위성은 임무에 따라서 궤도의 높이와 경로를 결정하여 궤도 특성에 맞는 위성을 제작하고 서비스를 제공하게 됩니다. 지구 표면과 가장 거리가 먼 정지궤도(GEO, Geostationary Earth Orbit)는 약 36,000km에 위치하며, 지구의 자전 속도와 동일한 속도로 궤도를 돌기 때문에 항상 지구의 같은 지점에 위치한다는 특징이 있습니다. 또한 가장 지구 표면에서 가장 먼 곳에 있기 때문에 지구 커버리지 비율이 가장 넓어 3개의 위성만으로 전 지구를 커버할 수 있습니다. 하지만 지구와 가장 멀기 때문에 약 500ms가량의 레이턴시가 발생합니다.

신호의 이동 과정을 살펴보면 지구에서 발사된 신호는 정지궤도 위성에 도달한 다음 다시 지구의 수신 기기로 반환됩니다. 따라서 신호는 한번의 왕복을 통해 정보를 전달하며 왕복 거리( = 2 × GEO 고도 = 2 × 35,786km = 71,572km)에 통신신호의 이동 속도(빛의 속도, 299,792km/s)를 대입하여 한 번에 약239ms, 왕복으로 계산하면 약 478ms의 레이턴시가 발생하는 것입니다.

이는 가장 데이터 크기가 작은 음성 신호라도 약 0.5초 정도의 레이턴시가 발생하는 것을 의미하므로 실시간 인터넷 서비스를 요구하는 최신 비즈니스 환경에는 맞지 않습니다. 그렇기 때문에 정지궤도 위성은 주로 레이턴시가 길어도 되는 위성 방송이나 기상 관측 등에 활용됩니다.

중궤도(MEO, Medium Earth Orbit)는 지구표면과 약 2,000~ 36,000km 사이에 위치하고 약 120~150ms의 레이턴시를 가집니다. 저궤도에 비해서 지상 커버리지 비율이 커서 수십 개의 위성으로 글로벌 전역을 커버할 수 있는 장점이 있습니다. 이에 중궤도는 주로 우리가 가장 많이 이용하는 위성 서비스인 GPS와 같은 항법 기능을 제공하는 위성을 배치합니다.

최근 가장 주목받고 있는 시장은 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)입니다. 지구 표면에서 250~2,000km 사이에 위치하며 지구에 가장 근접한 만큼 약 20ms가량의 가장 짧은 레이턴시를 가집니다. 짧은 레이턴시는 실시간 데이터 전송이 필요한 분야(금융 거래, 게임 등)에서 사용될 수 있음을 의미하며, 산악이나, 사막, 바다와 같은 지리적으로 소외된 지역에서의 고속 인터넷 연결을 가능하게 합니다.

그러나 저궤도는 지구와 가까운 만큼 중력의 영향을 가장 크게 받기 때문에 평균적으로 초속 7.35km/s의 빠른 속도로 궤도를 움직여야 하며, 지구와 가까운 만큼 커버할 수 있는 지역이 좁다는 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위해서는 수많은 위성으로 군집 위성망을 구축해야 하며 빠른 속도로 지구를 돌고 있어 안정적인 서비스를 제공하기 위해서는 높은 기술력이 필요합니다.

저궤도 위성통신 시장이 급부상한 이유

저궤도 위성통신 시장이 우주 산업의 총아로 급부상한 이유는 지구 표면과의 짧은 거리로 인해 레이턴시가 매우 짧기 때문입니다. 레이턴시란, 고속 인터넷 서비스에서 매우 중요한 요소로 데이터가 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 웹사이트를 클릭했을 때 화면이 뜨기까지 걸리는 시간, 온라인 게임에서 캐릭터를 움직였을 때 반응하는 시간, 영상 통화 중 상대방의 말이 들리기까지 걸리는 시간 등이 모두 레이턴시와 관련이 있습니다.

소비자 입장에서 레이턴시는 매우 중요한데, 레이턴시가 인터넷 사용 경험의 질을 좌우하기 때문입니다. 낮은 레이턴시를 가진 인터넷 서비스는 즉각적인 반응과 원활한 사용 환경을 제공하지만 높은 레이턴시는 답답함, 끊김, 오류 등을 유발하여 불편함을 야기합니다. 일례로 레이턴시가 매우 짧아 통신망의 성능이 좋은 국내 사용자들이 해외 여행을 갔을 때 느끼는 불편함이 높은 레이턴시로 인해 발생하는 피해라고 볼 수 있습니다.

레이턴시는 단순히 다운로드/업로드 속도와는 조금 다른 개념으로 다운로드 속도가 빠르다고 하더라도 레이턴시가 높으면 게임 도중 렉이 발생하거나 영상 통화가 끊길 수 있습니다. 즉 빠른 속도와 낮은 레이턴시가 결합돼야 진정한 고속 인터넷 서비스를 경험할 수 있습니다. 특히 실시간 서비스를 많이 이용하는 사용자에게는 안정적이고 낮은 레이턴시는 매우 중요합니다. 사용자 목적에 따라서 요구받는 레이턴시는 각기 다르지만 향후 고부가가치를 창출할 수 있는 미래 비즈니스에 활용되기 위해서는 낮은 레이턴시는 필수 요소입니다.

물론 현재 사용되는 지상망과 저궤도 위성 통신의 다운로드 속도와 레이턴시를 비교해보면, 저궤도 위성망이 속도와 레이턴시 모두 지상망에 비해 열위라는 것은 명백한 사실입니다. 하지만 대륙을 넘나드는 장거리 통신과 같이 저궤도 위성 통신이 우위에 설 수 있는 영역도 존재합니다. 광섬유는 굴절률에 따라서 신호를 전달하는 속도(빛의 속도)에 제한이 생기며, 현재 장거리 해저 광케이블에서 사용되는 광섬유의 굴절률은 1.4675 수준입니다.

뉴욕과 더블린, 상파울로와 런던, 토론토와 시드니를 연결하는 장거리 해저 케이블의 레이턴시를 저궤도 위성통신에서 가장 많이 활용되고 있는 약 550km 고도의 레이턴시와 비교해보면 저궤도 위성망의 레이턴시가 더 낮다는 것을 확인할 수 있습니다. 즉 대륙 간 통신과 같은 영역에서는 저궤도 위성망이 더 유리할 수 있다는 뜻입니다. 향후 저궤도 위성 통신은 레이턴시가 매우 짧다는 장점을 기반으로 다양한 영역에서 빠르게 성장할 것으로 전망합니다.

또한 고성능 저궤도 위성의 개발과 저궤도 위성망의 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 기술들이 결합되면 휠씬 양질의 고속 인터넷 서비스를 제공할 수 있을 것입니다.

저궤도 위성 통신망 성능 개선에 필요한 주요 기술

저궤도 위성 통신 시스템은 저궤도에 수백 기 이상의 군집 통신 위성망을 배치하여 초고속 인터넷을 제공하는 통신 시스템으로 위성망 또는 위성 기반 네트워크라고 부릅니다.

이러한 위성망 구축을 위한 주요 기술은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 위성 기술, 두 번째는 지상 기술, 세 번째는 네트워크 기술입니다. 먼저 위성 기술은 고성능 위성 개발, 군집 위성망 구성을 통한 통신 신호 처리 용량 확대 등 위성망의 효율성을 높이는 기술입니다. 이를 위해서 위성 간 직접 통신(ISL, Inter-Satellite Link), 고성능 안테나 기술 등이 필요합니다.

지상 기술은 지구국(안테나, 게이트웨이)과 사용자 단말기 제조 기술, 주파수 공유, 그리고 다른 위성 시스템과 지상 통신망과 간섭을 최소화하기 위한 간섭 완화 기술 등을 포함하고 있습니다. 마지막으로 네트워크 기술에는 주파수와 대역폭, 전력 등 한정된 자원을 효율적으로 관리하는 가상화와 같은 자원 관리, 데이터 경로 최적화 기술, 그리고 사용자에게 끊김 없는 서비스를 제공할 수 있게 해주는 핸드오버와 같은 안정화 기술이 있습니다.

결국 저궤도 통신망의 성능을 개선하기 위해서는 다양한 네트워크 기술을 활용하여 데이터를 효율적으로 처리하고 지상-위성 간, 위성-위성 간 연결 강화 및 고성능의 위성 등을 개발할 필요가 있습니다. 성숙된 지상 기술을 우주로 올리는 것이 관건이기 때문에 향후 개선이 필요한 위성 기술과 네트워크 기술 중심으로 알아보려고 합니다.

군집(Constellation) 위성망

저궤도 위성통신망의 성능을 개선하려면 군집(Constellation) 위성망의 구축이 필수적입니다. 군집 위성이란, 밤 하늘의 별들이 특정한 형태를 이루는 것처럼, 여러 개의 위성들이 특정한 목적을 위해 계획된 궤도에 배치되어 하나의 시스템처럼 운용되는 것을 말합니다.

만약 소수의 위성으로 서비스를 제공한다고 가정하면 제한적인 서비스 범위와 낮은 빈도 및 품질 등 매우 질이 떨어지는 서비스를 제공할 수밖에 없습니다. 반면 수십, 수백 대의 위성망을 체계적으로 운용하는 군집 위성망을 기반으로 서비스를 제공한다면 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

군집 위성망을 이해하기 위해서는 먼저 위성의 궤도와 궤도면에 대해서 알아볼 필요가 있습니다. 궤도는 위성이 지구 또는 다른 천체의 중력에 의해서 그 주위를 회전하는 경로이며, 궤도면은 그 궤도를 포함하면서 지구 중심을 지나가는 가상의 평면입니다. 동일 궤도면은 두 개 이상의 위성이 같은 궤도면을 공유하는 것이며, 다중 궤도면은 두 개 이상의 위성이 서로 다른 궤도면을 공전하는 것을 말합니다.

궤도와 궤도면을 활용하여 다양한 저궤도 위성 군집망이 만들어지는데, 주로 워커 스타(Walker Star Constellation)와 워커 델타(Walker Delta Constellation) 형태의 군집 위성망으로 나뉩니다. 워커스타 군집 위성망은 모든 위성이 같은 방향으로 공전하여 위성 간 통신(ISL) 연결이 상대적으로 쉽다는 장점이 있지만 고위도 지역에서 통신의 가용범위 문제가 발생합니다.

반면 워커델타 군집 위성망은 궤도면의 기울기를 조절하여 상대적으로 통신의 수요가 많은 적도 지방에 위성이 더 밀집되도록 배치하여 수요가 많은 지역에 통신 용량을 늘리는데 중점을 두는 방식입니다. 하지만 인접한 궤도면의 위성이 서로 다른 방향으로 공전하여 위성 간 통신(ISL) 연결이 어렵다는 단점이 있습니다. 이 외에도 워커폴라, 진주 목걸이형(String of pearls), 꽃형(Flower Constellation) 등 위성 배치 구조에 따라 다양한 군집망이 존재합니다.

최근 저궤도 위성 통신망을 구축하려는 기업들은 여러 가지 방법을 혼용한 하이브리드 방식을 사용하고 있습니다. SpaceX의 Starlink와 Amazon의 Kuiper 프로젝트 역시 워커 델타 방식을 기반으로 한 하이브리드 방식을 사용하거나 사용할 것으로 추정됩니다.

저궤도 군집 위성망에서 위성 간 위치 관계에 따라서 발생할 수 있는 위성 간 연결(ISL) 방식은 크게 세 가지로 정리할 수 있습니다. 첫 번째는 동 궤도 및 동 궤도면 ISL(Same Orbital and Same Orbital Plane ISL)로 같은 궤도면에서 같은 방향으로 공전하는 두 위성 간의 통신으로 두 위성이 같은 궤도를 따라가기 때문에 상대적 위치 변화가 적어 ISL 연결이 쉽습니다.

두 번째는 다 궤도 및 동 궤도면 ISL(Multi Orbital and Same Orbital Plane ISL)로, 같은 궤도면에서 공전하지만 고도가 다른 두 위성 간의 통신이며, 동일 궤도면이지만 고도 차이로 인해 상대적 위치변화가 발생하기 때문에 ISL 연결에 조금 더 난이도가 있습니다. 또한 공전 방향이 반대라면 위성 간 상대 속도가 커지기 때문에 정교한 연결 기술이 필요합니다.

마지막은 다 궤도 및 다 궤도면 ISL(Multi Orbital and Multi Orbital Plane ISL)로 서로 다른 궤도와 궤도면에서 공전하는 두 위성 간의 통신을 뜻하며, 고도와 궤도, 궤도면이 모두 다를 수 있어 위성의 상대적 위치변화가 크고 복잡해 ISL의 연결이 가장 어렵습니다. 저궤도 위성망은 위성을 어떤 궤도와 어떤 궤도면에 배치하느냐에 따라 다양한 군집망 형성이 가능하며, 이는 저궤도 위성 통신망의 성능을 결정하는 중요한 요소가 됩니다.

SpaceX의 Starlink는 한 대의 저궤도 위성에 최소 5개의 서로 다른 저궤도 위성과 ISL을 연결하는 5-ISLs 개념을 소개했습니다. SpaceX는 Starlink 위성에 5개의 FSO-ISL(레이저)을 탑재하여, 4개는 인접 위성과의 통신에, 1개는 교차 궤도면 위성과의 통신에 사용할 계획이었습니다. 4개의 인접위성 ISL은 동 궤도면 내 앞/뒤, 인접한 좌/우 궤도면으로 배치하고 나머지 1개의 ISL은 반대 방향으로 움직이는 교차 궤도면 위성과 ISL 연결되는 구조였습니다.

하지만 상대적으로 연결이 쉬운 앞/뒤, 좌/우 ISL과 달리 반대 방향으로 움직이는 교차 궤도면 위성과의 연결은 매우 어렵습니다. 고도 550km에서 위성의 이동속도는 약 7.6km/s인데, 반대 방향으로 움직이는 상대 속도는 최대 15.2km/s에 달하기 때문입니다. 2020년 이후 FCC에 제공된 SpaceX의 문서를 살펴보면 4-ISLs에 대한 언급만 나오는데, 이러한 기술적인 어려움 때문에 4-ISLs 시스템으로 계획을 수정한 것으로 추정됩니다.

위성 간 통신(ISL)의 숫자를 늘리면 네트워크의 연결성이 개선되며 유연한 라우팅 성능을 통해 트래픽을 분산시킬 수 있습니다. 또한 지구국에 대한 의존도가 낮아져 레이턴시도 더욱 줄어들게 됩니다. 하지만 이러한 군집 위성망을 구축하기 위해서는 위성 간 통신(ISL, Inter Satellite Link) 기술이 매우 중요합니다.

위성 간 직접 통신 (feat. FSO)

위성 간 직접 통신 방식은 전통적인 RF 방식과 레이저를 사용하는 FSO 방식으로 나뉩니다. RF(Radio Frequency) 방식은 전파를 사용하여 데이터를 전송하는 무선 통신 기술로 현재 통신 기술에 가장 널리 사용되는 방식입니다. 우리가 일상적으로 사용하는 라디오, 휴대폰 등이 RF 방식을 사용하고 있습니다. RF 방식은 대기 조건에 덜 민감하다는 장점이 있어 대부분의 무선 지상망 통신 서비스는 RF 방식을 사용합니다. 하지만 FSO 방식에 비해 대역폭, 데이터 전송률, 보안성 등이 제한적이며 주파수 할당 및 간섭에 취약하다는 단점이 있습니다.

FSO(Free Space Optics)는 레이저 빔을 사용하여 데이터를 전송하는 통신 기술로 매우 높은 데이터 대역폭과 낮은 전력소비, 높은 보안성이 장점입니다. 하지만 대기 조건에 매우 민감하며, 가시선(Line-of-Sight, 빛이 직진할 수 있는 경로) 확보가 필수적입니다. 송신기와 수신기 사이에 장애물이 없어 빛이 직진하여 도달할 수 있는 경로가 필요하며 빛이 차단되거나 산란, 흡수되면 신호 감쇠가 발생하거나 심한 경우 통신이 두절될 수 있습니다. 예를 들면 구름이나 안개, 대기의 흐름 등에도 영향을 받으며 강수에는 특히 취약합니다. FSO 방식이 많은 장점을 가졌음에도 불구하고 지상 주력 통신기술로는 RF 방식이 선호되는 이유입니다.

하지만 저궤도 위성 통신망에서는 FSO 방식이 위성 간 통신의 주력 방식이 될 것으로 예상합니다. 왜냐하면 우주공간에는 레이저의 송수신을 방해할 만한 대기와 같은 요소가 없어 FSO 방식의 장점을 극대화할 수 있기 때문입니다.

FSO 전송 시스템은 RF 방식 대비 높은 대역폭(THz)으로 이론적으로 Tbps급 데이터 전송이 가능하고, 송수신 전력이 상대적으로 낮아 전력 효율성도 높습니다. 게다가 RF 시스템 대비 안테나와 같은 관련 장비가 작고 가벼워서 위성의 무게를 줄일 수 있다는 보너스도 있습니다.

위성 탑재 FSO 장비를 만드는 TESAT의 FSO 단말기(SCOT80)는 하나당 약 12kg 정도의 질량을 가지고 있어 위성 하나에 4개를 설치하면 총 FSO 단말기 질량은 약 50kg 정도가 됩니다. 반면 RF 안테나 장비는 일반적으로 약 50~200kg 수준으로 알려졌기 때문에 무게가 비용으로 직결되는 우주 산업에서 이 같은 차이는 매우 크다고 볼 수 있습니다. 또한 주파수는 한정적인 자원이기 때문에 무한정 사용할 수 없지만 FSO 통신은 주파수 할당이 없기 때문에 이러한 제약에서 자유롭다는 장점도 있습니다.

하지만 FSO 전송 시스템에 장점만 있는 것은 아닙니다. SpaceX가 교차 궤도면 위성과의 ISL 연결 계획을 수정한 것처럼 매우 정교한 ATP(Acquisition, Tracking, and Pointing) 기술이 필요하기 때문입니다. ATP 시스템은 고속으로 이동하는 위성을 추적하고 정밀하게 빔을 정렬하는 역할을 합니다. 이 때 역설적으로 FSO 통신의 레이저 빔과 안테나 장비가 작다는 점이 약점으로 변하게 됩니다. 저궤도 위성은 매우 빠른 속도로 움직이기 때문에 위성을 정확하게 추적하고, 정밀 조준을 통하여 데이터를 안정적으로 송수신하는 것이 어려워지기 때문입니다. 미래에 더 효율적인 군집 위성망을 만들기 위해서는 MIMO-FSO 시스템으로 고성능의 ATP 기술을 제공할 필요가 있습니다.

이렇듯 위성 간 FSO-ISL 시스템을 통해 저궤도 군집 위성망이 광범위하게 구축될 경우 빠른 데이터의 이동과 다양한 데이터 전송 경로를 활용할 수 있어 트래픽 유연성이 증가하는 등 네트워크 연결성을 크게 끌어 올릴 수 있습니다.

위성과 지상 간 통신 기술 (feat. 고성능 안테나)

위성 통신 시스템은 크게 우주 부문(Space Segment)과 지상 부문(Ground Segment)으로 구성됩니다. 우주 부문은 통신 서비스를 제공하는 위성으로 구성되며 위성은 탑재된 통신 중계기를 통해 지상으로부터 신호를 수신 및 증폭하고 주파수를 변환한 후 다시 지상으로 전송하는 역할을 합니다.

지상 부문은 위성과 통신을 수행하는 지구국으로 구성됩니다. 지구국은 위성으로 신호를 송수신하는 역할을 하며 사용자 단말기와 게이트웨이 등을 포함합니다. 위성과 지상 간 통신은 레이저를 활용한 위성 간 통신과 달리 주로 무선 주파수(RF) 통신 방식을 이용하여 데이터를 송수신합니다.

이러한 위성과 지상 간 통신은 특정한 용도와 목적에 맞는 다양한 주파수 대역을 선택해서 운용되며, 인터넷 서비스를 제공하기 위해서는 높은 대역폭이 필요해 저궤도 위성망은 주로 Ku 밴드 또는 Ka 밴드 영역의 고주파수 영역을 사용합니다. 하지만 Ku와 Ka 밴드 주파수 자원의 고갈과 저궤도 위성 통신망 구축을 위한 기업 간의 경쟁 심화로 더욱 대역폭이 높은 Q/V 및 E 밴드 영역까지 주파수 사용 영역이 확대되고 있습니다.

하지만 이러한 대역폭이 넓은 주파수를 활용하기 위해서는 전파 감쇠 등의 영향을 극복할 수 있는 안테나의 능력 개선이 필요하며, 저궤도 위성통신의 특징에 부합하는 안테나의 개발도 필요합니다. 위성과 지상을 연결하는 안테나에는 사용자 단말(위성 인터넷 수신기 등)과 직접 통신하는 사용자 링크 안테나(User Link Antenna)와 지상 게이트웨이와 위성을 서로 연결하는 피더 링크 안테나(Feeder Link Antenna)가 있습니다.

사용자 링크 안테나는 지구 표면과 가까운 저궤도 통신 위성을 고려하여 가능한 넓은 지역을 커버해야 합니다. 그리고 다수의 사용자 단말과 통신해야 하기 때문에 여러 개의 빔을 형성하는 다중 빔 안테나를 사용해야 합니다. 이렇듯 저궤도 위성 통신 안테나는 사용자의 위치 환경과 저궤도 위성의 빠른 이동 속도를 감안하여 여러 개의 안테나 소자를 배열하고 각 소자의 위상 제어와 빔 형성 및 빠른 조향을 할 수 있는 다중 빔 위상 배열 안테나(Multi-beam Phased Array Antenna)를 사용합니다.

다중 빔 위상 배열 안테나는 빔 포밍 기술이 필요합니다. 빔 포밍은 여러 개의 안테나 소자를 배열하고 각 소자에 공급되는 신호의 위상과 진폭을 정밀하게 제어하는 기술입니다. 이는 특정 방향으로 빔을 형성하고 조향하는 기술로 신호의 에너지를 원하는 방향으로 집중시켜 신호의 세기는 키우고 간섭은 줄일 수 있습니다.

피더 링크 안테나는 위치가 고정된 게이트웨이와 통신을 주고받는 안테나로 사용자 링크 안테나 대비 조향 속도가 늦습니다. 반면 사용자 링크보다 더 많은 대역폭을 소화해야 하기 때문에 더 높은 전력으로 신호를 송수신 할 수 있는 최적화된 구조로 만들어집니다. 주로 반사판 안테나가 사용되며 포물면 형태의 반사판을 활용하여 전파를 한 점에 집중시킵니다. 이는 빔의 폭을 좁게 만들어 높은 안테나 이득(Antenna Gain)을 얻을 수 있어 대용량 데이터 전송과 장거리 통신에 유리합니다. 또한 구조가 비교적 간단하여 비용이 상대적으로 낮다는 장점도 있습니다.

향후 Q/V 밴드나 E 밴드 대역과 도달범위가 짧고 대기의 감쇠효과가 큰 초고주파 영역을 사용하기 위해서는 사용자 링크와 피더 링크 안테나 기술이 모두 발전해야 합니다. 이미 SpaceX는 FCC로부터 Ka/Ku 밴드 이외에도 V밴드와 E밴드(조건부)에 대한 사용 승인을 얻었습니다. 또한 GEN2 위성부터는 실제 Q/V밴드와 E밴드를 활용할 수 있을 것으로 보여 Starlink의 저궤도 위성망의 성능이 개선될 것으로 전망됩니다.

OBP(On-Board Processing), 네트워크 그리고 AI

OBP(On-Board Processing)의 중요성과 핸드오버와 같은 네트워크 기술을 이해하려면 위성 통신에 사용되는 RF 통신에 대한 기본 원리를 간략하게 체크하고 넘어갈 필요가 있습니다. 일반적인 RF 통신은 송신-중계(위성)-수신으로 이뤄집니다. 송신은 지구국에서 전송하고자 하는 데이터(음성, 영상, 텍스트 등)를 변조(Modulation)하는 과정을 거쳐 RF 신호에 싣고, 이를 고출력 증폭기(HAP)를 활용해 증폭하여 안테나를 통해서 위성으로 전송하는 과정을 말합니다.

중계(위성)는 지상국으로부터 수신한 RF 신호를 저잡음 증폭기(LNA)를 통해 증폭하고 주파수 변환기를 통해 다른 주파수 대역으로 변환합니다. 그 후 다시 고출력 증폭기를 통해 증폭한 신호를 안테나를 통해서 지구국으로 전송합니다.

수신 단계에서는 위성으로부터 전송된 RF 신호를 안테나를 통해서 수신하고 역시나 저잡음 증폭기를 통해 증폭 과정을 거칩니다. 이후 증폭된 신호는 복조(Demodulation) 과정을 거쳐 원래 데이터의 형태로 복원됩니다. 위성 통신은 이와 같은 작업이 반복적으로 이뤄지는 과정이라고 볼 수 있습니다.

이러한 통신방식은 위성의 중계구조에 따라 벤트 파이프(Bent Pipe) 구조와 재생형(Regenerative) 구조로 나뉩니다. 벤트 파이프 구조는 위성을 단순히 주파수를 변환하고 증폭하는 역할을 하는 중계기로 사용하는 방식으로 주로 신호를 릴레이하는 형태로 활용됩니다.

반면 재생형 구조는 위성에 설치된 BP(On-Board Processing, 위성 컴퓨팅 기능)를 통해 신호의 변복조 및 부호화, 복호화와 같은 다양한 신호 처리를 수행하여 추가 기능을 사용할 수 있게 해줍니다.

위성이 자체 컴퓨팅을 활용하여 변복조 등 작업으로 RF 신호를 디지털 데이터로 변환하면 고차 변조, 적응 변조 및 코딩, 패킷 스위칭 및 라우팅, 다중 빔 안테나 등과 같은 기술을 활용할 수 있게 됩니다. 이러한 기술을 활용하면 동일한 대역폭에서 전송 용량과 전송 효율을 극대화할 수 있으며, 주파수 재활용을 통해 트래픽 분산과 신호의 품질 개선 효과를 줄 수 있습니다.

특히 저궤도 위성 통신망에서 부각되고 있는 Q/V 밴드와 같은 초고주파 대역에서는 전파 감쇠가 크기 때문에 재생형 중계 방식의 장점이 더욱 커집니다. 왜냐하면 벤트 파이프 방식은 지구국과 여러 번 송수신을 반복하는 과정에서 레이턴시가 증가하기 때문입니다. 물론 재생형 방식은 디지털 변환 및 신호 처리 과정에서 추가 지연시간이 발생하지만, 전송 용량, 트래픽 및 신호 품질 등을 크게 향상시킬 수 있어서 전체 시스템 관점에서 훨씬 효율적이라고 할 수 있습니다.

여기에 필요한 핵심 기술은 위성에 설치된 OBP(On-Board Processing) 기술입니다. OBP는 위성에 탑재된 컴퓨터 시스템으로 데이터 처리, 신호 처리, 라우팅, 스위칭, 위성 제어 등 다한 기능을 수행하며, 지상국에서만 수행하던 복잡한 신호 처리를 위성에서도 수행할 수 있도록 만들어줍니다.

하지만 위성에 컴퓨팅 능력을 싣는 것은 그렇게 쉬운 일이 아닙니다. 왜냐하면 지상 환경과 달리 극한의 우주 환경에 적응해야 하기 때문입니다. 위성은 태양의 복사열, 지구 복사열 등으로 극심한 온도 변화(-150°C ~ +150°C 이상)를 겪습니다. 그리고 우주 공간에는 방사선이 존재하여 위성 부품에 손상을 입히거나 전자 소자에 영향을 미쳐 연산 결과에 오류를 일으킬 수 있습니다. 그렇기 때문에 OBP에 사용되는 장치들은 내방사선 설계와 제한된 전력 자원을 효율적으로 사용할 수 있게끔 저전력 설계 등이 들어가 비용이 증가하게 됩니다.

에어버스의 우주 반도체 관련 자료에 따르면, SoC와 FPGA 방식으로 우주 반도체를 만들었고, 여기에는 내방사선 설계와 더불어 ARM의 Cortex-R52 프로세서를 탑재하여 4000 DMIPS 이상의 성능을 구현했다고 발표했습니다.

이를 2020년에 만들어진 일반적인 지상 프로세서인 인텔의 i7(약 450,000 DMIPS)과 비교해보면 약 100배가 넘는 성능 차이가 있음을 확인할 수 있습니다. 업계에서는 OBP와 지상 프로세서 간의 기술격차가 10~20년 이상이라고 추정하고 있습니다. 이는 우주공간에서 일반 COTS(Commercial Off-the-Shelf) 제품을 활용하는 것이 얼마나 어려운지를 보여주는 반증이기도 합니다.

하지만 높은 기술적 난이도에도 불구하고 OBP 기술은 위성 통신 시스템의 성능과 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 특히 Q/V 대역과 같이 고주파 대역을 사용하는 위성 통신 시스템에서는 OBP의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

왜냐하면 저궤도 위성통신망은 위성의 빠른 이동으로 빈번하게 핸드오버와 같은 현상이 발생하기 때문입니다. 핸드오버(Handover)는 이동 중인 사용자 단말이 현재 연결된 기지국 또는 위성과의 연결을 끊고, 새로운 기지국 또는 위성과 연결되며 통신을 지속하는 기술입니다. 지상 이동통신(모바일)망과 위성 통신망에서 모두 사용되는 기술로 특히 위성이 매우 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성 통신망에서 안정적인 통신 서비스를 제공하기 위해서는 핸드오버 기술이 매우 중요합니다.

핸드오버에는 하드 핸드오버와 소프트 핸드오버가 있는데, 하드 핸드오버는 기존 연결을 먼저 끊고 나서 새로운 연결을 설정합니다. 구현이 간단하다는 장점이 있지만 핸드오버 과정에서 일시적인 통신 단절이 발생할 수 있습니다. 소프트 핸드오버는 새로운 연결을 먼저 설정한 후 기존 연결을 끊는 방식으로 통신으로 통신 단절이 발생하 않아 서비스 품질이 우수합니다. 다만 구현이 복잡하고 더 많은 무선 자원을 사용하게 됩니다.

핸드오버의 절차는 측정-결정-실행-완료 단계로 나눠지며, 위성은 신호의 세기와 품질을 주기적으로 측정하다가 측정 결과를 기반으로 핸드오버 수행 여부를 결정합니다. 실행 단계에서는 하드 핸드오버 또는 소프트 핸드오버 방식을 결정하고, 핸드오버가 완료되면 사용자 단말은 새로운 위성과 통신을 계속 이어가게 됩니다. 위성 통신에서는 빔 간 핸드오버와 위성 간 핸드오버, 게이트웨이 간 핸드오버 등 다양한 핸드오버가 발생할 수 있습니다.

저궤도 위성통신망이 양질의 안정적인 통신 서비스를 제공하기 위해서는 이렇게 빈번하게 발생하는 핸드오버를 빠르게 처리해야 하며 그러기 위해서는 위성 스스로 의사결정을 할 수 있는 컴퓨팅 성능이 필요합니다. 이렇듯 위성의 OBP 기능은 점점 더 중요해지고 있으며 향후 OBP 시스템에 AI 기능을 부여해 트래픽 예측 및 관리와 자원 최적화와 같은 영역의 효율성을 높이려는 연구도 지속되고 있습니다.

이렇듯 저궤도 위성 통신망의 성능을 개선하기 위해서는 군집 위성망을 활용하여 다양한 운영 노하우를 쌓고 고성능 위성 장비들을 개발함과 동시에 네트워크 기술 역시 고도화해야 할 것입니다. 하지만 이는 위성의 제조 비용과 즉결되며 위성 무게를 증가시킬 수밖에 없어 경쟁자보다 뛰어난 위성 서비스를 제공하기 위해서는 어려운 환경 속에서도 꾸준한 투자로 혁신적인 기술을 확보하려는 노력을 지속해야 합니다.