Drone's DIYer

국내에서 RC 무선조종기에 사용하던 주파수는 1980년대에 27MHz 주파수 대역이었는데 저주파이기 때문에 도달거리가 길고 장애물에 영향이 적었지만, AM(Amplitude Modulation) 통신 방식으로 해상도(Resolution)가 좋지 않았습니다. 1990년대에 FM(Frequency Modulation) 방식으로 40MHz 주파수가 사용되었으며 FM 방식이기 때문에 노이즈에 강해 개선된 해상도를 얻게 되었으며 통상 도달거리는 1.6km~2km 정도로, 이후에는 40MHz 대역이 포화상태로 FM 72MHz 방식이 출현하게 되었습니다.

한편, 사용할 수 있는 대역이 40MHz 대역에서 15개, 72MHz 대역에서 19개로, 총 34개로 제한되는데, 이는 같은 장소에서 동시에 34명 이상은 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 만일 사용자 간에 주파수가 겹치면 둘 다 조종이 안되거나 혹은 더 출력이 우수한 조종기를 사용하는 사람만 살아남는 노콘(No control) 현상을 초래한다는 것입니다. 그리고 FM 통신 방식 자체가 이후에 디지털 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 포함하여 주변으로부터 간섭에 강하지만 동시 사용자가 제한되는 등 여전히 한계가 있다는 것입니다.

따라서 이를 근본적으로 개선하기 위해서 2008년부터 세계 각국의 RC 회사들이 새로운 방식을 개발하기 시작하였고, 2009년부터 본격적으로 '2.4GHz 초고주파 채널 방식'이 사용되기 시작하였습니다. 외관상으로는 송수신기의 안테나 길이가 매우 짧아졌다는 것입니다. 왜냐하면 안테나는 사용 주파수의 반파장의 길이를 사용해야 하기 때문이며 이로 인해 당연히 조종기의 안테나 길이는 10cm 이하가 되어 사용이 편리해졌다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 차이는 기존의 송수신기에 탑재된 크리스탈(Crystal)의 고유 주파수로 사용자를 구별했던 것과는 달리, 2.4GHz 방식은 주파수가 지정되어 있지 않았다는 것입니다. 즉 후술하겠지만 주파수가 고정되지 않고 변화하는 '채널 방식'으로, 처음 조종기의 전원을 켜면 수천개의 채널 중 비어있는 채널을 자동으로 검색하여 고정하고 이 채널로 수신기도 고정하게 되어, 향후 이 수신기는 채널을 변경하기 전까지 이 채널로만 작동하게 된다는 것입니다.

주변에서 다른 2.4GHz 조종기를 사용한다면, 자신의 조종기 전원을 켜는 순간, 비어있는 채널을 자동으로 찾아가기 때문에 절대 채널이 중복되지 않는다는 것입니다. 또한 사용 중 다른 원인으로 인해 채널에 간섭 현상이 일어날 경우, 재빨리 자동으로 사용자도 모르게 다른 채널로 변경된다는 것입니다. 그러므로 2.4GHz의 채널 방식은 아무리 많은 사람이 동시에 비행을 하더라도 절대 주파수가 겹치지 않는다는 장점이 있다는 것입니다.

근래에 2.4GHz의 ISM 주파수 대역은 Wi-Fi(Wireless LAN), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 주파수 대역과 겹치므로, 요즈음 사람이 많이 모이는 공원 등의 지역에서는 드론의 비행에 여전히 각별한 주의가 요구된다는 것입니다. 게다가 드론의 통신 방식은 상공에서 항공 사진이나 영상 데이터를 텔레메트리(telemtry)를 통해서 지상에서 받고자 하는 사용자의 수요 때문에 변화가 일어나는 실정입니다.

무선 조종기에서 비행 명령을 드론으로 전달하는 것을 '상향링크'라 부르고, 반대로 드론에서 비행정보나 항공 사진이나 영상 등의 정보를 지상으로 전달하는 것을 '하향링크'라 부르는데, 정보량이 많아지다 보니 최근의 드론들은 5.8GHz 주파수 대역을 상향링크를 사용하고 비디오 전송 등은 2.4GHz 주파수 대역의 하향링크를 사용하게 된다는 것입니다.

2.4GHz ISM 주파수 대역은 주파수 관리법에 의하여 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum) 방식을 사용해야 합니다(5.8GHz는 스프레드 스팩트럼 방식이 법으로 요구되지 않음). 스프레드 스펙트럼은 주파수 도메인에서 넓게 퍼진 형태로 피크치가 확연히 드러나는 기존의 주파수 방식에 비해서 EMI 현상(혹은 간섭 현상)이 적고 보안에 우수하다는 장점이 있습니다. 스프레드 스펙트럼 방식은 직접신호를 이용하거나(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS) 주파수 호핑을 이용해(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 신호의 주파수 대역을 확장시켜 송신하는 방법인데, 송신신호 출력을 약하게 할 수 있어서 특히 다른 통신기기들로의 신호 간섭을 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

위와 같은 스프레드 스펙트럼 방식은 서로 혼용할 수도 있으며 제조사에 따라 Spectrum의 DSM(Digital Spectrum Modulation), Futaba의 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology), Hitec의 AFHSS(Adaptive Frequency Hoping Spread Spectrum) 등 다양하며, 특히 AFHSS는 세계 최초로 양방향 수신이 가능하여 비행기의 정보를 조종기로 받아오기도 한다고 알려집니다.

사용자는 무선송신기(Tx)를 이용하여 드론에 명령을 내리게 됩니다. 이때 전송된 신호는 주로 FM 통신 방식으로 드론에 장착된 수신기(Rx)에 전달되고, 수신기는 이 FM 신호로부터 각 채널의 신호를 뽑아 PWM 방식으로 비행제어기(FC)의 각 채널에 유선으로 보내집니다. 이런 식으로 국내의 수십 MHz 대역의 무선조종용 ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수를 사용해 제한된 출력으로 허가 없이 사용하여 저렴한 비용으로 실현하였습니다.

최근에는 송수신시 드론의 다양한 상태, 예를 들어, 밧데리 소진으로 인한 저전압 등을 드론으로부터 조종자에게 보여질 수 있도록 양방향 통신의 필요성이 대두되었고, 이러한 기능은 종래 사용하던 주파수의 좁은 대역폭의 한계로, 종래에는 무선데이터통신시스템용 ISM 주파수인 2.4GHz 대역으로 옮겨가 PPM 방식이 주류가 되었다는 것입니다.

드론에서는 이와같은 Wireless 통신 방식이 점차 증가하였는데 일례로, 지상관제국(GCS)에서 설정한 경유지(waypoint)에 따라 순차적으로 비행하는 자동비행 모드나 드론에서 촬영된 항공 사진이나 동영상 혹은 기타의 정보를 전송받기 위해서 텔레메트리(telemetry)라는 통신 장치가 그것이라는 것입니다. 이들의 무선 통신 방식은 2.4GHz의 ISM 주파수로 블루투스(Bluetooth)와 지그비(Zigbee) 등이 있습니다.

블루투스와 지그비 통신 방식은 현재도 계속 진화하고 있으며 도달거리나 전송속도 등의 차이는 아래 표에서와 같이 비교하였습니다.

위와 같은 무선 통신 기술은 Bluetooth와 유사한 BLE, Zigbee와 유사한 Z-wave에 Wi-Fi(Wireless LAN)와 함께, 모두 2.4GHz의 ISM 주파수를 사용하는 근거리 무선 통신 기술들로 요즈음 사물인터넷 즉, IoT(Internet Of Things) 장비들을 묶어주는 역할을 하고 있다는 것입니다. 드론 조종의 특성상, 지그비가 통신거리가 가장 적합하고 2.4GHz 대역이 도달거리가 짧고 장애물에 취약하다는 점을 감안하면 드론이 시야에서 완전히 확보된 상태에서 조종해야 함을 유의해야 할 것입니다.