미래의 통신 기술: 전 세계를 연결하기 위한 위성 인터넷

이미지 출처: Ameer/Stock.adobe.com; AI로 생성

알리스테어 위닝(Allistair Winning), 마우저 일렉트로닉스

2024년 12월 19일

1957년 10월 4일 발사된 스푸트니크(Sputnik) 1호가 지구 궤도에 안착하여 지구로 신호를 보낸 이래, 위성은 통신의 필수 요소로 자리 잡았다.[1] 이후, 인터넷이 보다 중요한 통신 수단이 되면서 위성 또한 이에 맞춰 자연스레 역할을 수행하게 되었다. 오늘날 개발된 최신 위성들은 지구상의 모든 사람에게 놀라울 정도로 저렴한 비용으로 인터넷 서비스를 제공할 만한 잠재력을 가지고 있다.

위성 통신 기술은 수십 년 동안 존재해 왔지만, 일반적으로 인터넷 접근성 측면에서 비용이 많이 든다는 것이 입증되었다(그림 1). 인구가 희박하거나 험난한 지형으로 인해 인프라를 설치하는 것이 비경제적인 접근 불가능한 지역과 같은 몇몇 극단적인 경우를 제외하고는 대부분의 경우 지상 통신은 인터넷 접속 제공에 있어 선호되는 방법이었다. 하지만 민간 기업들이 대부분의 인구에게 도달할 수 있을 만큼 필요한 케이블을 설치하거나 무선 타워를 설치하려면 이에 소비된 지출을 회수하지 못할 것이다. 이제는 너무 멀리 떨어져 인터넷 접속을 하지 못하는 지역 사회는 뒤처질 수밖에 없는 시대이다.

그림 1: 위성 통신은 원격 지역에 필수 서비스를 제공하는 유일한 경제적 방법일 수 있다. (출처: irissca/stock.adobe.com; AI로 생성)

오늘날 우리는 인터넷 보급은 너무 당연한 시대에 살고 있기 때문에 이를 통해 얻는 혜택이 얼마나 큰지에 대해 거의 생각하지 않는다. 오늘날 대부분의 사람들은 인터넷이 없는 세상을 기억할 수 없을 것이다. 인터넷 접속이 불가능한 지역은 다른 지역에 비해 현저히 낙후된 위치에 처하게 될 것이다. 이와 같은 지역들을 전 세계 다른 지역과 마찬가지로 온라인으로 접속시키려면, 합리적인 단가로 제공된다는 것을 전제하에 오직 위성 인터넷만이 유일한 방법일 것이다.

위성 인터넷은 재난 발생 시 긴급 서비스를 위한 필수 도구임이 입증되었다. 이 같은 사건이 발생하면 해당 지역의 전원 공급이 심하게 손상되어 통신이 끊기는 경우가 많다. 이와 같은 경우에는 구조 서비스 기업과 유틸리티 기업이 배터리 구동식 위성 장비를 통해 협력하여 문제를 해결하고, 전력을 복구하며, 생명을 구할 수 있다.

인터넷과 우주 위성

최초의 통신 위성은 1962년 AT&T에서 발사한 텔스타(Telstar) 1호였다.[2] 텔스타의 타원형 궤도는 지구에서 가장 가까운 지점에서 592마일(약 950km), 가장 먼 지점에서 3,687마일(약 5,930km)까지로 다양한 거리에 걸쳐 떨어져 있었다. 이는 텔레비전 방송, 전화 통화, 이미지를 송수신할 수 있지만 약 2시간 30분의 궤도에 걸쳐 30분 동안만 사용할 수 있었다.

이후의 통신 위성들은 적도 상공 22,236마일(약 35,790km)의 정지궤도(GEO)를 채택하여 가동 시간을 개선했다. 이 고도에서는 위성의 궤도 속도가 지구의 속도와 일치하기 때문에 지구를 기준으로 동일 선상에 머물며 상시로 데이터를 송수신할 수 있다. 3개로 작동하는 GEO 위성은 거의 전 세계에 커버리지를 제공할 수 있다는 뜻이다.[3]

GEO 위성은 통신 기능이 획기적으로 개선되었지만 비용을 비롯한 몇 가지 문제가 남아 있다. 위성은 지구보다 한참 높은 곳에서 궤도를 돌고 있기 때문에 반 앨런(Van Allen) 벨트에서 나오는 강한 방사선에 노출되어 전기 부품을 차폐해야 한다는 것을 의미한다. 이는 결국 위성을 더 무겁게 만들고 비용을 더욱 증가시킨다.

지구에는 두 개의 반 앨런 벨트가 있으며, 지구로부터의 거리는 약 400마일(약 640km)에서 36,040마일(약 58,000km) 사이이다.[4] 이 도넛처럼 생긴 두 개의 벨트는 적도에서 가장 두껍고 극지방에서 가장 얇다. 이는 지구의 자기권이 고에너지 방사선 입자를 가두어 발생하는 현상이다. 이 입자들은 전자 시스템을 손상시키고 인체에 해를 끼칠 수 있는 태양 폭풍과 태양풍(그림 2)으로부터 지구를 보호한다. GEO 위성은 고도 22,236마일(약 35,790km)의 궤도를 돌기 때문에 반 앨런 벨트의 방사선 영향권 안에 있지만, 심우주 방사선으로부터 보호되는 벨트 보호 구역으로부터는 대부분 밖에 있다.

그림 2: 반 앨런 벨트는 태양 폭풍이 미치는 최악의 영향으로부터 지구를 보호한다. (출처: Naeblys/stock.adobe.com)

GEO 위성에는 다른 문제도 따른다. 이와 같은 극단적인 궤도 거리는 지연 시간을 발생시키며, 44,472마일(약 71,570km)의 왕복 여행에서 신호는 약 500ms가 걸린다. 마지막으로, 고장이 발생할 경우 위성 전체를 교체해야 한다. 이중화 시스템을 사용하면 주요 시스템의 작동 수명을 연장하는 데 효과적일 수 있지만 무게와 비용이 더 많이 든다. 이 같은 모든 차폐 및 이중화 기능을 갖춘 GEO 위성은 설계 및 구축에 최대 5톤의 무게와 최대 4억 달러의 비용, 최대 5년의 시간이 소요될 수 있다.[5]

다른 솔루션

최근에는 GEO 위성의 단점을 보완하기 위한 새로운 기술이 등장했다. 다수의 고장 지점이 존재하거나 막대한 비용이 드는 단일 위성에 의존하는 대신, 100~1,200마일(약 160~1,930km)의 궤도에서 활동하는 여러 대의 저궤도(LEO) 위성이 단일 개체로 작동하여 지구 전체를 커버할 수 있다. 단일 LEO 위성은 지구 표면의 일부만 커버할 수 있고 지구 상공에 고정되어 있지 않지만, 반 앨런 벨트의 보호 아래에서 작동하기 때문에 GEO 위성과 같은 수준의 차폐가 필요하지 않다.

LEO 위성(그림 3)은 평균 비용이 약 50만 달러로 훨씬 저렴하고, 가벼우며(220~2,200파운드, 약 100~1,000kg), 약 18개월 만에 설계 및 제작이 가능하다. 위성 발사는 더 비용 효율적이며 위성은 더 높은 대역폭으로 더 나은 서비스를 제공한다.[6] 일반적인 지연 시간이 약 40ms인 LEO 위성 인터넷은 지상파 통신의 최종 사용자 경험에 훨씬 더 근접하다. 한 위성이 고장 나면 위성 별자리의 다른 위성들은 커버리지의 공백을 메우기 위해 재배치될 수 있다. 또한 위성을 신속하게 위성 별자리에 추가하여 용량을 늘리고 더 나은 서비스 품질을 제공할 수 있다.

그림 3: LEO 위성은 GEO 위성과 같은 시야로 지구를 볼 수 없지만, 인공 별자리에서 작동하기 때문에 지연 시간을 줄이면서 더 나은 커버리지를 제공할 수 있다. (출처: Photocreo Bednarek/stock.adobe.com)

현재 궤도에 있는 LEO 위성의 수를 정확하게 추정하는 것은 어렵고, 이 글이 게시될 무렵이면 그 숫자는 이미 구식이 되어 있을 것이다. 현재 가장 큰 네트워크 그룹은 스타링크(Starlink) 위성 별자리로 총 7,000여 개의 위성이 있으며,[7] 향후 42,000개까지 계획되어 있다.[8] 이는 현재 활성화된 600개의 GEO 위성과 비교하면 매우 큰 규모이다. 스타링크는 한 가지 예에 불과하다. 중국의 '천 개의 돛(Thousand Sails)' 위성 별자리에는 2027년까지 1,296개의 위성을 궤도에 안착시킬 예정이며, 장기적으로는 최종적으로 12,000개의 위성을 보유하게 될 것이다.[9] 아마존(Amazon) 또한 3,232개의 위성으로 구성된 별자리와 다가올 발사를 계획한 프로젝트 카이퍼(Project Kuiper)를 통해 이 분야의 진출을 앞두고 있다.[10]

이제는 다양한 기술의 발전으로 인해 수많은 복잡한 시스템이 서로 협력하여 작동할 수 있게 되었다. 위성은 지구 상공에 완전히 고정되어 있지 않기 때문에 지평선 위를 지나가면서 신호가 끊어지면 다른 위성과 긴밀하게 협력해야 한다. 다른 위성과 통신하기 위해 최신 스타링크 위성에는 위성 간 통신을 위해 최대 200Gbps로 통신할 수 있는 세 개의 레이저가 탑재되어 있다. 이 같은 레이저 기반 통신은 지상국 제어 과정에서 발생하는 문제를 줄여준다.

재생 통신(regenerative communication)은 지상국의 수와 복잡성을 줄여줄 것으로 기대되는 또 다른 혁신이다. 초기의 LEO 위성은 기지국과 목표 위치 사이의 통로 역할을 하며 신호만 증폭하고 방송용 주파수를 변경하는 역할을 했다. 이 같은 기술을 '벤트 파이프(bent pipe)'라고 한다. 위성은 재생 기술을 통해 신호를 복조, 디코딩, 재인코딩, 변조하여 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 또한 필요한 경우 데이터를 선택적으로 처리할 수도 있다.

저궤도 위성도 5G 이동 통신을 통합하기 시작했다. 5G 비지상파 네트워크(5G-NTN)는 벤트 파이프 또는 재생 네트워크(regenerative network)가 될 수 있으며 재생 네트워크에는 위성 기지국의 일부 또는 전체가 포함된다.[11] 이 같은 통합은 특히 소외된 지역사회에 많은 혜택을 가져올 수 있다. 이를 통해 외딴 지역의 주민들이 모바일 통신, 사물 인터넷(IoT) 센서, M2M(Machine to Machine)에 액세스할 수 있게 되어 잠재적으로 경제가 활성화될 수 있다. 또한 5G-NTN은 고용량 애플리케이션의 품질을 향상시킬 수 있다. 재난이 발생하면 LEO 별자리가 손상된 지상파 네트워크를 일시적으로 대신할 수 있다.

파라볼릭 안테나가 증가하는 수요를 충족하는 데 어려움을 겪으면서 능동형 전자 주사식(Active Electronically Scanned Array, AESA) 및 위상 배열 안테나와 같은 전자 조종 안테나(그림 4)도 위성에 빠르게 도입되고 있다. 이와 같은 안테나는 신호 방향을 전자적으로 빠르게 바꿀 수 있는 반면, 파라볼릭 안테나는 물리적인 움직임이 필요하다. 이와 같은 기술은 반응성이 더욱 뛰어나고 빔포밍을 통해 더 빠르고 정확한 조정이 가능하므로 위성 간 핸드오프가 더 빠르게 이루어진다.

그림 4: LEO 위성 통신은 최종 사용자용으로 소형 안테나만 필요하다.(출처: rh2010/stock.adobe.com)

마지막으로, 최근 GEO 위성 또한 혁신을 거듭하며 LEO 위성과 긴밀히 상호작용하여 더 높은 품질의 서비스를 제공할 수 있게 되었다. LEO 위성은 전 세계적으로 빠르고 지연 시간이 짧은 인터넷을 제공할 수 있는 반면, GEO 위성은 대용량 기능을 활용하여 시간에 민감하지 않은 애플리케이션을 위해 인구가 많은 도시 지역에 서비스를 제공할 수 있다.

앞서 언급된 모든 기술을 통해 위성은 트래픽을 지능적으로 라우팅하고 오프로드할 수 있으며, 귀중한 스펙트럼 공간을 절약하고 네트워크의 복원력을 향상시킬 수 있다.

맺음말

기술이 발전함에 따라 더 높은 처리량과 더 낮은 발사 비용을 제공할 수 있게 되면서, 많은 서비스 제공자들이 위성 별자리를 궤도로 발사할 수 있게 되었고, 이는 최종 사용자의 용량을 크게 늘리고 비용을 절감하는 데 도움이 되었다. 비용이 낮다는 것은 외딴 지역에서의 위성 통신을 훨씬 더 경제적으로 만들어주는 효과를 기대할 수 있도록 만든다.

LEO 위성 별자리는 외딴 지역 사회를 연결하고 경제적, 사회적 이익을 창출하는 데 있어 커다란 잠재력을 가지고 있지만, 동시에 해결해야 할 과제도 안고 있다. 앞으로 나아가는 과정에 있어 광범위한 위성 접근의 이점과 궤도 공간 책임에 대한 관리의 균형을 맞추는 일은 이를 꾸준히 진전시키면서 궤도의 혼잡을 피하는 데 필수적일 것이다.

출처

[1]https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1957-001B
[2]https://airandspace.si.edu/collection-objects/communications-satellite-telstar/nasm_A20070113000
[3]https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Types_of_orbits
[4]https://spacenews.com/van-allen-probes-spot-an-impenetrable-barrier-in-space/
[5]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[6]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[7]https://satellitemap.space/
[8]https://www.the-independent.com/tech/elon-musk-satellites-starlink-spacex-b2606262.html
[9]https://phys.org/news/2024-10-china-thousand-starlink-latest-mega.html
[10]https://www.aboutamazon.com/news/innovation-at-amazon/what-is-amazon-project-kuiper
[11]https://www.qorvo.com/design-hub/blog/advancing-communication-the-role-of-leo-satellites-in-the-wireless-expansion

저자 소개

알리스테어 위닝(Allistair Winning)은 1997년 스코틀랜드 웨스트 대학교(University of the West of Scotland)에서 전자 시스템 학사 학위를 취득한 후 전자 미디어에서 마케팅, 홍보, 저널리즘 분야에서 근무해 왔다. 해당 기간 동안 그는 Electronics Engineering, Embedded Systems Europe, EENews Embedded, Technology First, Electronic Product Design and Test, Panel Building and Systems Integration 잡지의 에디터로 근무했다. 현재 그는 Power Systems Design의 유럽 지역 에디터이자 전자 및 엔지니어링 전문 프리랜서 작가로 활동 중이다.