누리호 발사를 보고 나서 쓰는 위성 사업에 대한 간략한 정리 (2) - SpaceX starlink의 큰 그림은?

누리호 발사를 성공 했을 때 쯤, 찾아보니 2021년 10월 21일 인데, 누리호 발사가 왜 중요한 의미를 가지는지에 대해 글을 썼었고, 언제 올라올지 기약 없는 2부 예고를 끝으로 이에 대한 후속작이 없다가 이제서야 한 번 정리를 해보고자한다.

(이전 글 링크: https://openloopgain.tistory.com/97 )

누리호 발사를 보고 나서 쓰는 위성 사업에 대한 간략한 정리 (1) - 누리호 발사가 왜 중요한가?

이번 주제는 왜 이렇게 위성이 핫해졌는지, 그리고 세계적인 위성사업의 진행 추세에 대해서 이야기를 하고자 한다. 사실 이 부분에 대해서는 아는 사람들은 알겠지만, 구독자 150만명 이상의 대형 유튜버와 협업을 해서 작년에 "사물궁이"님 유튜브 채널에 영상이 올라오긴 했었다. 그 영상을 한 번씩 보는 것도 추천한다. 이런 일을 업으로 하시는 분이다보니 내가 이야기하는 것 보다 훨씬 일반인이 알아듣기 쉽게 설명을 잘 해 주셨다.

(유튜브 링크: https://youtu.be/ut8jeKS0JGg )

일단, 우리가 쉽게 생각 할 수 있는, 현재 위성이 사용이 되고 있는 곳은 어떤 곳이 있을까?
지금 기준으로는, 위성중계 TV, 내비게이션 등의 GPS 정도 일 것 같다. 현재 사용되고 있는 대부분의 위성들은 중궤도 (Medium Earth Orbit, MEO) 또는 정지궤도 (Geostationary orbit, GEO) 위성들이 대부분으로, 거의 고도 20,000 km이상, 정지궤도의 경우 고도 36,000 km 정도에 위치를 한다. 하지만, 최근에 주목을 받고 있는 위성은 이러한 위성들이 아닌 저궤도 (Low Earth Orbit, LEO) 위성들로, 통상적으로 고도 2,000~200 km 정도의 위성들을 이야기한다. 그렇다면, 왜 이러한 저궤도 위성들이 주목을 받고 있을까?

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첫번째 이유는 이러한 저궤도 위성들은 위성의 대표적인 단점을 어느 정도 해소할 수 있기 때문인데, 위성 고도가 매우 낮아지면서, 신호를 주고받기 위한 전파지연 시간이 매우 짧아졌으며, 거리가 줄어들다보니 통신을 위한 채널환경도 좋아지면서, 이 정도 고도의 위성이라면 지상에서의 서비스와 비슷한 수준의 통신 및 인터넷 서비스를 제공할 수 있을 것이라는 기대감이 생겨나기 시작했다.

물론, 극복해야하는 과제도 여전히 존재한다. 통상적으로 GEO 위성은 위성 3개가 있으면 전 지구를 커버할 수 있다고 이야기를 하지만, 위성의 고도가 낮아지는 만큼, LEO위성 하나가 서버스 할 수 있는 커버리지 영역이 매우 좁아지게 되었고, 또 지구에서 낮은 고도를 유지하며 공전하기 위해 위성이 매우 빠른 속도로 지구를 공전하다보니 지상 입장에서 하나의 위성이 연속적으로 서비스 가능한 시간이 길어야 10분 정도로 매우 짧아졌다.

이에 따라서, 자연스럽게 저궤도 위성으로 통신 서비스를 제공하기 위해서는 기존보다 훨씬 더 많은 수의 위성을 배치해야하게 되었다. 이런 상황에서, 위성을 위한 하드웨어 기술들도 발전을 이어갔다. 위성 발사기술이 발전하면서 발사체의 회수기술이 SpaceX를 필두로 상용화되었으며, SpaceX 발표에 따르면 발사체 하나를 최대 100번 정도까지 재활용 할 수 있다고 하는 만큼, 위성 발사 자체에 대한 비용이 획기적으로 줄어들었으며, 위성에서 보다 다양한 기능을 하게 하기 위한 위성 탑제체의 연산능력 역시 발전해오고 있다.

결과적으로, 저궤도 위성을 활용하면 저지연의 서비스가 제공 가능해지고, 위성 발사 비용이 줄면서 더 많은 위성들을 발사하고 배치하는 것이 가능해지면서, 수천 수만개의 위성을 발사해서 궤도에 배치하고 이를 통해 전지구에 인터넷 등의 통신 서비스를 제공하고자하는 "mega-constellation"이 전 세계의 SpaceX, amazon, telesat, oneweb, 그리고 한화 시스템 등의 사업체를 통해서 프로젝트로 진행이 되고 있다. 이미 지구 주변에 8,000개 이상의 위성이 공전을 하고 있다고 알려져있다.
단순히 위성을 올리는 것에만 끝나지 않고, SpaceX의 경우는 단독으로 이미 1,600개 이상의 위성을 배치했으며 이 이 위성들을 통한 인터넷 test 서비스를 시작했고 현재 총 100만명 이상의 구독자가 Starlink를 사용 중이라고 발표했으며,

 더 나아가 휴대폰 직접접속을 위해 T-mobile과 함께 "Coverage Above & Beyond"라는 프로젝트를 진행 중이다.

이 외에도 단말기 제조사들도 저궤도 위성통신에 관심을 갖기 시작했으며, 대표적인 예시로는 애플이 아이폰 14에서 Globalstar와 협업하여 응급상황의 저궤도 통신을 지원하고 있다.

이렇게 기업들의 관심도 높아지고, 실제 상용화가 되고 있는 상황이지만, 대규모 배치된 저궤도 위성들을 활용한 위성 통신 기술은 이제 시작단계이다. 아직 다음 부분에서 설명될 핵심기술이라고 불리는 기술이 개발 및 상용화가 되지 않았기 때문이다.

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현재 위성들은 지상에서 신호를 받아서 그 신호를 다시 지상으로 내려주는 역할을 하고 있다. 하지만, 대규모의 위성이 배치되면서 위성 간 링크 (Inter-Satellite Link, ISL)을 활용할 수 있을 것으로 예상이 되고 있다. 위성 간 링크를 사용했을 경우, 기존의 bent-pipe 구조의 위성보다 종단 간 지연시간을 더 단축시킬 수 있으며, 이는 지상에 현재 배치된 광통신 유선망보다도 더 적은 지연시간을 제공할 수 있을 것으로 기대가 되고 있다. 또한 위성들은 우주공간에 떠 있는 만큼, 채널 영향을 받지 않아서 매우 높은 주파수 대역의 광통신을 사용할 예정이며, 주파수 대역이 높아지는 만큼 매우 높은 data rate을 제공할 수 있을 것이라고 보여지고있다. 이에 대해서 SpaceX 역시 위성 하나 당 4개의 ISL의 활용을 장기 계획에 포함하고 있으며, 현재 극궤도를 도는 위성들에 대해서 ISL 기능을 탑제하여 실증을 하고 있다고 알려져있다.


즉, 위성 간 링크까지 활용하게 된다면, 말 그대로 수천, 수만개의 위성이 서로 연결되어서 지구 전체를 덮는 그물망 형태의 새로운 또 하나의 네트워크를 구성할 수 있게 되며, 이는 기존에 지상에서만 구현이 되어있던 통신 시스템의 3차원으로의 확장을 가져오게 될 것이다.

이러한 큰 그림을 바탕으로 위성을 제조하는 회사들은 이 새로운 범지구적인 시장의 선점을 위해 경쟁을 하고 있으며, 단말기를 제조하는 회사들도 이 새로운 네트워크를 통한 새로운 서비스를 제공하기 위한 노력을 이어가고 있다.

국내로 범위를 한정해서는 이런 말을 많이 한다. "우리나라는 독도 울릉도 까지 전화가 다 잘 터지는 나라인데 왜 우리가 위성을 써야하고 주목해야하냐?" 반은 맞는 말이다. 연구 결과에 따르면, 결국 한반도만을 서비스하기 위해서라도 24시간 내내 서비스가 가능하려면 전 지구를 덮는 전체 위성 배치가 다 필요하다고 한다. 이는 분명 비효율적인 일이 될 것이다. 당장은 우린 위성이 필요가 없다. 하지만, UAM (Urban Air Mobility) 같은 새로운 application이 상용화 되려고 한다면? 특히, UAM과 같은 경우는 기존의 지상 안테나들의 방향을 하늘로 반대로 바꿔야 하는 문제점이 있는데, 이에 대한 challenge가 많다고 한다. 그래서 오히려 차라리 저궤도 위성을 활용하는 경우에 대한 연구도 진행이 되고 있다. 그리고 세계적으로 위성 네트워크가 활성화 되면서 국제 통신이 보편화 된다면? 백번 양보해서 우리는 위성통신을 직접 안 쓴다고 해도, 이 수많은 위성들이 매일 우리의 머리 위를 지나가고 있을 것이다. 적어도 우리는 우리 머리 위를 위성들이 지나갈 때 그 위성들이 무슨 일을 하고 있는지는 모니터링을 할 수 있어야 할 것이고, 이러한 최소한의 역할을 위해서라도 국내에서도 위성 산업에 대한 팔로우업은 필수적이다.