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자동차 레이더 센서와 혼잡한 무선 스펙트럼: 재밍 완화 기법

입력 : 2019.12.02 17:11

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[첨단 헬로티]


자동차에서 레이더 사용이 점점 더 많아지면서 도시의 혼잡한 RF 스펙트럼이 또 하나의 소리 없는 전장이 되고 있다. 레이더는 고의적이거나 그렇지 않은 재밍(전파 교란) 공격을 받을 수 있으므로, 설계자들은 이에 대비해서 전자전(EW)에 사용되는 것과 같은 재밍(Jamming) 방어 기법을 구현해야 한다.


통상적으로 자동차 레이더는 잡음 재밍과 기만 재밍 공격을 받을 수 있다. 잡음 재밍(Denial jamming)은 피해 레이더의 눈을 멀게 하는 것과 같다. 이 기법은 신호대 잡음비(SNR)를 나쁘게 해서 표적을 감지할 수 없게 만든다. 이와 달리, 기만 재밍(Deceptive jamming)은 피해 레이더로 하여금 허위 표적을 탐지하도록 만든다. 그러면 실제 표적을 추적하지 못하게 되므로 피해 자동차의 동작에 심각한 영향을 미친다.


이러한 재밍 공격은 자동차 레이더들 간에 상호 간섭 때문에 발생하거나, 값싼 하드웨어를 사용해서 피해 레이더에 강한 연속파(CW) 신호를 발사해서 고의로 일으킬 수 있다.


현행 재밍 회피 기법은 현재로서는 적절할 수 있으나, 레이더 센서의 사용이 급격히 늘어남에 따라 민첩하게 대응할 수 있는 완화 기법들이 필요하게 되었다. 이러한 기법들로는 시간 주파수 도메인 신호 처리 방법이나 복잡한 레이더 파형을 사용하는 방법을 들 수 있다.


레이더 파형


레이더 파형은 재밍 공격을 받았을 때 센서 성능을 결정하는 중요한 시스템 파라미터 중의 하나이다. 오늘날 77GHz 대역의 자동차 레이더는 주로 FMCW(Frequency Modulatio Continuous Wave) 파형을 사용한다. FMCW 레이더에서, CW 신호는 주파수 영역에서 RF 대역에 걸쳐서 선형적으로 스위핑 또는 처프된다. [그림 1]은 FMCW 처프 시퀀스(CS) 파형의 예를 보여준다.


그림 1. FMCW CS 예


주파수 차이(fb, 비트 주파수)는 표적까지의 거리 R에 비례하며, 다음과 같은 공식으로 표현할 수 있다:


재밍이 미치는 영향


재밍은 FMCW 레이더 센서들이 주파수 대역에서 동일한 비율로 동작하는 혼잡한 RF 환경에서 발생할 수 있다. [그림 2]는 마주보고 달려오는 자동차의 재밍 사례를 보여준다. 


그림 2. a) FMCW 잡음 재밍, b) FMCW 기만 재밍


잡음 재밍(Denial Jamming)


리시버 대역폭으로 떨어지는 FMCW 타입의 임의적인 강한 재밍 신호는 피해 레이더의 잡음 플로어를 상승시킨다. 이 같은 잡음 재밍은 SNR을 나쁘게 해서 작은 표적들(즉, 소형 레이더 단면적(RCS))을 사라지게 만든다.


잡음 공격은 피해 FMCW 레이더로 강한 CW 신호를 쏘는 간단한 작업만으로도 고의적으로 감행할 수 있다. 이것이 피해 레이더에 미치는 영향은 [그림 4]에서 볼 수 있는 FMCW 재밍 사례와 비슷한 수준이다.


기만 재밍(Deceptive Jamming)


재밍 신호 스위프를 피해 레이더에 동기화시키되 지연을 시킨다면 정해진 간격으로 기만적인 허위 표적이 생성되는 영향이 나타날 것이다. 이러한 기법은 EW 재머에 흔히 사용되는 것이다. 마주 오는 자동차의 레이더가 동일한 것이면 의도치 않게 재머로 동작할 수 있다. 하지만 피해 레이더와 재밍 레이더가 시간적으로 정렬될 가능성은 매우 낮다. 재머의 지연 오프셋이 피해 레이더의 최대 거리 지연보다 낮으면 실제 표적처럼 보일 수 있다. 예를 들어서 최대 거리가 200미터이면 1.3μs 미만의 스위프 정렬이 필요하다. 하지만 마주 오는 자동차 플랫폼에 EW 수준의 정교한 장비를 탑재하고 의도적으로 기만 공격을 감행할 수도 있다. 


일반적으로 기만 재밍은 피해 레이더의 신호를 지연 시간과 주파수를 교묘하게 변경해서 재전송하는 방법을 쓴다. 이러한 공격은 코히어런트 하지 않을 수도 있고(이러한 경우에는 재머를 트랜스폰더라고 할 수 있다) 또는 코히어런트 할 수도 있다(이 경우에는 리피터임). 리피터는 하나 이상의 재밍 신호를 수신, 조작, 재전송한다. 트랜스폰더는 재머에 의해 원하는 피해 신호가 감지되었을 때 사전에 지정된 신호를 전송한다.


정교한 리피터에 기반한 공격을 위해서는 디지털 RF 메모리(DRFM)가 필요하다. DRFM을 사용해서 의도적인 거리 지연과 도플러 게이트 풀 오프(Doppler gate pull off) 공격을 할 수 있다. 허위 표적 거리와 도플러 특성을 유지함으로써 피해 레이더를 속일 수 있다.


재밍 완화 기법


1) 기본적인 접근법: 회피

가장 기본적인 레이더 재밍 완화 기법은 회피다. 다음과 같이 공간, 시간, 주파수에 있어서 오버랩 될 가능성을 낮추는 것이다:

- 공간: 좁은 전자 스캔 빔을 사용해서 재밍 위험성을 낮출 수 있다. 원거리 자동차 주행 제어(ACC) 레이더의 통상적인 시야각은 ±8°이다. 그럼에도 불구하고 안테나 부엽(Antenna side lobe)을 통해서 여전히 강력한 재머가 나타날 수 있다.

- 시간: FMCW 처프 기울기 파라미터를 임의화해서 주기적인 재밍을 피할 수 있다.

- 스펙트럼: FMCW 처프 시작 및 정지 주파수를 임의화해서 재밍 가능성을 낮출 수 있다.


기본적인 임의화 기법을 통해 다른 레이더와 우발적으로 동기화되는 것을 피할 수는 있으나, 혼잡한 RF 환경에서는 이 방법이 그리 효과적이지 않을 수 있다. 레이더 센서가 늘어남에 따라서 재밍을 완화하기 위한 좀더 정교한 복구 기법이 필요할 것이다.


2) 전략적 접근법: 감지 및 보수

회피 말고 또 다른 방법으로서, 수신한 파형을 신호처리 알고리즘을 사용해서 보수할 수 있다. 시간 주파수 도메인 기법은 잡음 재밍 공격에 효과적일 수 있다. 마주 오는 자동차의 FMCW 재밍의 경우에, 재머가 매우 짧은 시간에 모든 주파수 빈(Bin)들을 스위프 한다. 이처럼 빠른 시간 가변 신호는 정규적인 FFT 도메인에서 잡음 플로어가 상승하는 것으로 나타난다. 시간 주파수 도메인 신호처리 기법은 FFT 도메인에 비해서 재밍을 더 손쉽게 필터링할 수 있는 다른 도메인으로 신호를 전송하는 것이다[그림 3].


 

그림 3. 레이더 에코 IF 파형의 FFT 및 STFT 도메인 표시


시간 가변 신호의 경우, STFT(Short Time Fourier Transform)가 정규적인 FFT보다 더 많은 정보를 제공한다. STFT 기반 기법은 협대역 재밍 삭제에 사용될 수 있다. STFT는 기본적으로 신호 상에서 윈도우를 옮겨가면서 해당 구간의 FFT를 취한다. 이 신호는 시간 도메인으로 다시 변환되기 전에 재머 성분을 제거하기 위해 주파수 도메인에서 필터링 된 다음, 다시 시간 도메인으로 변환된다. 


[그림 4]는 RF 처프 시퀀스가 오버랩 되는 통상적인 FMCW 재밍 시나리오와 결과적으로 STFT 도메인에서 나타나는 IF 비트 신호를 보여준다.

 

그림 4. STFT 도메인. (좌측)FMCW 레이더와 재머, (우측)IF 도메인


[그림 4]에서 우측 그림은 IF 도메인을 보여주는 것으로서, 레이더(파란색) 신호와 재밍(주황색) 신호가 섞여 있는 결과이다. 수평 라인은 표적을 나타내고, V자 형태의 수직 라인은 재밍 신호가 존재한다는 것을 나타낸다.


같은 방향 또는 반대 방향 재밍 FMCW나 심지어 CW와 유사한 느린 처프도 IF 신호에 유사한 영향을 미친다. 이러한 모든 재밍 시나리오의 경우에, 빠르게 움직이는 V자 형태의 IF 신호가 정규적인 FFT 도메인에서 잡음 플로어를 상승시킨다[그림 3].


진폭 기반 마스킹을 사용해서 STFT 도메인으로 재밍 신호를 필터링할 수 있다[그림 5]. 그러기 위해서는 강력한 재머 신호와 낮은 수준의 의도하는 표적을 선형적으로 동시에 처리하기 위해서는 피해 레이더 프런트 엔드와 양자화 기능이 충분한 동적 범위를 가져야 한다.


 

그림 5. STFT 도메인에서의 진폭 기반 마스킹


[그림 5]에서 위쪽 그림은 강력한 재머이고, 아래쪽 그림은 처리를 한 다음의 STFT이다. 위쪽 그림을 보면, 강한 재머가 존재할 때 많은 실제 표적들이 보이지 않는다는 것을 알 수 있다. 아래 그림에서는 V자 형태의 재머가 삭제되고 다시 시간 도메인으로 변환했을 때 SNR이 낮은 실제 표적들을 구분할 수 있게 된다.


STFT 기반 재밍 완화 기법은 잡음 재밍의 경우에 강한 재머에 대해 사용하기에 적합하다. 기만 재밍 공격의 경우에는, STFT만으로는 리턴 신호가 실제 표적인지 허위 표적인지 구분하기 어렵다. 


암호화 RF

리피터 공격으로부터의 기만 재밍 영향을 완화하기 위한 기본적인 방법은 LPI(Low Probability of Intercept) 레이더 파형을 사용하는 것이다. LPI 레이더의 목적은 복사 에너지를 유사랜덤 스위프, 변조, 호핑 시퀀스를 통해 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐서 확산시킴으로써 감지되지 않도록 하는 것이다. FMCW는 일종의 LPI 파형이다. 주파수 처프로 위상 코딩 또는 암호화를 도입함으로써 DRFM이 자동차 레이더 신호를 가로챌 가능성을 더욱 더 낮출 수 있다.


각각의 레이더 센서로 암호화 RF 서명을 사용함으로써 리턴 신호를 인증할 수 있다. [그림 6]은 2개의 동일한 레이더(하나는 다른 자동차에 탑재)가 주파수 오프셋과 지연을 사용해서 피해 레이더로 허위 표적을 생성하는 것을 보여준다. 재밍 레이더가 피해 레이더와 시간적으로 일치하도록 정렬되는 것이다(동일한 처프 기울기와 짧은 오프셋).



그림 6. 동일한 레이더의 주파수 오프셋과 지연으로 인한 재밍


이 경우에는, 위상 코드화 FMCW 레이더가 뛰어난 재밍 견고성을 달성할 수 있다. 또한 직교 코드를 사용하면 여러 개의 파형을 동시에 송신할 수 있어 MIMO 레이더 동작이 가능하다.


코딩을 위해서는 다음과 같은 요건들이 충족돼야 한다:

- 코드 길이: 중요한 것은 짧은 시퀀스로 최소 거리 부엽 레벨을 달성하는 것이다. PRN 시퀀스 길이가 1024이면 피크 부엽 레벨(PSLL)은 약 30dB(10log1024)이다. 송신 코드와 수신 필터 가중치를 최적화함으로써 SNR을 희생하는 대신에 PSLL을 향상시킬 수 있다.

- 우수한 교차 상관성: 교차 상관 계수를 0으로 설정함으로써 센서들을 잘 분리시킬 수 있다.

- 도플러 저항성: 위상 코드화 레이더 성능에 있어서는 도플러 편이가 문제가 될 수 있다. 바이너리 코드는 도플러를 허용하기 어렵다. 다위상 코드는 바이너리 코드보다 덜 급격하게 저하된다.

- 사용 가능한 코드 수: 각각의 레이더 센서로 고유 코드를 부여하기 위해서는 이 수가 큰 것이 좋다.


[그림 7]은 위상 코딩을 사용하지 않은 레이더를 보여준다. 재밍 신호가 허위 표적으로 나타나고 있다. 트랜스미터 FMCW 파형을 PRN 시퀀스를 사용해서 위상 코드화를 하면, 그림 8에서 보는 것과 같이 재밍 신호를 억제할 수 있다. 


그림 7. 허위 및 실제 표적에 위상 코딩을 하지 않았을 때의 레이더 리턴


 

그림 8. 위상 코딩을 했을 때와 하지 않았을 때 레이더 리턴


이 기법을 사용하면 동적 범위가 저하된다. 하지만 레이더 신호처리가 소수의 처프에 대해서 위상 코드화 FMCW를 사용해서 허위 표적을 식별하고 다시 정규 동작으로 돌아갈 수 있다.


향후 전망

첨단 신호처리 알고리즘과 복잡한 파형 생성 기법을 사용함으로써 혼잡한 자동차 레이더 센서 환경에서의 재밍을 완화할 수 있다. STFT 기반 신호처리 기법은 잡음 재밍 공격에 사용하기에 유용하다. 위상 코드화 FMCW는 이득 처리와 가로채기 회피를 사용해서 코히어런트 하지 않거나 코히어런트한 기만 공격에 대해서 추가적으로 견고성을 높일 수 있다. [표 1]은 다양한 완화 기법들을 요약해서 보여준다.


표 1. FMCW 기반 자동차 레이더의 재밍 완화 기법


이 글에서 자동차 레이더용으로 설명한 재밍 완화 기법들은 로봇, 도로 통행료 징수, GPS, UAV 착륙, 충돌 회피 시스템 같은 다른 애플리케이션에도 적용할 수 있다.


현재 자동차 레이더 센서는 상호 통신을 하지 않고 비협동적인 방식으로 작동한다. 협동적인 방식으로 작동하기 위해서는 산업 전반에 걸친 협력이 필요할 것이다. 레이더 센서들 간의 중재는 간섭 문제를 해결하는 데 도움이 될 것이다.


센서 협력 등을 포함한 미래의 레이더 컨셉트는 통신 노드와 레이더 센서의 융합이 될 것이다. 미래의 레이더는 복잡한 파형을 사용해서 레이더 신호에 정보를 포함할 수 있게 될 것이다. 그러면 동일한 하드웨어를 레이더와 통신에 동시에 사용할 수 있게 된다(RadCom).


RadCom: 단일 시스템을 사용해서 레이더와 통신을 동시에 처리

- 간섭 없이 다중 사용자 가능

- OFDM이나 유사한 통신 코드를 사용해서 레이더 신호를 코드화함으로써 레이더 신호에 정보 포함 가능

- OFDM 기반 레이더 송신 신호를 사용해서 동시 처리가 가능


ADI의 5G 밀리미터파 트랜시버 신호 솔루션은 기가헤르츠 이상의 대역폭과 빔 스티어링 기능을 특징으로 함으로써 RadCom 시스템에 사용하기에 적합하다. ADI는 첨단 레이더 센서와 5G 밀리미터파 솔루션을 선도하는 기업으로서 미래의 RadCom 시스템으로 가기 위한 길을 만들어가고 있다.


아나로그디바이스의 Drive360 28nm CMOS 레이더 기술


ADI의 Drive360 28nm CMOS 레이더 플랫폼은 여러 신호처리 기능을 통합하고 커스텀 IP까지 통합할 수 있으므로 설계자들이 자신이 개발하는 시스템을 차별화할 수 있다. 또한 이 플랫폼은 고도로 통합적인 전원관리 부품들을 사용할 수 있다. 그러므로 일차 협력사와 자동차 회사들은 이 플랫폼을 사용함으로써 새롭게 떠오르는 자율 주행 애플리케이션에서 뛰어난 성능과 견고한 솔루션을 달성할 수 있다.


5G 밀리미터파

아나로그디바이스는 비트부터 마이크로파에 이르는 포괄적인 솔루션을 제공함으로써 5G 마이크로파 발전에 기여하고 있다. 축적된 기술 포트폴리오와 지속적인 RF 기술 개발에 무선 시스템 엔지니어링 전문성을 결합함으로써 5G 시스템용 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 대역에서 고객들이 필요로 하는 솔루션을 제공할 것이다.


글: 세파 타니스(Sefa Tanis) 아나로그디바이스(Analog Devices) 선임 RF 시스템 엔지니어 


세파 타니스(Sefa Tanis, sefa.tanis@analog.com)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 RF 시스템 엔지니어로서, 스몰셀 트랜시버용 디지털 전치 왜곡 알고리즘 개발, 자동차 레이더 신호 처리 기법 연구, 무선 인프라용 SiP RF 모듈 평가를 담당하고 있다. 2012년에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 터키의 ASELSAN과 미국의 BAE Systems가 공동개발한 F-16 전투기 전자전 프로그램인 AN/ALQ-178 V(5)+에서 책임 RF 엔지니어로 근무했다. 통신 및 방위/항공우주 분야의 시스템 설계, 알고리즘 개발, 테스트, 마이크로파 제품 통합과 관련해서 15년 넘게 경험을 쌓아 왔다. 2000년에 터키의 추쿠로바 대학에서 BSEE를 취득했다.

/이나리 기자(eled@hellot.net)

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