[아이티데일리]

들어가는 글

미래학자들이나 연구자들은 제4차 산업혁명 디지털 탈바꿈 시대의 도래를 주장할 때 ‘완전한 연결성’, ‘연결된 세상’의 필요성을 말하고 있다.

조만간 온라인상에는 60억 인구, 300억 장치 및 500억 대의 기계가 생길 것으로 예상되며 이들은 네트워크로 연결된 세상에 모이게 될 것이다. 전 세계 모든 사람과 모든 사물은 기존 2차원적 지상 통신 네트워크로 연결할 수 없다. 3차원 네트워크 구성을 가능케 하는 지상-위성 통합 아키텍처가 요구되고 있는 이유이다. 모든 것의 연결을 표방하는 5G 무선통신에서도 글로벌 생태계 확장을 위해 국제 표준으로 위성을 포함한 비지상 네트워크를 고려하고 있다.

사실 오랫동안 인공위성 기술은 기술적 개발위험 부담과 막대한 초기 투자비용, 발사비용 등으로 상업적 수익을 기대하기 어려운 전형적인 국가사업으로 치부되어 왔었다. 그리고 위성통신에서는 단일 위성을 사용하여 광범위한 커버리지를 제공받는 정지궤도(GEO) 위성이 주류를 이루었다. 그러나 다양한 첨단 통신기술의 발달과 저렴해지는 발사비용 등으로 보다 경제적이고 스마트한 소형위성 개발 사업이 약진하고 있다.

이를 아우르는 정부 주도에서 민간 주도의 ‘뉴스페이스(NewSpace) 시대’로 전환 속에 우주산업 시장이 활발해져가는 추세에서, 최근에는 microsat, cubesat 등으로 불리는 다양한 소형위성 개발과 대형 저궤도(LEO) 위성군 개발 등 위성산업 분야가 떠오르고 있다.

이번 호에서는 제4차 산업혁명으로 지칭되는 거대한 변화의 시기에 디지털 탈바꿈을 이루어가는 ICT 분야에서 바라보는 위성통신 기술의 현황과 전망에 대해 알아본다.

글로벌 트렌드

미국 FTI사의 2020년도 기술 트렌드 보고서에 따르면 마이크로위성 발사, 우주로부터의 인터넷, 우주에 기반을 둔 양자 인터넷 등 우주 산업을 3천 3백억 달러로 평가하고 있다.

소형위성들은 저렴한 비용으로 2,000km 이내의 저궤도에 수천 개 이상 발사되어 이미지나 영상을 촬영하고 인터넷 접속을 가능케 하는 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 스페이스 엑스(SpaceX)사의 스타링크(Starlink) 프로젝트는 글로벌 위성 인터넷 서비스 제공을 위해 올해 중반까지 12,000개의 위성 발사를 목표로 현재 대략 한달 간격으로 60개 위성을 저궤도로 보내고 있다.

Telesat LEO는 1,000km 상공의 298개 위성으로 2022년부터 인터넷 서비스와 5G 위성 백홀 서비스를 제공하고자 개발되고 있으며, 3,236개의 microsats 위성군으로 구성된 아마존(Amazon)의 카이퍼(Kuiper) 프로젝트는 위성 광대역통신 서비스를 제공하기 위해 계획되었다.

글로벌 컨설팅 회사인 딜로이트 컨설팅(Deloitte Consulting) LLP는 Tech Trends 2019: Beyond the digital frontier 보고서에서, 미래의 연결성 전략으로 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN), 네트워크 기능 가상화(NFV) 및 네트워크 슬라이싱 사용을 특징으로 하며, 분산 컴퓨팅 성능을 활용할 수 있는 제어 가능하고 안전한 분산 네트워크 구축을 추진하고, 5G 및 LEO 위성과 같은 진화하는 액세스 메커니즘이 그 역할을 수행할 것으로 전망했다. 저궤도 위성은 농촌 또는 고립된 지역 사회에 대한 액세스를 제공할 뿐만 아니라 에너지, 광업, 운송, 금융과 같은 원격 지역에서 운영되는 산업을 위한 필수 네트워킹 인프라 도구가 될 수 있다.

2019년도 NSR 보고서 ‘무선 백홀 및 위성을 통한 5G(Wireless Backhaul & 5G via Satellite)’에 따르면, 5G의 모바일 무선 백홀에 위성통신이 주요 솔루션이 되어 위성 백홀 시장은 2028년까지 320억 달러의 수익을 올릴 것이고, 새로운 모바일 기지국의 10%가 위성을 이용할 수 있을 것으로 전망했다.

지난해 4월 북미 위성사업자인 Telesat, 영국의 이동통신사업자 Vodafone 그룹, 영국 Surrey 대학교는 Telesat LEO 시험위성을 이용하여 저궤도 위성이 5G용 고급 백홀 솔루션 등 이동통신사에게 효과적인 백홀 전송을 제공할 수 있다는 것을 입증했다. 위성통신 사업자, 이동통신 사업자, 5G용 위성통신망 연구자 모임인 SaT5G 컨소시엄 유럽 9개국과 이스라엘 등 16개 파트너로 구성되어 EU Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램의 지원으로 5G용 plug-and-play satcom 시스템 개발에 힘쓰고 있다.

2019년 6월 SaT5G는 비디오 스트리밍, 콘텐츠 캐싱, 항공사 연결, 위성 및 백홀 애플리케이션을 통한 5G NR 등 위성을 통한 5G 사용 사례를 보여주는 6개의 데모를 실시했다. 국내 위성운용사인 KT SAT이 2019년 11월 KT의 5G 네트워크와 적도 상공 약 3만6000km 우주에 있는 무궁화 위성 6호를 연동해 데이터를 주고받는 ‘위성 5G(5G-SAT)’ 기술 시험에 성공했다.

위성통신 기술의 도전과제

앞에서 언급된 세계적인 추세에 발맞춰 ‘연결성’을 위한 위성통신분야에서 발전해가야 할 몇 가지 기술 방향을 살펴보도록 한다.

• 위성 기지국과 위성탑재 디지털 처리

무선통신 네트워크의 유연성 및 확장성을 실현하기 위해, 자율적인 운용이 가능하고 배치가 용이한 마이크로 셀과 스몰 셀이 가능한 저궤도 위성 기지국이 고려된다. 지상통신 신호체계를 지원하는 저지연 LEO 위성에 기지국 기능을 개발하여 시스템에 추가적인 설계 유연성을 통합할 수 있다. 물리 계층 프로세싱뿐만 아니라 MAC 및 NET 계층 프로세싱도 추가된 On-Board Processing(위성탑재 디지털 처리)을 적용한 위성탑재 기지국을 고려해 보자. 이 시스템에서 다중 위성 접속이 가능한 단말기와 위성간 링크(ISL)를 통한 패킷의 적절한 라우팅이 주요 특징이 될 것이다.

• 위성 네트워크의 가상화 및 자율화

지상-위성 통합 네트워크의 운용 및 관리에서 복잡한 환경과 너무 많은 불확실성으로 최적화 모델링이 어려울 수 있고, 네트워크 관리를 위한 기존의 시험 및 검증 방법 적용도 난감할 것이다. 이러한 문제의 해결방안은 스스로 최적화에 이르고 자체적으로 조직화되는 자율형 네트워크의 개념이 매우 적합할 것이다.

소프트웨어 정의 네트워크(SDN)와 네트워크 기능 가상화(NFV)를 통해 자율형 네트워크의 아키텍처와 구현이 제공될 수 있다. NFV와 SDN을 기반으로 하는 network slicing(NS)으로 새로운 차원의 네트워크 이종성과 역동성이 가능해진다. 이에 따라, 위성-지상 통합 전송네트워크의 수 많은 파라미터를 효율적이고 자율적으로 구성할 수 있는 네트워크 슬라이싱 알고리즘과 가상 네트워크 내장을 위한 온라인 네트워크-슬라이스 관리 기법, SDN/NFV 네트워크에서 확장되고 호환되는 데이터와 제어 평면 간의 표준 프로토콜이 요구된다.

• 위성 자원 할당의 지능화

소프트웨어 정의 무선(SDR) 기술로 많은 하드웨어를 소프트웨어로 교체하게 되면 위성 탑재체는 훨씬 더 유연해지며 진화가 가능해져 가격 경쟁력이 있는 연결성을 제공할 수 있다. 소프트웨어 정의 탑재체는 하드웨어에 덜 의존하고 더 유연하며 자동으로 반응하여, 무선 트래픽에서 예상되는 역동성에 대응할 수 있다.

위성 임무 동안 언제라도 빔 패턴, 주파수 및 전력 분배를 지능적이며 역동적으로 재설정할 수 있는 능력은 향후 데이터 시장이 더 불확실한 곳에서 위성통신을 경쟁력 있는 시스템으로 만든다. SDR 기반 위성시스템의 자원관리에 AI를 적용하여, 지상의 위성용량 분포를 역동적인 트래픽 수요의 지리적 분포에 능동적으로 일치시키며 시간상의 변동을 따라갈 수 있는 첨단 자원관리 기술로 향상시킬 수 있게 될 것이다.

• 네트워크 보안 - 위성양자통신

점점 더 가상화되고 자율화되는 네트워크에서 가장 취약한 부분은 보안이라 할 수 있다. 보안은 AI로 해결할 수 있는 분야 중 하나이지만, AI로 인해 더 큰 위협이 될 수도 있다. ‘현존하는 최고 보안기술’로 꼽하는 양자암호통신은 첫 사용사례로 위성 양자키분배(QKD)가 소개되었으나 아직 SW 기반에서의 적용은 더 많은 연구개발이 필요하다.

맺는 글

지금까지 디지털 탈바꿈의 시대에 강조되는 ‘연결성’을 위해 위성통신 분야에서 자리매김해야 할 기술들 일부를 소개하였다. 이제까지의 전통적인 통신서비스 시장에서는 작은 지리적 조건과 매우 발달된 지상 통신 인프라를 소유한 우리나라에서 그 안으로만 시선을 유지한다면 위성통신산업의 장점이 그리 크게 보이지 않았다. 그러나 앞으로 오는 시대에서는 물리적인 위치나 영역을 넘어서는 새로운 차원의 기술이 요구되고 있다. 이에 발맞춰 위성통신 기술과 산업에 대한 우리의 시각도 글로벌한 새로운 차원에서 바라보고 준비해야 할 것이다.