비지상 네트워크 통합

위성 통신 시스템은 비지상 네트워크의 핵심 구성 요소로, 지상국과 하나 이상의 인공위성 간에 전파를 매개로 통신을 수행하는 시스템이다. 이 시스템은 크게 우주 부분(위성), 지상 부분(지상국), 그리고 사용자 단말로 구성된다. 통신 위성은 주로 정지 궤도, 중궤도, 저궤도에 배치되며, 각 궤도는 고도와 특성에 따라 서로 다른 장단점을 가진다.

위성 통신 시스템은 제공하는 서비스에 따라 고정 위성 서비스, 이동 위성 서비스, 방송 위성 서비스 등으로 분류된다. 최근에는 수백에서 수천 기의 소형 위성으로 구성된 메가컨스텔레이션을 활용한 광대역 인터넷 서비스가 주목받고 있다. 이러한 시스템은 위성 간 연결 기술을 통해 지상 기반국에 대한 의존도를 줄이고, 전 지구적 네트워크를 형성하는 것을 목표로 한다.

위성 통신의 성능은 사용되는 주파수 대역에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 L, S, C, Ku, Ka 밴드 등이 사용되며, 고주파 대역(예: Ka)은 더 넓은 대역폭을 제공하지만, 날씨에 의한 신호 감쇠가 더 심한 특징을 가진다[1]. 시스템 설계 시에는 궤도 고도에 따른 전파 지연, 위성의 빠른 이동으로 인한 도플러 효과, 그리고 복잡한 자원 관리와 스케줄링 문제를 해결해야 한다.

고고도 플랫폼은 일반적으로 성층권(약 20km 고도)에 장기간 체공하는 무인 또는 유인 플랫폼을 지칭한다. 이는 위성 통신과 지상 네트워크 사이의 중간 영역을 담당하는 비지상 네트워크의 핵심 구성 요소 중 하나이다. 주로 무인 태양광 항공기, 고고도 비행선, 고정익 드론 등이 사용된다. 이 플랫폼들은 지상 기반국보다 훨씬 넓은 커버리지를 제공하면서도 정지궤도 위성에 비해 짧은 전파 지연과 높은 용량의 통신 서비스를 가능하게 한다.

HAPS의 주요 장점은 유연한 배치와 상대적으로 낮은 구축 비용이다. 위성과 달리 발사체가 필요하지 않으며, 특정 지역의 통신 수요에 맞춰 신속하게 투입되거나 위치를 조정할 수 있다. 또한, 하나의 HAPS는 직경 100km 이상의 광범위한 지역을 커버할 수 있어, 지상 기반국 인프라가 부족한 도서 지역, 산악 지대, 또는 임시 대규모 행사장 등의 통신 문제를 해결하는 데 적합하다. 서비스 종료 후에는 회수 및 재사용이 가능한 경우가 많다.

HAPS는 다양한 통신 및 관측 임무에 활용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

운용상의 주요 도전 과제는 장기 체공을 위한 에너지 관리, 성층권의 극한 기상 조건 견딤성, 그리고 항공 교통 통제와의 조정이다. 이를 해결하기 위해 태양광 패널과 고효율 배터리를 활용한 무인 태양광 항공기 개발이 활발히 진행되고 있다. 국제전기통신연합(ITU)과 3GPP와 같은 표준화 기구에서는 HAPS를 비지상 네트워크 아키텍처에 공식적으로 포함시키고 관련 주파수 대역과 기술 요건을 정의하는 작업을 진행 중이다[2].

무인 항공기 시스템은 조종사가 탑승하지 않고 원격 또는 자율적으로 비행하는 항공기와 이를 지상에서 제어하는 시스템, 그리고 양자 간의 통신 링크를 총칭하는 개념이다. 이는 비지상 네트워크의 구성 요소로서, 저고도 공간을 활용해 유연한 통신 인프라를 제공하는 플랫폼 역할을 한다. UAS는 일반적으로 지상국, 무인 항공기 본체, 그리고 데이터 링크로 구성되며, 임무에 따라 고정익 또는 회전익 등 다양한 형태를 가진다.

주요 통신 플랫폼으로 활용되는 UAS는 크게 고고도 장기 체공 무인기와 저고도 소형 무인기로 구분된다. HALE 무인기는 성층권 부근에서 수주일 이상 장기 체공이 가능하여 준위성 역할을 수행한다. 반면, 소형 멀티콥터나 고정익 무인기는 특정 지역 상공에 신속하게 배치되어 임시 기지국 기능을 제공할 수 있다. 이들의 운용 모드는 다음과 같이 정리할 수 있다.

UAS 기반 통신의 가장 큰 장점은 신속한 배치와 높은 유연성이다. 지진이나 홍수와 같은 재해로 지상 기반 시설이 마비된 지역이나, 콘서트나 스포츠 행사처럼 일시적으로 통신 수요가 폭증하는 지역에 신속하게 투입되어 통신 서비스를 제공할 수 있다. 또한, UAS는 상대적으로 위성보다 지상과 가까워 전파 지연이 짧고, 필요한 전송 출력이 낮다는 장점을 가진다.

그러나 상용 서비스에의 통합을 위해서는 해결해야 할 과제도 존재한다. 항공 안전을 위한 통신 제어와 다른 공역 사용자와의 조정, 장시간 비행을 위한 에너지 관리, 그리고 악천후 조건에서의 안정적인 운용 등이 주요한 기술적 도전 과제이다. 또한, 수많은 UAS를 효율적으로 관리하고 네트워크 자원을 할당하기 위한 지능형 자율 주행 기술의 발전이 필요하다.

지상 네트워크는 주로 기지국과 같은 지상 기반 시설에 의존합니다. 이로 인해 지리적, 경제적 제약이 명확하게 존재합니다. 인구 밀집 지역이나 도시에서는 고밀도로 기지국을 설치하여 고품질 서비스를 제공할 수 있지만, 산악 지형, 사막, 해양, 극지와 같은 접근이 어렵거나 인구가 희박한 지역에서는 네트워크 인프라 구축 비용이 매우 높아 경제성이 떨어집니다. 또한, 지상 네트워크는 지진, 홍수, 태풍과 같은 대규모 자연 재해에 취약하여 기반 시설이 손상되면 광범위한 지역에서 통신이 두절될 수 있습니다.

비지상 네트워크 통합은 이러한 지상 네트워크의 공간적 한계를 극복하기 위한 핵심 해결책입니다. 위성 통신이나 고고도 플랫폼은 지상의 지형이나 인프라에 구애받지 않고 넓은 영공을 통해 신호를 전송할 수 있습니다. 단일 정지궤도 위성은 지구 표면의 약 3분의 1을 한 번에 커버할 수 있으며, 저궤도 위성군을 구성하면 전 지구적 커버리지를 실현할 수 있습니다. 이는 지상 기지국을 설치할 수 없는 지역에 통신 서비스를 제공하는 데 결정적인 이점을 제공합니다.

다음 표는 지상 네트워크의 주요 한계와 비지상 네트워크 통합을 통한 극복 방안을 보여줍니다.

결과적으로, 지상 네트워크와 비지상 네트워크를 통합하면 네트워크의 공간적 확장성이 극대화됩니다. 이는 단순히 커버리지의 '공백'을 메우는 것을 넘어, 육상, 해상, 항공을 아우르는 진정한 3차원의 연결성을 보장합니다. 특히 6G와 같은 미래 네트워크의 비전인 '언제 어디서나 연결'을 실현하기 위한 필수적인 기술적 토대가 됩니다.

기존 지상 네트워크 인프라는 인구 밀집 지역을 중심으로 구축되어 있어, 광활한 해양, 산악 지형, 사막, 극지방 등 인구가 희박하거나 접근이 어려운 지역에서는 커버리지가 제한적이거나 전혀 존재하지 않는다. 비지상 네트워크 통합의 핵심 목표 중 하나는 이러한 지리적 공백을 메워 진정한 의미의 전지구적 커버리지를 실현하는 것이다. 정지궤도 위성이나 중궤도 위성 군집은 지구 상공의 광범위한 영역을 지속적으로 커버할 수 있으며, 저궤도 위성 군집은 수백 개의 위성으로 구성된 메가컨스텔레이션을 통해 전 세계를 촘촘히 연결하는 네트워크를 형성한다.

이러한 통합 접근법은 단순히 커버리지 '면적'을 확대하는 것을 넘어, 네트워크 용량과 연결성의 '질'을 균일하게 보장한다. 예를 들어, 비행 중인 항공기, 항해 중인 선박, 또는 원격 탐사 기지와 같은 이동체/시설에도 지상과 유사한 수준의 고속 데이터 통신 서비스를 제공할 수 있다. 이는 해상 인터넷, 항공기 내 인터넷 접속(IFC), 그리고 극지방 과학 기지의 데이터 전송과 같은 응용 분야를 가능하게 한다.

궁극적으로, 비지상 네트워크(NTN)를 지상 네트워크와 통합함으로써, 사용자는 자신의 위치나 이동 여부에 관계없이 단일 가입으로 원활한 연결성을 경험할 수 있다. 이는 디지털 격차 해소와 더불어 글로벌 경제 활동, 과학 연구, 국제 협력의 인프라를 근본적으로 재편하는 계기가 된다.

비지상 네트워크 통합은 지상 기반 통신 인프라가 마비되거나 존재하지 않는 상황에서도 통신 서비스를 지속할 수 있는 핵심 수단을 제공합니다. 지진, 태풍, 홍수와 같은 대규모 자연재해나 전쟁, 대규모 정전과 같은 인적 재난 시, 기존의 지상 기지국과 유선 네트워크는 쉽게 손상되거나 과부하 상태에 빠질 수 있습니다. 이러한 상황에서 위성 통신이나 고고도 플랫폼과 같은 비지상 네트워크 요소는 지상 네트워크를 대체하거나 보완하여, 구조대 간의 협력, 피해 상황 전파, 주민 안전 확인을 위한 최소한의 통신 경로를 보장합니다.

통합 네트워크는 재난 발생 시 자동으로 또는 수동으로 구성되어 신속하게 대응합니다. 예를 들어, 재난 지역 상공에 무인 항공기 시스템을 긴급 투입하여 임시 셀룰러 기지국 역할을 하게 하거나, 정지 궤도 위성을 통해 광대역 백홀 링크를 구축할 수 있습니다. 이를 통해 구조팀은 현장에서 모바일 장치를 바로 사용할 수 있고, 피해자는 SMS나 특화된 앱을 통해 생존 신호를 보낼 수 있습니다. 이는 피해 규모 파악과 인명 구조 활동의 효율성을 극대화합니다.

재난 통신 보장을 위한 주요 기술적 접근 방식은 다음과 같습니다.

이러한 통합 체계의 효과적인 운영을 위해서는 사전에 표준화된 운영 절차와 주기적인 훈련이 필수적입니다. 또한, 재난 시 우선순위에 따른 통신 자원 할당과 같은 정책 기반의 네트워크 관리가 소프트웨어 정의 네트워킹 기술을 통해 구현되어야 합니다. 궁극적으로 비지상 네트워크 통합은 사회적 안전망의 핵심 인프라로서, 어떤 극한 상황에서도 생명선 역할을 하는 통신 서비스의 무중단 보장을 목표로 합니다.

비지상 네트워크 통합을 위한 계층적 네트워크 구조는 서로 다른 고도와 특성을 가진 다양한 플랫폼을 효율적으로 통합하기 위해 설계된다. 일반적으로 지구 저궤도(LEO), 중궤도(MEO), 정지궤도(GEO) 위성 통신 시스템, 고고도 플랫폼(HAPS), 그리고 무인 항공기 시스템(UAS)이 각기 다른 계층을 구성한다. 이 구조는 네트워크 자원을 최적화하고, 서비스 품질을 보장하며, 복잡한 네트워크 관리를 단순화하는 데 목적이 있다.

각 계층은 고유한 역할을 담당한다. 정지궤도 위성은 광범위한 정지 커버리지를 제공하는 백본 네트워크 역할을 한다. 중궤도와 저궤도 위성은 지연 시간과 용량 사이의 균형을 맞추며, 보다 높은 데이터 처리량과 낮은 지연이 필요한 서비스를 지원한다. 가장 낮은 계층에는 고고도 플랫폼과 무인 항공기 시스템이 위치하여, 특정 지역에 고밀도 커버리지나 임시 네트워크를 신속하게 구축하는 임무를 수행한다. 이 계층 간에는 게이트웨이 역할을 하는 지상국이 상호 연결을 중재한다.

이러한 계층적 접근 방식은 트래픽을 지능적으로 라우팅하고 분산시키는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 지연에 민감한 트래픽은 저궤도 위성이나 HAPS를 통해 전송되고, 대용량 비실시간 데이터는 정지궤도 위성을 통해 효율적으로 전달될 수 있다. 또한, 한 계층에 장애가 발생하거나 혼잡해지면 다른 계층으로 트래픽을 우회시키는 다중 경로 라우팅과 로드 밸런싱이 구현되어 전체 네트워크의 견고성과 가용성을 크게 향상시킨다.

소프트웨어 정의 네트워킹은 비지상 네트워크와 지상 네트워크를 통합하는 데 핵심적인 역할을 한다. SDN은 네트워크의 제어 평면과 데이터 전달 평면을 분리하여 중앙 집중식 컨트롤러를 통해 네트워크를 프로그래밍 가능하게 관리한다. 이는 위성, HAPS, UAS 등 다양한 비지상 네트워크 요소와 지상 기반망 간의 동적이고 복잡한 연결을 효율적으로 제어할 수 있는 기반을 제공한다.

통합 네트워크에서 SDN 컨트롤러는 전체 네트워크 토폴로지와 자원 상태를 실시간으로 파악한다. 이를 기반으로 트래픽 부하, 링크 상태, 사용자 위치 및 서비스 요구사항을 분석하여 최적의 데이터 전송 경로를 결정한다. 예를 들어, 한 지역의 지상망에 장애가 발생하면 SDN 컨트롤러는 트래픽을 위성 링크로 우회시키는 정책을 즉시 적용할 수 있다. 이러한 유연한 제어는 네트워크 자원의 활용도를 극대화하고 서비스 연속성을 보장한다.

SDN 기반 통합 아키텍처는 일반적으로 다음과 같은 계층으로 구성된다.

SDN의 적용은 특히 네트워크 기능 가상화와 결합될 때 그 효과가倍增된다. NFV를 통해 네트워크 기능이 전용 하드웨어가 아닌 가상 머신 상에서 소프트웨어로 실행되므로, SDN 컨트롤러는 필요에 따라 위성 링크나 지상 링크에 방화벽, 로드 밸런서 등의 가상 네트워크 기능을 동적으로 배치하고 구성할 수 있다. 이는 이기종 네트워크 간의 통합 관리와 서비스 제공의 민첩성을 크게 향상시킨다.

네트워크 기능 가상화(NFV)는 전통적인 전용 하드웨어 장비에서 실행되던 네트워크 기능을 표준화된 범용 서버, 스토리지, 스위치 등에서 소프트웨어로 실행할 수 있게 하는 패러다임이다. 비지상 네트워크 통합 환경에서 NFV는 물리적 인프라의 제약을 벗어나 유연하고 확장 가능한 서비스 배포를 가능하게 하는 핵심 기술로 작용한다. 위성, 고고도 플랫폼(HAPS), 지상망 등 이기종 네트워크 요소들을 통합 관리하고, 서비스를 신속하게 프로비저닝하는 데 필수적이다.

NFV의 주요 구성 요소는 가상화 네트워크 기능(VNF), NFV 인프라(NFVI), 그리고 NFV 관리와 오케스트레이션(MANO)이다. VNF는 라우팅, 방화벽, 로드 밸런싱 등 특정 네트워크 기능을 수행하는 소프트웨어 인스턴스이다. NFVI는 VNF가 실행되는 컴퓨팅, 스토리지, 네트워킹 자원의 가상화 풀을 말한다. MANO 프레임워크는 VNF의 생명주기 관리와 NFVI 자원의 오케스트레이션을 담당한다.

비지상 네트워크 통합에서 NFV가 제공하는 이점은 다음과 같다.

이러한 NFV 기반의 가상화 아키텍처는 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 결합될 때 그 효과가 극대화된다. SDN이 네트워크의 제어 평면과 데이터 평면을 분리하여 중앙집중식으로 트래픽 경로를 프로그래밍한다면, NFV는 네트워크 기능 자체를 가상화하여 제공한다. 두 기술의 협력을 통해 통합 네트워크 운영자는 물리적 토폴로지와 무관하게 종단 간 네트워크 슬라이스를 생성하고, 각 응용 분야(예: 사물인터넷 백홀, 긴급 통신)에 맞는 성능과 보안 수준을 보장하는 가상 네트워크를 신속하게 구성할 수 있다.

위성-지상 간 핸드오버는 사용자 단말이 비지상 네트워크(NTN)와 지상 네트워크 사이를 이동하면서도 끊김 없는 통신 서비스를 유지하기 위한 핵심 절차이다. 이 과정은 통신 링크의 주체가 위성 기지국과 지상 기지국 사이에서 전환되는 것을 의미하며, 특히 저궤도 위성과 같이 빠르게 움직이는 플랫폼을 활용하는 경우 그 복잡성이 크게 증가한다. 핸드오버의 성공 여부는 서비스 연속성과 사용자 경험을 직접적으로 결정한다.

핸드오버는 크게 두 가지 유형으로 구분된다. 첫째는 동일한 비지상 네트워크 내에서 발생하는 인트라-시스템 핸드오버(예: 한 위성에서 다른 위성으로의 전환)이며, 둘째는 비지상 네트워크와 지상 네트워크 간의 인터-시스템 핸드오버이다. 통합 네트워크 환경에서는 주로 후자인 위성-지상 간 인터-시스템 핸드오버가 중요한 도전 과제로 부상한다. 이를 관리하기 위해 3GPP 표준에서는 네트워크 선택 정책, 측정 보고, 핸드오버 트리거링 조건 등을 정의하고 있다.

효율적인 핸드오버를 구현하기 위한 주요 기술적 접근법은 다음과 같다.

이러한 기술들은 긴 전파 지연, 빠른 위성 이동으로 인한 도플러 효과, 그리고 위성과 지상망 간의 서로 다른 프로토콜 스택과 자원 관리 방식을 조화시키는 데 초점을 맞춘다. 표준화 기구인 3GPP는 5G NR(New Radio) 및 그 이후의 기술에 비지상 네트워크를 통합하면서, 이러한 핸드오버 시나리오를 지원하기 위한 세부 사항을 릴리스 17 및 이후 버전에서 지속적으로 발전시키고 있다[4].

비지상 네트워크 통합 환경에서는 지상 네트워크에 비해 긴 전파 지연과 높은 패킷 손실률이 주요한 기술적 도전 과제로 작용한다. 특히 지구 정지 궤도 위성은 왕복 지연이 수백 ms에 달하며, 저궤도 위성의 경우에도 빠른 이동으로 인한 빈번한 핸드오버와 링크 단절이 발생할 수 있다. 이러한 환경에서 음성, 영상, 데이터 서비스의 품질을 보장하기 위해 다양한 지연 및 손실 대응 기술이 개발되고 적용된다.

지연 완화를 위한 핵심 접근법은 프로토콜 최적화와 버퍼링 관리이다. TCP와 같은 전통적인 전송 프로토콜은 긴 왕복 시간과 높은 비트 오류율 환경에서 성능이 급격히 저하된다. 이를 극복하기 위해 지연 허용 및 손실에 강인한 새로운 프로토콜(예: SCPS-TP, MPTCP)이나, TCP의 동작 매개변수를 NTN 환경에 맞게 조정하는 방법이 사용된다. 또한 애플리케이션 계층에서의 적응형 코덱과 예측적 프리페칭 기술은 사용자 체감 품질을 향상시킨다.

패킷 손실에 대응하기 위해 오류 제어 기술이 필수적이다. 전방 오류 정정(FEC)은 수신 측에서 일정 수준의 오류를 자체적으로 정정할 수 있도록 송신 데이터에 리던던시를 추가하는 방식이다. 반면, 자동 재전송 요청(ARQ)은 손실된 패킷만 선택적으로 재전송하지만, 긴 지연으로 인해 효율이 낮아질 수 있다. 따라서 하이브리드 ARQ(HARQ)와 같이 두 방식을 결합한 기술이 효과적이다. 네트워크 코딩 기술도 여러 패킷을 조합하여 전송함으로써 손실 복원 능력을 높이는 데 기여한다.

최근에는 인공지능과 머신러닝을 활용한 지능형 제어 기술이 주목받고 있다. 위성 궤도, 트래픽 부하, 대기 상태 등 다양한 조건을 실시간으로 분석하여 프로토콜 매개변수, 라우팅 경로, 자원 할당을 동적으로 최적화한다. 이를 통해 예측 가능한 링크 단절에 선제적으로 대응하거나, 변동하는 네트워크 상태에 맞춰 최적의 오류 제정 방식을 선택할 수 있다.

3GPP는 제5세대 이동 통신 및 그 이후의 기술 표준화 과정에서 비지상 네트워크 통합을 공식적인 작업 항목으로 채택하고 체계적인 표준화를 진행해 왔다. 초기 연구는 3GPP 릴리즈 15에서 시작되어, 릴리즈 16에서는 NTN에 대한 채널 모델링 및 시나리오 정의가 이루어졌다. 본격적인 표준화 작업은 릴리즈 17에서 시작되었으며, 이는 5G NR이 NTN을 지원하는 첫 번째 표준 버전으로 간주된다[5].

릴리즈 17의 NTN 표준화는 주로 지구 정지 궤도 위성과 저궤도 위성을 이용한 정지 위성 통신 및 이동 위성 통신 시나리오에 초점을 맞추었다. 주요 성과로는 위성 채널에 적합한 물리 계층 적응, 긴 전파 지연을 고려한 타이밍 및 동기화 절차, 그리고 위성-지상 간 핸드오버 지원을 위한 RAN 프로토콜 개선이 포함되었다. 또한, 기존 5G 코어 네트워크 아키텍처를 재사용하면서 NTN 특성을 반영한 기능 추가에 중점을 두었다.

릴리즈 18 및 이후 버전에서는 표준화 범위와 성능이 지속적으로 확장되고 있다. 릴리즈 18에서는 고고도 플랫폼 통합 지원, 사물인터넷 및 M2M 통신에 대한 최적화, 그리고 듀얼 커넥티비티 및 향상된 이동성 관리가 논의되고 있다. 릴리즈 19 및 6G 표준화로의 여정에서는 NTN과 지상 네트워크의 더 깊은 수렴, AI/ML 기반의 지능형 자원 관리, 그리고 통합 네트워크 슬라이싱이 핵심 과제로 부상할 전망이다.

3GPP NTN 표준화의 주요 동향을 연도별로 정리하면 다음과 같다.

이러한 표준화 노력은 서로 다른 벤더의 장비 간 상호운용성을 보장하고, 규모의 경제를 실현하며, 전 세계적으로 통일된 비지상 네트워크 생태계 조성을 목표로 한다.

원격지 및 해상 통신은 비지상 네트워크 통합의 가장 대표적인 응용 분야이다. 지상 네트워크는 인구 밀집 지역을 중심으로 구축되어 있어, 산악, 사막, 극지, 광활한 해양과 같은 접근이 어렵거나 인프라 설치 비용이 과도한 지역에서는 서비스 제공이 사실상 불가능하다. 통합된 비지상 네트워크는 정지궤도 위성, 중궤도 위성, 저궤도 위성 및 고고도 플랫폼을 활용하여 이러한 지역에 직접적인 무선 접속을 제공함으로써 지상망의 공백을 메운다.

해상 통신 분야에서는 선박, 해양 플랫폼, 심해 탐사 장비 등에 대한 광대역 연결이 중요한 수요로 부상하고 있다. 기존의 해상 위성 통신은 주로 정지궤도 위성을 이용했으나, 높은 지연과 제한된 용량이 한계였다. 통합 네트워크는 수백 기에서 수천 기로 구성된 저궤도 위성 메가컨스텔레이션을 통해 낮은 지연과 높은 데이터 전송률을 제공하며, 선박의 실시간 모니터링, 원격 유지보수, 선원들의 고품질 영상 통화 등을 가능하게 한다.

이러한 서비스는 다양한 산업 및 공공 분야에 활용된다.

궁극적으로, 통합 비지상 네트워크를 통한 원격지 및 해상 통신은 지리적 제약에서 벗어난 진정한 전지구적 커버리지를 실현하여 디지털 격차를 해소하고, 해양 산업의 디지털 전환을 가속화하며, 글로벌 물류 및 응급 구조 시스템의 신뢰성을 높이는 데 기여한다.

비지상 네트워크 통합은 광범위한 지리적 공간에 분산된 대규모 사물인터넷 디바이스와 M2M 통신을 위한 필수 인프라를 제공한다. 기존 지상 네트워크는 인구 밀집 지역에 최적화되어 있어, 농업, 해양, 산림, 광산 등 네트워크 인프라가 부재한 원격 지역의 IoT 서비스 적용에 근본적인 한계가 있었다. 비지상 네트워크는 위성이나 HAPS를 통해 이러한 지역을 포함한 전 지구적 커버리지를 실현함으로써, 모든 곳에 위치한 센서와 디바이스의 데이터를 수집하고 제어 명령을 전달할 수 있는 통신 채널을 마련한다.

주요 응용 분야로는 스마트 농업이 있다. 광활한 농경지에 설치된 토양 센서, 기상 관측 장치, 자동 관개 시스템 등의 데이터는 비지상 네트워크를 통해 중앙 관리 시스템으로 실시간 전송된다. 이를 통해 정밀한 농업 자원 관리가 가능해진다. 해양 분야에서는 선박의 상태 모니터링, 부표를 이용한 해양 환경 데이터 수집, 원양 어업 관리 등에 활용된다. 또한, 광산이나 유전 같은 산업 시설의 장비 상태 원격 감시 및 예지 정비에도 중요한 역할을 한다.

비지상 네트워크 통합은 대규모 IoT를 효율적으로 지원하기 위해 다음과 같은 기술적 특성을 고려해야 한다.

이러한 M2M 통신은 단순한 데이터 수집을 넘어, 시스템 간의 자동화된 협업을 가능하게 한다. 예를 들어, 산림 지역에 배치된 화재 감지 센서에서 위성을 통해 긴급 신호가 전송되면, 이 정보는 자동으로 가장 가까운 소방 당국 및 무인 항공기 시스템에 전달되어 초동 대응이 이루어질 수 있다. 따라서 비지상 네트워크 통합은 지상망의 사각지대를 해소하고, 물리적 공간과 디지털 시스템을 완전히 연결하는 진정한 글로벌 IoT 실현의 핵심 기반이 된다.

비지상 네트워크 통합은 자율주행차와 항공 교통 관리 분야에 혁신적인 지원을 제공한다. 자율주행차는 센서 데이터의 실시간 처리와 차량 간 통신(V2X)을 위해 초저지연과 고신뢰성 네트워크를 필요로 한다. 지상 기반 통신 인프라가 미비한 지역이나 고속도로에서 위성 통신 시스템이나 고고도 플랫폼(HAPS)은 이러한 요구를 충족하는 백업 또는 보완 경로 역할을 한다. 이를 통해 차량은 정밀한 위치 정보, 실시간 교통 상황, 장거리 경로 데이터를 안정적으로 송수신할 수 있다.

항공 교통 관리(ATM) 분야에서는 무인 항공기 시스템(UAS), 즉 드론과 항공기의 효율적이고 안전한 관제가 핵심 과제이다. 비지상 네트워크는 기존 지상 레이더와 통신 시설의 사각지대를 해소하여 실시간 항공기 추적, 비행 데이터 교환, 조종사-관제사 간 음성 및 데이터 통신을 보장한다. 특히 해상 상공이나 산악 지대와 같은 원격 지역에서의 항공 안전성을 크게 향상시킨다.

자율주행과 항공 교통 관리를 위한 통합 네트워크는 다음과 같은 기술적 특징을 가진다.

이러한 통합은 단순한 통신 채널 제공을 넘어, 차량과 항공기가 주변 환경을 인지하고 협력적으로 의사결정을 내리는 지능형 교통 시스템(ITS)의 실현을 가능하게 한다. 결과적으로 도로와 하늘의 교통 흐름 최적화, 사고 예방, 전반적인 운송 효율성 증대에 기여한다.

비지상 네트워크 통합에서 전파 지연은 신호가 위성이나 고고도 플랫폼과 지상 사용자 간을 왕복하는 데 걸리는 시간으로, 통신 품질에 직접적인 영향을 미친다. 지구 정지 궤도 위성의 경우 지연 시간이 약 500ms에 달해 실시간 응용 서비스에 제약을 준다. 저궤도 위성은 지연을 50ms 미만으로 줄일 수 있지만, 빠른 궤도 이동으로 인해 빈번한 핸드오버가 필요해 네트워크 관리가 복잡해진다. 이러한 지연은 TCP와 같은 기존 프로토콜의 성능을 저하시키며, 이를 보완하기 위해 프로토콜 튜닝이나 지연 허용 네트워킹 기술의 적용이 검토된다.

도플러 효과는 상대적인 속도 차이로 인해 신호의 주파수가 이동하는 현상이다. 특히 고속으로 이동하는 저궤도 위성이나 무인 항공기 시스템과 지상 단말 간 통신에서 두드러지게 나타난다. 이로 인해 수신 신호의 주파수 오차가 발생하며, 심할 경우 심볼 간 간섭을 유발해 데이터 수신 오류율을 높인다. 이를 보상하기 위해 단말기나 네트워크 인프라는 실시간으로 예상되는 주파수 편이를 계산하고, 이를 수신 신호에서 보정하는 도플러 보상 알고리즘을 적용해야 한다.

두 현상을 효과적으로 관리하기 위해 다음과 같은 기술적 접근이 병행된다.

이러한 물리적 제약을 극복하는 것은 통합 네트워크가 지상 네트워크와 유사한 서비스 품질을 제공하는 데 필수적이다. 따라서 시스템 설계 단계부터 지연과 도플러 영향을 정량적으로 모델링하고, 이를 네트워크 프로토콜 스택과 자원 관리 정책에 반영하는 것이 중요하다.

비지상 네트워크 통합 환경에서 자원 관리는 제한된 무선 자원을 다양한 서비스 요구사항과 동적으로 변화하는 네트워크 조건에 맞춰 효율적으로 할당하고 스케줄링하는 것을 의미한다. 주요 자원으로는 주파수 대역, 전송 파워, 시간 슬롯(타임슬롯), 그리고 위성 또는 고고도 플랫폼의 빔 포뮤링(Beamforming) 자원 등이 포함된다. 통합된 네트워크는 지상 5G/6G, 위성 통신, HAPS 등 이질적인 링크를 함께 관리해야 하므로, 중앙 집중식 또는 분산 협력형 자원 관리 프레임워크가 필요하다.

스케줄링의 핵심 과제는 높은 지연, 빠른 이동성, 변동성이 큰 채널 조건 하에서 공정성과 효율성을 보장하는 것이다. 이를 위해 기계 학습 기반의 예측 스케줄링 알고리즘이 활발히 연구된다. 예를 들어, 위성의 궤도 정보와 트래픽 예측 모델을 결합해 핸드오버 발생 전에 자원을 미리 예약하거나, 서비스 유형(예: 대용량 백홀, 저전력 사물인터넷)에 따라 동적으로 자원 할당 우선순위를 변경하는 방식이다. 자원 블록 할당은 다음 표와 같은 요소를 고려하여 최적화된다.

자원 관리의 또 다른 측면은 에너지 효율성이다. 특히 태양광에 의존하는 HAPS나 소형 위성은 전력 공급이 제한적이므로, 전송 파워 제어와 절전 모드 스케줄링이 중요하다. 또한, 통합 네트워크에서는 소프트웨어 정의 네트워킹 컨트롤러와 네트워크 기능 가상화 관리자가 협력하여 물리적 자원을 가상화된 네트워크 슬라이스에 매핑하는 역할도 수행한다. 이를 통해 각 응용 분야(예: 원격 감시, 긴급 통신, 대규모 M2M)에 맞는 독립적이고 격리된 논리적 네트워크를 동일한 물리 인프라 위에 구성할 수 있다.

비지상 네트워크 통합 환경은 위성 통신과 고고도 플랫폼 등 이질적인 네트워크 요소가 결합되며, 기존 지상 네트워크보다 복잡한 보안 위협에 노출된다. 특히 무선 구간이 길고 네트워크 관리 주체가 다수일 수 있어, 신호 가로채기(도청), 위장 공격, 물리적 장비에 대한 접근 공격 등의 위험이 증가한다. 또한 소프트웨어 정의 네트워킹과 네트워크 기능 가상화를 기반으로 한 유연한 아키텍처는 소프트웨어 취약점을 통한 공격 표면을 확대할 수 있다.

주요 보안 문제로는 전송 구간의 물리적 보안 취약성, 다중 도메인 간의 신뢰 관리, 그리고 사용자 데이터 프라이버시 보호가 있다. 긴 전송 경로와 공중에 노출된 플랫폼은 신호 방해(재밍)나 스푸핑 공격에 취약하며, 위성과 지상국 간의 핸드오버 과정에서 인증 정보가 탈취될 위험이 있다. 사용자 위치 정보와 트래픽 데이터가 광범위한 네트워크를 통해 라우팅되면, 데이터 수집 및 감시에 대한 프라이버시 우려가 제기된다.

이러한 도전 과제에 대한 해결 방안은 여러 계층에서 모색된다. 기술적 차원에서는 양자 키 분배와 같은 차세대 암호화 기술 연구, 강화된 물리층 보안 기법, 그리고 블록체인을 활용한 분산형 신뢰 및 접근 제어 관리가 활발히 진행된다. 표준화 및 정책 차원에서는 3GPP NTN 표준화 작업에서 보안 프레임워크를 강화하고, 네트워크 슬라이싱을 통해 보안 등급별로 논리적 네트워크를 분리하는 접근이 중요해진다. 최종적으로는 위성 운영자, 통신 사업자, 규제 기관 간의 긴밀한 협력을 통한 통합 보안 정책 및 사고 대응 체계 수립이 필수적이다.