상업용 우주 위성 시스템에 대한 관심과 투자가 급증하고 있습니다. 2021년부터 민간 투자자들이 우주 관련 기업에 235억 달러 이상을 투자하면서 SpaceX 및 Amazon(Kuiper)과 같은 거대 기술 기업은 글로벌 광대역 액세스 증가를 목표로 우주 이니셔티브를 주도해 왔습니다. 역사적으로 위성 통신은 음성 통신, 국방, 우주 탐사 등의 목적으로 사용되었습니다. Intelsat 1이라는 최초의 상용 통신 위성 중 하나는 1960년대 중반에 발사되었으며 정지궤도(GEO)를 사용했습니다 . GEO 위성은 고도 35,786km(22,236마일)의 적도면을 따라 지구 궤도를 돌며 지구 표면의 관찰자에게는 하늘에서 움직이지 않는 것처럼 보입니다. 그러나 빠르게 움직이는 저궤도(LEO) 위성의 도입 및 확산으로 인해 위성 발사에 대한 재정적 장벽이 크게 줄어들고 새로운 응용 분야의 길이 열렸습니다.
이러한 경제적 이점은 1) 위성의 크기(SpaceX의 최신 Starlink LEO는 주방 테이블만큼 작음)와 2) 여러 LEO를 동시에 발사할 수 있다는 두 가지 요인에 기인합니다. 그러나 LEO는 위성 통신 시스템을 보다 경제적으로 실행 가능하게 만들지만 복잡성을 초래하고 엔지니어가 더 높은 도플러 이동, 간섭 및 네트워크 복잡성을 관리해야 합니다.
LEO 위성 통신 시스템 채택을 주도하는 추세
장치가 거의 모든 곳에서 데이터를 생성, 공유 및 처리할 수 있는 환경인 유비쿼터스 연결은 LEO 채택을 주도하는 주요 추세 중 하나입니다. 지상 무선 통신 인프라 구축의 진전에도 불구하고 농촌 지역이나 바다 등 세계의 상당 부분에서는 비용이나 지리 문제로 인해 여전히 셀룰러 연결이 불가능합니다. 셀룰러 서비스 제공업체가 원격 지역에 기지국 인프라를 구축하는 것은 경제적으로 실행 가능하지 않은 경우가 많습니다. 해당 지역에서는 서비스 제공업체가 비용을 회수할 수 있도록 서비스를 구매할 수 있는 사람이 너무 적기 때문입니다. 그러나 위성은 도시와 농촌 지역 간의 연결 격차를 해소하기 위한 무선 산업의 작업에서 중요한 지원 기술입니다. 이러한 격차를 해소하면 전 세계 사람들이 이미 많은 도시인들이 표준으로 받아들이고 있는 원격 학습, 원활한 화상 회의, 온라인 게임, 영화 스트리밍, 전자 상거래, 멀리 떨어져 있는 동료와의 협업, 원격 근무 등 다양한 디지털 활동을 즐길 수 있게 될 것입니다.
LEO는 셀룰러 접근성 외에도 셀룰러 용량을 향상시킬 수도 있습니다. Statista의 다음 시장 데이터를 고려하십시오. 현재 전 세계적으로 46억 명의 스마트폰 사용자가 있으며 , 인터넷에 연결된 장치의 수는 2030년까지 전 세계적으로 290억 개 이상 에 이를 것으로 예상됩니다 . 점점 더 많은 사람들이 인터넷을 사용하고 있어 글로벌 셀룰러 시스템 수요가 증가하고 있습니다. 해당 트래픽의 대부분은 높은 대역폭(예: 영화 스트리밍 및 고품질 화상 회의)을 필요로 합니다. 상업용 위성이 항상 비용 효율적이지는 않았기 때문에 무선 회사는 지상 인프라에 계속 투자하고 있습니다. 그러나 LEO의 비용이 감소함에 따라 특히 원격 지역에서 점점 더 제한된 대역폭을 해결하기 위한 실행 가능한 옵션이 되었습니다. 도시 지역에서도 LEO 위성을 사용하여 지상 셀룰러 시스템에서 사용하는 대역폭의 일부를 오프로드할 수 있습니다. 그리고 우리 모두가 고르지 못한 Zoom 또는 Teams 회의를 경험했기 때문에 추가 대역폭은 장거리 디지털 상호 작용을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
마지막으로 재해 복구 통신은 기상 이변이 점점 더 강력 해지고 빈번해짐에 따라 위성 통신 채택을 주도하는 주요 추세입니다 . 이러한 사건이 발생하는 동안 셀룰러 인프라가 자주 중단되어 응급 구조원, 정부 공무원 및 주민이 중요한 안전 정보를 방송하고 수신할 수 있도록 위성 활성화가 촉진됩니다. 이 사용 사례는 지상 셀룰러 인프라가 파괴되었을 때 Starlink가 플로리다 남서부 및 허리케인 이안의 영향을 받은 기타 지역에 120개의 위성을 배치했을 때 검증되었습니다.
그림 1. 저궤도(LEO) 위성의 도입 및 확산으로 위성 발사에 필요한 재정적 장벽이 낮아지고 새로운 사용 사례의 문이 열렸습니다.
LEO의 장점: 대기 시간과 손실이 적고 중복성이 높습니다.
LEO 이전에 위성 통신 시스템은 주로 정지 지구 궤도(GEO) 위성을 사용했습니다. 경도에 적절한 간격을 두고 지구 자전과 동일한 속도로 회전하는 세 개의 GEO 위성은 사실상 전체 지구 범위를 제공할 수 있으며 전송된 파형의 반송파 주파수에 도플러 편이를 도입하지 않습니다. 3개의 GEO 위성은 몇 번의 교차 연결만으로 지구를 덮을 수 있지만 불행히도 LEO보다 구축 및 발사 비용이 훨씬 더 비쌉니다. 또한 GEO 위성 하나가 장애를 일으키고 이를 교체할 중복 위성이 이미 궤도에 진입하지 않은 경우 네트워크 연결이 크게 손상됩니다. 수천 개의 위성이 있는 LEO 별자리는 일부 궤도 내 위성 오류를 흡수할 수 있는 내장된 중복성을 활용합니다.
또한 GEO 위성과 지상 사이의 거리는 왕복의 경우 1/4초 정도로 신호에 상당한 지연 시간을 발생시켰습니다. GEO 위성은 이메일 및 기타 비실시간 통신에 적합하지만 전화 및 화상 통화에는 자연스러운 통신을 방해하는 심각한 지연이 발생합니다.
LEO는 지구 표면에 더 가깝기 때문에 신호 지연이 훨씬 짧습니다. 그러나 송신기가 LEO와 통신하려면 지상 무선 네트워크보다 더 많은 전력이 필요합니다. 이는 지상파 신호가 5~10km를 이동하는 반면 LEO 신호는 최대 2000km를 이동하며 신호 손실이 더 크기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 지구 표면에 대한 GEO 신호는 표면에 대한 LEO 신호보다 최소 25dB 더 많은 손실(20 log10(35,786 /2000))을 겪습니다.
LEO 과제: 비선형 전력 증폭
LEO의 작은 크기는 장점이자 디자인상의 과제입니다. LEO의 전력 증폭기(PA)는 물리적으로 작지만 의도한 대상에 신호를 전송할 수 있을 만큼 충분한 전력을 보유해야 합니다. 이상적인 세계에서 위성 엔지니어는 PA가 고전력 입력으로 구동되는 경우에도 선형 특성을 갖기를 원합니다. 그러나 아래 그림에서는 PA가 너무 세게 구동되면 신호가 크게 왜곡될 수 있음을 보여줍니다. 그림 2는 오버드라이빙으로 인한 압축 효과와 유한 PA 대역폭으로 인한 메모리(즉, 필터링) 효과를 모두 보여줍니다.
그림 2. 비선형성(압축)과 메모리의 효과를 보여주는 전력 증폭기 특성. 표시된 DPD(디지털 전치 왜곡) 특성은 비선형성을 보상합니다.
이는 LEO 위성과 함께 사용될 5G OFDM(직교 주파수 분할 다중화) 신호가 10dB를 초과하는 PAPR(피크 대 평균 전력비)을 가질 수 있다는 사실로 인해 더욱 악화됩니다 . 이는 5G 신호가 PA에 입력될 때 PA의 오버드라이브에 따른 스펙트럼 재성장 및 인접 전력비(ACPR) 저하를 방지하기 위해 상대적으로 낮은 전력을 가져야 함을 의미합니다 . 그러나 이러한 저전력 입력으로 인해 PA는 최적이 아닌 효율로 작동하게 됩니다.
OFDM의 PAPR을 줄이기 위해 다양한 기술이 제안되었습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다 .
- 클리핑 및 필터링,
- 반복적인 클리핑 및 필터링,
- PAPR을 최소화하기 위해 선택된 코드워드를 사용한 오류 제어 코딩, 및
- 별자리 확장.
PAPR 감소를 위한 위의 기술에도 불구하고 송신기의 DPD(디지털 전치 왜곡) 하위 시스템은 이러한 왜곡에 대응할 수 있습니다.
DPD 하위 시스템은 OFDM 신호의 PAPR을 줄이는 것을 목표로 하지 않습니다. 오히려 PA의 출력 신호를 보다 선형적으로 만드는 신호에 "역 PA" 특성을 적용합니다. Communications Toolbox 와 같은 DPD 도구는 결과를 개선하기 위해 점점 더 AI를 사용하고 있습니다. 이러한 도구는 AI 워크플로의 모든 단계를 보여줍니다.
- 데이터 전처리,
- 정적 AI 기반 DPD 네트워크 구축을 위한 오프라인 교육,
- 온도에 따른 PA 특성에 적응하는 동적 네트워크를 구축하기 위한 온라인 교육,
- 계산 복잡성과 메모리를 절약하기 위한 네트워크 압축
- 에지 장치에 네트워크를 배포하기 위한 HDL 코드 생성
LEO 챌린지: 간섭
간섭은 또한 위성 통신 시스템에 LEO를 사용할 때 문제를 야기합니다. 가장 큰 이유는 현재 궤도에 거의 6,000개의 LEO가 있다는 단순한 사실입니다.
전통적인 RF 링크는 오랫동안 위성 통신 시스템에 사용되어 왔지만 엔지니어들은 가능하면 광학 링크를 점점 더 많이 선택하고 있습니다. 광 빔 패턴은 기존 RF 링크보다 훨씬 좁습니다. 이 링크의 넓은 빔은 다른 수신기로 퍼져 간섭을 일으킬 수 있습니다. 제한된 신호 확산으로 인해 광학 시스템의 간섭이 크게 줄어듭니다.
마지막으로 위성 엔지니어는 서로 다른 방향을 가리키도록 전자적으로 조종할 수 있는 빔을 생성하는 컴퓨터 제어 안테나 그룹인 위상 배열을 사용할 수도 있습니다. 위상 배열은 공간적으로 간섭을 제거하고 지상의 특정 지점에 에너지를 전달할 수 있습니다. 위상 배열 시스템은 관심 신호 방향으로 빔 에너지를 최대화하고 간섭 방향으로 빔 널을 삽입하여 신호 대 간섭 + 잡음 비(SINR)를 최대화합니다.
LEO 과제: 도플러 변화
GEO와 달리 LEO는 행성의 자전 속도와 동일한 속도로 지구 주위를 회전하지 않습니다. 이는 수신기를 향해 끊임없이 움직이거나 수신기로부터 멀어지는 것을 의미합니다. 이 움직임은 위성 엔지니어가 관리해야 하는 도플러 효과를 생성합니다.
공학 용어로 도플러 효과는 송신기나 수신기의 움직임으로 인해 송신파와 수신파 사이의 주파수 차이를 나타냅니다. 도플러 과제에서는 위성 엔지니어가 LEO의 지속적으로 변화하는 중심 주파수를 획득하고 추적해야 합니다.
파형이 성공적으로 복조되도록 하려면 송신기와 수신기의 주파수 및 위상이 완전히 고정되어야 합니다. 그러나 큰 도플러 편이로 인해 주파수, 위상 및 타이밍이 동기화되지 않게 됩니다. 결과적으로 도플러로 인한 주파수 오프셋을 제거하려면 이러한 수신기에 다중 폐쇄 루프를 구현해야 합니다. 동기화는 프레임, 기호 타이밍, 반송파 주파수 및 반송파 위상 수준에서 이루어져야 합니다.
위에서 설명한 과제는 기업이 하드웨어 구축을 시작하기 전에 이러한 프로세스를 모델링하고 시뮬레이션하려는 강력한 동기를 부여합니다. 위성 궤도 모델링은 LEO 위성에 의해 발생하는 도플러 편이의 크기를 정량화할 수 있습니다. 링크 예산 분석은 필요한 PA 출력 전력, 안테나 크기 및/또는 어레이에 필요한 안테나 요소 수에 대한 대략적인 추정치를 제공합니다. 링크 시뮬레이션은 특히 채널 상태가 저하되고 위상 잡음, 상호 변조 제품, PA 비선형성과 같은 일반적인 RF 손상이 발생할 경우 수신기 설계에 대한 성능 기준을 제공할 수 있습니다. MATLAB은 LEO 통신 페이로드가 시뮬레이션된 성능을 준수하는 한 자신있게 제조될 수 있도록 이러한 모든 모델링 및 시뮬레이션 노력을 지원합니다.
LEO는 강력한 단기 및 장기 사용 사례로 인해 상당한 주목을 받았습니다. Apple과 같은 회사는 이미 위성 통신 네트워크를 활용하고 있으며 이는 시작에 불과합니다. 위성 통신이 무선 산업에 계속 영향을 미치면서 엔지니어는 위성 통신의 용도, 과제 및 지원 기술을 숙지해야 합니다.