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HAPS and Artificial Satellites Unlocking the Non-Terrestrial Network Era of Beyond 5G/6G
비지상파 네트워크(NTN)란 무엇인가요?
비지상파 네트워크(NTN)는 이동 통신과 같은 애플리케이션에 사용되는 무선 통신 네트워크의 한 유형입니다. 이 용어는 지상 기지국, 해상 선박, 고고도 플랫폼 스테이션(HAPS), 우주의 통신 위성을 연결하는 다층 네트워크를 의미합니다.
이러한 특성 덕분에 NTN은 육상 기반 네트워크의 한계를 극복하고 산간 계곡이나 육지에서 멀리 떨어진 바다 지역까지 통신 인프라의 범위를 획기적으로 확장할 수 있습니다.
이 글에서는 비지상 네트워크 중에서도 육지와 바다보다 훨씬 높은 고도에 있는 무선 통신 네트워크에 초점을 맞춥니다. 차세대 통신 표준인 비욘드 5G(5세대 이동통신 시스템, B5G)/6G(6세대 이동통신 시스템)의 도래에 대비하여 성층권 및 우주 공간에서의 비지상파 네트워크 개발 계획의 일환으로 연구개발, 테스트 베드 및 시연이 시작되고 있습니다.
성층권에서 우주까지. 비지상파 네트워크(NTN)의 구성 및 특징.
그림 1에서 볼 수 있듯이 우리 상공에 구축된 비지상망은 고도가 높을수록 더 넓은 커버리지 영역에 해당하는 다양한 유형의 전송 장비로 구성됩니다. 당연히 지표면과의 거리가 멀어질수록 신호 지연이 커지고, 우주 공간이나 성층권, 지상 등 위치에 따라 다양한 유형의 전송 장비가 다른 용도로 사용되게 됩니다. 이를 통해 이전보다 더 넓은 커버리지 범위를 가진 통신 인프라를 구축할 수 있게 되어 "지구상의 어느 곳도 통신 범위에서 벗어난 곳이 없다"고 말할 수 있게 될 것입니다.
아래에서는 그림 1에 표시된 비지상 네트워크를 구성하는 인공위성(GEO 및 LEO)과 무인 항공기(HAPS)의 개요와 기능에 대해 설명합니다.
정지궤도 위성(GEO)
정지궤도 위성 또는 정지궤도 지구 궤도 위성(GEO)은 가장 높은 고도에서 작동하는 B5G/6G용 비지상파 네트워크의 구성 요소입니다. 이 인공 위성은 지구 적도 상공 약 36,000km 상공에 위치합니다. 지구의 자전 속도와 일치하는 속도로 지구 궤도를 돌기 때문에 지상의 특정 지점 위에 정지한 것처럼 보입니다. 일반적으로 넓은 지역의 기상 조건을 기반으로 날씨를 예측하는 기상 위성이 이 위성의 범주에 속합니다.
통신 네트워크에 사용되는 GEO 위성은 높은 고도에서 작동하기 때문에 넓은 지역과 통신할 수 있습니다. 이러한 위성은 서너 개만 있으면 지구 표면 전체를 커버할 수 있다고 합니다. 하지만 지상에서 멀리 떨어져 있기 때문에 다른 종류의 전송 장비보다 데이터 전송 지연이 크고, 데이터 전송 속도는 일반적으로 초당 수 메가비트(Mbps) 정도라고 합니다. 또한 지구 표면으로 신호를 보내려면 높은 출력이 필요하기 때문에 GEO는 아래에서 설명하는 저지구궤도 위성(LEO)보다 더 큰 경향이 있으며 궤도에 쏘아 올리려면 더 큰 로켓이 필요합니다.
저지구 궤도 위성(LEO)
저지구궤도 위성(LEO)은 우주에서 작동하는 인공위성의 일종으로, 일반적으로 수백~2,000km의 고도에서 GEO보다 낮은 지구 궤도*1에서 작동합니다. 정지궤도 위성(GEO)과 달리 지구의 자전과 동기화되지 않습니다.
허블 망원경과 국제우주정거장(ISS)도 기껏해야 약 400km의 낮은 지구 궤도를 사용하여 낮은 고도에서 작동합니다. 그러나 NTN에 사용되는 LEO는 약 천 수백 킬로미터의 고도에 위치할 것으로 알려져 있습니다.
LEO는 GEO보다 낮은 고도에서 작동하므로 지연이 적고 저출력 신호를 사용하여 데이터를 전송할 수 있습니다. 또한 이러한 위성은 더 작은 크기를 가질 수 있습니다. LEO는 지구 표면과의 통신 속도가 초당 수백 메가비트(Mbps)를 지원하기 때문에 스마트폰 단말기와 위성이 직접 통신하는 서비스에 활용될 수 있다고 합니다.
반면, 저궤도위성은 GEO보다 낮은 고도에서 운영되기 때문에 각 위성의 커버리지 영역이 좁고, 지구 저궤도에서 운영되는 위성은 궤도 속도가 더 빠릅니다. 따라서 이러한 조건에서 안정적인 통신을 제공하기 위해서는 여러 개의 소형 LEO 위성이 협력하여 운용되는 '위성 군집'을 활용할 필요가 있습니다. "별자리"라는 용어는 별의 별자리를 가리키는 것으로, LEO의 조정된 그룹을 지칭할 때 사용됩니다.
*1 "지구 궤도"의 정의는 국가와 기관에 따라 다릅니다. 예를 들어 유럽우주국(ESA)은 지구 궤도를 최대 1,000km의 고도에서 지구를 도는 것으로 정의하는 반면, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 최대 2,000km의 고도를 지정하고 있습니다.
고고도 플랫폼 스테이션(HAPS)
성층권 통신 플랫폼이라고도 불리는 고고도 플랫폼 스테이션(HAPS)은 고도 약 20km의 성층권을 비행하는 무인 항공기(일부는 비행기와 비슷하고 일부는 풍선이나 비행선 형태)로서 공중 통신 기지국 역할을 합니다.
일반적으로 여객기는 최대 약 10km의 고도까지 도달할 수 있으며, HAPS가 작동하는 성층권의 범위는 그보다 약 2배 정도 높습니다. 이 고도에서는 기류와 기상 조건이 비교적 안정적이며 공기 저항이 거의 없습니다. 공기 밀도가 무인 항공기가 필요한 동적 양력을 달성하는 데 필요한 것보다 낮기 때문에 작동하는 HAPS 모델은 한 번에 몇 주 동안 지속적으로 공중에 머물 수 있는 태양 전지판이나 배터리를 탑재할 것이라고 합니다.
일반적으로 지상 기지국의 커버리지 영역이 반경 수 킬로미터에서 수십 킬로미터에 이르는 반면, 단일 HAPS는 반경 약 100킬로미터에 이르는 커버리지 영역을 가질 가능성이 높습니다. 또한 우주에서 운용되는 인공위성보다 지구 표면에 더 가깝기 때문에 데이터 전송 지연이 최소화되어 B5G/6G의 새로운 통신 인프라에서 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다. 다만, 성층권은 우주 공간과 달리 각국의 영공을 차지하고 있기 때문에 각국의 법적 프레임워크 구축이 HAPS의 국제적 구현과 통신 서비스 제공의 관건이라고 할 수 있습니다.
B5G/6G를 위한 비지상파 네트워크(NTN)의 장점과 동향
마지막으로 비지상파 네트워크의 장점과 동향에 대해 알아보겠습니다.
비지상파 네트워크(NTN)의 장점
지상 네트워크와 달리 성층권 및 우주 공간에서 작동하는 요소로 구성된 비지상 네트워크의 가장 큰 장점은 지진이나 쓰나미와 같은 자연재해의 영향을 상대적으로 덜 받는 통신 인프라를 제공할 수 있다는 점입니다.
또한 지구상의 어느 곳도 도달 범위에서 벗어날 수 없을 정도로 커버리지 영역을 획기적으로 확장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이를 통해 사람들은 산간 계곡이나 바다와 같이 기존에 통신이 어려웠던 곳에서도 긴급 상황에서 스마트폰으로 통신할 수 있게 될 것입니다.
이에 따라 자연재해나 사고 등 긴급 상황에서도 장소에 구애받지 않고 통신 인프라를 유지할 수 있고, 산속이나 해상 이동 중에도 끊김 없이 이동통신망을 더욱 넓은 지역으로 확장할 수 있게 될 것입니다.
비지상파 네트워크(NTN) 동향
비지상파 네트워크의 가장 큰 특징은 민간 기업의 적극적인 참여가 두드러진다는 점입니다. 과거에는 대부분의 우주 프로젝트가 국가 주도로 진행되었지만, 최근에는 하드웨어 분야뿐만 아니라 통신 서비스 등의 분야에서 전 세계의 다양한 기업들이 협력하여 비지상파 네트워크 사업을 포함한 항공 우주 프로젝트에 참여하고 있습니다.
인공위성 및 인공위성과 이에 사용되는 부품, 탑재된 통신 장비(페이로드)의 개발 및 제조가 그 예입니다. 이러한 사업에는 인공위성을 우주로 운반하는 로켓을 운영하는 기업을 포함하여 다양한 기업이 참여하고 있습니다. 특히, 차세대 이동통신 분야인 B5G/6G는 전 세계 시장을 대상으로 하는 기업들이 빠르게 성장하고 있는 분야입니다.
무라타제작소는 다양한 무선 통신 모듈을 개발 및 제조하고 있습니다. 이러한 노력의 일환으로 비지상파 네트워크(NTN)와 호환되는 연결 모듈을 포함하여 변화하는 요구 사항을 충족하는 제품을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 아래 링크된 페이지를 참조하세요.
