도심 항공 모빌리티(UAM, Urban Air Mobility)는 도심 지역의 교통 혼잡 문제를 해결하고 이동 효율을 극대화하기 위한 차세대 항공 운송 수단으로 주목받고 있다. 특히 전기 수직이착륙기(eVTOL)를 기반으로 하는 UAM은 도시 하늘을 새로운 교통 공간으로 활용한다는 점에서 기존 지상 운송 시스템과는 본질적으로 차별화된다.
그러나 UAM의 상용화와 안정적 운영을 위해서는 기체의 기술적 안정성과 더불어 지상 인프라와의 통합된 시스템 설계가 필요하다. 이 중에서도 지상 기지국(Ground Base Station, GBS)과의 통신 연결성 확보는 비행 안정성 및 운항 제어의 핵심 요소로 간주된다.
본 보고서는 논문 “Performance Analysis of Aircraft-to-Ground Communication Networks in Urban Air Mobility”를 기반으로 UAM 기체와 지상 인프라 간의 통신 연결 성능을 분석하고, 그에 따른 운영적 시사점을 정리한다.
Ⅱ. 본론
A . 연구 목적 및 배경
기존 지상 통신 네트워크는 대부분 고도 25m의 지상 단말을 대상으로 설계되어 있기 때문에, 그보다 높은 고도에서 비행하는 UAM 기체는 신뢰할 수 있는 연결을 보장받기 어렵다. 이에 따라 본 연구는 다음과 같은 목적을 가지고 수행되었다.
UAM 기체와 지상 기지국 간의 연결 성능을 수학적으로 모델링
고도, 통신 거리, GBS 밀도 등 다양한 조건에 따른 연결 가능성 평가
단일 연결(Single Connectivity)과 다중 연결(Multi-Connectivity)의 성능 비교
향후 통신 인프라 설계에 필요한 지침 도출
B . 시스템 모델
통신 구조
도심 내 GBS는 2차원 포아송 분포를 따르는 무작위 위치에 배치됨.
각 GBS는 반지름 r의 통신 커버리지를 가짐.
UAM 기체는 고도 h에서 수평 직선 경로로 이동함.
연결 조건
UAM 기체가 GBS의 통신 반경 내에 진입 시 연결된 것으로 간주.
기체는 한 개 또는 여러 개의 GBS에 동시 연결 가능.
다중 연결 시에는 최소 한 GBS와 연결만 되어도 통신 유지로 판단.
C . 성능 분석
단일 연결(Single Connectivity) 분석
단일 GBS에만 연결된 상태에서 연결 확률 및 서비스 가능성 계산.
고도 증가 시 연결 확률 감소.
GBS 밀도 증가 시 연결 유지 시간 증가.
통신 반경 r이 커질수록 연결 가능성은 증가하나 간섭 가능성도 동반됨.
다중 연결(Multi-Connectivity) 분석
복수 GBS에 동시 연결하는 구조로, 단일 연결보다 높은 통신 지속성 확보.
고도 상승이나 GBS 밀도 저하 시에도 일정 수준의 연결 성능 유지.
비행 성공률(flight success probability)이 현저히 향상됨.
표 1. 시뮬레이션 결과
D . 시뮬레이션 결과
다중 연결 시나리오는 UAM 통신 안정성 확보에 있어 중요한 전략으로 평가됨.
통신 단절 가능성이 높은 환경에서는 반드시 다중 연결 도입이 필요함
E . 시사점 및 설계 지침
UAM 전용 통신 인프라는 기존 지상 중심 설계에서 벗어나, 3차원 공간에서의 통신 커버리지 확보를 목표로 구성되어야 한다.
고도, 속도, 통신 반경 등의 요소에 따라 GBS 간 간격을 조정하고, 다중 연결 방식을 적극 고려할 필요가 있다.
서비스 가능성과 비행 성공률을 동시에 확보하기 위해서는 포괄적 네트워크 시뮬레이션 기반 설계가 필수적이다.
장기적으로는 지상 통신망과 연계되는 UAM 전용 통신 레이어 구축이 필요함.
Ⅲ. 결론
본 보고서는 도심 항공 모빌리티(UAM) 시스템에서의 항공체와 지상 기지국 간 통신 성능을 분석한 논문을 바탕으로 핵심 내용을 요약 및 정리하였다.
분석 결과, UAM의 운항 안정성을 확보하기 위해서는 단순한 기체 기술뿐 아니라 통신 인프라의 정밀한 설계와 최적화가 동반되어야 함을 확인할 수 있었다.
특히 다중 연결 전략은 통신 끊김 가능성을 대폭 줄이고, 높은 고도 및 낮은 GBS 밀도 상황에서도 안정적인 연결을 보장할 수 있는 유력한 방법임이 입증되었다.
이는 UAM이 상용화되기 위해 필수적으로 해결해야 할 기술적 과제를 구체적으로 제시한 연구로, 향후 UAM 통신망 설계의 중요한 기준점이 될 수 있다.
요약
본 보고서는 UAM 기체와 지상 기지국 간의 통신 성능을 분석한 결과, 고도와 GBS 밀도 등에 따라 연결 가능성이 크게 달라지며, 다중 연결 방식이 통신 안정성 확보에 효과적임을 확인하였다. 이를 통해 향후 UAM 전용 통신 인프라는 3차원 공간을 고려한 설계와 시뮬레이션 기반 최적화가 필수적임을 제시한다.
오늘의 뉴스레터는 여기까지! 뉴스레터는 어땠나요?
더 읽어보기
[1] Tengchan Zeng et al, “Performance Analysis of Aircraft-to-Ground Communication Networks in Urban Air Mobility (UAM)”, 2021.
