성층권 통신 플랫폼

성층권 통신 플랫폼은 지상으로부터 약 20km에서 50km 사이의 성층권에 위치한다. 이 고도는 일반 항공기의 비행 고도보다 훨씬 높지만, 지구 저궤도 위성의 고도보다는 훨씬 낮은 중간 영역이다. 성층권은 대류권과 중간권 사이에 존재하며, 기상 현상이 거의 발생하지 않고 공기 흐름이 비교적 안정적인 특성을 보인다.

성층권 플랫폼의 주요 물리적 특성은 다음과 같다.

이러한 고도에 플랫폼을 위치시키는 것은 지상 통신 인프라와 위성 통신 사이의 간극을 메우기 위한 전략적 선택이다. 지상 기지국에 비해 훨씬 넓은 지역을 하나의 플랫폼으로 커버할 수 있어, 인구 밀도가 낮거나 지형이 험난한 지역에 경제적인 통신 서비스를 제공할 수 있다. 동시에 위성에 비해 신호 지연 시간이 매우 짧고, 위성 통신에 필요한 대형 지상국이 필요하지 않다는 장점이 있다.

운영 측면에서 성층권 플랫폼은 정지 상태를 유지해야 지속적인 통신 서비스가 가능하다. 이를 위해 플랫폼은 풍향과 풍속을 고려한 자동 위치 보정 시스템을 갖추거나, 특정 공역을 선회하는 방식으로 운용된다. 플랫폼의 체공 시간은 동력원에 크게 의존하며, 태양광 패널과 배터리를 활용한 장기 체공이 핵심 기술 과제 중 하나이다.

성층권 통신 플랫폼의 통신 신호 전달 방식은 성층권에 위치한 고고도 플랫폼이 중계국 역할을 하여 지상의 사용자와 데이터를 주고받는 구조를 기반으로 한다. 기본적으로 지상-플랫폼-지상 간의 이중 링크로 구성되며, 신호는 지상의 게이트웨이 스테이션이나 사용자 단말기에서 플랫폼으로 전송된 후, 플랫폼에서 다시 다른 지상 지점으로 전달된다. 이 방식은 지상 통신의 짧은 전송 거리와 위성 통신의 광범위한 커버리지 간의 장점을 결합한 것으로 볼 수 있다.

신호 전달의 물리적 경로는 주로 가시선 전파를 따른다. 성층권 플랫폼은 지상으로부터 약 20km 상공에 위치하여, 단일 플랫폼으로도 반경 수백 킬로미터의 광대역 영역을 커버할 수 있다[3]. 이 영역 내의 모든 사용자는 플랫폼과 직접적인 가시선 통신이 가능하며, 이는 신호 감쇠가 적고 지연 시간이 매우 짧은 특징으로 이어진다. 신호의 왕복 지연 시간은 일반적으로 1ms 미만으로, 지구 정지 궤도 위성 통신의 수백 ms 지연에 비해 현저히 낮다.

전달 방식은 사용되는 주파수 대역과 애플리케이션에 따라 세부 기술이 달라진다. 주요 방식은 다음과 같다.

이러한 전달 방식은 기존 지상 기지국 네트워크를 보완하거나 대체할 수 있으며, 특히 지형적 장애물이 많거나 인프라 구축이 어려운 지역에서 효과적으로 적용될 수 있다.

성층권 통신 플랫폼은 주로 밀리미터파 대역과 센티미터파 대역의 주파수를 활용한다. 일반적으로 28 GHz, 38 GHz, 47 GHz 등의 고주파 밀리미터파 대역과 2 GHz 대역의 센티미터파가 주요 후보로 고려된다[4]. 고주파 대역은 넓은 대역폭을 제공하여 고속 데이터 전송에 유리하지만, 날씨 조건에 따른 신호 감쇠가 비교적 크다는 단점이 있다. 반면, 2 GHz 대역과 같은 낮은 주파수는 넓은 커버리지와 안정적인 전파 특성을 보인다.

이 통신 방식의 핵심 장점은 넓은 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있다는 점이다. 성층권 플랫폼은 지상 기지국보다 훨씬 넓은 영역을 하나의 셀로 커버할 수 있어, 주파수 재사용 효율이 높다. 또한, 지구 정지 궤도 위성에 비해 전파 지연이 매우 짧기(약 0.5ms 미만), 실시간 통신 서비스에 적합한 특성을 가진다. 제공 가능한 대역폭은 사용 주파수와 기술에 따라 달라지지만, 기가비트급(Gbps) 이상의 데이터 전송률을 목표로 하는 프로젝트가 다수 진행 중이다.

주파수 할당과 관련된 국제적 논의는 국제전기통신연합 무선통신국(ITU-R)을 중심으로 이루어지고 있다. ITU는 성층권 통신 시스템을 고고도 플랫폼 지구국(HAPS as a Base Station)으로 분류하고, 이를 위한 주파수 대역을 규정하기 위한 연구를 지속하고 있다. 주요 후보 대역은 다음과 같다.

이러한 주파수 자원의 효율적 관리와 다른 서비스(위성통신, 지상 이동통신 등)와의 공존 가능성은 성층권 통신 상용화를 위한 중요한 과제로 남아 있다.

고고도 플랫폼은 성층권 통신 플랫폼 시스템의 핵심 구성 요소로, 지상 약 20km에서 50km 사이의 성층권에 장기간 체공하여 통신 중계 역할을 수행하는 장치 또는 비행체이다. 이 플랫폼은 일반적으로 고고도 가상위성 또는 성층권 비행체라고도 불린다. 지상 기반 통신과 위성 통신의 중간 영역에서 작동하여 양자의 장점을 결합한 하이브리드 솔루션을 제공한다.

주요 플랫폼 유형은 구동 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 첫째는 태양광 무인기로, 주간에는 태양전지로 충전하고 야간에는 배터리로 비행하는 장기 체공형 무인 항공기이다. 둘째는 성층권 비행선으로, 헬륨 가스를 이용한 부력으로 공중에 뜨며, 태양전지를 동력원으로 사용한다. 이들 플랫폼은 수개월에서 수년에 걸쳐 임무를 수행하도록 설계된다.

이러한 플랫폼은 통신 페이로드[5], 항법 시스템, 추진 시스템, 그리고 태양전지 어레이와 에너지 저장 장치로 구성된다. 성층권의 낮은 기압과 극한의 기상 조건[6]에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 내구성이 강화되어야 한다. 플랫폼의 위치는 지상 제어국에 의한 원격 조종 또는 자율 비행 시스템을 통해 유지된다.

지상 제어국은 성층권 통신 플랫폼 시스템의 핵심 운영 및 관리 허브 역할을 한다. 이 시설은 고고도 플랫폼 (HAPS)과의 양방향 데이터 링크를 유지하며, 플랫폼의 항법, 통신 페이로드 제어, 상태 모니터링, 임무 계획 수립 및 데이터 처리 업무를 총괄한다. 일반적으로 지상에 고정되어 있거나 이동 가능한 형태로 구축되며, 주요 통신 네트워크 백본과 연결되어 있다.

지상 제어국의 주요 기능은 크게 비행 제어, 통신 제어, 임무 관리로 나눌 수 있다. 비행 제어 시스템은 GPS 및 관성 항법 장치 데이터를 기반으로 플랫폼의 위치와 자세를 실시간으로 추적하고, 태양광 패널과 추진 시스템을 제어하여 정해진 공역을 유지하도록 한다. 통신 제어 시스템은 플랫폼에 탑재된 통신 페이로드의 작동을 관리하며, 주파수 할당, 전력 조절, 빔 포밍 제어, 트래픽 라우팅 등을 수행한다. 임무 관리 시스템은 전체 네트워크 운영을 감시하고, 서비스 품질을 관리하며, 장애 발생 시 복구 절차를 실행한다.

시스템 구성 측면에서 지상 제어국은 일반적으로 다음의 주요 요소를 포함한다.

지상 제어국은 고가용성과 보안성을 갖추어야 한다. 시스템 이중화, 무중단 전원 공급 장치, 물리적 보안, 강력한 사이버 보안 프로토콜이 필수적으로 적용된다. 또한, 국제 항공 규정 및 전파법을 준수하며, 해당 국가의 규제 기관과 조정을 통해 운영 허가를 받아야 한다.

사용자 단말기는 성층권 통신 플랫폼 네트워크에 최종적으로 접속하는 장치를 의미한다. 이 단말기는 고고도 플랫폼 (HAPS)에서 송수신하는 신호를 직접 처리하여 음성, 데이터, 영상 등의 서비스를 이용자에게 제공한다. 단말기의 형태와 복잡도는 서비스의 종류와 요구되는 성능에 따라 달라지며, 일반적으로 지상 기지국을 통한 이동 통신보다 더 넓은 커버리지 내에서 서비스를 이용할 수 있다는 특징을 가진다.

단말기는 크게 고정형과 이동형으로 구분된다. 고정형 단말기는 주로 가정이나 사무실에 설치되어 광대역 인터넷 접속을 제공하는 용도로 사용된다. 이 경우 상대적으로 큰 안테나와 안정된 전원 공급이 가능하다. 이동형 단말기는 차량, 선박, 항공기 또는 휴대용 장치에 탑재되어 이동 중에도 연속적인 통신 서비스를 보장한다. 특히 재난 통신망 구축 시 현장에서 활용되는 휴대용 단말기는 중요한 역할을 수행한다.

성층권 통신을 위한 단말기 기술의 핵심은 HAPS와의 효율적인 링크 구성이다. 성층권 플랫폼은 지상 약 20km 상공에 위치하므로, 위성 통신에 비해 신호 지연이 짧고 경로 손실이 적다. 이로 인해 단말기는 위성 통신 단말기보다 소형화되고 전력 소모가 낮은 설계가 가능하다. 그러나 플랫폼의 이동 및 대기 조건 변화에 대응하기 위해 안테나의 정밀한 빔 추적 기술이 요구된다. 주요 단말기 유형은 다음과 같다.

표준화 측면에서, 사용자 단말기는 국제전기통신연합 (ITU) 및 3GPP와 같은 표준화 기구에서 정의하는 기술 규격을 준수해야 한다. 이는 다른 통신 시스템과의 공존 및 로밍을 가능하게 하고, 장치의 상호운용성과 대량 생산을 촉진한다. 향후 6G 통신 네트워크의 구성 요소로 성층권 플랫폼이 통합될 경우, 단말기는 지상망, 위성망, HAPS 링크를 상황에 따라 자동으로 선택하는 다중 접속 기능을 갖출 것으로 예상된다.

성층권 통신 플랫폼은 지상 기반 통신 인프라가 부족한 지역이나 접근이 어려운 지역에 광대역 인터넷 접속을 제공하는 데 유망한 솔루션으로 주목받는다. 이 기술은 위성 통신보다 짧은 신호 지연 시간과 넓은 커버리지를 동시에 달성할 수 있어, 도시 외곽, 농촌, 산악 지대, 섬 지역 등에서의 디지털 격차 해소에 기여할 수 있다.

서비스 제공 방식은 고고도 플랫폼이 성층권에 위치하여 지상의 광대역 게이트웨이와 연결되고, 플랫폼은 다시 지상 사용자들에게 셀룰러 네트워크와 유사한 방식으로 서비스를 전달하는 형태를 가진다. 이를 통해 기존 지상파 통신의 기지국 설치 한계를 극복하면서도, 저궤도 위성보다 낮은 레이턴시를 구현할 수 있다. 사용자는 특수한 사용자 단말기나 표준화된 지상국 장비를 통해 서비스를 이용하게 된다.

주요 서비스 특성은 다음과 같은 표로 정리할 수 있다.

이 서비스는 5G 및 향후 6G 네트워크의 보완재 역할을 할 것으로 예상된다. 특히, 대규모 이벤트가 열리는 임시 장소나 빠르게 통신 수요가 증가하는 지역에 유연하게 대응하는 네트워크 용량 확장 수단으로도 평가받는다. 최근 몇몇 프로젝트에서는 스펙트럼 효율을 높인 빔포밍 기술을 적용하여 더 많은 사용자에게 고품질 서비스를 제공하는 방안을 시험하고 있다[7].

재난 통신망은 지진, 태풍, 홍수 등 대규모 재난 발생 시 기존 지상 통신 인프라가 마비되거나 과부하 상태에 빠졌을 때 비상 통신 수단을 제공하는 것을 목표로 한다. 성층권 통신 플랫폼은 이러한 상황에서 빠르게 배치되어 광범위한 지역에 통신 서비스를 회복할 수 있는 잠재력을 가진다. 재난 직후에는 피해 규모 파악, 인명 구조 조정, 구호 활동 협력 등에 안정적인 통신이 필수적이며, 성층권 플랫폼은 이를 위한 임시 기지국 역할을 수행할 수 있다.

성층권 플랫폼 기반 재난 통신망의 운영 방식은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째는 재난에 대비해 상시 대기 상태를 유지하는 방식이다. 특정 지역에 플랫폼을 배치해 두었다가 재난 발생 시 즉시 해당 지역 상공으로 이동해 서비스를 개시한다. 둘째는 재난 발생 후 신속하게 출동하는 방식으로, 고고도 플랫폼 (HAPS)을 필요한 지역으로 이동시켜 배치한다. 두 방식 모두 기존 지상 기반국이 복구되기 전까지의 공백을 메우는 데 중점을 둔다.

이러한 시스템의 효과성을 높이기 위해서는 재난 대응 기관과의 사전 협력 체계 구축이 중요하다. 플랫폼의 신속한 출동 경로, 통신 우선순위 설정, 지상 제어국과의 연동 절차 등이 표준화되어야 한다. 또한, IoT 및 M2M 통신을 활용해 재난 지역의 다양한 센서 데이터(예: 여진 감지, 수위 측정)를 수집·전송함으로써 상황 인식 능력을 향상시킬 수 있다.

성층권 통신 플랫폼은 광범위한 지역에 걸쳐 저전력, 저지연의 네트워크를 제공할 수 있어 사물인터넷 및 M2M 통신에 유망한 인프라로 주목받는다. 지상 기반 통신망이 도달하기 어려운 해양, 산악, 사막 지역이나 광대한 농경지에 수많은 센서 노드를 배치해야 하는 경우에 특히 효과적이다. 이 플랫폼은 상대적으로 위성보다 지상에 가까운 성층권에 위치하여 신호 왕복 지연 시간이 짧고, 소형·저전력 단말기와의 연결이 용이하다는 장점을 지닌다.

주요 응용 분야로는 스마트 농업, 원격 모니터링, 스마트 시티 인프라 구축 등이 있다. 예를 들어, 성층권 플랫폼을 통해 농장 전역의 토양 수분, 온도, 영양 상태 데이터를 실시간으로 수집하거나, 광활한 산림의 화재 감지 센서 네트워크를 관리할 수 있다. 또한, 해상 컨테이너의 위치 추적 및 상태 모니터링, 전력망, 송유관, 가스관과 같은 중요 시설의 원격 점검에도 활용될 수 있다.

성층권 통신은 대규모 IoT 디바이스를 연결하는 데 적합한 통신 프로토콜과 주파수 대역을 사용한다. 일반적으로 소량의 데이터를 간헐적으로 전송하는 IoT 트래픽 특성에 맞춰 LPWAN 기술과 결합되어 논의된다. 이를 통해 배터리 수명이 수년 이상 지속되는 수많은 센서 노드들을 경제적으로 연결하는 네트워크를 형성할 수 있다.

이러한 서비스는 기존 지상망으로는 커버리지 확보가 어렵거나 비용이 과도하게 들어가는 영역을 보완하며, 전 세계적인 디지털 격차 해소와 산업 효율화에 기여할 것으로 기대된다.

성층권 통신 플랫폼은 약 20km 상공의 성층권에 위치한 고고도 플랫폼을 기반으로 하여, 기존의 지상 통신과 위성 통신 사이의 간극을 메우는 중간층 통신 솔루션을 제공한다. 이는 양자의 단점을 보완하면서 독자적인 장점을 지닌다.

지상 통신망과 비교할 때 가장 큰 장점은 광범위한 커버리지이다. 하나의 플랫폼이 직경 100km 이상의 넓은 지역을 커버할 수 있어, 지형이 험하거나 인구가 희박한 지역, 섬 지역 등에 인프라 구축 비용을 크게 절감하면서 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 신호 전달 거리가 위성보다 훨씬 짧아 전송 지연이 매우 낮다. 지상 기지국 대 플랫폼 간의 거리는 위성 대 지구 간 거리의 약 1/1800 수준이므로, 레이턴시는 수 ms 내외로 위성 통신의 수백 ms에 비해 현저히 낮아 실시간 응용 서비스에 유리하다.

위성 통신과 비교했을 때의 장점은 경제성과 유연성에 있다. 성층권 플랫폼은 정지궤도나 저궤도 위성에 비해 발사 및 제작 비용이 훨씬 저렴하며, 유지보수나 업그레이드가 상대적으로 용이하다. 플랫폼을 지상으로 회수하여 장비를 교체한 후 재배치하는 것이 가능하다. 또한, 위성은 한번 궤도에 오르면 서비스 지역을 변경하기 어렵지만, 성층권 플랫폼은 필요에 따라 위치를 이동시키거나 플랫폼 수를 유동적으로 증감시켜 특정 지역의 수요 변화에 신속하게 대응할 수 있는 운영상의 유연성을 가진다.

다음 표는 세 가지 통신 방식의 주요 특성을 비교한 것이다.

종합하면, 성층권 통신은 위성의 광역성과 지상망의 낮은 지연이라는 장점을 결합하면서, 상대적으로 낮은 비용과 높은 유연성을 제공하는 하이브리드 솔루션으로 평가받는다. 이는 기존 인프라가 취약한 지역을 보완하거나, 특수한 통신 수요에 대한 신속한 대응 체계로 활용될 수 있는 잠재력을 가진다.

성층권 통신 플랫폼의 실용화를 가로막는 기술적 난제 중 하나는 고고도 플랫폼의 장기 체공 안정성이다. 강한 성층권의 제트 기류와 변화하는 기상 조건 속에서 정해진 위치를 수개월 이상 유지하는 것은 항공기나 기구 모두에게 엄청난 도전이다. 이를 해결하기 위해 태양광 발전과 고효율 배터리로 구성된 친환경 에너지 시스템이 필수적이며, 특히 야간과 겨울철의 에너지 공급 문제는 지속적인 연구 대상이다. 또한 플랫폼의 경량화와 동시에 통신 장비의 내구성을 확보하는 재료 공학적 접근도 필요하다.

운영 측면에서는 광범위한 서비스 영역을 효율적으로 관리하는 네트워크 제어와 핸드오버 기술이 중요하다. 고속으로 이동하는 사용자 단말기에 대해 여러 플랫폼이나 셀 간의 원활한 연결 유지는 복잡한 알고리즘을 요구한다. 더불어, 수십 개에서 수백 개의 플랫폼으로 구성될 네트워크의 공중 교통 관리는 심각한 과제로 대두된다. 이는 국제민간항공기구 및 각국 항공 당국과의 협력을 통한 안전한 비행 영역 설정과 충돌 회피 시스템의 표준화 없이는 해결하기 어렵다.

마지막으로, 경제성과 규제 장벽이 상용화의 주요 걸림돌이다. 초기 개발 및 플랫폼 제조, 발사 비용이 매우 높으며, 이를 상쇄할 수 있는 수익 모델과 서비스 요금 체계가 명확히 정립되어야 한다. 주파수 할당 문제 또한 국제적인 합의가 필요한 부분으로, 국제전기통신연합을 중심으로 한 주파수 대역 조정 논의는 지속적으로 진행되고 있으나 아직 확정된 표준이 부족한 실정이다.

성층권 통신 플랫폼은 6G 네트워크 아키텍처의 핵심 구성 요소로 주목받고 있다. 6G는 초저지연 통신, 테라헤르츠 대역 활용, 전 지구 커버리지 등 기존 5G의 한계를 넘어서는 성능을 목표로 한다. 성층권 플랫폼은 정지 궤도 위성보다 짧은 신호 지연 시간과 지상 기지국보다 넓은 서비스 영역을 제공하여, 6G가 요구하는 공중-지상 통합 네트워크를 실현하는 데 유리한 위치를 점한다. 특히, 네트워크 슬라이싱과 같은 6G 기술을 활용해 단일 플랫폼에서 광대역 인터넷, 대규모 IoT, 초정밀 위치 확인 등 다양한 서비스를 동시에 제공할 수 있는 인프라가 될 것으로 기대된다.

주요 연계 분야로는 3차원 네트워킹이 있다. 6G는 지상 기지국, 성층권 플랫폼, 저궤도 위성을 유기적으로 연결하는 3차원적 네트워크 구축을 추구한다. 성층권 플랫폼은 이 구조에서 중간 계층 역할을 하여, 위성과 지상망 사이의 효율적인 트래픽 중계 및 제어를 가능하게 한다. 또한, 인공지능 기반의 지능형 네트워크 관리가 필수적인 6G 환경에서, 성층권 플랫폼은 실시간으로 네트워크 상태를 모니터링하고 자원을 최적화하는 엣지 컴퓨팅 노드로 기능할 수 있다.

이러한 연계를 위해서는 해결해야 할 과제도 존재한다. 6G 수준의 초고속 데이터를 처리하기 위한 플랫폼 탑재 장비의 소형화와 에너지 효율 향상이 필요하다. 또한, 빠르게 움직이는 저궤도 위성과 성층권 플랫폼, 지상망 사이에서 끊김 없는 핸드오버를 보장하는 이동성 관리 기술의 표준화가 중요한 과제로 남아 있다.

성층권 통신 플랫폼의 상용화는 기술 성숙도, 경제성 확보, 규제 정비 등 여러 요소가 맞물려 점진적으로 이루어질 것으로 전망된다. 초기 단계에서는 기존 통신 인프라가 취약한 지역, 예를 들어 도서·산간 지역이나 개발도상국의 일부 지역을 대상으로 한 제한적 서비스가 시작될 가능성이 높다. 이러한 시장은 지상 기반 시설 구축 비용 대비 효율성이 뚜렷하여 성층권 플랫폼의 가치를 입증하는 데 유리하다. 이후 기술 신뢰도가 축적되고 규모의 경제가 실현되면, 재난 대응, 대규모 행사 지원, 해상·항공 통신 등 특수 목적 서비스로 확장될 것이다. 궁극적으로는 지상 이동 통신망 및 위성 통신과 연계된 네트워크 슬라이싱 기술을 통해 통합적인 네트워크의 한 층위로 자리 잡아 보편적 서비스 제공에 기여할 것으로 예상된다.

발전 방향은 크게 플랫폼의 지속성 향상, 통신 용량 증대, 자율 운영 능력 강화로 나눌 수 있다. 플랫폼 측면에서는 태양광 발전 효율 및 에너지 저장 시스템의 성능 개선을 통해 수개월에서 수년 단위의 장기 체공이 가능해져 운영 효율성을 극대화할 것이다. 통신 기술 측면에서는 Massive MIMO와 빔포밍 기술의 고도화, 그리고 테라헤르츠 대역과 같은 새로운 주파수 자원의 활용 연구가 활발히 진행되어 초고속·초저지연 서비스 제공 능력을 강화할 전망이다. 또한 인공지능과 머신러닝을 활용한 궤적 최적화, 네트워크 자가 치유, 트래픽 관리 등 완전한 자율 운영 시스템으로 발전해 나갈 것이다.

이러한 발전은 단일 기술의 진보가 아닌 항공기·통신·에너지·소재 분야의 융합을 통해 이루어진다. 따라서 산학연 협력 생태계 조성과 함께, 국제적인 주파수 협의 및 안전 기준 마련과 같은 규제적 선결 과제를 해결하는 것이 상용화 성패를 좌우할 중요한 요소가 될 것이다.