논문 12-37C-10-15 한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2012.37c.10.993 워게임모델과통신모델의연동을통한전투력및통신시스템요구성능의상호분석 김탁곤, 김덕수 *, 성창호 Joint Analysis of Combat Power and Communication System via Interoperation of War Game Simulator with Communication Network Simulator Tag Gon Kim, Deok Su Kim *, Changho Sung 요 약 본논문은워게임모델과통신모델을 HLA/RTI를이용하여연동시뮬레이션함으로써부대전투력과통신시스템의요구성능을상호분석하는방법을제안한다. 전투효과도의분석은통신모델의시뮬레이션을통해얻어진통신효과도을반영하여워게임모델의시뮬레이션을통해이루어진다. 통신시스템의요구성능분석은워게임모델의시뮬레이션에의해만들어진작전시나리오및부대정보를이용하여통신모델의시뮬레이션을통해이루어진다. 이를위해연대급규모방어작전을모델링및시뮬레이션하였으며, 적군의생존비율과아군의 FM 무전기송신출력이상호분석을위한분석지수로사용되었다. Key Words : 워게임, 통신시스템, 시뮬레이션연동, 전투력분석, ROC 도출 ABSTRACT This paper presents a method for joint analysis of combat power and communication system performance via interoperation of a war game simulator and a communication network simulator using HLA/RTI. Effectiveness analysis of combat power has been performed by war game simulation with consideration of communication effects simulated by the network simulator. Performance analysis of a communication system has been performed by network simulation with computer forces generated by the war game simulator. Survivability of the red force and transmission power of a tactical FM radio for the blue force have been measured for the joint analysis. Ⅰ. 서론워게임시뮬레이터는훈련, 분석, 획득을목적으로국방모델링및시뮬레이션에널리사용되고있다. 그러나기존의타격자산중심의전투와달리미래전쟁의형태는네트워크중심전 (Network-centric warfare, NCW) 으로변화하고있다. NCW는여러전투요소들을네트워크로연결하여전장상황을공유하고통합적이고효율적인전투력을창출하고자하는것으로 [1] 이러한 NCW 환경에서는정보의유통을위한통신의중요성이그어떤요소보다도중요하기때문에통신효과를반영하지않을경우그 본논문은 2012 년육군정보통신학교및한국통신학회군통신연구회공동워크숍 에서발표된내용을확장, 서술한논문입니다. 주저자 :KAIST 전기및전자공학과, tkim@ee.kaist.ac.kr, 종신회원 교신저자 :KAIST 정보전자연구소, chsung@smslab.kaist.ac.kr, 정회원 * 합동군사대학교논문번호 :KICS2012-08-397, 접수일자 :2012 년 8 월 31 일, 최종논문접수일자 :2012 년 10 월 24 일 993
한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 정확도와현실성이떨어질수있다. 실제전장에서의통신효과를워게임시뮬레이터에반영하는가장쉬운방법은통신효과를파라미터화하는것이다. 그정보는데이터베이스에저장되어있고, 워게임시뮬레이션에그정보를사용함으로써통신효과를반영할수있다. 보다더정확하게통신효과를반영할수있는방법은실제전장환경을표현한통신모델을사용하는것이다. 작전시나리오에맞는통신효과도정보가시뮬레이션중에계속적으로측정되며, 이정보가워게임시뮬레이션에반영된다. 이방법은통신모델과워게임모델간정보를교환할수있는인터페이스를필요로한다. 이를위해두가지의방법을고려할수있다. 하나는워게임모델내부에통신모델을삽입함으로써필요한정보를직접접근하는방법이고, 다른하나는두모델을서로연동하여정보를간접적으로접근하는방법이다. 이를각각모델결합 (Integration) 과모델연동 (Interoperation) 이라부른다 [2]. 모델결합과연동의가장큰차이는내부모델들사이의독립성이다. 모델연동은모델설계및시뮬레이션의독립성을보장하고, 이는각모델을분리해서다양하게분석하는것을가능하게한다. 워게임모델은통신모델의통신효과도를반영한부대전투력을측정하고, 반대로통신모델은워게임모델을통해만들어진실제전장시나리오에서의통신장비및체계의성능을측정한다. 이러한연동시뮬레이션을통해, 각모델은각각의시뮬레이션목적을충족시키기위해독립적인방식으로결과를분석할수있으며, 이것을 상호분석 기법이라부른다. 기존의워게임모델과통신모델의연동을통한분석사례로독일 IABA 연구소에서개발한 DNS(Die Neue Framework Simulation) 와영국 BAE Systems에서개발한 CES(Communication Effects Server) 가있다. DNS 모델은독일군의지상전투훈련 / 분석모델, 지휘통제통신모델과정찰모델을통합한모델연합체계 [3] 이며, CES 모델은미군의 OneSAF(One Semi-Automated Forces) 모델과연동되어 OneSAF 안에서전투에참여하고있는부대또는무기체계사이의통신효과를모의하는모델 [4] 이다. 두모델은독일군과미군의교리와전장환경을토대로만들어졌기때문에한국군에적용하기에어려움이있고, 사용하더라도파라미터변경수준의통신모의만가능한단점이있다. 타국의연합체계를사용하면서나타나는단점을극복하 기위해, 본논문은국방시스템모델링단계에서부터전투논리와전장환경을모두고려하여설계하고, 모델구현및결과를상호분석하는방법을제안한다. 워게임모델은연대급규모의임무급수준모델을표현하며, HLA 기반의이산사건시뮬레이션모델개발도구인 DEVSimHLA를이용하여모델링및시뮬레이션한다. 통신모델은음성 FM 무전기를공학급수준모델로표현하며, 네트워크시뮬레이션도구로널리사용되고있는 OPNET을이용하여시뮬레이션한다. 워게임모델의부대전투력효과도는통신효과를반영한워게임시뮬레이션의결과로측정하고, 통신시스템의성능은워게임모델의부대정보를이용한통신모델의시뮬레이션을통해측정한다. 상호분석을위한구체적인분석지수로적부대의감소된전투력과 FM 무전기의송신출력을사용한다. 본논문은다음과같은순서로구성되어있다. Ⅱ장에서는우선연구동기를설명하고, 이를위해시스템모델과상호분석개념에대해기술한다. Ⅲ 장에서는전투효과도와통신성능의상호분석을위한시스템모델링및시뮬레이션환경에대해설명한다. 이어서각모델의분석지수를찾기위한실험및결과를 Ⅳ장에서제시하고, Ⅴ장에서결론을맺는다. Ⅱ. 연구동기및상호분석개념 2.1. 연구동기 상호분석의필요성국방시스템을모델링하고시뮬레이션하는과정을생각해보자. 그림 1은해병대상륙작전을워게임모델로만들고시뮬레이션하는과정에서지휘관의고민을보여준다. 지휘관의주된관심사항은주어진시간에작전을성공적으로수행하기위한요소를파악하는것이다. 이요소는시스템을바라보는관점에따라두가지측면으로나누어생각할수있고, 각각이시스템의시뮬레이션목적이된다. 우선, 전투논리적측면에서전투력을분석하는것이다. 예를들면, 주어진통신장비나체계를사용하여다양한작전시나리오하에서상륙작전의성공률이얼마나되는지를측정하는것이다. 다른관점으로는전장기능적측면에서통신장비나체계의성능을분석하는것이다. 예를들면, 상륙작전의성공률을 95% 보장하기위해서통신장비나체계의요구성능 / 제원을측정하는것이다. 지휘관은작 994
논문 / 워게임모델과통신모델의연동을통한전투력및통신시스템요구성능의상호분석 그림 2. 시스템모델의추상적표현 Fig. 2. Abstract representation of a system model 그림 1. 해병대상륙작전의모델링및시뮬레이션 Fig. 1. Modeling and simulation of amphibious operation of the Marine Corps 전을성공적으로수행하기위해여러측면을고려해시뮬레이션목적을결정해야한다. 이때지휘관은세가지의선택권이있다. 하나는전투논리적측면에서전투효과도인 MOE(Measurement of effectivenss) 를측정하는것이고, 다른하나는전장기능적측면에서장비의성능인 MOP(Measurement of performance) 를측정하는것이다. 마지막으로각요소의균형을고려 (trade-off) 하여 MOE와 MOP 모두측정하는것이고, 이방법을본논문의서론에서 상호분석 이라고정의하였다. 다양한전장환경속에서지휘관이의사결정을하기위해한가지요소만을고려할수없다. 이러한상호분석방법은지휘관이실제다양한전장상황을고려하여최적의의사결정을할수있도록도와줄것이라판단되며, 이것이본논문의연구동기이다. 본연구의궁극적인목표는전투력향상을위하여 7대전투발전요소 [5] 의균형점을찾아가는것이다. 2.2. 국방시스템모델국방시스템을비롯하여대부분의시스템은그림 2와같이추상적으로모델링될수있다. 시스템은시스템을구성하는변수와파라미터의집합으로표현되며, 시스템모델은그것들사이의관계식을나타내는것이다. 그림 2와같이시스템이변수 X, Y, Q를가지고, 그관계식은 f( ) 로표현된다. 이때관계식 f( ) 는수학적방정식이나알고리즘혹은논리적표현으로나타낼수있다. 수학적방정식의간단한예는 y=f(x,q)=2x+q 와같은형태이다. 관계식 f( ) 의논리적표현은 X, Y 사이의규칙을정의하는것이다. 이것을수학적으로표현하면 M = {(x, y) x X and y Y, such that X is conditions set and Y is actions set} 이다. 알고리즘으로표현된관계식 f( ) 은함수프로토타입형태의입력 X에대한처리절차와그결과를의사코 드 (Pseudo code) 로표현하는것이다. X에대한변수유형과함수의반환값인 Y에대한변수유형이정의된다. 이와같이시스템모델은시스템변수들의관계식을다양한형태로표현되며, 국방시스템모델또한그것을구성하는다양한변수들의관계식으로표현할수있다. 국방시스템을분석하기위해국방시스템을구성하는요소를살펴보면, 병력, 전술, 장비, 군수, 지휘관의경험등의요소들이필요하다. 이요소들은국방시스템을구성하는전체변수및파라미터이다. 이것을앞절에서설명한두가지관점으로나누어보면, 전투논리에해당하는요소들과전장기능에해당하는요소들로구분해서생각할수있다. 물론, 전투논리와전장기능모두와관련한요소들도있을수있다. 그림 3은상호분석을위해두가지관점에서의국방시스템모델을보여주고있다. 각요소별로변수및파라미터를분리하면전투논리와관련한요소들 v CL i, p CL i, 전장기능과관련한요소들 v BF j, p BF j 로나눌수있다. 각요소들의관계식을나타내는방법은두가지가있다. 가장쉽게생각할수있는것이국방시스템요소들을하나의관계식으로표현하는것이다. 이관계식은여러하위관계식 f i (arg-i) 의결합으로표현된다. 이것은그림 3의 DSM I과같이복잡한시스템을하나의모델로표현함으로써하나의시뮬레이션결과를보고자하는것이목적이다. 이것은기존에시스템을분석하기위해많이사용된방법으로 DSM I 은시스템의모든변수와파라미터정보를가지고있다. 반면, DSM II처럼복잡한시스템을여러개의독립적인시스템으로모델링할수있다. 시스템을두가지관점으로나누어전투논리모델 (CLM) 과전장기능모델 (BFM) 로모델링한다. 이때각모델은분리된변수및파라미터의관계식으로표현된다. 그리고두모델과모두관계있는요소들은모델간의인터페이스를통하여정보를교환할수있도록한다. 995
한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 그림 3. 전투논리측면과전장기능측면에서바라본국방시스템모델및모델링방법론 : 단일시스템또는여러개의독립적인시스템의결합 Fig. 3. Defense system model as Operational Logic + Battle Field Functions: System vs. System of systems 두모델링방법의가장큰차이점은독립적인모델의개수이다. DSM I은하나의모델로표현되고, DSM II은독립적인두개의모델로표현된다. DSM II의여러개의독립적인시스템모델링기법은모델유지 / 보수, 실험설계및분석측면에서장점이있다. 모델개발이끝난후모델의논리나데이터가변경되었을때, 변경된논리가적용된모델만수정하고다른모델은수정하지않는다. 예를들어, 전투논리의변경은전투논리모델에만영향을주고전장기능모델에는영향을주지않는다. 실험설계시에도각각의모델에만영향을주는변수및파라미터를유동적으로변화시킬수있다. 이런독립적인모델의지역적특성은시스템의상호분석에필수적이다. 2.3. 단일분석과상호분석관계식으로표현된시스템모델을시뮬레이션하여결과를분석하는방법은모델링방법과마찬가지로두가지가있다. 하나의모델을하나의시뮬레이션환경에서시뮬레이션하는방법과독립적인모델을각자의시뮬레이션환경에서시뮬레이션하고그것들을연동하는방법이있다. 그림 4는 DSM I 을단일시뮬레이션환경에서시뮬레이션하여결과를분석하는것으로본논문에서단일분석기법이라부른다. 그림 5는 DSM II의전투논리모델과전장기능모델을 RTI와같은시뮬레이션버스를사용하여연동함으로써각모델의시뮬레이션결과를분석하는것으로상호분석기법이라부른다. 상호분석기법의가장큰장점은분리된두모델이각각의시스템을상세하게묘사한독립된모델이라는점이다. 단일분석은전체시스템을하나로표현하기때문에하나의분석지수를측정하기위해다른요소들은추상화할수밖에없다. 일반적인워게 임모델의전투력분석이나통신네트워크분석 [6] 이단일분석의예이다. 그러나상호분석은두시스템이독립적이기때문에동일한레벨의모델로표현할수있다. 단일분석은전투논리나전장기능관련분석지수를하나의모델을사용하여측정한다. 그림 4에서와같이한개의시뮬레이션에서전투논리파라미터 P CL 2, P CL 3 또는전장기능파라미터 P BF 1 에대해전투논리또는전장기능변수 V CL/BF i 의변화에따른분석지수 y의변화를분석한다. 상호분석은분리된두모델인전투논리모델과전장기능모델에서독립적으로시뮬레이션하면서필요한정보를상호연동하면서각각분석지수를측정한다. 그림 5에서와같이각모델은각각의분석지수 y 1, y 2 를구하기위한관계식으로표현되고, 두모델은시뮬레이션연동을통해시뮬레이션결과를분석한다. 이때, 전투논리분석지수 y 1 은다양한전장기능관련파라미터들에대해전투논리변수 V CL i 의변화에따른값의변화이다. 그리고전장기능분석지수 y 2 는다양한전투논리관련파라미터에대해전장기능변수 V BF i 의변화에따른값의변화이다. 즉, y 1 과 y 2 를표현하는관계식에각각서로다른모델의파라미터인전장기능파라미터와전투논리파라미터를인수로가진다. 두모델을분리해서독립적으로각각분석하더라도그결과는서로독립적이지않을수있다. 그결과는서로의모델에영향을줄수있으며, 이것이상호분석을하는이유이다. 그림 4. 단일시스템모델및시뮬레이션분석 Fig. 4. Single Simulation and Single Analysis of DSM I 그림 5. 시뮬레이션연동및상호분석 Fig. 5. Interoperable Simulation and Joint Analysis of DSM II 996
논문 / 워게임모델과통신모델의연동을통한전투력및통신시스템요구성능의상호분석 Ⅲ. 전투효과도와통신성능의상호분석 제안한상호분석기법의적용을위해 FM 무전통신을사용한교전작전시스템을모델링하고시뮬레이션한다. 이를위한시스템개요와적용기술, 그리고시뮬레이션연동환경을본장에서기술한다. 3.1. 상호분석을위한시스템개요임무급수준의워게임모델로부터전투효과도를분석하기위해서는전투논리와전장환경과같은실제군의모든환경을반영한모델이필수적이다. 그림 6은부대원들이무전기를통해교전상황을통신하는실제모습을보여주고있다. 이러한작전상황을분석함에있어서, 지휘관은전투가주어진교리또는논리대로잘이루어졌는지관심있을수있고, 그와동시에교전상황통신에사용된무전기와같은통신장비 ( 망 ) 의성능에관심있을수있다. 전투논리의의한임무성공여부는주어진통신시스템을이용하여측정되고, 통신장비의성능은주어진전투시나리오하에서측정된다. 두분석지수의상호분석을위하여그림 6과같이실제교전시스템을관심분야에따라전투논리를위한모델및통신장비모델로나눈다. 각모델은 DEVSimHLA와 OPNET과같은 M&S 도구를이용하여각각워게임시뮬레이터와통신시스템시뮬레이터로만들어진다. 워게임시뮬레이터는기동, 탐지, 교전등과같은전투논리를반영하여만들어지며, 통신시스템시뮬레이터는워게임시뮬레이터의전투논리의실행을지원하는장비를시뮬레이션한다. 두시뮬레이터는 HLA/RTI를이용하여상호연동을하고, 이러한시뮬레이션연동을통해실제군의환경을반영한작전의모델을표현하게된 그림 6. 상호분석을위한대상시스템개요 Fig. 6. Application of Joint Analysis: Overview 다. 각시뮬레이터의연동결과를바탕으로상호분석을실행한다. 통신효과를반영한전투력은워게임모델의시뮬레이션결과로얻을수있고, 작전시나리오를반영한통신시스템성능은통신시스템모델의시뮬레이션결과로얻을수있다. 3.2. M&S 도구및적용기술 3.2.1. DEVS 형식론및 DEVSimHLA DEVS(Discrete Event Systems Specification) 형식론은 1976년 B. P. Zeigler에의해제안된집합론에근거한형식론이다 [8]. 이산사건모델을시스템이론적으로표현하며, 그모델은입력, 출력, 상태, 상태변환함수로이루어진다. DEVS 형식론은시스템을계층적으로모듈화하여모델과인터페이스가분리된구조적모델링이가능하게한다. DEVS 형식론의장점은시스템을객체지향적으로모델링함으로써모델구현에객체지향적프로그래밍방법을사용할수있다는것이다. DEVS 형식론은모델표현을위해원자모델 (Atomic Model) 과결합모델 (Coupled Model) 의두개의모델클래스를정의하고있다. 원자모델은더이상분해할수없는컴포넌트이며결합모델은부모델들의결합체로서부모델들은각각원자모델혹은결합모델이다. 일반적으로국방시스템은계층적으로복잡한구조로이루어져있기때문에, DEVS 형식론은이러한시스템을모델링하는가장적합한모델링방법론이다. DEVSimHLA [9] 는 DEVS 형식론으로표현된모델을모델링하고시뮬레이션할수있도록해주는라이브러리도구이다. 이외에도네트워크지원, 모델및시뮬레이터검증, HLA 기반의시뮬레이션을가능하게하며, 전체 M&S 주기에걸쳐사용가능한도구이다. 3.2.2. OPNET OPNET은분산시스템과통신네트워크의모델을지원하는포괄적인개발환경을지원한다. 시스템모델의동작과성능을분석할수있고모델설계, 시뮬레이션, 데이터수집및분석과관련된다양한툴을제공하고있다. 뿐만아니라, 현존하는거의모든통신프로토콜과표준장비라이브러리를제공하고있어전세계적으로가장많이활용되고있다 [10]. OPNET은객체지향적모델링을지원하고실제통신네트워크구조와유사하게각각의모델들이계층적인구조를갖고있으며, 계층수준에따 997
한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 라특성화된에디터를이용하여각모델을개발할수있다. 최상위네트워크모델은네트워크를구성하는노드와노드사이의링크로구성되어있으며프로젝트에디터를이용하여통신네트워크를모델링할수있다. 네트워크모델의하위모델인노드모델은라우터, 서버, 통신위성과같은실제통신장비에대한모델링을제공하고내부적으로프로세스와관련된모듈블록과모듈사이의데이터흐름을나타내기위한연결로구성되어있으며노드에디터를이용하여개발된다. 프로세스에디터로개발되는프로세스모델은모듈의내부적인동작을정의한모델로서 FSM(Finite State Machine) 으로구성하여세부단계까지제어가가능해거의모든상황을재현할수있다. 또한링크에디터를이용하여특정대역폭과비트에러율, 전송지연, 패킷형태등을나타낼수있고패킷에디터를이용하여패킷의크기, 필드정보등을나타낼수있다. OPNET 은 HLA 서비스를지원하며, DEVSimHLA 기반시뮬레이터와같이 HLA 서비스를지원하는다른시뮬레이터와연동이가능하다. 3.2.3. High level architecture (HLA) HLA(High level architecture) 는이기종시뮬레이터간의연동을위한상위레벨개념으로서, 1998년에버전 1.3이미국방성 (Department of Defense, DoD) 표준으로채택되었으며 2000년에 IEEE 1516 표준으로채택되었다. 최근 2010년에 HLA evolved 라는이름으로 IEEE 1516 표준이확장, 수정되었다 [11]. HLA는 HLA 프레임워크와규칙 (HLA Framework and Rules) [11], 페더레이트인터페이스명세 (Federate Interface Specification) [12] 그리고객체모델템플릿 (Object Model Template - OMT) [13] 의세가지로정의된다. 먼저, HLA 프레임워크와 표 1. 전투논리를위한기능및부대객체식별 Table 1. Identification of Objects and Function for Operation Logic Functions Reconnaissance Close Combat Fire Support Fire Control Command Control Objects Reconnaissance Platoon Infantry Platoon Mortar Section/Platoon, Artillery Company Combat Support Company, Artillery Battalion Infantry Regiment/Battalion/Company, Command Post 규칙은페더레이션 (Federation) 에포함되는구성요소들의역할과상호관계에관한전반적이고기본적인 10개의규칙들이다. 페더레이트인터페이스명세는각페더레이트 (Federate) 와 RTI 간의기능적인터페이스에관한규약으로 6가지의서비스관리영역으로나누어기술하고있다. RTI는페더레이트인터페이스명세를시스템기종및프로그램언어별로라이브러리형태로구현한것이다. 마지막으로 OMT는페더레이션을구성하는페더레이트들간에이루어지는공통데이터영역을구조적, 기능적으로서술하는데사용된다. 페더레이션을구성하는페더레이트들사이의공유데이터교환구조를서술하는 FOM(Federation Object Model) 과시뮬레이션시스템이페더레이션에제공하는기능을표현하는 SOM(Simulation Object Model), 그리고페더레이션과페더레이트의전반적인기능을모니터링하고관리할수있는 MOM(Management Object Model) 으로구성된다. 3.3. 모델설계및시뮬레이터구현앞절에서설명한바와같이, 실제교전작전은워게임모델과통신모델의두개의모델로분리되어모델링되고 HLA./RTI를이용하여두시뮬레이션을연동한다. 워게임모델은기동, 탐지, 교전, 지휘통제등의전투논리를반영하기위해각기능별모델을구성요소로가지고있다. 즉, 교전시스템을구성하는단위인전투부대모델은기동모델, 탐지모델, 교전모델을하위모델로가지고있으며, 하위모델은서로연결되어정보를교환할수있다. 통신모델은전투부대가보유하고있는통신장비에해당하는노드와여러노드들의연결관계로이루어져있다. 3.3.1. 워게임모델설계및구현 워게임모델은포병대대가후방에서지원하는연대급규모방어작전를표현하기위한임무급수준의모델로설계된다. 모델링을위하여전투모의 그림 7. DEVS 를이용한워게임모델설계 Fig. 7. DEVS Model Structure for War Game Simulator 998
논문 / 워게임모델과통신모델의연동을통한전투력및통신시스템요구성능의상호분석 논리를만들기위해관련기능및그기능을수행하는객체를식별하면표 1과같다. 표 1의정보는훈련교범, 지휘관의경험및여러국방도메인정보로부터획득한다. 식별된각부대객체와기능은 DEVS 형식론을이용하여모델로표현된다. 식별된각부대의행동은 5개의원자모델로표현되며, 그것은탐지, 기동, 지휘통제, 전투, 화력지원이다. 각부대객체는부대특성및임무에따라 5개의원자모델중일부를하위모델로하는결합모델로표현되며, 전체워게임모델의계층적구조는그림 7에나타나있다. DEVS 형식론으로모델링된워게임모델은 DEVSimHLA 도구를사용하여 C++ 환경에서시뮬레이터로만들어진다. 3.3.2. 통신모델설계및구현 통신모델은워게임모델의연대급규모방어작전을지원하는음성 FM 무전기및통신망을표현하기위한공학급수준모델로설계된다. 통신모델내부는워게임모델과동일하게계층적구조로이루어져있으며, 각부대객체가보유하고있는통신장비가통신모델의노드로매핑된다. 즉, 통신모델의노드및그연결관계는워게임모델의부대결합모델및그연결관계와동일하다. 음성 FM 무전기및통신망은그림 8과같이 OPNET 환경에서계층적으로모델링된다. 통신망, 무전기, 통신프로토콜을모델링하기위해 OPNET 내부의프로젝트, 노드, 프로세스에디터를사용한다. 3.4. 시뮬레이션연동환경개발된두시뮬레이터를 HLA/RTI를이용하여시뮬레이션연동을하기위해서는두시뮬레이터의공유객체와메시지정보가기록되어있는 FOM이필요하다. 전투모의논리를분석하여두시뮬레이 그림 8. OPNET 환경의통신시뮬레이터 Fig. 8. OPNET Model Structure for Communication Simulator 그림 9. 공유데이터 FOM 과시뮬레이션연동환경 Fig. 9. FOM and Interoperation Environment 터간공유객체 (Object) 는정의하지않고, 통신장비의위치정보및파라미터업데이트, 음성및데이터의메시지전송과같은인터랙션 (Interaction) 만을정의한다. 그림 9는구체적인 FOM 정보를보여주고있으며, FOM은 10개의인터랙션과메시지내부의여러파라미터로구성되어있다. 상의 4개의인터랙션은워게임시뮬레이터에서통신시뮬레이터로전송되는메시지로서, 통신시뮬레이터내부의노드들의위치정보와통신파라미터를업데이트할수있고음성이나데이터의메시지전송과관련된통신효과모의를요청할수있다. 하위 6개의메시지는통신시뮬레이터가워게임시뮬레이터로부터메시지를정상적으로수신하였음을알리고, 워게임시뮬레이터가요청한메시지전송요청에대해통신효과를계산하여그결과를전달한다. 워게임시뮬레이터는그림 9에보여지듯이구성요소로서네트워크테이블을가지고있고, 이것은워게임시뮬레이터의부대객체정보와통신시뮬레이터의통신장비노드정보의매핑관계및노드들사이의통신망연결관계를정의한것이다. 실제하나의부대가한대또는여러대의통신장비를보유하는것과같이워게임시뮬레이터의부대객체와통신시뮬레이터의노드객체사이에 1:1 또는 1:N의관계가성립한다. 그리고각노드들은주파수또는코드와같은통신파라미터에의해서로다른통신망으로분리되어있기때문에부대는보유하고있는노드들의통신파라미터에따라서여러통신망에가입될수있다. 그러므로통신시뮬레이터를경유하여부대사이의메시지전송을모의하기위해서는두부대가보유하고있는노드들중에서실제로하나의통신망으로연결되어있는노드들을찾아통신시뮬레이터에해당노드들사 999
한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 이의메시지전송을요청해야만한다. 네트워크테이블은이와같이부대사이의메시지전송을위해부대정보를실제하나의통신망으로연결된노드정보로변환하기위해참조된다. 네트워크테이블은사용자가시나리오생성과정에서입력한부대정보와각부대가사용하고있는통신망정보를이용하여생성되며노드정보는부대정보와통신망정보를이용하여자동으로생성된다. Ⅳ. 실험설계및상호분석결과상호분석을위한실험설계는측정하고자하는두개의분석지수에맞게두개로나뉜다. 실험 1 은통신시뮬레이터로부터측정된통신효과도를적용하여워게임시뮬레이터에서연대급규모방어작전의전투효과도를측정하는것이다. 실험 2는워게임시뮬레이터에서만들어진교전시나리오상에서통신시뮬레이터를이용하여음성 FM 무전기의적정송신출력을측정하는것이다. 4.1. 실험시나리오및실험환경실험에사용되는시나리오는다음과같다. 적군은아군부대를격멸하기위해공격작전을실시하고아군은적군의진출을저지하기위해방어작전을실시한다. 아군은적군이아군의방어진지에도달하기전에최대한전투력을감소시키기위해노력한다. 먼저적지종심에서수색소대가적의진출을조기에식별하여탐지결과를연대지휘소에보고하고연대지휘소는직접지원포병대대를통해포병화력으로적을공격한다. 수색소대를통과하여아군방향으로진출한적에대해서는아군의보병부대가이를탐지하여직접지원포병대대에화력을요청하거나보병부대에서보유한박격포를이용하여적을공격한다. 마지막으로방어진지까지적군이진출하 면아군은소총을이용한근접전투를실시한다. 아군부대는적이 2.5km, 1km, 0.5km까지근접했을경우적탐지정보를보고하고, 아군의전투력이이전전투력보고시점보다 10% 이상감소되었거나이동전 후및사격준비완료시에상급부대에이와관련된정보를보고한다. 실험환경은 Quad core 2.67GHz CPU, 3GB RAM, Windows PC이다. OPNET 버전은 v14.5이고 RTI는 DMSO HLA v1.3이다. 4.2. 실험 1: 통신효과에따른부대전투력측정실험 1은다양한통신효과를반영하여적군의잔존부대수에의한생존비율을측정한다. 이를통해통신효과에의한부대전투력을측정할수있다. 표 2의파라미터는실제전장환경에서 FM 무전기의음성통신시발생하는메시지내용과통신시간을나타낸다. 이는실제육군과학화전투훈련단 (Korea Combat Training Center, KCTC) 에서 2006년에실제훈련간음성통화를녹음하여분석한값들이다 [14]. 통신효과에따른전투효과도측정은세가지의경우로나누어측정하였다. 통신효과를반영하지않은경우와 FM 무전기망을추상화하여표 2의실제데이터의통계적수치로나타내는경우, 그리고실제장비데이터를이용하여만든 OPNET 기반통신시뮬레이터와의연동을통한상호분석기법을사용한경우이다. 그림 10은세가지의시뮬레이션에대한시간에따른적군의손실을나타낸다. 우선통신효과를반영하지않은경우적군생존비율이급격히하락함 표 2. 전장상황에서 FM 무전기의음성통신통계 Table 2. Communication Parameters used in Experimentation I Voice Talk Time (Sec) Message Standard Mean Deviation Call / Ack 2.60 1.98 Position Report 4.52 3.26 Situation Report 6.65 5.50 Order 6.86 5.49 KCTC (Korea Combat Training Center) 06 10, 11, 12 class 그림 10. 통신효과반영여부에따른워게임모델의전투력의변화 Fig. 10. Survivability of enemy forces with different communication effects 1000
논문 / 워게임모델과통신모델의연동을통한전투력및통신시스템요구성능의상호분석 을알수있다. 이는통신지연이묘사되지않았기때문에적을공격하여성공할수있는기회가다른경우보다더많기때문이다. 특히 6000초까지통신효과유무에의한전투력차이가크게나타나는데, 이는 6000초이전에는근접공격사거리외에적군이존재하여포병화력에의한원거리공격이주로실시되고, 포병화력운용과정에서통신의사용이많아전투력차이에영향을준다. 실제데이터의통계적자료와 OPNET 기반통신시뮬레이터에의한결과차이는적군생존비율이조금다를뿐시간에따른적군의손실흐름은동일함을알수있다. 이는통신모델을통계데이터로파라미터화하여추상화하였지만, 실제작전상황의데이터를사용하였기때문이다. 그리고 OPNET 기반통신시뮬레이터가실제장비를잘모델링한결과라고볼수있다. 그러나통계데이터를이용한전투력분석은전장상황을통신장비 ( 망 ) 을추상화한것으로장비나전장상황이달라졌을때그대로적용할수없다. 이러한제약사항을해결하는것이통신시뮬레이터를이용한상호분석방법이다. 달라지는통신상황을통신모델에반영함으로써다양한통신망에서의전투력측정이가능하다. 4.3. 실험 2: 통신시스템요구성능측정실험 2는표 3과같이 FM 무전기의송신출력을다르게하여통신모델을시뮬레이션하였을때적군의잔존부대수에의한생존비율을측정한다. 이실험을통해목표로하는전투력감소를달성하기위해필요한통신시스템의최소요구성능을알아볼수있다. 그림 11은서로다른 FM 무전기의송신출력에따른전투효과도의변화를보여준다. 적군의생존비율은아군의 FM 무전기송신출력에영향을받는다는것을알수있다. 무전기의송신출력이 0.04W일때는 3000초이상, 0.08W와 0.16W일때는 300초이상에서적군의손실이이루어진다. 이는송신출력이 0.04W일때는무전기의통달거리가수색소대와연대지휘소의거리인 7.8Km 보다작아서공격을할수없기때문이다. 0.08W 이상일때는수색소대의적탐지결과를받아들여포병 표 3. FM 무전기의송신출력 Table 3. Transmission power of FM radios Parameter Transmission Power of FM Radios Values (W) 0.04 0.08 0.16 그림 11. 통신장비성능에따른워게임모델의전투력의변화 Fig. 11. Survivability of enemy forces as a function time with three transmission powers in radios 화력에의한원거리공격이실시된다. 즉, 전투효과도를극대화할수있는통신장비의요구성능은 FM 무전기의송신출력이 0.08W 이상이어야한다는것이다. 상호분석관점에서볼때, 이실험은특정성공률이상으로임무를완수하기위해필요한통신장비의출력성능을찾는것이다. 4.4. 실험 1과실험 2에관한고찰실험 1과실험 2 모두동일한워게임모델과통신모델을사용한것이다. 일반적으로단일분석을할경우하나의분석지수를측정하기위해다른요소들을추상화한다. 즉, 전투력분석을위해서는통신모델을추상화하여나타내고, 통신장비성능을측정하기위해서는전투논리를추상화한다. 그이유는각각을분석하기위해최적화된모델링방법론및시뮬레이션도구가존재하기때문이다. 각각의모델을동일한레벨의상세도로표현하고, 두모델을시뮬레이션연동함으로써통신효과가반영된전투력및목표전투력을달성하기위한통신장비의요구성능을동시에측정할수있다. 실험에서와같이서로독립적인두모델을이용하여 FM 무전기의송신출력을변화시켜가며적군생존비율의변화를확인함으로써 MOE와 MOP 모두를측정할수있다. 4.5. 상호분석결과활용방안그림 12는워게임모델 (WGS) 과통신모델 (CES) 의상호분석결과의활용방안을보여준다. 통신모델을활용한워게임모델은임무계획및교리개발에있어통신망의효과를측정하기위함이고, 1001
한국통신학회논문지 '12-10 Vol.37C No.10 투논리모델과전장기능모델에모두반영된다면, 국방시스템모델링에있어상호분석기법은더욱중요한의미를지니게될것이다. 참고문헌 그림 12. 워게임모델과통신모델의상호분석결과활용방안 Fig. 12. Extension of Interoperation between WGS + CES 워게임모델을활용한통신모델은주어진임무를달성하기위해요구되는통신장비의송신출력, 속도, 채널등의성능을측정한다. 이러한상호분석개념은다양한전장기능을표현하는하위모델들과보다상위수준의워게임모델인전구급모델의분석에도적용가능하다. Ⅴ. 결론 본논문은국방시스템을위한상호분석기법에제안하고, 워게임모델과통신모델의시뮬레이션연동을통해그효과를확인하였다. 상호분석을위해, 시스템복합체계 (System of systems) 방법을사용하여하나의시스템을여러개의부시스템으로분리하고, 각각을독립적인시스템모델로표현한다. 본논문에서는 FM 무전통신을사용한교전작전시스템을두개의독립적인모델로표현하였다. 두개의모델은연대급규모방어작전을표현하는전투논리모델과방어작전을지원하는 FM 무선통신장비및통신망을표현하는전장기능모델이다. 두모델은 HLA/RTI를이용하여시뮬레이션연동하였다. NCW 환경에서전장기능모델은지휘통제와통신기능외에정보, 감시, 정찰, 컴퓨터등과같은 C4ISR 체계기능을모두포함하게될것이다. 이러한복잡한전장환경에서의교전상황을분석하는가장효과적인방법이두모델을분리해서시뮬레이션연동함으로써시스템을분석하는것이다. 이러한상호분석기법은지휘관이전투논리와이를지원하는전장기능을동시에모두고려하여국방시스템의효과적인해결책을얻을수있도록해준다. 전투력향상을위한 7대전투발전요소들이전 [1] H. No, T. J. Son, NCW: Trends of developed countries and challenges of ROK, Korea Defense Issue & Analysis, No. 1046(05-19), May, 2005. [2] J.T. Pollock and R. Hodgson, Adaptive Information, Wiley-interscience, 2004. [3] W. Ko, Analysis of MOE and MOFE in C4ISR system,"the Quarterly Journal of Defense Policy Studies, No. 68, pp. 95-120, Jul. 2005. [4] Benjamin D. Paz, Joshua A. Baer, "Communication effects server integration with OneSAF for mission level simulation," in Proceedings of the 2008 Fall Simulation Interoperability Workshop(SIW), pp. 271-276, Orlando, FL, Sep. 2008. [5] Army Special Operations Forces, FM 3-05 (FM 100-25), Department of the Army, Sep. 20 2006. [6] J.-S. Park, Y.-H. Jeon, Design and Implementation of a Simulator for the Performance Simulation of a Large-Scale Network Using OPNET, The Journal of Korea Information and Communications Society, Vol. 34, No. 3, pp. 274-287, Mar. 2009. [7] L. K. Piplani, J. G. Mercer and R. O. Roop, Systems acquisition manager s guide for the use of models and simulation: Report of the DSMC 1993-1994, Fort Belvoir, VA: Defense Systems Management College, Dec. 1994. [8] B. P. Zeigler, T. G. Kim, and H. Praehofer, Theory of Modeling and Simulation, Orlando, FL: Academic, Jan. 2000. [9] T. G. Kim, C. H. Sung, et. al, "DEVSim++ toolset for defense modeling and simulation and interoperation," The Journal of Defense Modeling and Simulation: Application, 1002
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