위성 통신이란?

위성 통신은 지구 궤도를 도는 위성과 RF(무선 주파수) 신호를 주고받으며 지구상의 먼 지점 간 통신을 가능하게 하는 과정입니다. 통신 링크에 사용되는 고주파 전파는 가시선을 따라 이동하므로 지구의 곡률에 의해 방해를 받습니다. 통신 위성의 목적은 지구 곡률 주변의 트랜스폰더를 사용하여 이러한 신호를 중계하고 증폭하여 멀리 떨어진 지리적 지점 간의 통신을 가능하게 하는 것입니다. 통신은 텔레비전 방송 위성과 같이 단방향일 수도 있고, 인터넷 트래픽, 전화, 무선통신, 내비게이션 신호를 전달하는 위성과 같이 양방향일 수도 있습니다. 아래 블록 다이어그램은 지구국과 위성 간의 간단한 단방향 통신을 보여줍니다. 양방향 위성 통신과 두 위성이 서로 통신하는 크로스링크도 이 과정과 유사합니다.

Block diagram of a transmitting Earth station using a satellite to unidirectionally communicate with a receiving Earth station.

주파수 대역

위성 통신은 이동 위성 서비스를 위한 137MHz부터 위성 텔레비전을 위한 18GHz에 이르기까지 광범위한 주파수 대역에서 이루어집니다. 일반적으로 주파수 대역이 높을수록 더 넓은 대역폭에 액세스할 수 있지만 다양한 대기 요인으로 인해 신호가 저하되기 쉽습니다.

아래 다이어그램은 RF 주파수와 사용 가능한 위성 주파수 대역을 보여줍니다.

This figure shows the range of radio frequencies in commercial and military use and their applications. Such RF frequencies range from 3KHz to 300GHz. The figure also shows the frequency range used for satellite communications, 1 - 40GHZ, and the frequency bands.

위성 궤도

통신 위성은 일반적으로 이러한 주요 궤도 유형 중 하나를 갖습니다.

GEO(Geostationary Earth Orbit: 정지궤도) — 이 원형 궤도는 지구 표면으로부터 35,785km 떨어져 있습니다.
오랫동안 위성 통신 시스템은 GEO 궤도를 사용하여 구현되었습니다. 지구의 관측자가 볼 때 하늘에 있는 GEO 위성의 겉보기 위치는 변하지 않습니다. 위성이 지구 자전과 동일한 각속도로 지구를 공전하므로 하늘에 정지해 있는 것처럼 보이기 때문입니다. 높은 고도에서 위성 통신 시스템은 경도 120도 간격으로 배치된 3개의 위성만으로 거의 완전한 지구 커버리지를 달성합니다.
GEO 위성의 응용 분야에는 일기 예보, 위성 텔레비전, 위성 라디오, 기타 유형의 범지구 통신이 포함됩니다. 그러나 GEO 위성은 전파 지연이 길어 시간에 민감한 통신의 경우 문제가 됩니다.

MEO(Medium Earth Orbit: 지구 중궤도) — 이 궤도는 지구 상공 2,000km에서 36,000km에 있습니다.
MEO 위성은 역사적으로 GPS(위성 측위 시스템)와 기타 내비게이션 시스템에 사용되어 왔습니다. MEO에 있는 약 32개의 위성으로 하루 중 언제라도 지구상의 어떤 지점이든 커버할 수 있습니다. 지구상의 특정 지점의 위치를 확인하려면 지구 표면의 해당 지점에서 동시에 4개의 위성이 보여야 합니다.

LEO(Low Earth Orbit: 지구 저궤도) — 이 궤도는 지구 상공 160km에서 2,000km에 걸쳐 있습니다.
최근 몇 년 동안 여러 통신 제공 업체가 LEO 위성군을 발사했습니다. LEO 위성은 전파 지연이 훨씬 짧고 시간에 민감한 응용 분야에 더 적합하기 때문입니다. 예를 들어 신호가 왕복하는 데 GEO 위성이 0.25초가 걸린다면 MEO 위성은 0.1초 미만이 소요되고 LEO 위성은 0.05초만 소요됩니다. 그러나 LEO 위성 하나가 커버하는 영역은 GEO 위성보다 훨씬 작으므로 동일한 커버리지를 달성하려면 많은 LEO 위성이 필요합니다.
LEO 위성 응용 분야에는 통신, 신호 모니터링, 과학 연구(지구 관측 위성, 국제우주정거장, 허블 우주 망원경)와 같이 실시간이고 지연이 짧은 송신이 포함됩니다.

LEO, MEO, and GEO orbits are shown in this figure around the Earth. A satellite is orbiting in each of these orbits. Time taken by a satellite is different in each orbit, with LEO satellite's being the shortest.

위성 환경을 모델링하고 시각화하기

궤도 유형에 관계없이 위성 환경을 이해하는 데 도움이 되도록 Satellite Communications Toolbox에는 다음 작업을 수행할 수 있는 satelliteScenario 객체가 있습니다.

위성, 지상국, 송신기, 수신기, 짐벌, 안테나를 포함하는 위성 시나리오를 모델링합니다.
가시성 분석과 통신 링크 분석을 수행합니다.
전체 위성 시나리오와 시야를 2차원과 3차원 모두로 시각화합니다.

링크 버짓 분석

링크 버짓 계산은 전력 버짓 분석을 활용하여 링크 수준 시뮬레이션을 거치지 않고 대략적인 성능 수준을 설정합니다. 링크 버짓은 정보가 적절한 신호 대 잡음비로 명확하게 수신되도록 하는 데 필요한 시스템 파라미터를 설정합니다.

위성 링크 버짓 분석은 RF 신호가 송신기에서 통신 매체를 거쳐 수신기에 도달할 때까지 발생하는 모든 전력 이득과 손실을 고려합니다. 안테나 설계와 크기, 전력 증폭기 출력, 강우 마진, 자유 공간 경로 손실, 시스템 가용성, 안테나 지향 손실, 편파 손실 등 다양한 요인이 링크 설계에 영향을 미칩니다.

다음은 적절한 링크를 설계하는 데 도움이 되는 간단한 링크 버짓 방정식입니다.

수신된 전력(dBm) = 변조된 출력 전력(dBm) + 고전력 증폭기 이득(dB) + 안테나 이득(dB) - 자유 공간 경로 손실(dB), 여기서:

전력 수준은 dBm 단위로 표현됩니다.
전력 이득과 손실은 데시벨(dB) 단위로 표현됩니다.

Satellite Communications Toolbox에는 링크 버짓 분석을 수행하기 위한 다음 툴이 포함되어 있습니다.

위성 링크 버짓 분석기 — 세부 링크 버짓에 대한 정적 분석을 수행하려면 이 앱을 사용하십시오. 이 앱을 사용하면 모든 파라미터를 사용자 정의하고 민감도 분석에 대한 결과를 시각화할 수 있습니다. 또한 이 앱을 사용하여 가용도 분석을 수행할 수도 있습니다.
satelliteScenario — 이 객체에는 동적 링크 버짓 분석을 수행할 수 있는 기능이 있습니다.

링크 수준 시뮬레이션

위성 통신 개발의 필수적인 부분은 표준 기반 파형을 생성하고 이를 위한 트랜시버를 구축하는 것입니다. 위성 통신 트랜시버 설계에는 표준 기반 파형에 대한 액세스가 필요합니다. 이러한 표준에는 다음이 포함됩니다.

Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation (DVB-S2)
높은 데이터 레이트 위성 통신을 지원하는 물리 계층 표준입니다. 프레임 구조, 채널 코딩, 변조 시스템, 스펙트럼 효율성에 대한 사양을 제공합니다. DVB-S2 표준은 원격 위치에서의 뉴스 수집, 고화질 텔레비전(HDTV) 방송 서비스, 인터넷 액세스, 셀룰러 백홀링(cellular backhauling), 정부 네트워크 및 방위 네트워크 등 광범위한 응용 분야를 지원합니다.
DVB-S2 표준은 QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK 변조 방식과 28개의 MODCOD(변조 및 코드율) 조합을 지원합니다.
Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation extended (DVB-S2X)
DVB-S2의 확장인 물리 계층 표준입니다. DVB-S2X는 핵심 DVB-S2 응용 분야에 대한 지원을 강화하고 위성 링크를 통해 통신의 전반적인 효율성을 향상시킵니다. DVB-S2와 DVB-S2X의 주요 차이점은 DVB-S2X가 신호 처리에 더 많은 특징과 기능을 추가하여 더 높은 효율성과 더 나은 수신기 성능을 제공하고 HTS(high-throughput satellite: 고처리량 위성) 응용을 가능하게 한다는 것입니다.
DVB-S2에서 지원하는 기능 외에도 DVB-S2X 표준은 고차 변조 방식(64APSK, 128APSK, 256APSK), 더 나은 대역폭 활용을 위한 더 작은 필터 롤오프 옵션, 116개의 MODCOD 조합을 지원합니다.
DVB-RCS2(Digital Video Broadcasting Second Generation Return Channel Satellite)
위성을 통해 인터넷과 기타 데이터 서비스를 사용할 수 있는 리턴 채널을 제공하는 MAC(매체 접근 제어)와 물리 계층 표준입니다.
GPS 및 GNSS(범지구 위성 항법 시스템) 표준
GNSS에는 전 세계 또는 지역 단위로 측위, 내비게이션, 타이밍 서비스를 제공하는 지구 궤도를 도는 위성군이 포함됩니다. 널리 사용되는 GNSS 표준과 이를 소유하는 국가로는 GPS(미국), Galileo(유럽), BeiDou(중국), Glonass(러시아), NavIc(인도), QZSS(일본)가 있습니다.
가장 널리 사용되는 GNSS는 GPS입니다. GPS는 확산 스펙트럼 무선 기법인 CDMA(code division multiple access: 코드 분할 다중 접속)의 일반적인 기법을 사용합니다. 민간용으로 설계된 GPS 신호 사양에는 L1 C/A, L2C, L5, L1C의 네 가지가 있습니다.
CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems: 우주 데이터 시스템 자문위원회) 파형
CCSDS 파형군에는 CCSDS TM(Telemetry), CCSDS TC(Telecommand), CCSDS optical HPE(high photon efficiency)가 포함됩니다.
지상국은 CCSDS TC를 사용하여 우주선에 명령을 전송하고, 위성은 CCSDS TM을 사용하여 지구국에 데이터를 전송합니다. CCSDS optical HPE 통신은 심우주 통신 시나리오와 같이 전력 효율이 링크 설계의 주요 고려 사항인 응용 분야에 유용합니다.
5G NR(New Radio) NTN(non-terrestrial network: 비지상망)
NTN은 송신에 공중 이동체나 우주 이동체를 사용하는 네트워크 또는 네트워크 세그먼트입니다. 통합 위성-지상 솔루션은 지상 네트워크를 사용하기가 기술적으로 어렵거나 비용이 엄청나게 많이 드는 지역에 지상 전용 구축보다 저렴한 비용으로 유비쿼터스 5G 서비스를 제공할 수 있습니다.

툴박스를 사용하여 파형을 생성하는 방법의 예제는 파형 생성하기 항목을 참조하십시오.

5G 표준은 농촌 환경과 해상 환경에서 글로벌 커버리지를 확대하고 재해 복구 작업 중에도 통신 서비스를 제공할 수 있도록 위성 기반 NTN 플랫폼을 통합했습니다. 6G 네트워크에 대한 향후 계획에서는 NTN 시스템을 많이 활용할 예정입니다. NTN에 사용되는 LEO 위성에 의해 생성되는 상당한 도플러 편이를 고려하는 방법에 대한 자세한 내용은 NR NTN PDSCH 처리량 예제를 참조하십시오.

여러 회사가 수천 개의 LEO 위성을 궤도에 발사하고, 지구상의 먼 지점 간의 연결을 완료하기 위해 이러한 LEO 위성이 서로 데이터를 중계해야 하므로 위성 간 간섭의 위험이 상당합니다. 이러한 위험을 줄이기 위해 많은 위성 통신 서비스 제공업체가 빔폭이 매우 좁은 광학 크로스링크(optical cross-link)로 전환하고 있습니다. 광 링크를 모델링하려면 RF 링크 모델링 이상의 새로운 기능이 필요합니다. End-to-End CCSDS High Photon Efficiency Telemetry Optical Link Simulation 예제에서는 CCSDS HPE(high photon efficiency) TM SCPPM(serially concatenated pulse position modulation) 광 링크를 모델링합니다.

툴박스에는 이러한 다양한 표준 기반 파형에 대한 트랜시버도 포함되어 있습니다. 다음 예제에서는 일반적인 위성 통신 표준에 대한 실제 수신기를 시뮬레이션합니다.