위성통신이란


1.위성통신이란

위성통신이란 인공위성을 지구 상공의 일정한 고도에 발사시켜 통신이나 방송업무를 수행하는 것을 말한다. 1960년대에 시작된 위성통신은 약 35년의 짧은 역사에도 불구하고 오늘날 국제통신, 국내통신 및 방송용으로 그 이용 추세가 급속히 확산되고 있으며, 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 위성통신은 도서, 벽지, 이동체간의 통신에 매우 유리하고, 위성방송의 경우 산간벽지나 도심 빌딩 지역의 TV 난신청을 해소할 수 있으며, 고품질의 다양한 서비스를 제공할 수 있다.

최근에는 차세대 개인통신 서비스의 매력적인 수단으로 위성통신이 주목받고 있으며, 그중에서도 저궤도 및 중궤도를 이용한 통신방식이 활발히 추진되고 있다. 위성통신의 장점으로는 동보성, 광역성, 회선설정의 유연성과 신속성, 내재해서 등을 들 수 있다. 동보성은 다수의 수신자에 대해 동시에 동일한 내용의 정보를 전송할 수 있음을 의미하고, 광역성은 하나의 위성으로 지구표면적의 약1/3을 커버할 수 있으므로 넓은 지역을 대상으로 한 통신이 가능한을 말한다.

회선설정의 유연성/신속성은 지구국을 설치하는 것만으로 어디라도 통신회선을 설정할 수 있고, 또한 지구국의 설치, 추가, 제거 및 이동이 용이함을 의미하고, 내재해성은 위성통신시스템 가운데 지상에 설치하는 부분이 적어 지상재해의 영향이 매우 적음을 의미한다

2.위성통신의 역사

최초의 위성통신 실험은 1960년에 미국이 쏘아 올린 [Echo 1호]이다. Echo 1호는 풍선의 표면을 알루미늄 박으로 입히고 지상에서 송출된 전파를 이 알루미늄박에서 반사시키는 "수동형 통신위성"이었다. 그러나 이것만으로는 반사되어 지상으로 돌아온 전파가 너무 약해 도저히 실용성이 없었다. 그래서 위성에 중계기를 탑재하여 지상으로부터 송신된 전파를 증폭한 다음 다시 지상으로 재송신하는 "능동형 통신위성"이 실용화되었다.

1962년에 미국의 벨연구소와 항공우주국(NASA)이 잇따라 쏘아 올린[Telstar1호]와[Relay1호]가 바로 그것이다 Telstarq호는 미국과 유럽간의 텔레비전 정송과 다중전화 신호의 전송에 성공했고, Relay 1호는 미국과 일본가의 텔레비전 전송실험에 성공했다. 특히 Realy 1에 의해 일본으로 전송되어 온 영상은 당시 미국 대통령이였던 존F케네디의 암살 뉴스였음은 너무나도 유명하다.

이 2개의 위성은 모두 다 지구 둘레를 약 3시간에 도는 [주화위성]으로 이른바 [정지위성]은 아니다. 최초의 정지 통신위성은 1963년에 NASA가 쏘아올린 [Syncom2호]이며 이어서 1964년에 쏘아 올린 Syncom3호에 의해 토쿄 올림픽이 전세계에 중계되었다.

이렇게 해서 정지위성을 이용한 국제통신의 효과가 널리 인정됨에 따라 1965년에 쏘아 올려진[Intelsat I호] 를 사용하여 처음으로 상업위성 통신이 시작되었다. 처음에는 위성의 코스트가 높았기 때문에 주로 대룍간의 국제 통신에 사용되었다. 그러나 위성발사기술의 급속한 진보와 초기에는 1년 6개월 정도였던 위성본체의 수명이 10년 이상으로 늘어나면서 위성의 코스트가 대폭 내려갔다. 또한 위성의 중량도 Intelsat I호는 40kg도 못되었으나 최근의 Intelsat VI호는 1.8톤에 가깝다. 위성이 클수록 중계기를 많이 탑재할 수 있고 회선수도 많이 확보할 수 있으므로 1회선당 코스트가 저렴해진다.

이와 같은 기술진보의 덕택으로 위성통신은 가까운 이웃 국가들과의 통신이나 국내통신에도 널리 사용될수 있게 되었다. 용도도 전화나 TV중게, 데이터전송, 팩시밀리전송, 영상회의,전용회선 등 여러가지 다양한 사용방법이 등장하게 되었다. 또한 정지위성은 TV방송에도 사용되고 있다. 클라크의 제안이 있은지 반세기도 채되지 않은 기간에 위성통신은 실로 우리들에게 친근한 존재가된 것이다. 전 세계으 사건들을 실시간에 영상으로 볼 수 있는 것도 위성통신의 덕택이다.

동유럽의 개혁이나 걸프전쟁에서 위성통신이 보여준 역할 또한 눈부셨다. 위성통신의 실험이 처음으로 성공했을 때만 하더라도 과연 단기간내 이 정도로까지 보급되리라고 그 누구고 생각하지 못했을 것이다.

3.위성통신의 특징

현재 적도상공 36,000km 의 정지궤도상에는 세계 각국의 통신위성과 방송위성이 백수십기 이상이나 돌고 있으며 게다가 매년 새로운 위성이 발사되고 있다. 잘못하면 위성끼리 충돌이 일어 날지도 모른다. 2개 이상의 위성이 같은 주파수대를 사용하는 경우에 일정한 간격으로 위성이 발사되고 있다. 잘못하면 위성끼리 충돌이 일어 날지도 모른다.

2개 이상의 위성이 같은 주파수대를 사용하는 경우에 일정한 간격으로 배치하지 않으면 전파의 간섭이 일어난다. 그래서 위성의 정지위치나 사용주파수는 국제적으로 조정 하여 결정하고 있다.

정지위성은 정지위치로부터 어느 범위 이상 벗어나면 위성의 로켓을 분사하여 제 위치로 되돌린다. 연료를 전부 사용해 버리면 위성의 수명은 끝난다. 초기의 위성 수명은 1~2년 정도였지만 최근의 대형위성은 연료도 다량적재할수 있어 수명이 10년 이상으로 늘어나 위성통신의 저코스트화에 공헌하고 있다.

일본이 이용중인 국제통신위성은 국제 전화나 국제 TV중계에 사용되는 [Intelsat(인도양과 태평양상)],원양선박과의 통신에 사용되는 [Inmarsat]이 있다. 또한 국내 통신위성으로서는 [CS-3(사쿠라3호)]를 NTT나 관공서, 몇 개의 기업이 국내통신에 사용하고 있다. 민간 통신위성으로서 SCC(Space Communications Corp 우주통신)의 [Super Bird]와 JSAT(Japan Satellite Systems Inc.)의 [JCSAT]가 있으며 TV방송중계, CATV에의 TV프로 공급 기업내 영상전송 네트워크 등에 사용되고 있다. 더 나아가 1992년 부터는 통신위성(CS)으로 개인대상의 유료 TV방송도 시작되었다. 한편 방송위성(BS)으로는 BS-3(유리 3호)가 사용되고 있다.

통신위성이나 방송위성에는 중계기가 탑재되어 있다. 지상(지구국)으로 부터의 전파를 위성의 안테나에서 받아 중계기에서 증폭하여 지상의 목적지를 향해 재송신한다. 1기의 통신위성에 탑재하는 중계기의 수가 많을 수록 회선용량이 커진다. 일본의 CS-3, Super Bird, JCSAT는 각가 12개, 32개, 29개의 중곅를 탑재하고 있다.

최초의 상업통신위성 Intelsat 1호(Early Bird)는 무게가 39kg으로 전화240회선분의 용량이었다. 최근에는 2톤급의 위성을 쏘아 올릴 수 있게 되었고 수만회선의 용량이 가능하다.

지구국과 위성을 연결하는 전파의 주파수대는 6G/4GHz(C-band), 14G/11G, 12Ghz (Ku-band), 30G/20GHz(Ka-band)가 주로 사용된다. 여기서 6G/4GHz란 지구국에서 위성으로는 (up link) 6GHz대, 위성에서 지구국으로는(down link)4GHz대를 사용한다는 의미이다. 업 링크는 지구국에서 대전력으로 송신할 수 있기 때문에 전파으 감쇠가 큰 고주파수대를 사용하고 다운링크는 위성의 송신전력에 제약이 있기 때문에 감쇠가 작은 고주파수대를 사용하는 방식을 취하고 있다.

여기서 위성통신의 특징을 종합 정리하면 다음과 같다.

 위성에서 지상으로 발사되는 전파는 광벙위한 서비스 영역을 커버할수 있다
   (광역성)
 마찬가지로 지역내의 여러 지구국이 동시에 수신한다든가 혹은 많은 지점으
   로 부터의 정보를 수집하기 용이하다 (동보성, 멀티액세스성)
 지구국을 이동시키면 어디에서든 자유로이 단시간에 회선을 설정할 수 있
   다.(회선설 정의 신속성, 유연성) 1개의 위성이 커버할수 있는 범위내에서는   지상의 거리에 관계 없이 전송 코스트가  일정하다. 따라서 원거리 통신에서
   는 경제적이다. 반면에 다음과 같은 문제점도 있다
 지상-정지위성-지상의 총 회선길이가 7만km 이상이 되어 신호의 전파 시간
   에만 0.24초가 걸린다. 이 때문에 전화 등에서는 통화중에 틈이 생기게 된다.  서비스 지역내의 누구라도 수신 할수 있으므로 통신의 비밀을 보장하기 위
   해서는 신호의 암호화가 불가결하다.

4. 위성통신 시스템의 구성요소

(그림)은 고정위성통신 시스템의 기본 구성을 보여주고 있다. (그림)에서 보는 바와 같이 위성통신 시스템은 일번적으로 인공위성과 관련된 우주부분, 지상에 설치된 지구국및 제어국과 같은 지상부분, 그리고 신호, 즉 전파의 전송 방법이나 처리 방법 등에 대한 신호부분으로 나누어진다.

 특히 정보 신호의 흐름으로 본다면 지상에 있는 송신국이 데이터를 위성에 송신하면, 안테나를 탑재하고 있는 위성의 중계기(트랜스폰더)에서 이러한 전파를 수신하여 주파수 변환과 전력증폭을 행한 후 원거리에 있는 수신국으로 재송출하게 된다.
수신국은 위성에서 재송출한 전파를 안테나를 이용하여 수신하여 정보를 복조하고 재생하게 된다. 더불어 제어국은 위성 안테나를 포함한 위성의 모든 설비들이 제대로 동작하도록 제어하게 된다.

1) 위성
 지구국에서 발사되는 전파를 수시하여 다시 지구국으로 송신하는 기능을 가진 인공윗어을 통신위성 또는간단히 위성이라 한다. 위성은 위성의 원활한 운영을 위한 위성 본체와 방송이나 통신 목적에 따라 위성 본체에 장착되는 탑재체로 구성된다.
위성은 기능에 따라 중계기없이 단순히 지구에서 발사한 전파를 반사 등을 통해 중계하는 초창기의 수동위성과 중계기를 탑재하여 지구에서  송신한 전파를 일단 수신하고 이를 변환, 증폭하여 별도의 송신안테나 통해 지구상의 수신점에 보내는 능동위성으로 대별된다.

더불어 위성의 위치에 따라 지구의 자전주기와 동일한 궤도(고도 약 36,000km)에 위치하는 GEO(Geostationary Earth Orbit:정지 궤도) 위성, 고도 5,000~25,000km에 위치하는 MEO(Middle Earth Orbit:중궤도) 고도 300~1,500km에 위치하는 LEO(Low Earth Orbit:저궤도)위성,그리고 타원형의 주기를 지니는 HEO(High Earth Orbit)위성으로 분류된다.

2) 탑재체

탑재체는 중계기 부시스템과 위성 안테나로 구성된다. 중계기 부시스템은 위성 안테나에서 수신한 약한 신호를 증록하고 주파수 변환한후 위성 안테나를 통해 지구국으로 재송출하는 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하기위해서 중계기 부시스템은 약한 신호를 1차 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier) 수신된 신호 주파수를 송신할 신호 주파수로 변환하는 증폭하는 고출력 증폭기고 구성된다.

특히 고출력 증폭기로는 반도체 소자를 이용한 SSPA(Solid State Power Amplifier)가 이용되고 있으며, TWTA가 SSPA에 비해 월등하게 효울이 우수하고 전력도 절약된다. 위성 탑재형 안테나는 고이득을 얻기 위해 안테나 면적을 넓힌 대현전개 안테나, 지상을 커버하는 면적이 적은 소형빔을 여러개 묶어 주파수 자원을 효울적으로 사용할 수 있도록 한 멀티빔 안테나가 있다.

3) 지구국

지국국은 통신위성과의 송수신을 행하는 지상설비로 기본적으로 송신ㄱ, 수신기 및 안테나로 구성되어 있다. 지상에 고정되어 있는 고정 지구국과 선박, 자동차, 항공기 등 이동체에 실려있는 이동 지구국으로 대별된다.

초기의 지구국은 위성체의 발사신호세력이 상당히 미약해서 그 신호를 수신하기 위해 지구국 안테나 직경이 무려 30m 나 되었고 무게는 약 300톤에 달하였으며, 지구국안테나 시스템 전체가 위성체를 추적하기 위해 직경 20m의 원형궤적을 따라 회전할 수 있어야 했다. 그러나 최근에는 위성송신전력의 증가와 보다 놓은 주파수를 사용함으로써 안테나의 직경을 줄일수 있었으며, 그에 따라 지구국 건설비용과 규모도 크게 줄일 수 있게 되었다. 안테나  면적의 축소는 위성통신의 급속한 발전을 가져오게 되었다.

즉 안테나 직경이  1m전후가 되면서 이동성이나 댁내 설치가 가능하게 되었으며, 이동성을 이용한 긴급뉴스가 가능한 SNG,VSAT, 가정용 위성방송 수신 안테나 등이 가능하게 되었다.

4) 지구국 안테나

지구국 안테나는 송신기 및 수신기와 더불어 지구국을 구성하는 요소이다. 위성통신용 지구국 안테나로는 주로 카세그레인 안테나가 이용되고 있으며, 여러개의 위성과의 신호 송수신이 가능한 토러스 안테나도 이용되고 있다. 카세그레인 안테나는 주 반사기로 대구경의 파라볼라를 사용하고 회전쌍곡선의 부반사경 및 1차 방사기로 구성된 안테나이다.

5) 상향링크와 하향링크

송신지구국과 수신지구국 사이를 위성을 통해 연결하는 경우 이를 위성링크 (Satellite-Link)라 한다. 위성링크는 상향링크 (Up-Link)와 하향링크 (Down-Link)로 구성되는데, 송신지구국으로부터 위성으로 공간경로를 통한 신호전달을 상향링크라 하며, 반대로 이신호를 위성으로부터 수신지구국으로 공간경로를 통한 신호전달을 하향링크라 한다.

6) 위성통신에서 이용되고 있는 주파수대

위성에서 이용되고 있는 주파수대는 다음표와 같다. 이중 현재 고정위성통신용으로는 s대역(S-Band),c대역, Ku대역, Ka대역이 이용되며, 특히 Ka 대역은 멀티미디어 정보의 송수신이 가능할 정도로 매우 높은 주파수대역으로 현재 이 대역에서의 위성 시스템 개발이 이루어지고 있다. 이동위성용으로는 L대역과 S대역이 이용되고 있으며, 위성방송용으로는 S대역과 Ku대역이 이용되고 있다.

<위성통신에서 이용중인 주파수대>

 구분

 주파수대역

구분

주파수대역

 UHF

 0.3~3GHz

 K

 18~26.5GHz

 L

 1~1.5GHz

 Ka

 26.5~40.GHz

 S

 1.5~3GHz

 V

 40~80GHz

 C

 3~8GHz

 N

 80~170GHz

 X

 8~12.5GHz

 A

 170~GHz

 Ku

12.5~18.GHz

 

 

7) VSAT

VSAT(Very Small Aperture Terminal)은 일반적으로 직경 1m 내지 2.4m 의 소형 접시형 안테나와 낮은 송신출력을 사용하는 지상장치를 말한다. 주로 데이터통신에 사용하며 음악전화, 비디오신호 전송도 가능한데, 세계 각국에서 국내 통신위성을 이용한 데이터 통신망으로 활용이 급증하고 있다. 초기의 지구국은 위성체의 발사신호가 미약하였으므로, 이를 수신하기 위해 안테나의 직경이 30m나 되었다. 그리고 우리나라의 금산이나 보은에 있는 지구국의 경우도 국제 위성통신을 제공하고 있기때문에 용량을 크게 하고 통신영역을 넓히기 위해 안테나의 직경이 30m 에 이르고 있다.

그러나 최근에는 위성송신전력의 증가와 보다 높은 주파수를 사용함으로써 전송용량이 적으면서 국내통신과 같이 통신영역이 그다지 넓지않은 지역에 대해서는 안테나의 직겨을 1m 전후로 크게 줄일수 있게 되었으며, 이러한 소형안테나(직경0.6~1.4m 정도)를 사용하는 지구국을 VSAT 이라고 부르고 있다.

VSAT은 데이터전송 비용이 절감(특히, 장거리 전송시)되고, 신속하고 융통성있는 망을 구성할 수 있으며, 망의 확장 및 변경이 용이하고 시스템 설치 비용이 저렴하고 사용자 단말을 소형화, 간략화할 수 있으며, 고품질의 전송 특성이 있으며, 단방향 데이터 정보전송이 용이한 특징을 가지고 있다.

8) GPS (Global Positioning System)

GPS는 미국방성에서 개발한 것으로 위성을 이용하여 위치 속도 및 시간측정 서비스를 제공하는 시스템이다. GPS는 3차원의 위치 고도 및 시간의 정확한 측정을 할 수 있고 24시간 연속적으로 서비스를 제공할 수 있으며, 기상조건, 간섭 및 방해에 강하고 전세계적인 공통좌표계를 사용한다는 특징이 있다.