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[광학 특집 특별 기고] 우주 레이저 통신 기술 동향

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[#강추 웨비나] 설계 산업의 미래 다가가기: AI기능 및 신기능 업무에 적용하기 (6/12)

 

우주 인터넷 기술
 
2022년 2월 24일부터 시작된 러시아-우크라이나 전쟁에서 러시아군은 우크라이나군의 지상 인터넷, 통신망을 파괴해 지휘통신체계를 붕괴시키고자 했지만, 우크라이나는 일론 머스크의 스타링크 서비스를 제공 받아 인터넷, 통신망을 빠르게 복구하여 판세를 뒤엎었다.

 

스타링크와 같은 우주 인터넷 서비스는 전 세계 어디서나 초고속 통신을 안정적으로 사용할 수 있는 기술로 그 중요성이 대두되고 있으며 SPACEX, Amazon, Telesat, OneWeb 등 글로벌 기업이 우주 인터넷 보급을 위한 프로젝트를 선보이고 있다.


우주 인터넷은 인공위성을 통해 인터넷 음영지역이나 광대역 인터넷이 불가능한 곳에 인터넷을 제공하는 기술로 재해·재난·분쟁 지역에서 활용도가 높아 군과 정부의 수요가 증가하고 있다. 비행기나 선박에서 안정적인 통신 서비스를 이용할 수 있으며, 자율주행 자동차 등 6G 서비스에도 활용될 것으로 기대되고 있다.

 

초연결 인터넷을 실현하기 위한 인프라는 GEO(Geostationary Earth Orbit) satellite(정지궤도위성), LEO(Low Earth Orbit) satellite(저궤도위성), 5G/6G, 레이저 통신이 있으며 각각의 특징을 아래의 표에 제시했다.

 

 

정지궤도(고도 약 36,000 km) 위성통신은 인터넷 이용자당 초기 커버리지 비용이 적지만 이용자당 대역폭이 낮고 통신 지연시간이 길다. 반면 높은 대역폭, 저지연, 넓은 커버리지 장점 때문에 저궤도(고도 약 500~2000km) 위성통신이 차세대 위성통신으로 주목받고 있으며, 이를 구현하기 위해서는 수백 ~ 수천개의 위성들, 위성간 데이터를 송수신할 수 있는 터미널, 통신 장비, 위성-지상 간 데이터 송수신을 위한 지상국 등이 핵심 요소 기술이다.

 

또한 위성을 통해 수집한 대용량 데이터를 위성-위성, 위성-지상간 초고속·저지연으로 전송하기 위한 5G/6G 모바일 네트워크 기술 및 레이저 통신 기술은 저궤도 위성 네트워크 진화의 일부가 될 것이다. 

 

우주 인터넷 기술 동향
 
OneWeb의 GEN-Ⅰ 위성군은 2023년 4분기까지 초고속 인터넷망 제공을 위해 저궤도 위성 총 648기를 운영하여 우주인터넷망 구축을 계획하고 있으며, GEN-Ⅱ 위성군은 위성 수가 61% 감소된 360기를 운영하지만 GEN-Ⅰ보다 위성당 4배의 전송 능력을 확대하여 2026년에 글로벌 서비스를 제공할 계획이다.

 

SPACEX는 지상 광케이블을 대체하기 위한 고속 네트워크 구축을 위해 레이저 통신장치가 장착된 다수의 Starlink 소형위성 발사(소형 저궤도 위성 12,000개 배치 계획)를 계획하고 있다. 또한 Mynaric은 Telesat위성에 탑재되는 광통신 장치를 개발하여 성층권과 지상국간 10 Gbps 통신 검증을 완료하였으며 Amazon은 저궤도위성 인터넷 사업인 ‘Project Kuiper’를 준비 중으로 2029년까지 3,236기의 위성을 발사할 예정이다.

 

미국의 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)에서는 2013년에 약 38만 km 떨어진 달-지상간 622Mbps(Downlink)/20Mbps(Uplink) 전송속도로 레이저 통신 시연(LLCD, Lunar Laser Communications Demonstration)을 시작으로 2021년 12월 우주정거장-인공위성-지상국간 광무선 통신 중계 프로젝트인 레이저 통신 릴레이 시연(LCRD, Laser Communications Relay Demonstration)을 2,000 km 거리에서 1.2 Gbps 전송 속도로 구현했다.

 

NASA 로드맵에 따르면 궁극적으로 심우주 레이저 통신 및 LunaNet 프로젝트를 통해 레이저 통신을 이용한 달 인터넷(Lunar Internet)을 실현하고자 계획하고 있다. 유럽 우주항공국(ESA, European Space Agency)은 대략 고도 700 km 의 Sentinel LEO 위성에서 수집한 환경 데이터를 레이저 통신 터미널을 활용하여 중계 시스템인 정지궤도 EDRS(European Data Relay Satellite System)로 1.8Gbps 속도로 전송하였다.

 

또한 ESA의 Moonlight(Lunar Satellites) 프로젝트는 NASA NunaNet 프로젝트와 마찬가지로 통신 및 내비게이션 기능을 탑재한 위성들을 활용하여 다양한 달 탐사 임무 수행을 위해 우주 인터넷 실현을 목적으로 추진 중이다. 


국내에서도 우주 인터넷 구축을 위한 투자 및 연구 개발을 진행하고 있다. 한화는 2021년 스페이스허브 출범으로 우주산업개발을 본격적으로 시작하였으며, 2021년 3월에 OneWeb에  3억달러를 투자했다. KT SAT은 무궁화 위성 7호 등 총 4기의 방송통신 위성 및 자체적으로 개발한 위성 데이터 통신을 연동하기 위한 하이브리드 라우터를 활용하여 저궤도 위성 통신망 구축을 진행 중에 있다.

 

한국전자통신연구원은 다누리호에 우주 인터넷 통신 장비를 탑재해 심우주 탐사용 우주 인터넷 통신을 검증하였다. 인터넷 통신 프로토콜인 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)는 우주 환경에서 일시적으로 통신이 단절되거나 전송 지연이 발생할 경우 데이터가 손실될 수 있다.

 

이를 보완하기 위해 DTN(Delay/Disruption Tolerant Network) 프로토콜 기술을 이용하여 일부 구간에서 통신이 단절되어도 중계 노드에 데이터를 저장했다가, 연결이 회복되면 다시 전송함으로써 통신 효율 및 데이터 전송용량을 높였다.

 

그리고 위성-위성, 위성-지상간 양방향 레이저 통신의 요소기술인 기가급(Gbps) 전송속도를 갖는 레이저통신 터미널을 개발하여 지상에서 4K 영상을 실시간 전송하였으며, 향후 우주인터넷에 활용이 가능한 FSM(Fast Steering Mirror)이 적용된 안정적인 통신을 유지할 수 있는 레이저통신 터미널 개발과 관련된 추가 기술을 개발할 예정이다.
 
우주 레이저 통신 기술 
 
우주 인터넷 기술을 확보하기 위해 SPACEX, Amazon, OneWeb 등 저궤도 위성통신업체들이 5,000기 이상의 위성을 발사할 예정으로 RF 스펙트럼 대역이 빠른 속도로 고갈될 것으로 예상되며, 대용량의 데이터를 초고속으로 지연 없이 전송하기 위해 광학 스펙트럼 대역을 활용한 광 무선통신 기술, 즉 레이저 통신 기술이 부각되고 있다.

 

레이저 통신 기술은 광(光)을 이용하여 장거리, 초고속 통신이 가능한 기술로 초광대역, 비면허대역, 저전력, 전자기장 간섭에 무관, 채널의 보안성이 우수하지만, 위성-지상간 데이터를 레이저 통신을 활용하여 전송할 경우 대기의 환경에 많은 영향을 받는다.

 

레이저 통신에서 주로 사용하는 가시광과 적외선 영역 파장은 대부분 대기 중 수분, 이산화탄소, 오존에 의해 흡수되므로 안개, 구름 등에 의해 광손실이 발생한다. 또한 레이저가 대기를 통과하는 과정에서 반사 및 회절 등으로 전파경로가 변경되거나 확산이 일어나 통신에 문제가 발생할 수 있다.

 

따라서 레이저 통신 채널의 광신호 손실과 왜곡을 야기하는 대기의 난기류 등에 의한 영향을 최소화하기 위해서 수광부 안테나 크기 확장, 어레이 타입 수신부, 광신호 파면 왜곡 문제를 해결하기 위한 adaptive optics 기술 등 적용이 필요하다.  

 

우주 레이저 통신기술을 구현하기 위해서는 레이저 통신 터미널과 PAT(Pointing, Acquisition, Tracking) 기술이 필요하다. 레이저 통신 터미널은 그림 1과 같이 광원, 변조기, 광학계, 광수신기, 광신호 처리부 등이 포함된 광송수신부로 구성된다.

 

PAT 시스템은 GPS(Global Positioning System), 이미징 장치, 비콘 빔 시스템 및 QPD(Quadrant Photo Diode), PTU(Pan and Tilt Unit) 등을 활용하여 구성이 가능하다. 송신부가 상대편 수신부를 지향하는 Pointing 과정과 수신부에서 추적신호를 수신하는 Acquisition 과정 및 상대편 터미널 추적을 통해 광무선 링크를 유지하는 Tracking 과정을 순차적으로 수행한다.

 

따라서, 레이저 통신 기술은 광송수신부 간 LOS(Line of Sight)를 지속적으로 유지하기 위한 PAT 기술, 대기에서 발생하는 광 신호 손실 및 대기의 난기류에 의한 파면 왜곡 문제를 해결하기 위한 채널 모델링 기술, 장거리/광대역 통신을 위한 광학계 설계 기술, 강건한 무선 통신 채널 특성 확보를 위한 신호처리 기술 등과 같은 핵심 기술 개발이 요구된다.
 

 

향후 LEO 통신 기술 발전
 
뉴 스페이스 시대 도래에 따라 위성 데이터의 중요성이 부각되고 있고 많은 위성 서비스를 제공할 수 있는 우주 레이저 통신 기술은 기술 구현 난이도가 높지만 파급효과가 크고, 국가 안보와 우주산업 육성을 위해 국가 차원에서 지속적인 연구 개발이 필요한 미래 핵심기술이며 특히, 우주 레이저 통신을 위한 터미널의 사이즈 소형화, 저전력, 저가격화 등이 필수적으로 실현되어야 할 부분이다.

 

현재 LEO 통신은 그림 2와 같이 위성-위성, 위성-지상간 RF 기반 우주 통신이 주로 사용되고 있지만, Gartner에 의하면 그림 3과 같이 2028년까지 광대역 우주 인터넷 기술이 빠르게 성장하여 위성-위성, 위성-지상 간 레이저 기반 초고속, 저지연 통신이 구현될 것으로 기대되며 스마트폰에 직접 광대역 위성서비스 제공이 가능할 것으로 기대된다.
 

 

 










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