위성 통신 링크

지구국은 지상에 위치하여 위성 통신 링크를 통해 인공위성과 직접 무선 신호를 주고받는 지상국의 총칭이다. 지구국은 사용 목적과 규모에 따라 대형 고정식 안테나를 갖춘 관제국부터 소형 이동식 터미널까지 다양한 형태로 존재한다.

지구국의 주요 구성 요소는 안테나 시스템, 송수신기, 그리고 신호 처리 장치로 구분된다. 안테나 시스템은 위성 중계기를 향해 신호를 집중적으로 송신하고, 위성에서 오는 미약한 신호를 효과적으로 수신하는 역할을 한다. 일반적으로 파라볼라 안테나가 널리 사용되며, 안테나의 직경이 클수록 높은 이득과 정밀한 조향이 가능해진다. 송수신기는 고주파 신호를 생성, 증폭, 변조하여 송신하고, 수신된 신호를 복조 및 증폭한다. 신호 처리 장치는 사용자 데이터를 전송 가능한 형태로 변환하거나, 수신된 데이터를 복원하는 기능을 담당한다.

지구국은 그 기능에 따라 송신 전용, 수신 전용, 또는 송수신 겸용으로 분류된다. 예를 들어, 방송 위성의 프로그램을 송출하는 방송 센터는 송신 전용 지구국이며, 일반 가정의 위성 방송 수신기는 수신 전용 지구국에 해당한다. 한편, 통신 위성을 이용한 양방향 데이터 통신이나 전화 서비스를 제공하는 지구국은 송신과 수신 기능을 모두 갖춘다.

지구국의 성능은 링크 예산 계산의 핵심 요소이다. 지구국의 송신 전력, 안테나 이득, 그리고 시스템의 잡음 온도는 전체 통신 링크의 품질과 용량을 결정짓는 중요한 변수이다. 따라서 지구국은 통신 목적에 맞게 최적의 위치에 설치되고, 주변의 전파 간섭과 물리적 장애물을 최소화하기 위해 세심하게 설계된다.

위성 중계기는 위성 통신 링크에서 지상의 지구국으로부터 신호를 수신하여 증폭, 주파수 변환한 후 다른 지구국으로 재전송하는 역할을 수행하는 우주 공간의 핵심 장치이다. 이는 통신 위성의 핵심 페이로드에 해당하며, 지상의 두 지점 간 신호를 중계하는 '공중의 중계탑' 기능을 담당한다.

위성 중계기의 기본 구성 요소는 수신 안테나, 수신기, 주파수 변환기, 송신기, 송신 안테나로 이루어진다. 상향링크 신호를 수신한 후, 신호는 증폭되고 일반적으로 하향링크 주파수로 변환된다[2]. 이 과정에서 트랜스폰더가 핵심 장치로 활용된다. 트랜스폰더는 하나의 특정 주파수 채널을 처리하는 단위이며, 현대의 통신 위성은 수십 개에서 수백 개의 트랜스폰더를 탑재하여 다중 채널 통신을 가능하게 한다.

위성 중계기는 처리 방식에 따라 투과형(재전송형)과 처리형(재생형)으로 구분된다. 투과형 중계기는 신호의 형태나 내용을 변경하지 않고 단순히 증폭하여 재전송하는 방식이다. 반면, 처리형 중계기(혹은 재생형 중계기)는 신호를 복조하여 디지털 데이터 형태로 복원한 후, 필요에 따라 스위칭이나 라우팅 처리를 거쳐 다시 변조하여 전송한다. 처리형 중계기는 신호 품질 개선과 네트워크 유연성 향상에 유리하지만, 설계가 복잡하고 비용이 높다는 특징이 있다.

링크 예산은 위성 통신 시스템에서 지구국과 위성 중계기 사이의 무선 링크 성능을 정량적으로 분석하고 예측하는 설계 도구이다. 이는 송신단에서 방출된 신호가 다양한 손실과 잡음을 거쳐 수신단에 도달할 때의 최종 신호 품질을 계산하는 과정을 포함한다. 핵심 목표는 통신 링크가 요구되는 성능(예: 특정 비트 오류율 또는 가용성)을 달성할 수 있도록 시스템 파라미터를 결정하는 것이다.

주요 계산 요소는 다음과 같다.

링크 예산 계산은 기본적으로 다음과 같은 방정식으로 요약된다. 수신 전력(Pr)은 등가 등방성 복사 전력(EIRP)에서 자유 공간 경로 손실(Lp) 및 기타 추가 손실(La)을 뺀 값에 수신 안테나 이득(Gr)을 더하여 구한다. 최종적인 신호 대 잡음비(SNR 또는 C/N)는 이 수신 전력을 시스템의 총 잡음 전력으로 나누어 도출한다. 설계자는 이 값을 요구되는 문턱값과 비교하여 링크의 마진을 평가한다.

링크 예산 분석은 상향링크(지구국→위성)와 하향링크(위성→지구국)를 별도로 수행한 후, 전체 링크의 종합적인 성능을 평가한다. 이를 통해 송신 전력, 안테나 크기, 변조 방식 등과 같은 설계 변수들을 최적화하고, 우천 감쇠나 페이딩과 같은 장애 요인에 대한 여유분(링크 마진)을 확보할 수 있다. 따라서 링크 예산은 위성 통신 시스템의 실현 가능성과 신뢰성을 보장하는 필수적인 공학적 절차이다.

위성 통신 링크에서 신호의 방향에 따라 두 가지 기본적인 링크 경로가 구분된다. 상향링크는 지상의 지구국에서 우주의 위성 중계기로 신호를 전송하는 경로를 의미한다. 반대로, 하향링크는 위성 중계기에서 지구국 또는 사용자 단말기로 신호를 전송하는 경로를 가리킨다. 하나의 완전한 통신 세션은 상향링크와 하향링크가 쌍을 이루어 구성된다.

두 링크는 설계 파라미터와 특징에서 뚜렷한 차이를 보인다. 상향링크는 비교적 짧은 거리지만, 지구의 두꺼운 대기층을 통과하며 발생하는 대기 손실의 영향을 크게 받는다. 또한, 지구국은 강력한 전송 전력과 고이득 안테나를 활용하여 위성에 신호를 효과적으로 도달시키도록 설계된다. 하향링크는 더 먼 거리를 이동하지만 대기권 진입 후 상대적으로 짧은 거리를 이동하며, 위성의 제한된 전력 공급 능력으로 인해 신호 전력이 약해지는 특징이 있다.

이러한 차이로 인해 각 링크는 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 것이 일반적이다. 상향링크에는 일반적으로 더 높은 주파수 대역(예: Ku 대역에서 14 GHz, Ka 대역에서 30 GHz 근처)이 할당되는 반면, 하향링크에는 더 낮은 주파수 대역(예: Ku 대역에서 12 GHz, Ka 대역에서 20 GHz 근처)이 할당된다. 이는 높은 주파수 신호의 대기 감쇠가 더 크기 때문에, 전력 여유가 더 큰 지구국에서 상향링크로 사용함으로써 전체 링크 예산을 최적화하기 위한 것이다.

단일 홉 통신은 신호가 지구국에서 위성 중계기를 거쳐 목표 지구국으로 직접 전달되는 가장 기본적인 위성 통신 경로입니다. 이 방식에서는 위성이 신호를 수신, 증폭, 주파수 변환한 후 즉시 재전송합니다. 데이터는 위성을 한 번만 경유하므로 전송 지연이 비교적 짧고 시스템 설계가 단순한 편입니다. 대부분의 정지궤도 위성을 이용한 통신과 방송 서비스가 이 방식에 해당합니다.

이중 홉 통신은 신호가 두 개의 위성 홉을 거치거나, 한 개의 위성과 지상의 중계 시설을 추가로 경유하는 방식을 의미합니다. 예를 들어, 신호가 첫 번째 위성을 거쳐 중계 지구국으로 내려온 후, 다시 두 번째 위성으로 올라가 최종 수신국에 도달할 수 있습니다. 또는 지구국-위성-지구국 경로에서 한 지구국이 사실상 중계국의 역할을 수행할 수도 있습니다. 이 방식은 지리적으로 직접 링크를 구성하기 어려운 두 지점 간 통신을 가능하게 하지만, 전송 지연이 증가하고 시스템 비용과 복잡도가 높아지는 특징이 있습니다.

두 방식의 선택은 서비스 요구사항과 경제성에 따라 결정됩니다. 단일 홉은 실시간성이 중요한 음성 통신이나 인터넷 접속에, 이중 홉은 광범위한 지역 커버리지가 필요하거나 지상 인프라가 부족한 지역(예: 선박 간 통신, 극지방 통신)에서 주로 활용됩니다. 다음 표는 두 방식을 간략히 비교한 것입니다.

위성과 지구국 사이의 가시선 경로는 두 지점 사이에 직접적인 전파 경로가 물리적으로 막히지 않고 존재하는 상태를 의미한다. 이는 위성 통신 링크가 정상적으로 동작하기 위한 가장 기본적인 필수 조건이다. 전파는 직진성을 가지므로, 지구 표면의 곡률이나 지형지물, 건물 등에 의해 경로가 차단되면 통신이 불가능해진다.

가시선 경로를 확보하기 위해서는 위성의 궤도 위치와 지구국의 지리적 위치, 그리고 주변 환경을 고려해야 한다. 정지궤도 위성의 경우, 지구국 안테나는 위성의 방향(방위각 및 앙각)으로 고정되어 특정 위성을 향해 조준된다. 반면, 저궤도 위성군을 이용하는 경우, 위성이 수평선 위로 떠올라 지나가는 짧은 시간 동안만 가시선 경로가 형성되므로, 통신 창(communication window)이 제한적이다.

가시선 경로의 주요 장애 요인은 다음과 같다.

따라서 지구국은 가능한 한 개방된 장소에 설치되며, 안테나의 설치 높이를 높여 지형 장애물을 피한다. 위성 통신 시스템을 설계할 때는 목표 위성에 대한 최소 앙각(elevation angle)을 설정하여, 대기 손실을 최소화하고 지상 장애물의 영향을 받지 않는 가시선 경로를 확보하는 것이 중요하다.

위성 통신 링크의 성능을 결정하는 핵심 설계 파라미터는 전송 전력과 안테나 이득이다. 이 두 요소는 위성이나 지구국이 방사하는 신호의 세기를 직접적으로 좌우하며, 링크 예산 계산의 기초를 형성한다. 전송 전력은 일반적으로 와트(W) 또는 데시벨-와트(dBW) 단위로 표현되며, 송신기가 출력하는 전력의 절대값을 의미한다. 안테나 이득은 안테나가 특정 방향으로 전파 에너지를 집중시키는 능력을 나타내며, 무지향성 안테나에 대한 상대값으로 데시벨(dB) 단위로 표시한다.

안테나 이득은 안테나의 물리적 특성, 특히 직경과 작동 주파수에 크게 의존한다. 일반적으로 안테나의 직경이 크고 사용 주파수가 높을수록 이득은 증가한다. 이 관계는 안테나의 효율을 고려한 다음 근사식으로 표현할 수 있다: G = η (πD/λ)². 여기서 G는 이득, η는 효율, D는 안테나 직경, λ는 파장이다. 위성 통신에서는 고이득 안테나를 사용하여 제한된 전송 전력으로도 먼 거리를 효율적으로 커버한다.

전송 전력과 안테나 이득을 결합한 개념이 EIRP(등가 등방성 복사 전력)이다. EIRP는 송신 전력과 송신 안테나 이득의 합으로, 특정 방향으로 실제 방사되는 신호 강도의 총량을 나타낸다. 이는 링크 예산에서 상향링크 또는 하향링크의 출발점이 되는 값이다. 시스템 설계자는 주어진 서비스 요구사항과 규제 제한 내에서 전력 소비, 안테나 크기, 비용 등을 고려하여 전송 전력과 안테나 이득의 최적 조합을 찾아야 한다.

자유 공간 경로 손실은 위성 통신 링크에서 신호가 지구국과 위성 중계기 사이의 진공 또는 대기를 통과할 때 발생하는 전력 감쇠를 나타낸다. 이 손실은 주로 전파가 공간으로 퍼져나감에 따라 에너지 밀도가 감소하기 때문에 발생하며, 반사나 흡수와 같은 물리적 장애물의 영향은 포함하지 않는다. 기본적으로 거리의 제곱에 비례하여 증가하는 기하학적 확산이 주요 원인이다.

이 손실의 크기는 다음의 프리스 전송 공식으로 계산된다. 여기서 L은 경로 손실, λ는 파장, d는 거리, f는 주파수, c는 광속이다.

공식은 L = (4πd / λ)² = (4πdf / c)² 으로 표현된다. 데시벨(dB) 단위로 표현하면, L(dB) = 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) + 20 log₁₀(4π/c) ≈ 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) - 147.55 이 된다. 이 공식에서 알 수 있듯이, 손실은 거리와 주파수가 증가할수록 크게 증가한다.

정지 궤도 위성과 지구국 사이의 통신에서 거리는 약 36,000km에 이르며, 이로 인해 자유 공간 경로 손실은 매우 크다. 예를 들어, 6GHz 대역의 상향링크에서 손실은 약 200dB에 달한다[4]. 이러한 막대한 손실을 극복하기 위해 높은 전송 전력, 고이득 패러볼라 안테나를 사용하고, 수신기에서의 잡음을 최소화하는 것이 필수적이다.

자유 공간 경로 손실은 링크 예산 분석의 핵심 요소이다. 링크 예산은 송신 전력, 안테나 이득, 이 손실, 그리고 수신 시스템의 성능을 종합하여 최종 수신 신호의 세기를 계산한다. 이를 통해 통신 링크의 실현 가능성과 품질을 평가한다.

위성 통신 링크에서 신호는 지구 대기를 통과하며 다양한 형태의 손실과 감쇠를 경험한다. 이는 주로 신호의 주파수와 통신 경로가 통과하는 대기층의 상태에 의해 결정된다. 주요 감쇠 요인으로는 수증기와 산소에 의한 흡수, 구름과 강수(비, 눈)에 의한 산란 및 흡수, 그리고 대류권의 난류 현상이 있다.

주파수 대역별 대기 손실의 정도는 현저히 다르다. 일반적으로 10 GHz 이하의 대역(예: C 대역)에서는 대기 손실이 비교적 적다. 그러나 주파수가 증가함에 따라, 특히 10 GHz 이상의 Ku 대역, Ka 대역, 그리고 V/Q/W 대역으로 갈수록 산소와 수증기 분자에 의한 공진 흡수로 인한 손실이 급격히 증가한다. 특정 주파수에서는 이 흡수 현상이 극대화되는데, 이를 공진 주파수라고 한다. 예를 들어, 약 22.2 GHz 부근은 수증기에 의한 강한 흡수 대역이며, 약 60 GHz 부근은 산소에 의한 강한 흡수 대역이다[5].

우천 감쇠는 고주파 위성 통신에서 가장 주요한 장애 요인 중 하나이다. 강우율이 높을수록, 그리고 사용 주파수가 높을수록 신호 감쇠는 커진다. 이로 인해 Ku 대역 이상의 고주파 서비스는 링크 예산 설계 시 일정한 강우 마진을 포함하여 신뢰성을 확보해야 한다. 또한, 신호가 낮은 고도각으로 위성을 추적할 경우 통과하는 대기 경로 길이가 길어져 모든 형태의 대기 손실 영향이 증대된다. 따라서 위성 통신 시스템 설계자는 서비스 지역의 기후 통계 데이터를 바탕으로 대기 손실을 정량화하고, 이를 링크 예산에 반영하여 안정적인 통신 품질을 보장한다.

위성 통신 링크에서 정보를 반송파에 실어 보내기 위해 사용되는 변조 방식은 크게 아날로그 변조와 디지털 변조로 구분된다. 초기 위성 통신은 주로 아날로그 변조 방식을 사용했으나, 기술 발전과 함께 대부분의 현대 시스템은 디지털 변조로 전환되었다.

아날로그 변조 방식에는 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 등이 있다. 이 중 위성 통신, 특히 초기의 위성 텔레비전 및 음성 방송에서는 주파수 변조가 널리 사용되었다. 주파수 변조는 진폭 변조에 비해 신호 대 잡음비 면에서 우수한 성능을 제공하며, 전송 과정에서 발생하는 비선형 왜곡에 강인한 특성을 보인다. 그러나 아날로그 변조는 스펙트럼 효율성이 상대적으로 낮고, 잡음과 간섭에 취약한 단점이 있다.

디지털 변조는 이진 또는 다중의 디지털 심볼을 이용하여 반송파의 진폭, 주파수, 위상 중 하나 이상을 변화시켜 정보를 전송한다. 대표적인 방식으로는 위상 편이 변조(PSK), 직교 진폭 변조(QAM), 주파수 편이 변조(FSK) 등이 있다. 디지털 변조는 아날로그 변조에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

• 더 나은 스펙트럼 효율성과 잡음 내성을 제공한다.

• 오류 정정 부호와의 결합을 통해 링크 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

• 디지털 신호 처리 기술을 활용한 복조가 용이하며, 데이터, 음성, 영상 등 다양한 형태의 정보를 통합하여 전송할 수 있다.

현대의 위성 통신 시스템은 대역폭과 전력 효율 사이의 최적 균형을 추구한다. 고차수 QAM과 같은 고급 디지털 변조 방식은 제한된 주파수 자원 내에서 데이터 전송률을 극대화하지만, 더 높은 신호 대 잡음비를 요구하여 링크 예산에 부담을 준다. 따라서 시스템 설계자는 전송 품질, 데이터 속도, 사용 가능한 대역폭 등 요구사항에 따라 적절한 변조 방식을 선택한다.

위성 통신 시스템에서 다중 접속 기술은 한정된 위성 중계기 자원을 여러 사용자가 효율적으로 공유할 수 있게 해주는 핵심 기법이다. 주요 방식으로는 주파수 분할 다중 접속, 시분할 다중 접속, 코드 분할 다중 접속이 있으며, 각각 다른 원리로 자원을 할당하고 분리한다.

주파수 분할 다중 접속은 사용 가능한 전체 대역폭을 여러 개의 좁은 주파수 채널로 나누어 각 사용자에게 할당하는 방식이다. 각 사용자는 할당받은 고유한 주파수 채널을 통해 송수신하므로, 채널 간 간섭을 방지하기 위해 보호 대역이 필요하다. 이 방식은 구현이 비교적 간단하고 아날로그 신호 전송에 적합하지만, 사용자가 통신을 하지 않을 때도 채널이 점유되어 자원 활용 효율이 떨어질 수 있다.

시분할 다중 접속은 시간을 매우 짧은 구간(타임 슬롯)으로 분할하여 각 사용자에게 순차적으로 할당하는 방식이다. 모든 사용자는 동일한 주파수 대역을 사용하지만, 서로 다른 시간에 통신함으로써 분리된다. 이 방식은 디지털 신호 전송에 매우 효율적이며, 데이터 트래픽이 폭발적으로 증가할 때 유연하게 대응할 수 있다. 그러나 모든 지구국의 신호가 위성에서 정확한 시간에 도착하도록 동기화를 철저히 유지해야 하는 기술적 복잡성이 따른다.

코드 분할 다중 접속은 확산 스펙트럼 기술을 기반으로 한다. 모든 사용자가 동일한 주파수 대역과 시간을 공유하지만, 각 사용자에게 고유한 확산 코드를 할당하여 신호를 구분한다. 송신 시 데이터 신호에 이 코드를 곱해 대역폭을 넓히고, 수신 시 동일한 코드로 역확산하여 원래 신호를 복원한다. 다른 사용자의 신호는 무관한 코드로 인해 잡음처럼 처리된다. 이 방식은 보안성과 주파수 활용 효율이 높지만, 시스템 설계와 처리가 복잡하며 사용자 수가 증가하면 성능이 저하될 수 있다.

이러한 기술들은 종종 단독으로 또는 혼합되어 사용되며, 위성 시스템의 용량, 유연성, 비용 요구사항에 따라 선택된다.

신호 대 잡음비는 수신된 유용한 신호의 전력과 배경 잡음 전력의 비율을 나타내는 척도이다. 이 값은 위성 통신 링크의 품질과 데이터 전송의 정확성을 결정하는 가장 핵심적인 파라미터 중 하나이다. 높은 신호 대 잡음비는 명확하고 오류가 적은 수신을 보장하는 반면, 낮은 비율은 신호가 잡음에 묻혀 데이터 오류율이 증가하게 만든다. 신호 대 잡음비는 일반적으로 데시벨 단위로 표현된다.

링크 설계에서 신호 대 잡음비는 링크 예산 계산의 최종 결과물로, 모든 이득과 손실을 종합하여 도출된다. 주요 영향 요인으로는 전송 전력, 안테나 이득, 자유 공간 경로 손실, 그리고 수신 시스템의 잡음 온도 등이 있다. 시스템의 잡음은 주로 수신기의 첫 번째 증폭 단계인 저잡음 증폭기에서 발생하는 열 잡음이 지배적이다. 이 잡음 수준은 시스템의 등가 잡음 온도로 표현되며, 값이 낮을수록 더 민감한 수신이 가능해진다.

신호 대 잡음비는 최종적인 사용자 서비스의 품질과 직접적으로 연결된다. 예를 들어, 디지털 통신의 경우 신호 대 잡음비는 비트 오류율과 대응 관계에 있다. 요구되는 비트 오류율을 달성하기 위해서는 최소한의 신호 대 잡음비가 확보되어야 한다. 따라서 링크 설계자는 예상되는 다양한 손실과 감쇠를 고려하여, 최악의 조건에서도 이 최소 문턱값을 넘도록 충분한 여유분을 확보해야 한다. 이 여유분을 링크 마진이라고 부른다.

페이딩은 위성 통신 링크에서 수신 신호의 세기가 시간에 따라 변동하는 현상이다. 이는 주로 신호가 전파되는 경로상의 변화에 의해 발생한다. 주요 원인으로는 대기 중의 굴절 지수 변화, 대류권 및 전리층의 불규칙성, 그리고 다중경로 간섭 등이 있다. 다중경로 간섭은 신호가 직접 경로뿐만 아니라 지형이나 건물에 반사된 여러 경로를 통해 수신기에 도달하여 서로 간섭을 일으킬 때 발생한다. 이로 인해 신호의 진폭과 위상이 빠르게 변동하는 레이리 페이딩이 나타날 수 있다.

간섭은 원하지 않는 외부 신호가 통신 채널에 영향을 미쳐 수신 품질을 저하시키는 현상이다. 위성 통신 시스템에서는 주로 동일 채널 간섭과 인접 채널 간섭이 문제가 된다. 동일 채널 간섭은 같은 주파수를 사용하는 다른 신호원으로부터 발생하며, 인접 채널 간섭은 인접한 주파수 대역을 사용하는 신호의 스펙트럼이 겹쳐서 생긴다. 또한, 지상의 마이크로파 링크나 다른 위성 시스템에서 발생하는 교차 편파 간섭도 중요한 장애 요인이다.

페이딩과 간섭을 완화하기 위해 다양한 기술이 적용된다. 페이딩에 대응하는 주요 방법은 다음과 같다.

간섭 관리에는 주파수 계획을 통한 충분한 주파수 이격, 필터를 이용한 대역 외 신호 제거, 그리고 안테나의 편파 특성을 활용하는 방법 등이 사용된다. 특히 위성 간의 간섭을 최소화하기 위해 국제적으로 ITU가 주파수와 궤도 자원을 조정하고 할당한다.

우천 감쇠는 위성 통신 링크에서 신호가 강우, 적설, 우박과 같은 강수 현상을 통과할 때 발생하는 신호 세기의 감소 현상이다. 이는 주로 하향링크 경로에서 심각한 영향을 미치며, 사용 주파수가 높을수록 그 영향이 커진다. 신호의 파장이 강수 입자의 크기와 비슷해지면 산란과 흡수 현상이 증가하여 신호 세기가 약해지기 때문이다.

감쇠량은 강우 강도, 주파수, 신호의 경로 길이, 그리고 강수 지역의 특성에 따라 달라진다. 일반적으로 시간의 0.01%를 초과하는 매우 강한 강우율(예: 시간당 100mm 이상)에서의 감쇠량을 기준으로 링크의 여유도를 설계한다. 주요 주파수 대역별 우천 감쇠의 영향은 다음과 같이 요약할 수 있다.

우천 감쇠를 완화하기 위한 기술로는 링크 예산에 충분한 여유도를 포함시키거나, 지리적으로 분리된 두 개의 지구국을 사용하는 공간 다이버시티 기법이 있다. 또한, 실시간으로 강우 강도를 감지하여 전송 전력을 동적으로 증가시키는 업링크 전력 제어 기술도 활용된다. 열대 또는 몬순 기후 지역과 같이 강우가 빈번한 지역의 지구국은 이러한 대책을 특히 중요하게 고려하여 설계한다.

위성 통신 링크는 텔레비전 및 라디오 방송 서비스를 전 세계적으로 제공하는 핵심 인프라 역할을 한다. 이는 지상파 방송망이 도달하기 어려운 지역이나 광대한 영역에 동일한 콘텐츠를 동시에 송출하는 데 특히 효과적이다. 방송용 위성 통신은 주로 정지 궤도 위성을 사용하며, 직접 방송 위성 서비스는 소형의 개인용 접시 안테나를 통해 가정에 고화질의 텔레비전 및 라디오 채널을 직접 전송한다.

방송 서비스에 활용되는 위성 링크는 일반적으로 고출력의 하향링크를 특징으로 한다. 이를 통해 수신 지구국은 비교적 작고 저렴한 안테나로도 양질의 신호를 수신할 수 있다. 주요 서비스 형태는 다음과 같다.

이러한 서비스의 운영은 링크 예산 설계가 매우 중요하다. 방송 위성은 넓은 지리적 영역(빔)을 커버해야 하므로 안테나 이득과 전송 전력 간의 균형을 맞추는 것이 핵심이다. 또한, 디지털 전송으로의 전환과 함께 MPEG 표준 기반의 압축 기술이 적용되어 하나의 트랜스폰더로 더 많은 채널을 전송할 수 있게 되었다. 최근에는 초고화질 콘텐츠와 인터넷 프로토콜 기반의 방송 서비스 전송도 증가하는 추세이다.

위성 통신은 지상 기반 이동 통신 네트워크의 보완 및 확장 수단으로 활용된다. 특히 지리적으로 접근이 어렵거나 인구 밀도가 낮은 해양, 산악, 사막 지역에서 음성 및 데이터 서비스를 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다. 저궤도 위성군을 활용한 글로벌 위성 인터넷 서비스는 전 세계 어디서나 광대역 접속을 가능하게 하여 이동 통신의 범위를 극적으로 확장시켰다.

위성 링크는 지상 이동 통신 인프라의 백홀 연결에도 광범위하게 사용된다. 원격 지역에 위치한 기지국을 코어 네트워크에 연결하거나, 재해로 인해 지상 회선이 손상되었을 때 신속한 네트워크 복구를 위한 임시 백홀을 구성하는 데 적합하다. 이는 네트워크의 복원력과 서비스 연속성을 보장하는 데 기여한다.

위성 기반 이동 통신의 주요 기술적 과제는 이동 단말기의 소형 안테나 이득 한계와 도플러 효과, 빈번한 핸드오버 관리 등이다. 이를 해결하기 위해 위성은 스포트빔 기술을 사용하여 전력을 집중시키고, 지상국은 정교한 추적 및 신호 처리 알고리즘을 구현한다.

원격 탐사 통신은 지구 관측 위성, 기상 위성, 과학 탐사선 등이 수집한 데이터를 지구로 전송하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이러한 위성들은 다중분광 스캐너, 합성개구레이더, 고해상도 카메라 등의 센서로 대량의 관측 데이터를 생성한다. 생성된 원시 데이터는 위성 통신 링크를 통해 지정된 지상 수신국으로 전송되어 처리, 분석, 보관된다. 특히 깊은 우주 탐사 임무에서는 거대한 심우주 네트워크 안테나를 활용해 극도로 약해진 신호를 수신한다.

군사 통신에서 위성 링크는 안전하고 신뢰할 수 있는 C4ISR 체계의 중추를 이룬다. 군사 위성 통신은 일반적으로 보안성, 글로벌 커버리지, 적대적 환경에서의 생존성 등 특수 요구사항을 충족시킨다. 주요 응용 분야로는 전술 부대 간 음성 및 데이터 통신, 정찰 위성에서의 실시간 영상 스트리밍, 무인 항공기 조종 데이터 링크, 그리고 핵심 지휘통제망이 있다. 군용 위성은 주파수 호핑, 강력한 암호화, 안테나 빔 조향 기술을 통해 전자전 환경에서의 견고성을 확보한다.

두 분야 모두 특수한 링크 설계를 요구한다. 원격 탐사는 대용량 데이터를 효율적으로 전송하기 위해 높은 스펙트럼 효율성을 가진 변조 방식을 사용한다. 반면 군사 통신은 저피탐성과 항재밍성을 확보하기 위해 신호의 특성을 희생하기도 한다. 두 경우 모두 지구국 인프라가 중요하며, 군사 목적의 지구국은 이동성과 신속한 전개 능력을 갖추는 경우가 많다.

저궤도 위성군은 지표면으로부터 약 500km에서 2,000km 사이의 궤도에 수십 개에서 수천 개의 소형 위성을 배치하여 구성하는 네트워크이다. 기존의 정지궤도 위성이 하나의 대형 위성으로 광역을 커버하는 방식과 달리, 저궤도 위성군은 지구를 돌며 지상 사용자와 상대적으로 가까운 거리에서 통신을 제공한다. 이로 인해 전파 지연이 크게 줄어들어 실시간 응용 서비스에 유리하며, 더 높은 주파수 대역을 효율적으로 활용할 수 있다.

운영 방식은 위성 간 링크를 통해 네트워크를 형성하거나, 지상의 게이트웨이 지구국을 통해 데이터를 중계하는 형태를 취한다. 대표적인 사례로는 스타링크, 원웹 등이 있으며, 이들은 주로 광대역 인터넷 접속 서비스를 전 세계에 제공하는 것을 목표로 한다. 저궤도 위성군은 극지방이나 해상, 산악 지대 등 지상 네트워크 인프라가 부재한 지역에 통신 서비스를 제공하는 데 특히 효과적이다.

이러한 시스템의 도전 과제는 수백 기에서 수만 기에 이르는 방대한 위성의 제작, 발사, 궤도 관리 및 운용 비용이다. 또한, 우주 공간의 교통 혼잡과 우주 쓰레기 증가 문제, 그리고 빠르게 움직이는 위성 간의 핸드오버를 원활하게 처리하는 네트워크 기술도 중요한 설계 고려사항이다.

위성 통신 시스템에서 사용되는 주파수 대역은 점차 높아지는 추세이다. 전통적으로 많이 사용되던 C 대역과 Ku 대역에 이어, Ka 대역과 V 대역 및 Q 대역과 같은 고주파 대역의 활용이 활발해지고 있다. 이러한 고주파 대역은 더 넓은 대역폭을 제공하여 데이터 전송률을 획기적으로 높일 수 있다. 이는 초고속 인터넷, 고화질 비디오 스트리밍, 대용량 데이터 백홀과 같은 현대적 요구사항을 충족시키는 데 필수적이다.

그러나 고주파 대역 사용은 기술적 도전과제를 동반한다. 가장 큰 문제는 자유 공간 경로 손실이 주파수의 제곱에 비례하여 증가한다는 점이다. 이는 동일한 거리에서 저주파 대역보다 훨씬 큰 신호 감쇠를 의미한다. 또한, 우천 감쇠 현상이 훨씬 심각해진다. 고주파의 전파는 강우, 눈, 구름에 의해 쉽게 흡수되거나 산란되어 링크 품질을 크게 저하시킨다.

이러한 손실을 극복하기 위해 여러 기술이 적용된다. 고이득의 정밀한 안테나(예: 위상 배열 안테나)를 사용하여 빔을 집중시키고, 지상국과 위성 모두에서 출력 전력을 높이는 방법이 있다. 또한, 적응 코딩 및 변조 기술을 통해 실시간으로 채널 상태를 모니터링하고 변조 방식과 오류 정정 부호화율을 조정하여 최적의 전송 효율을 유지한다. 다중 지점에 지구국을 설치하는 다시점 수신 기술도 우천 감쇠에 대한 링크 신뢰성을 높이는 데 기여한다.

주요 고주파 대역의 특징과 응용 분야는 다음과 같이 정리할 수 있다.

고주파 대역 활용은 대역폭 부족 문제를 해결하고 용량을 확장하는 핵심 전략이지만, 이를 위해서는 손실 보상 기술에 대한 지속적인 연구 개발이 필수적이다.

소프트웨어 정의 위성은 위성의 통신 및 데이터 처리 기능이 주로 소프트웨어로 정의되고 제어되는 차세대 위성 플랫폼이다. 기존의 위성이 하드웨어 중심으로 설계되어 발사 후 기능 변경이 어려웠던 점과 달리, 이 방식은 지상에서 소프트웨어 업데이트를 통해 통신 프로토콜, 변조 방식, 대역폭 할당, 심지어 임무 목표까지 재구성할 수 있는 유연성을 제공한다. 이는 소프트웨어 정의 네트워킹 개념을 우주 영역으로 확장한 것으로, 위성을 지상 네트워크의 확장된 노드로 관리할 수 있게 한다.

핵심 구성 요소는 소프트웨어 정의 라디오 기반의 재구성 가능한 통신 페이로드이다. 이 페이로드는 범용 하드웨어(예: FPGA나 범용 프로세서)와 이를 제어하는 소프트웨어로 이루어져, 다양한 주파수 대역과 통신 표준을 지원한다. 예를 들어, 한 위성이 처음에는 DVB-S2 표준으로 텔레비전 방송 서비스를 제공하다가, 소프트웨어 재구성을 통해 5G NTN 백홀 링크나 IoT 데이터 수집용 협대역 통신으로 전환할 수 있다. 이러한 유연성은 위성의 수명 주기 동안 변화하는 시장 수요와 기술 발전에 대응하는 데 매우 유리하다.

이러한 발전은 특히 대규모 저궤도 위성군 운영에 혁신을 가져왔다. 수백 기의 위성으로 구성된 군집에서 지상국 소프트웨어를 통해 전체 네트워크의 자원을 동적으로 할당하고, 트래픽 패턴 변화에 실시간으로 대응하는 것이 가능해졌다. 또한, 인공지능과 머신러닝 알고리즘을 탑재하여 자율적으로 간섭을 회피하거나 링크 품질을 최적화하는 지능형 위성 통신 시스템으로의 발전도 이 플랫폼을 기반으로 이루어지고 있다.