허 대역의 취미·상용 소형 UAS가 대부분 여기에 있다.

② 확산·도약 + 인증을 병용한다. 가용성과 무결성을 함께 보호한다. 대역과 동기의 비용이 들고 데이터율이 낮아진다. C2와 텔레메트리에 맞다.

③ 방출을 줄이는 설계(LPD·LPI)를 더한다. 전력 제어·지향·낮은 듀티·확산. 은닉과 간섭 저감을 함께 얻고 안테나·제어의 복잡도가 든다.

선택얻는 것잃는 것어울리는 곳
① 인증·암호위조·도청 방지, 낮은 비용가용성 보증 없음민간 소형 UAS
② 확산·도약 + 인증마진(C2에 10~25 dB), 위조 방지대역·데이터율·동기군용·사람 위 운용의 C2
③ 방출 저감은닉·간섭 저감안테나·제어 복잡도, 지연군용·밀집 대역 운용

견해: 안전이 걸린 C2에서는 ①을 최소선으로 두고 ②를 가용성 요구에서 필요할 때 더하는 편이 낫다고 본다. 근거는 둘이다. 첫째, 명령 위조는 한 번으로 사고가 되지만 링크가 끊기는 것은 링크 상실 절차(2.6·3.11)가 안전한 상태로 보낸다. 곧 무결성의 실패가 가용성의 실패보다 치명적이다. 둘째, 4 Mbit/s 영상 같은 고속 흐름은 확산으로 마진을 얻지 못하므로(3.18.5.2) 확산은 C2에 한정되고, 영상의 방호는 다른 수단이 맡아야 한다. 반대로 방해가 일상인 환경에서 임무를 마쳐야 하는 군용은 가용성이 우선이어서 ②③을 병용한다. 이 판단은 이 책의 계산 가정에 근거하며 특정 체계의 평가가 아니다.

3.18.11 세 축 비교

항목군용 드론민간 UASAAM
우선 요소가용성·은닉무결성세 요소 모두(안전 논거)
전형 수단확산·도약·지향·암호(파형 비공개)규격 칩의 인증·암호, 대역 선택인증된 C2 파형·다중화
규칙군 분배·운용 통제비면허 규칙(15.247·EN 300 328)항공 안전 대역·감항 보안
마진의 용도임무 반경·생존성(5.8)규정 안의 여유가용도 입증(3.11·9.13)
관련 장3.16·5.8·5.23.19·8.138.11·15.15

3.18.12 관련 규격·프로토콜

문서발행무엇을 정하나상세
47 CFR 15.247미국 FCC902~928·2,400~2,483.5·5,725~5,850 MHz의 도약·디지털 변조 장비 규칙(채널 수·점유 시간·6 dB 대역·밀도 8 dBm/3 kHz)(원문 확인)18.16·3.19
ETSI EN 300 328 V2.2.2(2019-07)ETSI2.4 GHz 광대역 변조 장비의 조화 표준(적응형 도약·EIRP 20 dBm 등, 원문 확인)18.16·3.19
MAVLink 2 서명MAVLink 프로젝트13바이트 서명 블록(링크 식별·시각·48비트 서명)(문서 확인)9.5
NIST SP 800-38D (판 확인 필요)NIST인증 암호(GCM)와 태그 길이 지침9.19
FIPS 140-3 · KCMVPNIST · 한국암호 모듈 검증9.19
DO-326A·ED-202A / DO-356A·ED-203ARTCA·EUROCAE항공기 사이버보안 감항8.11
RTCA DO-362A (원문 미확인)RTCA지상 C2 데이터링크 성능 요건(보안 요건 포함)9.13

유료 표준의 본문은 옮기지 않았다. 규격의 지형은 9.1, 찾는 법은 0.9다.

3.18.13 관련 규제·인증 요구와의 연결

이 장의 기술일으키는 요구연결
확산·도약비면허 대역에서 채널 수·점유 시간·전력 밀도 한도의 적합성18.16·3.19
인증·암호암호 모듈의 국가 검증, 수출통제(암호 장비)9.19·19.17
링크 무결성·가용성C2 요구 성능과 감항 보안의 입증3.11·8.11·9.13
방호 설계와 방해 행위는 다르다의도적 전파 교란은 대부분의 법제에서 금지이며 권한 기관의 예외만 있다 (국가별 조항은 18.9에서 확인). 방호 설계는 이 금지와 무관하게 합법이다18.9·19.10
군 파형·암호비공개이고 통제되는 기술3.16·19.17

방호 설계를 검증하려고 허가 없이 방해 신호를 내보내는 것은 그 자체로 법 위반이 될 수 있다. 시험은 허가된 환경에서 한다(3.20).

3.18.14 함정과 한계

오해실제더 볼 곳
"처리 이득 30 dB면 통달거리가 31배다"열잡음에서는 같은 $E_b/N_0$다. 이득은 좁은 대역의 간섭에 대한 것이다3.18.4.1
"암호를 사용하면 링크가 안전하다"기밀성·무결성만 준다. 끊기는 것은 막지 못한다3.18.2
"서명이 있으니 도청도 안 된다"서명은 인증이다. 암호화가 아니다3.18.3.2
"확산을 사용하면 영상도 보호된다"4 Mbit/s는 80 MHz에서 7.8 dB뿐이다3.18.5.2
"재밍 마진이 25 dB면 어떤 방해도 견딘다"광대역형 가정의 지표이고 거리·방해 종류와 무관하게 읽을 수 없다3.18.5.3
"LPI는 탐지되지 않는다"탐지가 어렵다는 뜻이다. 다른 방출원이 남는다3.18.7.3
"광대역이면 항상 규칙에 맞는다"도약의 채널 수·점유 시간과 밀도 한도가 있다3.18.4.2

이 장의 한계도 밝혀 둔다.

  • 계산은 방호 지표이고 제품·체계의 항재밍 성능이 아니다. 공개된 제품 수치는 신뢰할 근거가 적어 싣지 않았다.
  • AWGN과 완벽한 동기를 가정했다. 동기 획득의 실패, 다중경로, 증폭기의 비선형은 넣지 않았다.
  • 이 장은 방해의 모형을 싣지 않았다. 방해와 방호를 함께 계산하는 일은 5.2이다.
  • 인증·암호는 개념 수준이다. 알고리즘 선택과 키 관리는 9.19, 오픈 프로토콜의 보안 평가는 9.5이다.
  • 도약의 동기·순서 생성 같은 파형의 내부는 비공개 영역이어서 다루지 않았다.

3.18.15 체크포인트·연구 질문

체크포인트

  1. 칩률 10 Mcps·비트율 10 kbit/s의 처리 이득과, $(E_b/N_0)_{\mathrm{req}}=9.6$ dB에서 필요한 입력 SNR을 구하라.
  2. 확산이 열잡음에 대한 통달거리를 늘리지 못하는 이유를 $E_b/N_0$ 식으로 설명하라. 그럼 확산이 사는 것은 무엇인가?
  3. 80 MHz 대역에서 C2 50 kbit/s와 영상 4 Mbit/s의 재밍 마진을 구하고 두 값이 다른 이유를 말하라.
  4. 79채널·1,600 hop/s가 15.247의 점유 규칙을 어떻게 만족하는지 계산하라.
  5. 서명 13바이트를 붙일 때 40바이트 패킷의 오버헤드와, 초당 50개를 10 kbit/s에 싣는 것이 왜 불가능한지 설명하라.
  6. LPD와 LPI와 AJ의 차이를 말하고, 전력 제어가 셋 중 무엇을 돕는지 설명하라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

  1. 짧은 C2 패킷의 인증 길이 — 무결성 요구와 오버헤드의 최적 교환은? 공중 시도 횟수의 가정이 다기체 환경에서도 유효한가?
  2. 고속 영상의 방호 — 확산이 못 주는 마진을 지향·압축·선택 전송으로 얼마나 대신할 수 있는가(6.11과 연결)?
  3. 비면허 규칙과 항재밍의 양립 — 채널 수·점유 시간·밀도 규칙이 항재밍 파형 설계에 거는 제약은 무엇이고, 어떤 규칙 변경이 안전 목적의 링크에 필요한가?
  4. 방출 저감 운용의 정량화 — 전력 제어·지향·듀티를 합쳤을 때 방출의 시간·공간 점유를 어떻게 지표화하는가?

1차 출처(이 장)

  • 47 CFR 15.247(eCFR); ETSI EN 300 328 V2.2.2(2019-07).
  • Pickholtz, R. L.; Schilling, D. L.; Milstein, L. B., "Theory of Spread-Spectrum Communications — A Tutorial", IEEE Transactions on Communications, 1982.
  • Simon, M. K.; Omura, J. K.; Scholtz, R. A.; Levitt, B. K., Spread Spectrum Communications Handbook, McGraw-Hill.
  • Torrieri, D., Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, Springer.
  • Proakis, J.; Salehi, M., Digital Communications, 5th ed., McGraw-Hill, 2008(확산 스펙트럼 장).
  • Peterson, R. L.; Ziemer, R. E.; Borth, D. E., Introduction to Spread-Spectrum Communications, Prentice Hall, 1995.
  • Pace, P. E., Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar, 2nd ed., Artech House, 2009(LPI의 정의와 지표).
  • MAVLink 개발자 문서 — 메시지 서명(mavlink.io).
  • NIST SP 800-38D (판 확인 필요), FIPS 140-3.

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.


다음 장: 3.19에서 시선을 스펙트럼 자체로 돌린다. 주파수 분배의 층, 무인기가 사용하는 대역의 정리, 간섭 분석의 방법(간섭 대 잡음비·인접 채널 누설)과 두 시스템이 공존하는 최소 이격 거리 계산, 다수 기체의 채널 계획과 혼잡 관리를 다룬다.