항공우주산업기술동향 14 권 1 호 (2016) pp. 83~93 기술동향 http://library.kari.re.kr 에서보실수있습니다. 고전송률위성개발동향 이호형 * 1) High Throughput Satellite Development Trend LEE, Ho-hyung * ABSTRACT 초록 본논문은고전송률위성의개발경향에대하여알아보았다 위성의전송능력의향상은 밴드의사용및감쇄완화기술의발전과함께 다중빔기술 고효율태양전지판 고용량배터리 탑재체컴포넌트기술의발전으로인한고주파부품의소형화및경량화 고전력증폭기의효율향상 향상된디지털통신기술등의결과이다 현재 대전송능력의위성들이운영중에있고 년경에는 의잔송능력을갖는위성도나타날것으로예상된다 인터넷과멀티미디어를위한광대역위성통신수요의증가및지구정지궤도상에서의주파수포화문제를회피하기위하여 밴드를이용한고전송률위성의개발이크게증가할것으로예상된다 고전송률위성 밴드 다중빔 감쇄완화기술 적응코딩및변조 이호형 한국항공우주연구원위성연구본부정지궤도복합위성사업단정지궤도복합위성체계 팀
84 이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 1. 서론 고전송률위성은동일한궤도주파수대역폭에대하여종전의고정위성서비스 보다최소한두배 보통은 배이상의전송률 을제공하는위성을말한다 통신위성에있어서전송률 은지정된시간내에전송된유효정보량이라고할수있다 대부분의고전송률위성은 밴드를사용하지만 밴드를사용하거나 보다높은주파수를사용하는위성도있을수있기때문에주파수가구분의기준이되지는않는다 아이피스타 와일드블루 스페이스웨이 같은 세대고전송률위성들은수십 의전송률로외딴시골지역에광대역멀티미디어서비스를가능하게하였고 케이에이샛 비아샛 에코스타 및 같은 세대고전송률위성들은전송률을 로향상시켜 지상망에대한가격경쟁력을더욱향상시켰으며 사용자터미널에서의전송속도도더욱향상시켰다 비아샛 의후속위성인비아샛 년경발사예정 는전송능력이비아샛 에비해 배의전송능력을갖게될예정이고 기의위성으로전세계에서비스를제공할예정인비아샛 년경발사예정 는위성당전송능력이 에달할것이라고한다 년도에니어어스사의특별기고문으로발표된참고문헌 에서는 밴드위성의단위전송량당의가격이 밴드나 밴드보다훨씬낮으므로 년대에 밴드위성에서 밴드위성으로의대이동이있었던것과같이 사회가발달하고기술이성숙되면서고전송률위성에대한수요가지속적으로창출되어향후고전송률위성으로의대이동이일어날것이라고예측한바있다 고전송률위성의수요는인터넷이나멀티미디어등의광대역서비스가주요시장이며 고전송률위성등장초기에는거의언급되지않았던이동통신에의적용이요즘은가장많이이야기되고있고 위성운영자 들을위한목표시장이되고있다고한다 밴드는안테나나관련장비들을소형화할수있어선박에서사용하는데유리하여 선원들이나크루즈유람선관광객을위한인터넷서비스 선박용사물인터넷 항해차트다운로드등에사용된다 항공기내에서의인터넷및암호화된군용이동통신에도적용이증가하고있다 시장이성숙되면 전송능력의 가이동통신용이될것으로예측하였다 또한 세기의첨단경제하의스마트시티에서는사물인터넷의등장으로더많은수요가발생할것으로예측하였다 위와같은수요예측및지구적도상공에사용가능한정지궤도위성의 밴드와 밴드의궤도주파수포화상태로인하여 대역이상의높은주파수대역을이용한고전송률위성의개발이대폭적으로증가할것으로예상된다 본논문에서는전송능력향상의배경및다중빔기술관련사항을소개하고 밴드이상의주파수를이용한위성통신에서의주요문제점이었던강우감쇄극복기술을설명하고 마지막으로고전송률위성개발현황을소개하였다 2. 전송능력향상의배경 통신방송위성에는 밴드나 밴드가주로사용되어져왔었다 지구정지궤도위성은적도상공 고도의궤도에위치해야하는특성으로인하여이곳의궤도를차지하는것도쉬운일이아니게되었고 위성간의전파간섭도심각한문제가되었다 전파간섭문제를피하면서점점증가하는인터넷및광대역위성통신수요에대응하기위하여 밴드의사용이점점증가하고있다 밴드는 밴드나 밴드에비해서주파수가높다 사용주파수가높아지면 동일한안테나에대해서안테나이득이높아지고 빔폭이작아지고 이는잡음대비신호의비를높여주어전송능력을높게해준다 밴드는사용주파수대역폭을넓게갖기가용이하다 이러한것들이결합되어높은전송능력을얻을수있다
이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 85 동일한안테나직경에대해서 밴드가 밴드에비해서안테나이득이높다는것은사용자터미널에서작은안테나로도요구되는안테나이득을얻을수있다는것을의미하고 주어진안테나직경으로더좋은링크버짓을얻을수있다는것을의미한다 좋은링크버짓은고차원의변조및코딩방법을사용할수있게해주고 이는전송률 을향상시켜준다 밴드의작은빔폭은주파수재사용을가능케하여전송능력을더욱더향상시켜준다 밴드이상의주파수에서는강우감쇄를겪게되는데 밴드이상에서는이것이가장큰문제점으로지적되어왔었다 그러나 최근에와서는감쇄완화기술 이많이발전되었다 강우감쇄완화기술에대해서는다음의 절에서다루었다 고전송률위성은최근 개이상의빔으로수백 의전송능력을갖게되었고 년경에는 의전송능력을갖는위성도등장할예정인데 이는아래와같은기술의발전덕분이다 고전력위성 효율이좋은태양전지판 으로 에가까운효율 및경량고용량의리튬이온배터리사용 향상된탑재체기술 한개의위성에서 개이상의빔을수용할수있는다중빔안테나 고주파부품들의소형화및경량화 예 고전력증폭기의효율향상 밴드고주파부품가용성확대등 고주파링크개발 향상된채널모델사용및강우감쇄완화기술 의조사및적용 향상된디지털통신기술 발전된디지털변조및효율적인채널코딩기술 적응변조및코딩 기술의시행 예 표준 다중접근기술의발전 가속기술 지상국터미널 성능대비소형화및가격저하 3. 다중빔기술 다중빔위성은위성통신에서중요한자원중의하나인주파수재사용관점에서유리한점이많다 다중빔안테나에서는두개의서브주파수와두개의편파 를조합한 색구성 이가장효과적이다 아래그림은 색구성을이용한유럽지역의커버리지를보여주는데 동일한색깔의빔이서로떨어져있어서로간섭을일으키지않게서비스를제공할수있다는것을보여준다 그림 색구성다중스팟빔 다중빔안테나에는한빔당한개의혼 으로구성되는 방법과 하나의빔이여러개의작은서브어레이 로구성되는 방법이있다 는하드웨어가단순하고 성능이 에비해서약간좋기는하지만 안테나반사판의수가많다는점이단점이다 에서는 색구성을위해서보통 개의반사판을필요로한다 그림 은이원리를보여준다 엄밀하게말해서는수신용 개 송신용 개의총 개의안테나가필요하지만 복잡한피드체인을사용하여 개로줄일수있다 안테나의크기는송신용안테나에맞게최적화되기때문에수신용으로서는좀크다 밴드다중빔안테나는보통 도나그이하의빔을제공한다 따라서매우정확한안테나지향정밀
86 이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 그림 개의반사판을이용한 색구성 것은복잡한빔형성네트워크 덕분이다 그림 는독일항공우주세터 의지원하에유럽우주기구 아르테스 프로그램으로에어버스사 에의해개발된메두사 피드시스템의엔지니어링모델이다 메두사는 년 월에발사된러시아의익스프레스에이엠유 위성에탑재되었다 유텔샛 사는이위성의일부중계기를이용하여유텔샛 위성명으로북아프리카지역의서비스의연속성유지및새로운시장개척을담당할것이다 도를요구한다 이러한정밀지향성은능동지향시스템을통하여성취되기도하는데 이는고주파체인에서지상에서발사되는비콘신호를탐지하여자동으로지향방향을조정하도록한다 각반사판마다하나의비콘신호탐지채널이필요하다 설계에서는인접한스팟빔은일부어레이요소를공유한다 이러한요소들은복잡한서로직교하는빔형성네트워크 에의해서신호가공급된다 그림 는공유하는혼을갖고있는 시스템을보여준다 그림 메두사피드 조립체 4. 감쇄완화기술 그림 시스템 에서는수신용반사판과송신용반사판각 개씩 개만있으면된다 따라서 수신용안테나와송신용안테나의크기를각각최적화시킬수있고 큰위성에서는다른주파수대역의중계기및안테나탑재도가능하다 이렇게적은수의안테나로가능하게되는 운용주파수가증가할수록대기가스나구름 강우에의한전파의감쇄현상이심하게나타나는데 이감쇄현상은 밴드이상의주파수를사용하는위성통신에서발생하는현상으로서 밴드에서는 밴드에서보다훨씬더나타나는것으로알려져있다 그림 은 밴드 와 밴드 의강우감쇄의한예를보여준다 신호감쇄를완화하기위한대응수단으로서출력제어 적응변조및코딩 게이트웨이다양화등의방법이있다
이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 87 의한하향출력제어는일정한전체고주파출력을모든빔이감쇄현상이없을때는각빔에균등하게출력을배분하고 어느빔에감쇄현상이발생하면 다른빔의출력을조금씩적게배분하여감쇄현상이있는빔에출력을더배분하는방법이다 그림 은윈즈 위성에탑재되었던다중포트증폭기 의형상을보여주고 그림 은이다중포트증폭기의블록다이어그램을보여준다 그림 앙각 도에서의강우감쇄통계 4.1 출력제어 출력제어에있어서는 가지방법이고려될수있다 상향출력제어 종단출력제어 하향출력제어 그리고빔형성 등이다 상향출력제어는상향신호의감쇄를보상하기위해서송신지상국의출력을제어한다 기상조건이양호할때의전파간섭을최소화하고위성의능력을최적화하기위해서기상조건이안좋을때는송신출력을증가시키고 기상조건이좋을때에는송신출력을감소시킨다 상향출력제어가상향신호가감쇄되는것을보상하기위해서출력조절을하는것에비해서 종단출력제어는상향신호나하향신호중어느것이라도감쇄가일어나면 이것을보상하기위해서송신지상국의출력을조절하는것이다 이종단출력제어는수동형통신탑재체에만적용되는방법이다 하향출력제어는어느스팟빔지역에서감쇄현상이발생할때에감쇄현상이발생한스팟빔의출력을다른스팟빔에비하여증가시켜주는것이다 유연진행파관증폭기 에의한하향출력제어는다른빔의출력은변동없이감쇄현상이발생한스팟빔의진행파관증폭기의출력을증가시켜주는것이다 이방법은튜브기술에의하여제한이있고 다른빔에간섭이증가할수있다 다중포트증폭기 에 그림 위성의 그림 위성 의블록다이어그램 다중포트증폭기 는신호를나누는입력멀티플렉서 신호를합치는출력멀티플렉서 의고주파성능을향상시키기위해서위상과크기를미세하게조정
88 이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 하는드라이버증폭기 진행파관증폭기 어느 가고장이나면포트를절환하는도파관스위치 및 로구성되어있다 유럽의에어버스사는유럽우주기구 의아르테스 프로그램에의한재정지원하에종합유연탑재체 를개발하였으며 이신개념의통신탑재체는하일라스 위성에탑재되어 년발사되었다 종합유연탑재체 는위성수명동안지상명령에의해서위성의주파수계획을새롭게정의할수있고 위성의송신출력을서비스지역간에새롭게분배할수있어상황의변화에따라주파수와출력을자유롭게배분할수있다 따라서 위성이발사되어궤도상에서운영되는중에수요나운영궤도의변동이생길경우유연하게대처할수있다 그림 는종합유연탑재체의하나의구성품으로서운영여건이변화함에따라가용한위성의출력을중계기간에재배분하는것을가능하게하는아이오에이엠피엠 을보여준다 이아이오에이엠피엠은독일의테샛스페이스콤 에의해서개발되었다 페드반사판안테나 같은능동형안테나를사용하여 맑은날씨에는전체범위에걸쳐동일한출력을제공하지만 어느지역에비가오거나하여신호전송에지장이생기면 위상배열안테나에들어가는신호의크기와위상을조절하여방사패턴을조정함으로써그지역의출력이다른지역보다높게되도록해주는것이다 4.2 적응코딩및변조 (ACM) 적응코딩및변조 는기상조건에의한감쇄를보상하는데있어서중요한역할을한다 정보를전달하기위한변조형식 과순방향오차수정코드레이트 의조합을모드코드 라고한다 순방향링크통신을위한 표준에서정의된모드코드들이아래 표 에열거되어있다 는각모드코드간의상대적전송률의비교를나타낸다 실제전송률은배정된대역폭에따라다를것이다 필요 은그모드코드가신뢰성있게데이터를전송하는데필요한신호대잡음비를의미한다 전송률증가는해당모드코드에대한다음단계의모드코드의전송률의백분율을나타내고 증가 는다음단계의모드코드에서운영하는데필요한신호대잡음비의증가를의미한다 표 로부터모드코드를변경함으로써전송률은 배가증가될수있고 이를위해서는 이상의신호대잡음비의증가가필요함을알수있다 모드코드운용방법에는아래와같이 가지가있다 그림 위성에탑재된 빔형성 은위상배열안테나 를기반으로한것으로서 직접방사안테나 나어레이 은모든서비스에엔제나동일한모드코드를사용하는것이고, VCM은서로다른서비스를제공
이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 89 표 변조방식 레이트코드 normalized data rate 필요 SNR (db) 전송률 (%) (db) 증가 SNR 증가 QPSK 1/4 0.5-2.1 134 1.2 QPSK 1/3 0.7-0.8 120 0.8 QPSK 2/5 0.8 0.0 125 1.3 QPSK 1/2 1.0 1.3 120 1.2 QPSK 3/5 1.2 2.5 111 1.0 QPSK 2/3 1.3 3.5 112 1.0 QPSK 3/4 1.5 4.5 107 0.6 QPSK 4/5 1.6 5.0 104 0.4 QPSK 5/6 1.7 5.5 107 1.0 QPSK 8/9 1.8 6.5 112 0.4 8PSK 2/3 2.0 6.9 112 1.4 8PSK 3/4 2.2 8.2 111 1.5 8PSK 5/6 2.5 9.7 120 0.8 16APSK 3/4 3.0 10.5 107 0.9 16APSK 4/5 3.2 11.4 104 0.6 16APSK 5/6 3.3 12.0 107 1.2 16APSK 8/9 3.5 13.2 N/A N/A 그림 의예 하는서로다른터미널이나터미널형태에서서로다른모드코드를사용하지만위성수명이다할때까지정해진모드코드를사용한다. 에서는그당시의요구조건을만족시키기위해서각각의터미널에맞는모드코드를시스템이자동적으로찾아서사용한다 기상조건등에의해서채널조건이변경되면 모드코드가자동적으로변경되는것이다 그림 은 의모드코드를사용한 의예를보여주는데 이모드코드의필요 이 이므로 이 이하로내려가면통신두절이발생한다 그림 은 의예를보여주는데 이변화되는데따라알맞은모드코드를사용하며 이 로가장낮을때에는 를사용하여통신두절이방생하지않는다 이적응출력제어 와결합되면 밴드이상고주파에서의심한감쇄현상도보상할수가있다 4.3 게이트웨이다양화게이트웨이다양화는기상조건에의한통신장애를피하기위하여실제로사용되는게이트웨이에서멀리 그림 의예 떨어진지점에대안 게이트웨이를설치하는것이다 모든게이트웨이중에서링크저하가가장적은게이트웨이를선정하는알고리즘을사용하여운용하기도하고 어느게이트웨이가비때문에링크가끊길것같은경우날씨가맑은곳에있는게이트웨이로전환하여사용한다 참고문헌 에는초당테라비트수준의전송능력을갖는위성개발의일환으로서게이트다양화에대한연구를수행한결과가제시되어있는데 개와 개로구성된 개의게이트웨이클러스터에각각 개씩의대안 게이트웨이를추가하여건설하여네트워크로연결하면 각게이트웨이의독립적인가용도 가 일때에각클러스터의가용도가 까지상승하는것으로분석된예가제시되어있다
90 이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 5. 주요고전송률위성현황및전망 초기의고전송률위성 은 년경부터발사 되었는데 아이피스타 는 밴드위성으로 서 개의스팟및지역빔을사용하였고 밴 드를사용한최초의상업용다중빔광대역위성은와 일드블루 으로서전송능력은 이 고미국시골지역에인터넷서비스제공이목적이었다 그이후의고전송률위성들은주로 밴드를사용하 였고 년말이나 년에는전송능력이 에 달하는위성이등장할것으로예상된다 표 는주 요고전송률위성들을보여준다 위성명 IPSTAR (Thaicom-4) 표 주요고전송률위성 발사년도 제작사 빔수전송능력 (Gbps) 2005 SSL 112 45 WildBlue 1 2006 SSL 35 7.1 Spaceway 3 2007 Boeing 800 10 KASAT 2010 Airbus DS 82 70 ViaSat 1 2011 SSL 72 140 Echostar 17 (Jupiter 1) 2012 SSL 60 100 Yahasat 1B 2012 Airbus DS 61 22 Echostar 19 (Jupiter 2) Viasat 2 Viasat 3 2016 예정 2017 예정 2019 말예정 SSL 120 150 Boeing - 350 Boeing - 1000 스페이스웨이 위성은미국의보잉 사에서제작한위성으로서궤도상스위칭및라우팅 능력을갖추고있다 위성전체적으로 의전송능력을갖고있고 빠 른패킷스위칭 위상배열안테나및동적빔형성 등의첨단기술이구현되었 다 상향빔은 대역을 개서브밴드의우선형 원형편파 와좌선형원형편파 의총 개 의조합을사용한 개의빔으로구성되어있고 하향 빔은 개의호핑빔을이용하여거의 개의빔을서 비스한다 상향빔과하향빔체인에모두전력제어기 능을갖고있어강우감쇄를극복할수있도록되어있다 비아샛 은 개의빔을이용하여발사당시까지의위성중에서는최대전송능력 인 의전송능력을갖고있는위성이다 비아샛사는 년보잉사와비아샛 위성개발계약을하였는데 전송능력을비아샛 에비해서 배증가시켰다고한다 비아샛 는북미 중미 캐리비안해역 북미와유럽사이의항공및해양노선의고객에게서비스를제공할것이다 비아샛사는 년 월비아샛 위성 대의개발을발표하였는데 비아샛 위성 대의전송능력은초당 테라비트이고 대의위성을이용하여미주지역 유럽 중동 아프리카및아시아태평양지역에서에광대역서비스를제공할예정이다 유럽에서도초당테라비트를전송할수있는능력을갖는위성에대한연구를수행한바있어 멀지않은장래에테라비트전송능력의위성이유럽에도등장할것으로예상된다 위에언급된위성들외에도하이라스 및 위성 토르 인마샛글로벌익스프레스 아모스 에스이에스 및 인텔샛 등의위성이고전송률위성에속한다 위성을이용한광대역위성통신이 년대에는가격경쟁력면에서지상망을이용한서비스에많이뒤떨어졌었으나 년대들어와일드블루 스페이스웨이 위성등이진보된기술로대역폭당비용을감소시키면서작은소외지역에성공적으로서비스를제공하면서테스트베드의역할을하였고 현재는대형서비스제공자들이유텔샛투웨이 휴즈넷 비아샛익시드 인마샛글로벌익스프레스 오쓰리비 등의시스템을이용하여서비스를제공하고있으며 비아샛사는위에서설명한바와같이공격적인확장을계획하고있다 그림 는비아샛사에서발표한자료로서 단위전송률 당비용 위성개발비 발사비 보험비용을합한총비용 의변화를보여주는데 단위전송률당비용이현격히감소하는것을보여준다 참
이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 91 그림 단위전송률 당비용감소경향 고문헌 에인용된노던스카이리서치사 의예측에의하면 년에서부터 년사이에고전송률위성의전송능력에대한수요는 증가할것이라고한다 그림 이러한위성을이용한광대역위성통신의성공의요인들로서는 가격과속도면에서지상망과대등할정도로경쟁력을갖추게된점 첨단기술 주파수재사용 스팟빔 등 의성숙과조합으로새로운고전송률위성의개발이가능하게된점 높은전송속도와신뢰성있는서비스에대한사용자의신뢰및요구가크게증가한점등이있다 그림 고전송률위성에대한수요예측 6. 결론 정보기술 의발전으로사회가더욱더네트워크화되면서인터넷및멀티미디어를위한광대역통신수요가크게증가하였고 네트워크에서소외되었던지역의인터넷수요도증가하고있다 이러한수요와지구정지궤도상에서기존 밴드및 밴드주파수포화로인하여주파수간섭을회피하기위한 밴드위성에대한필요성도증가하여 밴드위성에대한수요가점점더증가하고있다 다중빔관련기술의발전과고효율태양전지판 고용량배터리 탑재체컴포넌트기술의발전으로인한고주파부품의소형화및경량화 고전력증폭기의효율향상 향상된디지털통신기술등이복합적으로작용하여위성의자료전송률을크게향상시키면서 밴드위성의큰단점이었던감쇄완화기술의발전에기여하고있다 현재 대의전송능력을갖고있는 밴드고전송률위성들이발사되어운영중에있으며 년경에는 의전송능력을갖고있는위성까지등장할예정이다 위성의전송능력이크게증가하면서단위전송률당비용이현격하게감소하여지상망을이용한광대역통신과경쟁할수있는수준에근접했으며 년경에는고전송률위성의수요가 년에비해서 증가할것으로예상하는연구도있다 밴드를이용한고전송률위성은앞으로크게증가할것으로보인다
92 이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 참고문헌
이호형 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 83~93 93