위성통신일반사항

가. 개요

1. 위성통신의 역사

"장래 나치 독일군이 만들었던 V2와 같은 강력한 로켓으로 적도 상공 36,000km의 원궤도에 물체를 쏘아 올릴 수 있는 시대가 온다면, 지상에서 정지해 있는 것처럼 보이기 때문에, 이것을 사용하면 대륙간 전화중계나 라디오 방송이 가능해지지 않을런지.............."

이 글은 영국의 SF작가인 아서 C. 클라크가 제 2차 세계대전 직후인 1945년 10월에 "Wireless World"라는 무선잡지에 기고한 것으로, 위성통신을 최초로 제안한 것으로서 유명하다. 클라크는 이와같은 물체(인공위성)를 120° 간격으로 쏘아올리면 전세계를 커버할 수 있음도 제시하고 있다.최초로 인공위성 "Sputnik"가 쏘아올려지기 12년 전에 이와같은 선견적인 예측이 있었다.
최초의 인공위성 실험은 1960년에 미국에서 쏘아올린 Echo 1호이다. Echo 1호는 풍선의 표면을 알루미늄箔으로 입히고 지상에서 송출된 전파를 이 알루미늄박에서 반사시키는 " 수동형 통신위성"이었다. 그러나 이것만으로는 반사되어 지상으로 돌아오는 전파가 너무 약해 도저히 실용성이 없었다.

따라서 위성에 중계기를 탑재하여 지상으로부터 송신된 전파를 증폭한 다음 다시 지상으로 재송신하는 " 능동형 통신위성"이 필요하게 되었으며, 1962년에 미국의 벨연구소와 항공우주국(NASA)이 잇달아 쏘아올린 Telstar 1호와 Relay 1호가 바로 그것이다.
Telstar 1호는 미국과 유럽간의 텔레비젼 전송과 다중전화 신호의 전송에 성공했고, Relay 1호는 미국과 일본간의 텔레비젼 전송실험에 성공했다. 특히 Relay 1호에 의해 일본으로 전송되어 온 영상은 당시 미국대통령이던 John F. Kennedy의 암살뉴스였음은 너무나도 유명하다.

이 2개의 위성은 모두 다 지구 둘레를 약 3시간에 도는 周回衛星으로 이른 바 정지위성은 아니다. 최초의 정지 통신위성은 1963년에 NASA가 쏘아올인 Syncom 2호이며, 이어 1964년에 쏘아올린 Syncom 3호에 의해 도쿄 올림픽이 전세계에 중계되었다.

이렇게 해서 정지위성을 이용한 국제통신의 효과가 널리 인정됨에 따라 1965년에 쏘아올려진 Intelsat 1호를 사용하여 처음으로 상업위성 통신이 시작되었다.
처음에는 위성의 코스트가 높았기 때문에 주로 대륙간의 국제통신에 사용되었다. 그러나 위성발사기술의 급속한 진보와 초기에는 1년6개월 정도였던 위성본체의 수명이 10년 이상으로 늘어나면서 위성의 코스트가 대폭 내려갔다. 또한 위성의 중량도 Intelsat 1호는 40kg도 못 되었으나 최근의 Intelsat VI호는 1.8톤에 가깝다.. 위성이 클수록 중계기를 많이 탑재할 수 있으므로 1회선당 코스트가 저렴해 진다.

이와같은 기술진보의 덕택으로 위성통신은 가까운 이웃 국가들과의 통신이나 국내통신에도 널리 사용될 수 있게 되었다. 용도도 전화나 TV 중계, 데이터 전송, 팩시밀리전송, 영상회의, 전용회선 등 여러 가지 다양한 사용방법이 등장하게 되었다. 또한 정지위성은 TV 방송에도 사용되고 있다.

클라크의 제안이 있은지 반세기도 채 되지 않은 기간에 위성통시은 실로 우리들에게 친근한 존재가 된 것이다, 전 세계의 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 정도까지 보급 되리라고 그 누구도 생각하지 못했을 것이다. 제안자인 클라크조차도 " 내가 그 논문에 특허를 받아놓을걸 그랬다. 내가 살아있는 동안에 인공위성이 정말로 상업베이스로 사용되리라고는 예측하지 못했다"고 고백한 바 있다.

나. 본론

현재 적도상공 36,000km의 정지궤도상에는 세계 각국의 통신위성과 방송위성이 수백기 이상이나 돌고 있으며(그림), 또한 매년 새로운 위성이 발사되고 있다. 따라서 위성간의 충돌이 발생할 수도 있으며, 또한 2개 이상의 위성이 같은 주파수대를 사용하는 경우에 일정한 간격으로 배치하지 않으면 전파의 간섭이 일어난다. 따라서 위성의 정지위치나 사용주파수는 국제적으로 조정하여 결정하고 있다.

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

일본이 이용중인 국제통신위성은 국제전화나 국제 TV 중계에 사용하는 Intelsat(인도양과 태평양상) " CS-3(사쿠라3호)"를 NTT나 관공서, 몇 개의 기업이 국내통신에 사용하고 있다.
민간 통신위성으로서 SCC(Space Communication Corp., 우주통신의 Super Bird와 JSAT(Japan Satellite System Inc.)의 JCSAT가 있으며 TV 방송중계, CATV에의 TV 프로공급, 기업내 영상전송 네트워크 등에 사용되고 있다. 더 나아가 1992년부터는 통신위성(CS)으로 개인대상의 유료 TV(Pay TV)방송도 시작되었다. 한편, 방송위성(BS)으로는 BS-3(유리3호)가 사용되고 있다.

통신위성이나 방송위성에는 중계기가 탑재되어 있으며, 지상(지구국)으로부터 전파를 위성의 안테나에서 받아 중계기에서 증폭하여 지상의 목적지를 향해 재송신한다. 따라서 1기의 통신위성에 탑재하는 중계기의 수가 많을수록 회선용량은 커진다.
일본의 CS-3, Super Bird, JCSAT는 각각 12개, 32개, 29개의 중계기를 탑재하고 있다.

최초의 상업위성통신 Intelsat 1호(Early Bird)는 무게가 39kg으로 전화 240회선분 용량이었다. 최근에는 2톤급의 위성을 쏘아올릴 수 있게 되었고 수만회선의 용량이 가능하다.

지구국과 위성을 연결하는 전파의 주파수대는 6G/4㎓(C-Band), 14G/11G,12㎓(Ku-Band),30G/20㎓(Ka-Band)가 주로 사용된다. 여기서 6G/4㎓란 지구국에서 위성으로는(Up-link) 6㎓대, 위성에서 지구국으로는 (down-link) 4㎓를 사용한다는 의미이다. 업링크는 지구국에서 대전력으로 송신할 수 있기 때문에 전파의 가쇠가 큰 고주파수대를 사용하고, 다운링크는 위성의 송신전력에 제약이 있기 때문에 감쇠가 작은 고주파수대를 사용하는 방식을 취하고 있다.

1. 위성통신의 특징

광역성 : 위성에서 지상으로 발사되는 전파는 광범위한 서비스 영역을 커버할 수 있다
동보성, 멀티엑세스성 : 지역내의 여러지구국이 동시에 수신한다든가 혹은 많은 지점으로 부터의 정보를 수집하기 용이하다.
회선설정의 신속성,유연성 : 지국국을 이동시키면 어디에서든 자유로이 단시간에 회선을 설정할 수 있다.
원거리통신에 경제성 : 1개의 위성이 커버할 수 있는 범위내에서는 지상의 거리에 관계없이 전송코스트가 일정하다. 따라서 원거리통신에서는 경제적으로 된다.
"지상-정지위성-지상"의 총회선길이가 70,000km이상이 되어 신호의 전파(Propagation)시간에만 0.24초가 걸린다. 이 때문에 전화등에서는 통화중에 틈이 생기게 된다.
서비스지역내의 누구라도 수신할 수 있으므로 통신의 비밀을 보장하기 위해서는 신호의 암호화가 불가결하다.

2. 위성의 다원접속기술

위성에 탑재되어 있는 중계기는 지상의 여러 지구국이 공동으로 자유로이 사용할 수 있다. 어느 지구국에서도 통신회선을 간단히 설정할 수 있다는 것이 위성통신의 가장 큰 장점이다.
할당된 무선주파수 대역을 몇 개의 채널로 나누고 다수의 지구국이 그 중 적당한 채널에 엑세스하여 회선을 접속하는 방법이 다원접속(Multiple Access : MA) 이다. 자동차 전화나 코드리스 전화 등에서 사용되고 있는 다원접속과 같은 형태의 기술로서 고가인 위성중계기를 여러 지구국에서 공용할 수 있게 해 준다.

각 지구국에 재널을 할당하는 방법에는 통신상대별로 통신량에 맟춰 채널을 고정적으로 할당해 두는 고정할당(Preassignment : PA) 방식과 어느 구간에서 통신이 시작될 때 상대국에의 채널을 그때그때 할당하고 통신이 종료하면 할당을 해제하는 접속요구할당(Demand Assignment : DA)방식이 있다. PA는 큰 묶음회신에 적합하고, DA는 많은 작은 묶음회선이 엑세스하는 경우에 적합하다.

채널분할방식으로는 주파수,시간,부호로 분할하는 방법, 그리고 이들의 조합이 있다 필요한 통신용량, 주파수대역, 위성의 전력, 지구국의 전력, 지구국의 규모, 무전회선의 특성 등을 감안하여 결정한다.

2-1. FDMA(주파수 분할 다원접속)

주파수로 분할하는 방법을 FDMA(주파수 분할 다원접속)라 하며, 주어진 주파수대역을 일정 주파수 간격으로 분할하여 복수의 채널을 만드는 방법을 말한다.

중계기에서는 주파수가 다은 복수의 신호를 1대의 증폭기에서 공통으로 증폭한다, 이 때문에 어떤 채널의 신호가 다른 채널로 새어 들어(누설)가 방해를 주는 수가 있다(혼변조).
이와같은 결점이 있음에도 불구하고 FDMA는 다원접속의 절차가 간단하고, 지구국의 설비가 간단하다는 이점 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 예를 들면 Intalsat 위성의 아날로그 전화회선은 FM(주파수변조)의 신호를 FDMA로 접속하는 FM/FDMA 방식을 채용하고 있다.

2-2. TDMA(시분할 다중접속)

채널을 시간으로 분할하는 방법은 TDMA(시분할 다중접속)라 하며, 이 방식에서는 TDMA 프에임에 상당하는 시간을 주기로하여 각 지구국은 프레임내에서 그 지구국에 할당된 시간내에 신호를 하나로 모아(burst적 신호로) 일괄 송출한다. 수신측에서는 일련의 신호중에서 자국 방향의 버스트 신호만을 끄집어 낸다. 송신측에서는 버스트 신호가 TDMA 프레임내에 할당된 시각에 정확히 송출될 수 있도록, 그리고 수신측에서는 프레임내의 정확인 시간위치를 식별하여 신호를 끄집어 낼 수 있도록 양자간에 동기(프레임동기와 버스트동기)를 취할 필요가 있다.

TDMA는 동기를 잡기위한 기능이 필요하지만 각 채널의 신호를 주파수로 분할하는 경우는 없기 때문에 FDMA와 같은 혼변조는 일어나지 않는다. 또한 통신용량의 변경에 유연하게 대응할 수 있고, ISDN 등의 다양한 서비스도 처리할 수 있는 이점이 있다.
Intelsat에서는 1985년부터 TDMA도 사용하고 있다. 실제의 위성통신에서는 이들 FDMA와 TDMA를 주로 사용하고 있다.

2-3. CDMA(부호분할 다중접속)

이에 대하여 모든 지국국에 보내는 신호는 동일 주파수대에서 연속적으로 전송하고, 각 지구국에 보내는 신호는 해당 지구국에 고유한 부호를 사용하여 식별하는 방법이 있다. 이를 CDMA(부호분할 다중접속)라 한다.
CDMA는 채널의 신호를 처음에는 어느주파수로 변조하고, 이어 사용할 수 있는 주파수대역 전체의 넓은 스펙트럼(주파수성분) 범위에서 이를 분산시킨다. 이 때문에 스펙트럼 환산방식(Spread Spectrum Multiple Access : SSMA)이라고도 하는데, 이 방법은 간섭이나 방해에 강하고, 높은 秘話性을 지닌다는 장점이 있다. 반면에 넓은 주파수 대역을 필요로하기 때문에 주파수의 이용효율이 낮은 단점이 있다. CDMA의 예로서는 C-Band(6G/4㎓대)를 사용하는 VSAT(Very Small Aperture Terminal : 초소형지구국) 시스템을 들 수 있다.

3. 통신위성과 지구국

가장 기본적인 위성통신 시스템은 신호를 변조하여 업링크의 주파수로 변환하여 대전력으로 위성을 향하여 전파를 보내는 송신계, 그 전파를 받아 증폭한 후 다시 지상을 향하여 송출하는 통신위성, 위성으로부터의 전파를 받아 원래의 신호로 복조하는 수신계의 3가지로 구성되어 있다.

송신국은 위성을 향하여 대전력의 전파를 보낸다. 마이크로웨이브의 대전력 증폭기에는 진행파관이나 클라이스트론(Klystron : 속도변조관) 등의 특별한 진공관이 사용되고 있다. 최근에는 반도체 소자의 진보에 힘입어 GaAsFET(GaSa Field Effect transistor)도 사용되고 있다.

수신국은 위성으로부터 송출되어 온 미약한 전파를 받아 증폭한다. 따라서 증폭단계에서 발생하는 잡은을 작게 하여 수신신호가 잡음에 섞여 왜곡되지 않도록 할 필요가 있다. 이 저잡음 증폭기에는 가변용량 다이오드(varactor diode) 등의 負性 저항특성을 이용한 파라메트릭증폭기, GaSaFET, HEMT(High Electron Mobility Transistor)등이 사용된다. 파라메트릭 증폭기는 전자냉각으로 대단히 저온으로 할 수도 있다. 소자가 발생하는 잡음을 작게 할 수 있기 때문이다.

이 송신계와 수신계를 가진 지상국을 지구국이라 한다. 지구국의 안테나는 송신용과 수신용으로 공용된다. 송신전파와 수신전파의 분리는 안테나의 입구에 있는 분파기에서 주파수의 차이를 이용해서 실행한다.

4. 안테나

안테나는 접시모양의 반구형 반사경을 가진 구조이다. 그 반사면에서 전파를 위성으로 가는 빔으로 만들어 보내거나, 위성에서 온 전파를 한점으로 모아 수신하든가 한다. 반사면은 큰 쪽이 전파를 많이 모을 수 있어 유리하며, 카세그레인 안테나(Cassegrain antenna)가 널리 사용된다. 더 나아가 반사경에서 비스듬하게 반사시키도록 한 오프셋형도 사용된다. 전파를 목적하는 방향으로 집중시켜 다른곳으로 새어나가지 않도록 하는 것이 목적이다.

일반지구국에서는 직경이 수 m이상인 안테나가 사용되지만 위성의 대형화에 따라 데이터 통신 등에서는 직격 1m정도의 소형 안테나를 사용하는 예도 나오고 있다. 이를 VSAT라 한다.

5. 중계기

위성에서의 전파의 중계는 중계기가 수행한다. 위성에는 수대에서 수십대의 중계기가 탑재되어 있으며 각각 다른 목적지나 다른 용도에 구분사용할 수 있다. 중계기를 다른 사람에게 대여해 주어 그 위성회선을 자유로이 사용케 할 수도 있다.

중계기도 기본적으로 지구국과 마찬가지로 저잡음 증폭기와 전력증폭기, 안테나로 구성된다. 위성통신에서는 다원접속이 사용되지만 FDMA에서도 TDMA에서도 이 구성에는 변함이 없다. 그러나 FDMA에서는 주파수 다중된 다수의 채널 신호를 중계기의 전력증폭기가 하나로 모아 증폭하므로 증폭기에 왜곡이 있으면 채널간에서 신호가 간섭해 버린다. TDMA에서는 1채널이 주파수대역 전체를 사용하므로 그와같은 간섭은 일어나지 않아 그만큼 전력증폭기의 설계가 편해진다.

위성에 탑재하는 대형 안테나는 반사경의 크기가 수 m에 이르고 있어 반사경을 여러겹 접은 상태로 발사하여 궤도상에서 원래대로 열어 펴는 방법을 쓴다.
위성에 탑재하는 기자재는 발사시에 격심한 충격, 유성등과의 충돌, 방사선이나 태양열방사, 태양풍 등의 영향에도 견딜 수 있도록 만들어지고 있다.