[기고] 저궤도 위성 통신 시스템 설계의 난제 해결

상업용 우주 위성 시스템에 대한 관심과 투자가 급증하고 있다. 2021년 이후 우주 관련 기업에 대한 민간 투자자들의 투자 규모는 235억 달러를 상회했으며, 스페이스 엑스와 아마존의 프로젝트 카이퍼(Kuiper)와 같은 거대 기술 기업들은 전 세계에서의 브로드밴드 액세스를 확대하기 위한 우주 이니셔티브를 시작했다.

역사적으로 위성 통신은 음성 통신, 국방, 우주 탐사 등에 활용되어 왔지만, 저궤도(LEO) 위성의 도입과 확산으로 위성 발사에 필요한 비용 장벽이 낮아지고 새로운 활용 사례의 기회가 나타났다.

이러한 경제적 혜택은 다음의 두 가지 요인에 기인한다. 1) 위성의 크기(스페이스엑스의 최신 스타링크 저궤도 위성은 식탁 크기에 불과) 2) 다수의 저궤도 위성을 동시에 발사 가능. 그러나 저궤도 위성이 위성 통신 시스템의 경제성을 개선한다고 하더라도, 이로 인한 복잡도가증가하고 엔지니어는 더 높은 도플러 편이, 간섭 및 네트워크 복잡성을 관리해야 한다.

■ 위성 통신 시스템의 도입을 주도하는 트렌드

거의 모든 장소에서 기기가 데이터를 생성, 공유, 처리할 수 있는 환경인 유비쿼터스 연결은 저궤도 위성의 도입을 주도하는 주요 트렌드 중 하나다. 지상 무선 통신 인프라 구축의 발전에도 불구하고 교외 지역과 해양 등 전 세계의 상당 지역은 비용이나 지리적인 이유로 여전히 셀룰러 연결이 없는 상황이다. 위성은 도심과 교외 지역 간의 연결성 격차 해소를 가능하게 만들 무선 통신 업계의 중요한 기술이다.

저궤도 위성은 셀룰러 접근성뿐만 아니라 셀룰러 용량을 개선할 수 있다. 독일의 비지니스 데이터 전문 수집회사인 스태티스타의 시장 조사 데이터에 따르면, 현재 전 세계 스마트폰 사용자는 46억 명이며 인터넷에 연결된 기기의 수는 290억 대에 달할 것으로 예상된다. 인터넷 사용자가 점차 증가함에 따라 전 세계의 셀룰러 시스템 수요가 증가하고 있다. 상업용 위성이 항상 비용 대비 효율적인 것은 아니기 때문에 무선 기업들은 지상 인프라에 지속적으로 투자하지만, 저궤도 위성 비용은 감소하고 있으며 특히 외딴 지역의 제한된 대역폭 해결을 위한 대안이 되고 있다.

마지막으로 기상 이변의 정도가 더욱 강해지고 그 발생 횟수가 증가함에 따라 재해 복구 통신이 위성 통신의 도입을 주도하고 있다. 재해 발생시 셀룰러 인프라가 마비되는 경우가 잦으며, 이로 인해 응급 구조대원, 정부 공무원 및 주민들이 중요한 안전 정보를 수신, 발신할 수 있도록 위성이 활성화되어야 한다. 이는 허리케인 이안이 지상 셀룰러 인프라를 파괴했을 당시 스타링크가 허리케인의 영향을 받은 플로리다 남서부 및 다른 지역에 120개의 위성을 배치함으로서 검증됐다.

■ 신호 지연 시간 및 전력 증폭

저궤도 위성 이전에는 위성 통신 시스템에서 주로 정지 궤도(GEO) 위성이 활용됐다. 적절한 경도 간격을 두고 지구의 자전과 동일한 속도로 공전하는 3개의 정지 궤도 위성은 사실상 지구 전체를 커버할 수 있다.

정지 궤도 위성 3개는 몇 개의 크로스링크를 통해 지구를 커버할 수 있지만, 안타깝게도 정지 궤도 위성보다 제작 및 발사 비용이 더 높다. 또한, 정지 궤도 위성은 지상으로부터, 그리고 서로간 거리가 멀기 때문에 신호에 지연 시간이 발생한다. 정지 궤도 위성은 이메일 및 다른 비실시간 통신에는 적합하지만, 전화 및 영상 통화의 경우에는 상당한 지연이 발생하여 자연스러운 통신이 이루어지지 않는다.

정지 궤도는 지구 표면과 더 가깝기 때문에 신호 지연이 훨씬 짧다. 그러나 지상망 신호는 5~10km를 이동하는 반면, 정지 궤도 신호는 최대 2천km까지 이동하며 더 많은 신호 손실이 발생하기 때문에 통신을 위해 필요한 전력은 정지 궤도가 지상망에 비해 더 크다.

정지 궤도의 매우 작은 크기는 장점이기도 하지만 설계상의 난제이기도 하다. 정지 궤도의 전력 증폭기(PA)는 물리적으로 크기가 작으면서도 원하는 표적에 신호를 전송할 수 있도록 전력이 충분해야 한다. 이상적인 환경에서 위성 엔지니어는 고전력 입력으로 구동되는 경우에도 전력 증폭기가 선형 특성을 갖기를 원하지만, 아래 그림을 보면 전력 증폭기의 고전력 구간에서는 상당한 신호 왜곡이 발생할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 송신기의 디지털 전치왜곡(DPD) 서브시스템은 이러한 왜곡에 대응할 수 있다. DPD는 신호에 '역 PA' 특성을 적용함으로서 보다 선형적인 전력 증폭기 출력 신호를 얻을 수 있다. 커뮤니케이션즈 툴박스의 DPD 툴은 결과를 개선하기 위해 AI를 점점 더 많이 활용하고 있다.

비선형성(압축)과 메모리의 효과를 모두 보여주는 전력 증폭기 특성과 비선형성에 대한 보상을 보여주는 디지털 전치왜곡 (DPD) 특성

■ RF 링크, 광학 링크, 위상 배열

저궤도 위성을 사용하는 위성 통신 시스템에서는 간섭 문제가 발생한다. 간섭 문제가 발생하는 가장 큰 이유는 현재 궤도에 약 6천개의 저궤도 위성이 있기 때문이다.

위성 통신 시스템에는 오랫동안 전통적인 RF 링크가 사용되어 왔지만, 광학 링크를 선택하는 경우가 점점 더 많아지고 있다. 광학 시스템의 빔 패턴은 전통적인 RF 링크에 비해 훨씬 좁다. RF 링크의 넓은 빔 패턴은 다른 수신기에 영향을 주어 간섭을 유발할 수 있지만, 광학 시스템의 간섭은 좁은 빔 패턴 덕분에 크게 감소된다.

마지막으로 위성 엔지니어는 위상 배열을 사용할 수 있다. 위상 배열은 컴퓨터로 제어되는 안테나 그룹으로서, 특정 방향을 가리키도록 전자적으로 조향할 수 있는 빔을 생성할 수 있다. 위상 배열은 간섭을 공간적으로 제거하고 지상의 특정 지점에 에너지의 방향을 설정할 수 있다. 위상 배열 시스템은 관심 신호의 방향으로 빔 에너지를 극대화하고 간섭 방향으로 빔 널(null)을 삽입하므로, 신호 대 간섭 잡음비(SINR)가 극대화된다.

■ 도플러 효과 및 주파수 편이

정지궤도 위성과 달리, 저궤도 위성은 지구의 자전 속도와 동일한 속도로 지구 주위를 공전하지 않는다. 이는 저궤도 위성이 지속적으로 수신기를 향해 움직이거나 수신기로부터 멀어진다는 것을 의미한다. 이러한 이동으로 인해 위성 엔지니어가 관리해야 하는 도플러 효과가 발생한다.

공학 용어로 도플러 효과란 송신기 또는 수신기의 이동으로 인한 송신파와 수신파 사이의 주파수 차이를 말한다. 위성 엔지니어는 도플러 문제를 해결하기 위해 지속적으로 변경되는 저궤도 위성의 중심 주파수를 수집하고 추적해야 한다.

파형을 복조하려면 송신기와 수신기의 주파수 및 위상이 완전히 고정되어야 한다. 그러나 도플러 편이가 크면 주파수, 위상, 타이밍이 동기화되지 않을 수 있다. 따라서 도플러로 인한 주파수 오프셋을 제거하기 위해 수신기에 여러 폐루프를 구현해야 한다. 프레임, 기호 타이밍, 반송 주파수, 반송파 위상 수준에서 동기화가 수행되어야 한다.

■ 결론