초저궤도 위성과 6G..

6G로 가야하는 명분을 마련하려고 이런 저런 이유를 찾다가 마침내 초저궤도 위성 (very low earch orbit satelite) 얘기를 하는 모양이다. 물론 이 이야기를 시작한지는 매우 오래되었다. 그런 이유로 쉽게 검색이 되는 내용이다. 5G에서는 low latency, very high frequency range의 통신이 되게 하려고 했다더니 6G에서는 케케묵은 위성통신 이야기가 나오는 거다. 꺼내다 꺼내다 꺼낼 게 없으니 나온 것 아닐까 하는 생각인데, 세계가 하나의 통신 시스템으로 글로벌하게 굴러가기 위해서란다. 이미 3G에서 아니 1G라고 할 수 있는 GSM (Global System for Mobile communications)에서 전세계를 타겟으로 한 디지털 통신은 제안되었는데 이게 육지에 한정된 거라 아예 상공에 위성을 띄워서 전지구의 모든 영역을 커버하겠다 이런 이야기 같다.

2006-7년경에 4G 스펙을 열심히 만들고 마찬가지로 2016-7년쯤에 5G를 열심히 얘기하고 상용화는 그렇게 1년 이후로 시작되서 대략 2010/2020년 경에 peak를 쳤으니까 (2020년은 팬대믹때문에 기대만큼은 아니었지만) 같은 맥락으로보면 2026년경 쯤에 열심히 표준화를 시작하겠지 싶은데 그렇게 따져보면 지금은 이 바닥의 춘궁기랄까. 6G로 가기 전에 휴지기랄까. 그쯤 되는 것 같다.

대충 찾아보니 초저궤도라 함은 지상으로 부터 대략 400km 이내의 거리를 갖는 궤도라고 하는데 이걸 쳐다보는 이유는 지상으로부터 너무 멀지 않으니까 위성통신의 가장 큰 문제점인 latency가 줄어들기 때문이라고 볼 수 있을 것 같다. spaceX에서 띄운 위성들을 생각해서 하는 말인가 싶어서 검색해보면 starlink의 위성들은 고도 550km 정도에 위치하고 있다니까 그것보다도 더 낮은 고도에 띄울 위성인가보다 할 수 있는 거다.

일단 위성 통신은 주파수만 적당하면, 그러니까 수분 때문에 전파강도가 약해지지지 않는, 최소한 덜 약해지는, 그런 주파수 영역대라면 상공이 잘 보이는 지역에서는 아무런 장애물 없이 통신을 할 수 있으니까 우리가 흔히 아는 이동통신처럼 multipath/doppler shift 따위의 영향을 한결 덜 받게 되는 거다.

그런데 상공에 떠있는 위성과의 거리가 대략 400km라고 보면 위성과 수직거리로 왕복해서 바로 옆에 있는 사람과 통신한다고 보면 최소 2.666msec의 latency를 갖게 된다. 사실 4G/5G를 생각해보면 2.667msec의 latency는 심하지 않다고 볼 수 있으니까, 또 궤도를 더 낮추면 latency가 더 줄어들 수 있으니까 뭔가 먹히는 이야기가 될 수 있을 것 같다.

또 위성이 하늘 높은 곳에 떠올려져 있으니까 안테나의 gain pattern을 생각하지 않고 본다면 엄청나게 많은 영역을 커버할 수 있다. 지구를 완전한 구형으로 보고 반지름을 6,371km라고 놓고 계산하면 위성이 바라보는 지평선의 끝에 있는 사용자와는 2,293km까지 볼 수 있고 지상이 평평하다고 가정하면 대략 pi*2157.5^2 km^2의 영역을 커버할 수 있게 된다. 좀 과한 계산인데 이렇게 되면 대충 왕복하는 latency가 15msec이 넘어가는 문제가 생기니까 어쩔 수 없이 서비스 영역을 좁혀야 될 것 같다. 이것은 여러 가지 방법(흔히 beam을 컨트롤 하는 방법)을 사용해서 가능하게 할 수 있으니까.

결국 서비스 영역을 좁혀서 같은 주파수 혹은 한정된 주파수 자원으로 통신하려니 수 많은 영역과 충돌하지 않게끔 frequency reuse를 한다든가 이를테면 영역 단위 (위성에서 보면 beam 단위)로 서로 충돌하지 않게끔 hopping을 한다거나 mutually non-interfering(exclusive?)하게 만들어주는 precoding을 걸어주는 방법을 생각하거나 하는 식으로 특허를 이미 수도 없이 등록해놓지 않았을까 싶다.

뭐 어쨌든 전파가 직선 거리로 왕래하는 통신을 할 수 있으니까 위성이 너무 멀리 떨어져 있지만 않다면 되는 거고 서비스 품질 (latency)을 너무 높이려고만 하지 않는다면, 그러니까 적어도 real time으로 게임이나 gig을 한다거나 하지만 않는다면 메리트가 있어보이긴 한다. 뭘로 보든 지상에 있는 사람들끼리 전화통화를 하는 것 보다는 케이블이 닿기 힘든 지역에 인터넷을 보급한다든가 하는 데 더 큰 의미가 있지 싶은데, 미국에서처럼 4G나 5G가 가정용 인터넷 보급에 이용되고 있는 행태를 보면 좀 더 말이 된다.

그러니까, 엄청나게 큰 대역폭을 써서 지상의 수많은 인터넷 접속자들을 커버하겠다는 계획을 이루기 위한 수단이랄까? 저궤도로 가면 지상에서 움직이는 사람들과 지구 자체의 자전 때문에 위성에서 보기에는 지상의 물체들이 매우 빠르게 이동하는 것처럼 된다기에 그것을 고려한 신호처리가 필요하다는 식으로 이야기한다.

그런데 따지고 보면 기지국이 팔려나가는 것처럼 많은 위성 통신 시스템이 제작될까? 엄청나게 많은 위성들이 떠올려지게 될까 등등을 생각하면 이 쪽 분야의 사업이 과연 잘될까 하는 의문은 생기게 된다. 어차피 air interface는 지상과 위성네트워크간에 다르게 정의될 것 같고 (적어도 대부분 유사하나 동작 주파수 및 중요한 값 몇 가지가 다른) 그래서 하나의 시스템으로 둘 다 다커버할 수 있게끔 할 것 같으니 완전히 소외되거나 하진 않겠지만.