무선 광통신

OWC(Optical Wireless Communications: 무선 광통신)는 우수한 대역폭 성능과 고속 데이터 송신을 제공하는 광통신 기술입니다. OWC는 적외선(IR), 가시광, 자외선(UV) 스펙트럼의 광파를 사용하여 데이터를 무선으로 송신합니다. 시스템이 광신호를 변조하면, 변조된 광신호가 자유 공간을 통과하여 수신기에 도달하고, 수신기는 도달한 신호를 복조합니다. OWC는 매우 빠른 속도와 향상된 보안을 제공하고 간섭을 줄임으로써, 증가하는 고속 데이터 송신 수요에 대한 해결책을 제시합니다. 이러한 특성 덕분에 OWC는 지구 저궤도를 도는 위성 간 링크와 같이 높은 대역폭과 안전한 통신이 필요한 환경에 이상적입니다. 안전하고 비용 효율적인 데이터 전송이 필요한 도시 지역부터 심우주 임무에 이르기까지 다양한 시나리오에서 OWC를 광범위하게 배포할 수 있습니다. 자유 공간을 통해 송신되는 데이터는 초당 최대 200기가비트(Gbps)의 속도를 달성할 수 있습니다.[8] 이 페이지에서는 OWC의 주요 분류인 자유 공간 광통신(FSOC)과 심우주 광통신(DSOC)의 핵심 구성요소, 기능, 작동 원리를 살펴봅니다.

OWC 시스템은 고속 데이터 전송이 가능하며 RF 시스템보다 전력 효율이 높습니다. OWC 시스템은 일반적으로 1–10와트 수준의 전력으로 작동하는 반면, RF 송신기는 유사한 데이터 속도를 내기 위해 100–1000와트의 전력이 필요합니다. 따라서 고해상도 이미지와 비디오 같은 기가바이트급 데이터를 송신할 때 속도와 효율성이 향상됩니다. OWC는 복사의 좁은 빔 발산으로 인해 높은 이득을 제공하며, 변조 대역폭을 통해 정보 전송 용량을 크게 증가시킵니다. 광 주파수에서 사용 가능한 대역폭은 THz 수준으로, 일반적인 RF 반송파의 약 10³배에 달합니다. OWC 시스템은 비면허 스펙트럼(unlicensed spectrum)에서 작동하므로 초기 설치 비용과 개발 시간이 단축됩니다. 이는 통신 효율성, 신뢰성, 비용 효율성을 향상시켜 더 도전적인 우주 임무를 수행할 수 있게 합니다. OWC는 좁은 광선 빔을 사용하기 때문에 가로채거나 도청하기가 어려워, RF 시스템보다 더 안전한 통신 채널을 제공하며 도청의 위험을 크게 줄입니다. 케이블을 사용해야 하는 FOC(Fiber Optic Communications: 광섬유 통신)와 달리, OWC는 자유 공간을 통해 무선 데이터를 송신할 수 있는 유연성이 장점입니다.

다음 그림은 다양한 환경에서 활용되는 범용 글로벌 무선 광 네트워크를 설명합니다. 그림에서 위성과 우주선 간의 우주 기반 링크는 주황색으로 표시되고, 기지국, 지상국, 이동체 간의 지상 기반 연결은 검은색으로 표시되어 있습니다. 모든 링크는 양방향입니다.

OWC links between different objects.

지구 대기에는 구름, 난류, 에어로졸 등 신호를 흡수하거나 약화시키는 요인이 있어 OWC 시스템의 성능 저하를 유발합니다. 이처럼 대기로 인한 저하에 대응하기 위해, OWC 시스템은 파장 다이버시티를 사용하는 등의 다양한 기법을 활용하여 대기 흡수의 영향을 줄입니다. 지상국이 지구의 여러 지역에 널리 흩어져 위치할수록 우주선과의 LOS(line-of-site: 가시선)를 유지할 수 있는 가능성이 높아져서 데이터를 지속적으로 송신할 수 있게 됩니다. OWC 시스템은 실시간 기상 데이터를 활용하여 신호 품질에 영향을 줄 수 있는 대기 상태를 예측합니다. 이 실시간 데이터를 통합하면 빔 방향 및 전력과 같은 송신 파라미터를 동적으로 조정하여 간섭을 완화하고 안정적인 통신 링크를 유지할 수 있습니다. 또한 OWC 시스템은 지향 정확도와 구름 양에 대한 민감성 등 통신 링크를 방해할 수 있는 문제에도 직면합니다. 송신기와 수신기 간의 정렬을 유지하기 위해서는 PAT(pointing, acquisition, tracking: 지향, 포착, 추적)가 중요하며, 정렬이 어긋나면 통신 링크가 크게 저하될 수 있습니다.

동작 대역

OWC는 자유 공간을 매개로 신호를 송신하며, 파장 스펙트럼 내의 유도되지 않은 가시광, 적외선(IR), 자외선(UV)을 사용합니다.

UV 스펙트럼 — UV의 파장 범위는 10nm ~ 400nm(30PHz ~ 750THz)입니다. 다른 빛에 비해 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 갖기 때문에 UV는 더 먼 거리에서 신호를 더 효과적으로 송신합니다. UV 스펙트럼은 비가시선(non-LOS) 환경에서 산란과 흡수가 적은 특성을 가지기 때문에 보안 통신 응용 분야에서 자주 사용됩니다.
가시광 스펙트럼 — 가시광의 파장 범위는 380nm ~ 750nm(790THz ~ 400THz)입니다. 이 범위는 단거리 응용 분야에서 선호됩니다. 가시광 통신(VLC)은 무선 근거리 통신망(WLAN)[10], 무선 개인 통신망(WPAN)[11], 차량 네트워크 등 다양한 응용 분야에서 단거리 데이터 송신에 가시광을 사용합니다.
IR 스펙트럼 — IR의 파장 범위는 750nm ~ 1mm(430THz ~ 300GHz)입니다. IR 스펙트럼은 의료 응용 분야, 원격탐사, IR 분광학에 사용됩니다. IR 스펙트럼의 경우 모든 파장이 사람의 눈에 안전한 것은 아니므로, 인체 노출 가능성이 있는 상황에서는 위험을 최소화하는 파장을 선택해야 합니다.
FOC는 850nm ~ 1550nm 범위에서 작동하므로 관련 장비를 손쉽게 FSOC 시스템과 DSOC 시스템에 재사용할 수 있습니다. FSOC 및 DSOC는 스펙트럼의 850nm, 1064nm, 1550nm 파장을 주로 사용합니다. FSOC 시스템은 일반적으로 단거리와 중거리의 점-대-점(point-to-point) 지상 통신에 IR 광선을 사용합니다.

FSOC(Free Space Optical Communications: 자유 공간 광통신)

FSOC 시스템은 빛의 펄스를 사용하여 개방된 공간(open space)을 통해 데이터를 무선으로 송신함으로써, 다양한 거리에서 고속 통신을 가능하게 합니다. 이 시스템은 위성 간 링크, 위성-지상(satellite-to-ground) 통신, 지상-위성(ground-to-satellite) 통신, 지상(terrestrial) 통신에 사용되며 단거리와 중거리에서 더 효과적입니다. FSOC 기법은 렌즈나 포물면 거울로 광선 빔을 제한하여 수신기를 향하도록 방향을 조절합니다. 수신기에 도달하면 렌즈나 거울이 레이저 광선을 포착하여 광검출기와 같은 광학 센서에 초점을 맞춘 다음, 추가 처리를 위해 전기 신호를 출력합니다. FSOC의 동작 대역은 파장 780nm에서 1600nm 사이이며, 이는 약 187.5THz에서 384THz의 주파수 범위에 해당합니다. FSOC 시스템은 일반적으로 세 가지 특정 파장, 즉 850nm, 1064nm, 1310nm에서 1550nm 범위의 파장을 사용합니다.

FSOC는 케이블이 필요 없으므로 인프라 및 설치 비용을 절감하며, 도시 지역이나 케이블 설치가 실용적이지 않은 장소에 이상적입니다. 그러나 장애물이 있는 환경이나 동적 환경에서는 신호가 저하될 수 있습니다.

FSOC는 지상, 우주 기반, 우주-지상/지상-우주의 세 가지 범주로 분류됩니다.

Classification of free space optical communications.

지상(Terrestrial) — 지상에서의 사용을 중점으로 하여, 실내 및 실외 통신 시스템으로 구성되어 있습니다. 건물 내부에서의 단거리 FSOC 데이터 전송이 실내 FSOC 시스템의 가장 일반적인 응용 사례 중 하나입니다. 주요 응용 사례로는 여러 서버 랙 내 통신 및 건물 내 통신을 포함하여 보안 데이터 센터의 고속 무선망이 있습니다[9].
우주 기반(Space-based) — FSOC에는 두 가지 유형의 우주 기반 통신, 즉 위성-위성(satellite-to-satellite) 통신과 DSOC가 포함됩니다. 위성-위성 시스템은 지구 대기권 상공에서 작동하므로 대류권 및 전리층 효과의 간섭을 피할 수 있습니다. DSOC는 우주-우주(space-to-space) 및 지상-우주(ground-to-space) 통신을 모두 포함하며, 해당되는 경우 대기 영향을 처리합니다.
우주-지상(Space-to-ground) 및 지상-우주(ground-to-space) — 이 통신에서는 대기 간섭이 발생하며, 위성의 고도에 따라 분류됩니다. LEO 위성은 주로 인터넷 서비스, 지구 관측 영상(Earth imaging) 같은 빠른 데이터 전송에 사용됩니다. MEO(지구 중궤도) 위성은 위성군을 이용해 정확한 측위와 타이밍을 제공하는 우주 기반 무선통신 항법 인프라인 GPS 같은 내비게이션 시스템을 지원합니다. GEO(정지궤도) 위성은 특정 위치 상공에 머무르며 TV 방송과 기상 모니터링을 지원합니다. DSOC는 지구에서 수 광년 떨어진 임무와의 장거리 상호 작용을 관리하므로 신호 지연을 처리하는 고급 기법이 필요합니다.

작동 원리

FSOC 시스템은 송신기 모듈, 자유 공간 대기 채널, 수신기 모듈의 세 가지 서브시스템으로 구성됩니다. FSOC는 전기 신호를 광신호로 변환한 후, 레이저나 발광 다이오드(LED) 소스를 사용하여 대기를 통해 송신하고, 수신기에서 다시 전기 신호로 재변환하는 방식으로 작동합니다.

Block diagram of FSOC system.

다음 섹션에서는 송신기 모듈, FSOC 변조 방식, 자유 공간 대기 채널, 검출기 유형, 수신기 모듈, PAT 기법에 대한 자세한 설명을 제공합니다.

송신기 모듈

FSOC 송신기 모듈은 신호 처리 및 광학 컴포넌트를 통해 통신을 시작합니다. 입력 메시지는 송신할 정보로 구성되며, 디지털 또는 아날로그 데이터 형식일 수 있습니다. 변조기는 메시지를 수신하면 해당 입력 신호를 광 송신에 적합하도록 처리합니다. 변조기는 신호를 구동 회로로 전송하고, 구동 회로는 온도 변화에 대응하여 광원 출력 복사를 제어하고 안정화하여 신호 품질과 신뢰성을 보장합니다. 그런 다음 구동 회로는 레이저 다이오드나 LED를 사용하여 광원에 전력을 공급합니다. 일반적으로 레이저 다이오드가 코히어런스가 유지되는 고강도 광선을 생성하므로 더 선호됩니다. 광원은 빛을 송신기 광학 장치로 송신하고, 여기서 시준기(콜리메이터)와 망원경이 광선을 모아 시준(collimate)합니다. 시준기는 빛을 정렬하고 초점을 맞춰 평행한 빔으로 만들어 주는 광학 장치입니다.

변조 기법

위성 기반 FSOC에서 널리 사용되는 변조 기법에는 다음이 포함됩니다.

PPM(Pulse position modulation: 펄스 위치 변조) — PPM에서는 미리 정해진 시간 슬롯 내에서 단일 펄스의 위치를 변경하여 서로 다른 데이터 값을 표현하는 방식으로 데이터를 인코딩합니다. 이 변조 방식은 다른 방식에 비해 데이터를 송신할 때 전력 소모가 훨씬 적어 전력 효율이 높습니다. 따라서 이 방식은 심우주 통신과 같이 에너지 제약이 있는 시스템에 적합합니다. 그러나 PPM은 OOK(온-오프 변조)나 PAM(펄스 진폭 변조) 같은 다른 변조 기법보다 더 많은 대역폭을 필요로 합니다.
OOK-NRZ(On-off keying non-return-to-zero: 온-오프 변조 비제로 복귀) 변조 — OOK-NRZ에서는 데이터가 광 펄스의 존재 여부로 표현됩니다. 이 변조 기법은 간단하고 비용 효율적이므로 단거리 또는 중거리 위성 통신에 적합합니다. 하지만 PPM에 비해 전력 효율이 떨어지고 잡음과 간섭에 더 취약할 수 있습니다.

자유 공간 대기 채널

FSOC 신호는 대기를 통과해야 하며, 수신기에 도달할 때까지 여러 가지 요인으로 인해 품질이 저하됩니다.

흡수는 수증기, 먼지, 에어로졸과 같은 대기 성분이 FSOC 신호의 일부를 흡수할 때 발생합니다. 이로 인해 에너지 손실이 발생하여 신호가 대기를 통과하면서 신호의 강도가 감소합니다. 흡수된 에너지는 열 등의 다른 형태로 변환되어 신호 전력을 더욱 감소시킵니다.
이에 대한 예제는 Optical Satellite Communication Link Budget Analysis 항목을 참조하십시오. 이 예제에서는 광통신의 링크 버짓을 분석하여 업링크 신호와 다운링크 신호에 대한 흡수 및 산란과 같은 대기 효과를 보여줍니다.
산란은 대기 중의 수증기, 먼지, 에어로졸과 같은 입자가 FSOC 신호와 상호 작용할 때 발생합니다. 이러한 상호 작용은 신호의 분포를 변화시켜 왜곡이나 약화를 유발합니다. 산란은 에너지 손실과 신호 강도 감소로 이어져 신호가 의도한 목적지에 최대 전력으로 도달하기 어렵게 만들 수 있습니다.
대기 중의 난류는 주로 온도와 기압의 변화에서 오는 고르지 않은 대기 상태로 인해 발생합니다. 이러한 난류는 FSOC 신호의 무작위적인 변화(신틸레이션 현상)를 초래하여 신호 강도의 변동을 유발합니다. 광 빔이 난류를 통과하면서 방향과 확산이 달라질 수 있으며, 이로 인해 목적지에서 수신되는 총 전력이 감소할 수 있습니다. 난류를 모델링하는 채널 모델에는 로그 정규분포, 음의 지수 분포, 감마 분포 등이 있습니다.

수신기 모듈

수신기 모듈은 광신호에서 캡처한 빛을 처리하여 송신된 데이터를 복구합니다. 이 과정은 수신기 광학 장치에서 시작되는데, 이 장치는 일종의 망원경처럼 작동하면서 외부 소스에서 들어오는 광선을 모으고 초점을 맞춥니다. 신호가 추출되면 빛은 두 가지 주요 기능을 수행하는 광학 필터를 통과합니다. 먼저 신호를 저하시키고 목적지에 도달하는 것을 방해할 수 있는 원치 않는 배경 복사와 주변광을 필터링한 다음, 송신된 신호의 특정 파장을 분리합니다. 이 과정은 전체 시스템의 신호 대 잡음비를 개선합니다. 이 단계는 특히 다양한 대기 상태에서 통신 품질을 유지하는 데 중요합니다.

그런 다음 시스템은 필터링된 광신호를 반도체 광다이오드인 광검출기로 보내며, 광검출기는 광신호를 전기 신호로 변환합니다. 광검출기가 클수록 응답하는 데 시간이 오래 걸리므로 광검출기는 작아야 합니다. 원하는 시스템 감도(sensitivity)에 따라 시스템은 표준 광다이오드나 APD를 사용합니다. 다음으로 복조기는 검출된 신호를 처리하여 채널 왜곡을 제거하고 변조된 신호에서 원래 데이터를 복구합니다. CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems) HPE(High Photon Efficiency) TM(Telemetry) 종단 간 광 링크에서 블록 오류율(BER)을 측정하는 방법의 예제는 End-to-End CCSDS High Photon Efficiency Telemetry Optical Link Simulation 항목을 참조하십시오.

PAT(Pointing, Acquisition, Tracking: 지향, 포착, 추적)

FSOC 시스템이 지상 통신과 위성 통신에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 통신 링크를 구축하려면 PAT 메커니즘이 필요합니다. PAT 작업은 송신 노드와 수신 노드 사이의 광 빔을 고정밀도로 정확하게 정렬하고 유지합니다.

다음 그림은 CCSDS HDR(고속 데이터 전송) 링크와 SDA(Space Development Agency) 사양에 사용되는 FSOC 시스템의 PAT 프로세스를 보여줍니다. PAT 프로세스의 목표는 송신기인 중앙 터미널(C)과 수신기인 주변 터미널(P) 간에 안정적인 광 링크를 구축하는 것입니다. 적절한 PAT는 고품질 데이터 송신에 필수적인 안정적인 링크 구축을 보장합니다. 초기에는 송신기와 수신기 모두 오정렬로 인해 지향 오차가 발생할 수 있습니다. 광 빔은 빔폭이 매우 좁기 때문에 이러한 오차는 신호 손실로 이어질 수 있습니다. 약간의 오정렬도 신호 강도를 크게 감소시킬 수 있으므로 최대 수신 전력을 보장하려면 지향이 매우 정확해야 합니다.

PAT operation

PAT 프로세스는 세 단계로 구성됩니다.

지향(Pointing) — 이 단계에서는 중앙 터미널과 주변 터미널 모두에서 지향 오차를 식별하고 수정하여 광 빔이 수신기를 향하도록 합니다.
거친 포착(Coarse acquisition) — 이 단계는 두 개의 하위 단계로 구성됩니다.
- 1단계 — 시스템이 넓은 원뿔형 빔 패턴을 사용하여 터미널 간의 초기 접촉을 효과적으로 찾고 포착하며, 이때는 어느 정도 큰 지향 오차를 허용합니다.
- 2단계 — 터미널이 정렬을 개선하기 시작하면 빔 원뿔을 좁혀 탐색 영역을 줄여서 정밀한 포착을 준비합니다.
정밀 포착(Fine acquisition) — 이 단계에서는 중앙 터미널과 주변 터미널이 방향을 조정하여 고속 데이터 전송을 위한 정밀한 광학 연결을 설정합니다. 터미널은 분해능을 개선하고 지향 오차를 최소화하기 위해 빔을 줄이며, 거의 완벽한 정렬을 위해 더 세밀한 단위로 조정합니다. 이 정밀한 정렬은 광 빔을 포착하여 신호 수신을 개선합니다. 이 과정에서 중앙 터미널과 주변 터미널 모두 추적 중에 지속적으로 위치를 조정하여 광신호를 유지하고 통신이 중단되지 않도록 합니다.

이 모든 단계 동안 시스템은 설정된 광 링크를 유지하기 위해 지속적인 추적을 수행합니다.

초기 포착 시에는 PAT 비콘이 다양한 파장을 사용합니다. 넓은 발산각을 사용하여 터미널이 광 비콘을 더욱 효율적으로 탐색할 수 있게 합니다. 적절한 하드웨어와 최적화된 제어 알고리즘을 통해 높은 대역폭과 우수한 안정성을 확보함으로써 FSOC는 안정적이고 높은 대역폭의 광 링크를 구축할 수 있습니다. PAT 메커니즘은 데이터 송신의 신뢰성을 유지하면서도 전력 소비를 효율적으로 관리하는 데 도움이 됩니다.

검출기

검출기는 대기 채널 상태에 의해 감쇠되고 왜곡된 약한 신호를 포착하고 증폭하는 역할을 합니다. FSOC 시스템의 주요 검출기로는 APD(avalanche photodiode: 애벌런치 광다이오드), PMT(photomultiplier tube: 광전자 증배관), SNSPD(superconducting nanowire single-photon detector: 초전도 나노와이어 단일광자 검출기)가 있습니다. 광검출기에서 수신되는 광자 수는 일반적으로 신호 광자와 잡음 광자를 모두 고려하여 심우주 통신에서 광자 계수 효과를 시뮬레이션하는 푸아송 채널을 사용하여 모델링됩니다. 자세한 내용은 dsocPoissonChannel을 참조하십시오.

APD — APD는 충격 이온화(impact ionization)와 결합된 대역 간 여자(interband excitation)를 통해 빛을 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자입니다. APD는 고속 및 저조도 운용 환경에 매우 적합하며, 특히 위성과 심우주 통신과 같이 장거리에서 발생하는 약한 광신호를 검출하도록 설계되었습니다. 웹 가우시안 채널 모델은 다양한 조건에서 광검출기 잡음과 성능을 모델링하여 APD 분석을 향상시킵니다. 자세한 내용은 dsocWebbGaussianChannel을 참조하십시오.
PMT — PMT는 포토캐소드와 다이노드로 구성됩니다. 다이노드는 약한 광신호를 증폭하기 위해 함께 작동하는 전자 개수를 늘리도록 설계된 전극입니다. 광자가 포토캐소드에 부딪히면 전자를 방출합니다. 그러면 고전압 전기장이 이 전자를 일련의 다이노드 쪽으로 가속시켜 큰 신호 증폭을 일으킵니다. PMT는 감도가 높기 때문에 광신호가 매우 약할 수 있는 심우주 임무에 유용합니다.
SNSPD — SNSPD 검출기는 전체 광학 스펙트럼과 근적외선 스펙트럼에서 단일 광자를 검출하도록 설계되었습니다. 이 센서는 임계 전류 바로 아래에서 바이어스된 나노와이어 초전도체를 사용하여 초전도 상태를 유지합니다. 광자가 흡수되면 국소 온도가 상승하여 검출 가능한 전압 펄스가 생성되고 이를 통해 광자의 검출을 알 수 있습니다. SNSPD는 감도가 높아서 매우 약한 신호도 포착할 수 있으며, 입사광이 없을 때의 오검출 이벤트 횟수를 측정하는 암계수율(dark count rate)이 낮기 때문에 신호 강도가 중요한 까다로운 환경에서 데이터 송신의 무결성과 신뢰성이 향상됩니다.

DSOC(Deep Space Optical Communications: 심우주 광통신)

DSOC는 FSOC를 확장한 것으로, 둘 다 빛을 통해 데이터를 송신하는 유사한 기술을 사용합니다. 그러나 FSOC는 주로 지구 근처의 응용 분야를 위해 설계된 반면, DSOC는 심우주 임무에 중점을 두어 광대한 거리에서도 데이터 송신을 가능하게 합니다. DSOC는 레이저 빔을 이용해 우주선과 지상국 사이에서 광대한 거리의 우주를 가로질러 데이터를 송신합니다. DSOC는 대용량의 과학 데이터, 이미지, 비디오를 지구로 전송할 수 있습니다. 행성 탐사, 우주 망원경, 행성 간 임무와 같이 우주 데이터와 실시간 데이터 분석에 중점을 둔 임무에는 DSOC가 사용됩니다.

DSOC는 주로 근적외선 파장에서 작동하며, 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 파장은 1064nm와 1550nm입니다. 심우주 통신은 대기 투과율과 검출기 감도 간의 균형이 우수한 1064nm 파장을 선호합니다. 한편, 초장거리 우주 통신은 FSOC와 유사한 속성을 가지면서도 대기 감쇠가 적고 전력 효율이 향상된 1550nm 파장을 선호합니다.

DSOC 시스템 구성요소

DSOC 시스템은 세 가지 구성요소, 즉 다양한 광학 요소를 포함하는 OTA(광 트랜시버 어셈블리), 정밀한 정렬을 위한 IPA(절연 지향 어셈블리), 신호 처리와 제어를 수행하는 전자장치에 연결된 LTA(레이저 송신기 어셈블리)로 이루어져 있습니다.

Block diagram of DSOC system.

LTA(Laser transmitter assembly: 레이저 송신기 어셈블리) — LTA는 통신에 사용되는 레이저 펄스를 생성하고 증폭합니다. 우주-우주선(space-to-spacecraft)의 장거리 통신 링크를 위해 다운링크 데이터로 변조된 펄스 열을 높은 피크 전력으로 송신하며, 우주에서 신호 손실이 커지더라도 송신합니다.
OTA(Optical transceiver assembly: 광 트랜시버 어셈블리) — OTA는 광신호를 수신하고 송신합니다. OTA의 거울과 렌즈는 들어오고 나가는 전송에서 레이저 빔의 초점을 맞춰 효율적인 데이터 전송을 보장합니다.
LC(Laser collimator: 레이저 시준기) — LC는 데이터를 전달하는 레이저 빔의 초점을 맞추고 방향을 지정합니다. 시준기는 광파를 코히어런스가 유지되는 빔으로 정렬하여, 레이저가 우주에서 장거리를 통과할 때 분산을 최소화하여 송신 신호의 무결성이 유지되도록 합니다.
PCC(Photon counting camera: 광자 계수 카메라) — PCC는 저조도 환경에서도 고감도 측정을 가능하게 하며, 낮은 암잡음(dark noise)과 무시할 수 있을 정도의 판독 잡음으로 개별 광자를 검출할 수 있습니다. 이 기능은 신호가 매우 약한 심우주 통신에 필수적입니다. PCC는 지구에서 전송하는 희미한 레이저 비콘도 검출할 수 있으므로 정확한 정보 수신을 가능하게 합니다.
PAM(Point ahead mirror: 전방 조준 거울) — PAM은 통신 단계에서 예상되는 지구 위치를 향해 광학 다운링크 신호를 조준합니다. 레이저 빔의 방향을 조정하여 우주선과 타깃 사이의 상대적 움직임을 보정함으로써, 먼 거리와 지구 및 우주선의 움직임에도 불구하고 정확한 지향을 보장합니다.
TMC(Thermal monitor and control: 열 모니터링 및 제어) — TMC는 시스템 구성요소의 온도와 과열 상태를 제어하여 최적의 성능을 제공합니다. 특히 레이저와 광자를 사용하는 광학 시스템은 온도에 민감하며, 이는 성능과 정확도를 저하시킬 수 있습니다.
IPA(Isolation pointing assembly: 절연 지향 어셈블리) — IPA는 레이저 통신 빔의 안정화와 지향을 담당합니다. IPA는 부정확한 지향을 유발할 수 있는 진동이나 추가적인 방해 요소로부터 망원경을 분리합니다. 또한 레이저 빔의 지향을 조정하여 지구나 다른 우주선과 같은 타깃에 높은 정확도로 성공적으로 전송할 수 있도록 합니다.
전자장치 — 전자 서브시스템은 레이저 통신 시스템을 제어하는 데 필요한 펌웨어와 소프트웨어로 구성됩니다. 전자장치는 고정된 구성요소와 움직이는 구성요소의 전력 및 클록 분배를 관리하고, 우주선과의 전력 및 데이터 전송을 위한 인터페이스 역할을 합니다. 이를 통해 레이저 통신 구성요소가 올바르게 작동하도록 하고 우주선 시스템과 통합될 수 있습니다.

규제 기관

여러 기관이 OWC를 지원하고 효과적인 데이터 송신을 보장하기 위해 표준을 개발해 왔습니다. 특히 DSOC에는 현재 두 가지 표준이 있습니다.

CCSDS

CCSDS는 광통신 작업 그룹을 개발하여 세 가지 주요 시나리오를 규정하고 있습니다.

HDR 링크 — HDR 링크는 고속 데이터 전송에 중점을 둔 근지구 임무를 대상으로 하며, 특히 우주 탐사 및 연구와 같은 응용 분야에 효과적입니다. CCSDS HDR 파형을 생성하는 방법의 예제는 CCSDS Optical High Data Rate Waveform Generation for 1550nm 항목을 참조하십시오.
HPE 링크 — HPE 링크는 전력과 질량이 제한되는 심우주 임무에 적합합니다. HPE는 심우주에서의 장거리로 인해 수신되는 광자 수가 줄어들고 우주선의 전력과 질량 자원이 한정된 조건에서 극히 적은 수의 광자를 사용하여 데이터를 송신해야 하는 광자 부족(photon-starved) 링크를 위해 설계되었습니다. CCSDS 광학 HPE 파형을 생성하려면 ccsdsHPEWaveformGenerator 객체를 사용합니다. CCSDS HPE 파형을 생성하는 방법의 예제는 CCSDS Optical High Photon Efficiency Telemetry Waveform Generation 항목을 참조하십시오.
복잡도가 낮은 시스템 — 복잡도가 낮은 시스템은 고성능보다는 단순성과 낮은 비용을 우선시하는 비용 효율적인 시스템입니다. 통신이 저렴하고 덜 복잡한 시나리오에서 특히 유용합니다. 이러한 시스템은 지구 저궤도(LEO)에서 지구로 직접 통신하는 DTE(direct-to-Earth) 링크에 이상적입니다.

SDA

SDA는 미국 국방부를 위해 우주 기술을 개발하고 배포하는 미국 정부 기관입니다. SDA는 우주 기반 시스템의 구현과 상호 운용성을 안내하기 위해 [7]과 같은 표준화된 문서와 사양을 개발하는 데 중점을 둡니다. SDA 광통신 터미널 파형을 생성하는 방법에 대한 예제는 SDA Optical Communication Terminal Waveform Generation 항목을 참조하십시오.

참고 문헌

[1] Kaushal, Hemani, et al. Free Space Optical Communication. Springer, 2017.

[2] Garlinska, Magdalena, et al. “From Mirrors to Free-Space Optical Communication—Historical Aspects in Data Transmission.” Future Internet, vol. 12, no. 11, Oct. 2020, p. 179. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.3390/fi12110179.

[3] CCSDS: Research and Development for Space Data System Standards — Optical High Data Rate (HDR) Communication 1064 NM.

[4] Edwards, Bernard L., et al. “An Update on the CCSDS Optical Communications Working Group.” 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), IEEE, 2017, pp. 1–9. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.1109/ICSOS.2017.8357202.

[5] Abrahamsen, Fredrik Ege, et al. “Free-Space Optical Communication: From Space to Ground and Ocean.” IEEE Potentials, vol. 40, no. 6, Nov. 2021, pp. 18–23. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.1109/MPOT.2020.2979057.

[6] Deep Space Optical Communications by Tom Glavich.

[7] Space Development Agency: Optical Communications Terminal (OCT) Standard Version 3.1.0.

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