위성통신 서비스 동향 및 실증 방향

1. 기술개발 현황 개요  위성통신 인프라의 구성은 사용자, 지상국과 지구 궤도, 우주 공간으로 구분할 수 있다[1]. 먼저, 사용자 부분은 데이터를 제공하는 개념으로 패러다임의 전환기를 맞고 있다. 5G 기반의 Every Things인 대상 기기가 모든 사물을 대상으로 하였다면[2], 최근 들어 6G는 Every Where로 지구 어디든 공간에 상관없이 서비스를 제공할 수 있는 글로벌 광대역 통신망으로 개념화되었다[3]. 지상국을 기준으로 운영되는 통신위성은 대략 낮게는 100km에서 높게는 2,000km 지구 궤도에 위치한다[3]. 그 이상의 궤도를 벗어나는 영역은 심우주 통신 영역으로 구분할 수 있다[4]. [그림 1]에서는 이를 개념적으로 시스템 인프라 구조를 설명하고 있다. user links로 나타낸 부분으로 위성통신 개인 서비스 이용자에게 제공하는 spot beam 서비스 영역이다. 또한, 비행기, 기차, 자동차 연결망은 그룹 서비스 이용자에게 제공하는 wide beam 서비스 영역이다. 여기서, 지상 운영은 feeder link로 연결된 ground station으로 기존의 5G 개념을 점으로 정의한다면, 6G는 공간의 연결 개념인 면 서비스로 정의한다. 이는 space segment인 심우주 통신 서비스로 구분한다.

<자료> Al-Hraishawi, Hayder & Chougrani, Houcine & Kisseleff, Steven & Lagunas, Eva & Chatzinotas, Symeon.(2022). A Survey on Non-Geostationary Satellite Systems: The Communication Perspective, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2022

[그림 1] 위성통신 인프라 구성 요소

2. 발사체계/위성 탑재체/통신서비스 현황  먼저, 위성통신 환경에 대한 이해를 돕기 위해 발사체계-위성 탑재체-통신 서비스로 이어지는 현황을 살펴보면, 서비스 제공자인 통신위성을 실어 나르는 발사체는 지구 일정 궤도인 목표 지점까지 도달하기 위해 탑재 가능한 무게와 목표 궤도에 따라 설계된다. 이 발사체에 실리는 탑재체 가운데 통신위성은 위성 본체와 연결된 페이로드(payload) 개념인 승객의 개념이다. 대표적인 사례를 들어보자면, 본 고를 준비하는 시점인 2023년 5월에 성공적으로 발사된 누리호(KSLV-II)는 각 탑재체의 임무에 따라 개발된 차세대 소형 위성 2호(NEXTSAT-2)와 큐브위성(cubesat: 초소형 위성)을 승객으로 태워 위성 본체와 함께 550km 고도에 올린 대표적인 발사체이다[5]. 국내 발사체계를 기반으로 실제 위성을 탑재한 최초의 발사체이다. 누리호는 1,900kg 위성을 700km(태양동기궤도)에 안착시키는 역할을 성공적으로 수행했다. 이는 향후 위성통신 서비스 제공을 위한 통신 탑재체 실증에 중요한 역할을 할 것이다. 반면, SpaceX에서는 1단계 상용 서비스 제공을 위해 이미 수백~수천 기에 이르는 위성을 안착시켰고, 2단계 사업을 진행 중이다. 이렇게, 발사체 기술은 소형/중형/대형 위성 탑재체 인프라 확보를 위한 출발점으로서의 의미가 있다. 필자도 SAR(Synthetic Aperture Radar; 합성개구레이더) 개발 과정에 참여했지만[6], 순수 국내 기술로 개발한 탑재체의 완성은 그 상징성이 크다. 통신위성 개발 과정에서도 미처 예상하지 못한 원천기술 확보를 위해 시간적, 비용적, 기술적인 문제에 봉착했을 때, 기존 개발과정에서 얻은 헤리티지(heritage)의 가치는 돈으로 환산할 수 없는 큰 자산으로 활용할 수 있다. 이렇게 국산화 기술 기반을 확보하면서 위성통신 모듈과 함께 탑재체 개발에 필요한 추가적인 기술력 확보에 긍정적인 영향을 준다. 발사체-위성탑재체-통신시스템의 종합적인 이해는 위성 본체의 시스템 버스에 대한 체계 종합 설계 단계부터 사용자, 지상국, 궤도별 통신시스템 모듈 설계 단계에 융합적인 개념을 반영할 수 있다. 참고로 [그림 2]는 정부의 임무별 위성개발계획이다.

<자료> 과학기술정보통신부, “초소형 위성 개발 로드맵 및 6G 시대 준비하는 위성통신 기술 발전전략”, 공공 분야 초소형 위성 개발계획안, 2021.

[그림 2] 공공 분야 초소형 위성 개발계획

 초소형 위성의 용도별 위성 탑재체 구성을 전체적으로 살펴보면, 별 추적기와 자원관리 검출을 위한 플라즈마, 태양풍 자료 수집을 비롯한 근원적인 심우주 통신, 소행성 탐사, 천체(태양) 탐사를 위한 우주망원경으로 구성되어 있다. 탑재체가 수집한 데이터는 위성통신 서비스망의 다양한 분야에 응용하여 제공할 수 있다[7]. 여기에, 지구관측을 위한 영상정보 수집을 위한 SAR 위성, 기상과 과학기술위성, 통신 서비스를 각각 융합 서비스로 수요자를 중심으로 제공할 수 있는 분야에 주목해야 한다[8]. 최근에는 고도화된 컴퓨터 시스템을 이용하여 발사체, 탑재체, 응용 서비스에 적용 가능한 해리티지 확보와 실증 위성 개발에 적극적으로 활용되고 있다[9], 대표적인 사례로 Artificial Intelligence, Cloud, Bigdata, Mobile(AICBM)을 이용한 초소형 위성 개발에 집중이 되고 있다. 이와 관련하여 SpaceX는 고품질 인터넷 서비스 제공과 글로벌 공급망을 구성하였고, 1단계 사업을 위한 구축이 완료되었다. 서비스 제공을 위한 통신시스템 대역은 Ku 밴드/Ka 밴드/레이저 통신을 각각 사용자 링크/피더/라우팅 통신시스템으로 구성하였다[10]. 이와 관련한 솔루션과 서비스 제공기업은 Intellian(미국), Thales(프랑스) COMSAT(미국) 등이며, 다양한 고대역폭 서비스 제공과 이용자 단말 서비스를 지원하여 비용 경쟁력을 확보하였다. 또한, FCC(Federal Communications Commission; 연방통신위원회)와 함께 막대한 인프라 구축 비용 절감을 위한 솔루션을 제공하고 있다[11]. 관련 솔루션으로는 통신시스템의 고도화와 서비스 품질 개선을 위한 서비스의 속도 상승, 지연 시간 감소에 대한 기술적 이슈의 해결이다. 이 융합의 대표적인 사례로, ENENSYS Technologies(프랑스)는 레오나르도(67%) 및 탈레스(33%) 합작 기업인 텔레스파지오와 협력하여 EUMETSAT(유럽기상위성개발기구, 독일)에 날씨 예보 정보를 고급 실시간 데이터로 제공하고 있으며, 위성방송시스템인 EUMETCast Europe으로 신규 업링크 서비스를 제공 중이다[12].

3. 이슈와 실증 방향  기존의 지상 통신 서비스에서 링크 기술의 동향은 항상 중요한 이슈였다. 위성통신 서비스 동향을 살펴보면 우리가 다루어야 할 실증 문제 가운데 ISL(Inter Satellite Link) 연구의 중요성이 크다. 이 문제에 대해 통신 서비스 사업을 준비하는 주요국들의 동향을 살펴보면, 영국의 OneWeb, 미국 Amazon의 Kuiper와 SpaceX, 캐나다의 Telesat, 중국의 CNSA, 일본의 JAXA 등이 영향력을 미치고 있다. 최근에는 영국의 방송 통신 규제기관(Ofcom)에서는 위성통신 서비스 시장의 주파수, 궤도, 운영주기 등 수많은 간섭으로 신규 기술 표준과 규칙 제정의 필요성을 주장하고 있다. [표 1]에서는 SpaceX와 OneWeb이 이미 발급된 위성 라이선스 획득 과정에서 주파수 사용 조정 내용을 정리하고 있으며, 향후 이를 기반으로 의무적으로 명문화할 예정이다. 이에 따른 주파수 간섭 해결 문제는 신규로 진출하는 사업자의 참여를 차단하게 되고, 결국 후발 주자는 참여에 어려움이 예상된다. 이는 ISL 게이트웨이의 역할 확대를 통해 위성통신 서비스 경쟁력으로 이어질 것이다. 또한, 궤도위성(NGSO)의 증가는 수많은 위성의 간섭과 위성 사용 연한이 3~5년 사이로 제한되기 때문에 정지위성 운영주기에 대한 ROI(Return of Investment) 계획 수립에도 영향을 미치게 된다.

[표 1] 궤도위성 상용 시스템 현황

<자료> Ofcom, Commercial NGSO systems, Non-geostationary satellite systems, 2021.

 정지궤도는 기존 위성 네트워크와 달리 위성 추적(satelite tracking system)을 비롯한 다수의 추가적인 개발 요구가 발생한다. 저궤도에서 수많은 위성체의 발사로 인한 위성 간의 교통신호 체계와 같은 표준화된 절차의 표준화 요구사항이 그 대표적인 사례이다. 이 문제는 이로 인한 자원 낭비와 정치, 경제, 사회적 문제로 확대될 것이며, 이 문제를 해결하기 위한 기술 협의체의 구성과 위성통신 서비스 게이트웨이, 사용자 링크, 사용주파수 스펙트럼 분야의 표준화와 응용 연구가 활성화될 것이다. 실질적으로 Ka band/Ku band의 위성 개수의 증감에 따른 영향을 감소시키는 미래의 사용 대역 연구도 여기에 포함된다. 실제로 1세대 위성 서비스 개수는 SpaceX와 Amazon 순서로 많았으며, 탑재체 고도에 따라 Amazon, Kepler, SpaceX 그룹과 OneWeb, Telesat 그룹이 각각 유사궤도를 사용하고 있다. 서비스 지연 분야의 수준은 30~50ms 사이에서 제공하고 있으며, 서비스 커버리지와 형태는 Direct to Home, IOT, Backhaul/Mobility를 제공하고 있다. 이렇게 다양한 궤도 상황을 고려한 위성시스템 간의 간섭과 위험 관리 방안은 미래를 내다볼 수 있는 혜안을 토대로 결정을 해야 하고, 주파수 라이선스 접근 방식과 국제 표준화 제정에 대한 문제도 이슈화될 것이다. 따라서, 우리나라도 정부와 민간 산업의 참여를 통해 실증 수준 이상의 체계적인 대비가 필요한 부분이다.

1. 기존 서비스의 지속성 환경  기존 지상 유무선 통신 서비스를 중심으로 지속적 환경을 연계하려면 현재까지 축적된 데이터의 활용 방법을 찾아야 한다. 이에 대한 사례로 지구 내부 관측을 통해 얻은 위성영상 정보, 관측정보를 제공하는 EO/SAR와 같은 고용량 데이터 처리 비용의 문제를 해결해야 한다. 이러한 문제는 서두에 언급한 고출력, 고성능의 다중빔위상배열안테나(Multi-Beam Active Phased Array Antenna System) 탑재체 모듈 고도화로 개선할 수 있다. 위성통신 분야에서는 NASA 위성은 NASA 우주 통신 및 항법(SCaN)에 자금을 지원하고, MIT 링컨연구소가 개발한 테라바이트 적외선 전송(TBIRD) 페이로드 호스팅 서비스를 제공할 수 있는 통신품질 부분을 확보하기도 하였다. 이전에는 Teran Orbital에서는 TBIRD가 1.4 테라바이트의 테스트 데이터를 단일 지상국에 5분 미만의 패스로 전송을 지원하였다. 당시 속도와 데이터 전송량 측면에서 초당 200기가비트의 공간과 지상 사이의 광 링크 성능을 기록하기도 하였다. 이러한 기술력 확보를 통해 Planet Satellite Lab에서는 민간 시장을 중심으로 서비스를 위한 지원정책과 효과성을 검토해 왔다. [그림 3]을 보면 상업용 위성영상 정보 시장 동향이 2018~2028년의 기간 동안 복합성장률(CAGR) 11.84%에 이를 것으로 예상하였다. 위성통신 서비스 중에 전 세계적으로 가장 많은 수요가 있는 지구관측을 위한 정보 활용 분야를 살펴보면, 정부와 민간이 운영하는 지구를 촬영한 이미지들은 지구관측, 우주 관측, 단순 위성 관측용으로 알려져 있고, 주로 국방 분야의 사용성이 크며, 그 외의 기상학, 해양학, 어업, 농업, 생물 다양성 보호, 임업, 경관, 지질학, 지도 제작, 지역 계획, 교육, 정보 등으로 다양하게 분포되어 있다.

2. 공간 서비스의 확장

<자료> Nemati, M.; Al Homssi, B.; Krishnan, S.; Park, J.; Loke, S.W.; Choi, J. Non-Terrestrial Networks with UAVs: A Projection on Flying Ad-Hoc Networks Drones, 2022.

[그림 4] 모빌리티 기반 UAV 비지상파 네트워크 서비스

1. AICBM 융합 서비스 동향  최근 AICBM(AI-Cloud-Bigdata-Mobile) 기반의 융복합 분야가 확대되고 있다. 특히, 우리나라의 장점인 기존 이동통신 서비스 인프라를 이용해서 우주기술의 고도화 연계 방법을 찾아야 한다. 세계적으로도 AI는 발사체와 위성개발 과정에서 다양한 항공/우주 분야에 적용되고 있다. 유럽의 ESA(European Space Agency)에서는 2015년부터 위성 충돌 회피 기동을 위한 데이터 기반의 AI 기술을 적용하기 위해 전문가들과 협업으로 우주에서의 충돌을 예측하고 예방하기 위한 프로젝트를 수행해 왔다[16]. 이러한 데이터 공개를 통해 우주 마니아들을 중심으로 창의력을 발휘할 수 있는 우주 과학 프로젝트 플랫폼을 제공하고 있다. 한 사례로 Space Debris라는 우주 잔해와 실제 우주 데이터를 기반으로 한 일련의 인공지능 기반 플랫폼을 제공하는 공개 웹이 있다. 다음으로 궤도별 위성통신 서비스와 IoT 서비스의 융합을 살펴보자. [그림 5]에서는 IoT와 연계할 수 있는 환경으로 위성의 유형별 활용성으로 저궤도(LEO-SAT), 중궤도(MEO-SAT), 정지궤도(GEO-SAT)로 구분하여 설명하고 있다.

<자료> Olga Kostina, Types of Satellite Networks Used in IoT Solutions, IoT for All, 2022.

[그림 5] IoT 서비스에 사용되는 유형별 위성

 이 가운데 실질적으로 민간 위성 통신망 서비스에 활용되는 스펙트럼은 저궤도를 중심으로 구축되어 있으며, 지구 저궤도와 태양 동기 궤도에서 이미 선점하여 운영되는 소형 위성들이다. 저궤도에서 운용하는 소형 위성은 500kg 이하 무게에 500~700km 혹은 1,000km 까지이며, 그 이하의 궤도에서 성층권까지 구성이 가능하다. 또한, 위성의 개수에 대한 문제를 살펴보면, 우주에서 운영 수명이 짧고, 네트워크 공급자는 안정적인 작동을 위해 많은 위성이 필요하다. 에너지 공급 장치와 수신 및 송신되는 신호와 전력 소모량, 신호 세기와의 상관성에 따른 최적화 문제가 있다[17].
 결론적으로 지표면과의 거리도 가깝고 신호 대기 시간도 더 짧아서 중요한 IoT 서비스에 적합하다. 네트워크 서비스 품질은 서비스 중인 위성의 수에 따라 달라지며, 위성 수가 적으면 링크가 더 오랜 시간 동안 중단되고, 일정 시간 간격으로 IoT 데이터를 수집해야 한다. 관련된 네트워크 및 솔루션 제공기업은 Mriota, Kineis, Astrocast, Kepler Communications, SWARM(SpaceX), Starlink, Orbcomm 등이다. 중궤도 위성의 경우 정지궤도인 GEO와 저궤도인 LEO 궤도 사이에 있는 위성으로 해상 항해 및 승무원 통신에 사용된다. IoT 관련 사용 사례를 많이 제공하지 않고 있으며 해군 물류 시스템에서 주로 활용되고 있다. 정지궤도는 지구 궤도 상의 수천~수백km 범위에 가능하다. 지구와 동시에 회전할 때 관측지점(spot)을 지구 전체로 연결하는 별자리 형태로 극소수가 운영되고 있다. GEOSAT 이용 사례로는 대형 태양 전지판 구조물과의 지상 IoT 서비스 링크 출력, 고출력 안테나용 데이터 전송 수신기, 지상의 항시적인 IoT 데이터 처리용 IP 링크 및 GPS 서비스 위성 등으로 활용된다.

2. 상업용 위성통신 서비스 동향과 과제  실증 위성 검증을 위한 방법은 통신서비스 표준을 단기적, 중장기적으로 각각 구분하여 전략을 수립하는 것으로 기술과 경쟁력을 확보할 수 있다. 특히, 상업용 위성통신 서비스는 ITU(International Telecommunication Union)에서 제공하는 동향을 참고해야 한다[18]. 주요 내용으로는 첫째, 위성통신 서비스 제공에 필요한 LEO-SAT 군집 위성의 수요가 증가하는 추세를 보이고 있다. LEO-SAT은 무선 서비스 제공을 위한 요구사항으로 상대적으로 비용이 낮고, 신속한 발사와 서비스 구축이 가능하다. 이를 위해 전송 강도와 대역폭을 지원하는 전력을 공급하는 전력 모듈(power distribution module)의 소형화와 고성능화가 필요하다. 둘째, 저 지연 품질 서비스를 구현하기 위해서 LEO-SAT 고도인 150km에서 320km 구간에서 많은 위성이 배치될 것에 대한 대비가 필요하다. 이는 지상과 가깝고, 충돌의 위험성이 점점 증가하여 지구 동기 궤도를 이해한 효과적인 회피기동의 문제를 해결하기 위한 것이다. 소형 위성에서 양극 간 커버리지를 제공하는 66개의 위성으로 음성통신 서비스를 제공할 때, 지연 시간이 짧은 광대역 서비스를 제공해야 한다. 그 외의 서비스 품질 문제로는 인공지능 기반 서비스를 제공하는 OneWeb의 경우 최근 최소 900개의 위성을 발사하였고, 이를 기반으로 광대역 연결망 구축이 필요하며, 종합적으로 관리해야 할 위성이 12,000개로 산재하여 네트워크 품질관리, 위성 간의 충돌 문제가 발생할 수 있다. 또한, SpaceX는 지상파 네트워크 연결을 보유하고 있는 지역에서도 가격을 낮추기 위한 저 지연 서비스 개발을 준비하고 있다. 셋째, 서비스 공급업체의 5G 네트워크 확장 개발과 자원 활용 분야이다. 위성은 거리 제한 및 지상 네트워크의 선로설비 관할권이 부족하여 모바일 인프라 백홀 및 과소 서비스 지역 연결에 기존 망을 활용할 수 있다. 기존의 LTE 서비스 자원 활용으로 위성 인프라를 구성하는 백홀 링크의 효율성이 개선될 수 있다. 5G 연결을 위해 통신 사업자들은 현재 위성통신에 할당된 C 대역 주파수 범위 설정 문제의 해결도 필요하다. 기타 과제로는 위성 응용 서비스 확산을 위해 강력한 IoT 서비스의 상용화와 연계이다. 제한된 대역폭을 가진 소형 위성은 원격 농업 현장의 수분 센서를 모니터링에 사용될 수 있는데, 대량의 데이터를 연속적으로 주고받을 필요는 없으며, 하루에 몇 번의 데이터를 수집 하는 방법이 있다.

 지금까지 위성통신 생태계를 구성하는 탑재체와 발사체를 비롯한 기존 지상 통신 서비스 환경의 연계성을 중심으로 위성통신 서비스를 살펴보았다. 위성통신은 ‘면’ 개념의 지상 서비스를 지구상의 특정 하늘의 영역으로 확대하는 ‘공간’의 시작이며, 미래의 심우주 공간으로 인류가 개척할 무한의 자원이 존재하는 곳이다. 막대한 자원과 시간을 투자해서 얻을 수 있는 무형의 구조물을 구축하는 작업이다. 이 구조물의 발판이 되는 발사체-탑재체-통신서비스 간의 유기적인 구축을 위해서는 다학제간, 다 산업간, 다 문화간 융합이 필요하다. 최근에 이 공간에 “탈 것”의 하나인 UAM을 추진하고 있다. 앞서 언급한 StarLink의 1단계의 구축 완료 후에도 2단계 궤도, 3단계 궤도의 구축이 완료되면 세계가 하나로 연결된 ‘공간’에서 새롭고 창의적인 서비스가 나타나게 되고, 새로운 ‘공간’을 누릴 수 있을 것이다. 우선, 항공우주 서비스, 국토교통 분야에서 공간 중심 위성통신 서비스 산업에 다차원적인 산업혁명이 시작될 것이다. 이러한 변화를 앞두고 본 고에 소개하지 못한 이야기들을 다음과 같이 정리해 보았다. 첫째, 공간 서비스 구축을 위한 기존 통신 서비스인 ‘면’의 개념과 ‘공간’에서 Flyable Mobility의 확장에 관한 위성통신 서비스의 개발에 대한 것이다. 둘째, ‘면’ 서비스 자산 활용을 위해서 필요한 저궤도 공간 서비스 구축과 초소형 위성 개발 방향에 대한 것이다. 셋째, 국내외 AICBM 기반 위성통신 서비스 융합과 실증에 대한 부분이다. 향후, 달 탐사, 화성 탐사로 이어지는 심우주 통신으로 미래 자산발굴과 수요 창출을 위한 생태계 구축이 필요하다. 이를 위해 과학기술, 보건, 의료, 교육, 제조, 국방 분야별로 요구되는 인재 교육 과정 개발, 대학 및 초/중/고 교과과정의 반영, 직무교육과 연계한 중장기적인 목표도 추진이 필요하다.
 그동안 우리 경제를 이끌었던 것은 ‘부동산’이라고 해도 과언이 아니다. ‘사’적인 주거안정에 꿈을 이루기 위한 ‘공’적인 경제적 가치와 건축, 토목 기술의 확대로 정적인 공간에서 PC 기반의 인터넷 서비스, 모바일 서비스, 전자기기, IoT, AICBM까지 이르는 역동적인 사회로 변화해 왔다. 이제, 이 공간은 ‘하늘’과 ‘땅’이 다시 부동산이라는 다른 개념의 자산으로 나타날 것이다. 가치 중심으로 변한 인류의 흐름을 보면 ‘면’에서 ‘공간’의 소유권을 주장하기 위해 미래에는 공간에 필요한 등기부 등본을 확인해야 하는 세상이 올 수도 있다. ‘면’인이 땅을 지킴과 동시에 세계가 이어져 변화된 세상에서 ‘공간’도 지킬 수 있어야 한다. 민/관/학이 한 지점을 바라보면서 전략, 기술 확보, 생태계 구축을 위한 기업 인프라의 지원, 인력양성 교육이 선순환 구조의 시작인 이유가 여기에 있다. 나무만 보고 숲을 보지 못하는 실수로 인해 시기를 놓치지 않기를 바란다. 끝으로, 짧은 사족으로 기고한 내용이 더 사려 깊은 전문가분들의 조언과 피드백으로 이어지기를 기대한다.