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기획특집 ➁

지상과 위성의 통신

글. 무은재학부 26학번 32기 알리미 김한음

이전 꼭지에서는 정보가 파동의 형태로 전달되는 기본적인 원리와 신호의 품질을 평가하는 지표인 SNR에 대해서 살펴보았습니다. 이번 꼭지에서는 먼 거리로 인한 신호 손실과 그로 인한 저궤도 위성의 등장, 움직이는 위성을 향한 빔 제어, 그리고 고속 이동으로 인한 문제를 극복하는 도플러 보정과 핸드오버에 대해 살펴보겠습니다.

정지궤도 위성의 한계 및 저궤도 위성의 등장

그림 1. 정지궤도 위성과 저궤도 위성의 차이

정지궤도위성(Geostationary Earth Orbit, GEO)은 적도 상공 약 35,786km에서 지구 자전과 같은 주기로 공전하여 항상 정지해 있는 것처럼 보이는 위성입니다. 안테나 방향을 고정할 수 있다는 장점이 있지만, 높은 고도에 위치해 신호 전달 과정에서 큰 손실이 발생합니다.

수신 안테나의 수신 전력 Pr은 수신 지점의 전력 밀도와 수신 안테나의 유효 개구면적¹의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 여기에 송신 안테나와 수신 안테나의 이득을 반영하면 두 안테나 사이의 수신 전력을 나타내는 Friis 전송식을 얻을 수 있습니다. 이때 송수신 전력 Pr, Pt와 안테나 이득 Gr, Gt를 제외하고 오직 전파가 날아가는 공간에 의해 발생하는 손실만 묶어낸 (𝜆/4𝜋R)²을 공간 손실 인자라 합니다. 이 공간 손실 인자에 역수를 취하고 데시벨(dB)² 단위로 변환함으로써 자유 공간에서의 전파 손실을 나타내는 자유공간 경로 손실(Free Space Path Loss, FSPL)을 정의할 수 있습니다.

위 식에 따르면 손실이 거리 R의 제곱에 비례해 증가하므로, 거리가 먼 GEO는 전파 손실이 큽니다. 이러한 전파 손실 문제를 극복하기 위해 지표면에서 약 2,000 km 이하의 고도에서 운용되는 저궤도위성(Low Earth Orbit, LEO)이 등장했습니다. 하지만 LEO는 낮은 궤도에서 빠르게 움직이기 때문에 안테나를 고정해 둘 수 없으며, 통신을 끊김 없이 유지하기 위해서는 움직이는 위성을 지속적으로 추적할 수 있는 안테나 기술이 필요합니다.

빔포밍 원리를 활용한 위상배열 안테나

고속으로 궤도를 돌고 있는 LEO의 신호를 끊김 없이 수신하기 위해, 전파를 특정 방향으로 중첩시켜 송수신하는 빔포밍 기술이 사용됩니다. 그렇다면 빔포밍 과정에서 전자기파 신호는 어떻게 특정한 방향으로 증폭될까요? 앞서 살펴본 전자기파의 기본 식³에 오일러 공식(e^jθ = cosθ + j sinθ)의 실수부인 cos 성분만 고려하면, E = E0cos(kr − 𝜔t + 𝜑) 형태로 나타낼 수 있습니다.

이 식을 바탕으로 동일한 안테나 소자들이 중심으로부터 일정 거리만큼 떨어져 대칭으로 배치된 시스템을 가정했을 때, 원거리의 한 지점에서 관측되는 총전파는 각 안테나 소자가 만드는 전파를 단순히 합한 것과 같습니다. 이때 안테나 소자에 입력되는 전류 I0에 안테나 소자 간의 거리(r)와 인위적인 위상차(𝛽)의 관계식을 결합해 방사되는 전자기파의 위상과 세기를 제어할 수 있습니다.

동일한 안테나 소자가 N개 있는 상황에서, 총전파는 패턴 곱 원리를 통해 계산될 수 있습니다. 여기서 패턴 곱 원리란 방사소자 1개의 전파 신호와 소자별 위상 차이에 의한 간섭 효과를 모두 더한 배열 인자 패턴 함수(Array Factor)의 곱이 총 전파 신호임을 나타낸 원리입니다. 이때 배열 인자 패턴 함수를 곱해줌으로써 특정 방향으로 증폭된 전파 신호를 형성할 수 있게 됩니다.

이러한 빔포밍의 원리를 적용해 LEO의 신호를 제어하는 위상배열 안테나가 핵심 대안으로 등장했습니다. 위상배열 안테나는 여러 안테나 소자를 배열할 때 발생하는 파동의 간섭 현상을 활용하여, 기계적으로 안테나를 돌리지 않고 전기 신호로 전자기파의 방향을 제어하는 기술입니다. 특정 방향에서 들어오는 전파는 각 안테나 소자에 도달하는 경로가 달라 위상차가 발생하는데 이를 위상 변환기(Phase Shifter)⁴를 통해 정렬 및 제어할 수 있습니다.

그림 2. 위상 배열 안테나 모델

위상 변환기는 k를 파수, d를 안테나 소자 간격이라 할 때, 안테나 소자 간의 경로차 d・cosθ로 인해 발생하는 위상차에 인위적인 위상 변화량 𝛽를 더해 총 위상차 𝜓 = kd・cosθ + 𝛽를 조절함으로써, 안테나 배열의 지향성을 결정하는 배열 인자 패턴 함수를 형성하는 장치입니다. 최종 신호의 크기와 방향은 각 소자의 위상이 𝜓만큼 회전하며 중첩되는 원리로 결정됩니다. 따라서 위상 변환기로 𝛽를 조절하면 보강 간섭을 유도해 다양한 위치로 이동하는 LEO를 따라서 전파 신호를 원하는 방향으로 조준할 수 있습니다.

그림 3. 선형 배열 안테나의 위상차 기반 빔포밍 도식

도플러 보정과 Handover

하지만 여러 위치의 저궤도 위성 신호를 받아들이는 것만으로는 안정적인 통신이 이루어지지 않습니다. 초고속으로 공전하는 LEO와 지상 고정 안테나 사이에는 상대운동으로 인해서 주파수가 변하는 도플러 효과가 발생합니다. 위성과 지상국 간의 상대운동으로 반송파 주파수 오차(Carrier Frequency Offset, CFO)⁵가 생기고, 이 오차는 수신 신호의 위상을 시간에 따라 변하게 만들어 성상도 위의 점들이 회전하는 것처럼 보이게 합니다. 따라서 수신기가 기존 심볼 위치를 정확하게 판정하지 못해 통신 오류율이 높아집니다.

이를 해결하기 위해 위성과 수신부 측에서 단계별로 주파수를 보정합니다. 먼저 위성은 지상을 여러 개의 통신 영역인 Cell로 나눈 뒤, Cell의 중심 좌표와 자신의 위치를 기반으로 도플러 편이를 미리 보정해 전파를 보내는 위성 측 보정을 수행합니다. 이후 실제 단말 위치와 Cell 중심의 차이, 주파수 추정 오차 등으로 남는 잔류 도플러는 수신 측 보정을 통해 줄입니다. 이때 수신기는 성상도가 얼마나 회전했는지 추정하고, 이를 반대 방향으로 보정해 수신된 점들이 원래 심볼 위치에 가까워지도록 만듭니다.

또한, LEO는 초고속 공전으로 인해 지상에서의 가시 시간이 5~10분에 불과해, 연결을 끊김 없이 다음 위성으로 전환하는 핸드오버 기술이 필수적입니다. 이 기술은 통신 중인 위성이 시야에서 사라지거나 신호가 약해질 때 통신 경로를 전환하는 역할을 하며, 크게 단일 위성 내부에서 발생하는 Spotbeam 핸드오버와 서로 다른 위성 간에 이루어지는 Satellite 핸드오버로 분류됩니다.

그림 4. Spotbeam 핸드오버와 Satellite 핸드오버 모델

Spotbeam 핸드오버는 하나의 위성이 만드는 Cell의 경계에서 연결을 원활하게 전환하는 기술로 약 1~2분마다 빈번하게 일어납니다. 반면, Satellite 핸드오버는 기존 위성과의 연결을 끊은 뒤 새 위성으로 넘어가는 hard 핸드오버와, 두 위성과의 연결을 잠시 함께 유지하다가 전환하는 soft 핸드오버 방식으로 나눌 수 있습니다. 

이처럼 지상국은 위성과 끊임없이 통신을 주고받기 위해 위성을 정밀하게 추적하고 신호를 보정하는 기술을 발전시켜 왔습니다. 그러나 지상국과 위성 사이의 연결만으로는 모든 지역을 안정적으로 연결하기 어렵고, 데이터가 결국 지상국을 거쳐야 한다는 한계도 남습니다. 다음 꼭지에서는 이러한 한계를 넘어 위성들이 서로 직접 데이터를 주고받는 위성 간 링크(Inter-Satellite Link, ISL)를 살펴보겠습니다!

[각주]

1. 안테나로 입사되는 전자기파의 전력 밀도에서 최대의 수신 전력을 추출해낼 수 있는 수신 면적

2. 소리, 전기, 전파 등에서 두 값의 비율을 상용로그로 나타내는 상대적인 측정 단위

3. E(r, t) = E0cos(kr − ωt + 𝜙)

4. 입력 전자기 신호의 진폭을 크게 변경하지 않고 제어된 시간 지연 또는 위상차를 도입하여 정밀하게 빔의 위상을 조절하는 장치
5. 송신기와 수신기 간의 국부 발진기 하드웨어 차이로 인해 발생하는 주파수 불일치

[ 그림 출처 ]

그림 1. 한화그룹. “지구를 바라보는 뉴스페이스 시대의 눈” 한화저널. 2024년 6월 7일. https://www.hanwha.co.kr/newsroom/discover/view.do?seq=13542

그림 2. Keysight. “Designing Phased Arrays: Key Principles, Challenges, and Solutions.” Keysight Blogs. November 12, 2025. https://www.keysight.com/blogs/en/tech/sim-des/designing-phased-arrays-key-principles-challenges-and-solutions

그림 3. Balanis, Constantine A. Antenna Theory: Analysis and Design. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2016.

그림 4. Pulak K. Chowdhury, Mohammed Atiquzzaman and William Ivancic. “Handover Schemes in Satellite Networks: State-of-the-Art and Future Research Directions”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 8, no. 4 (2006): 21 – 50.

[ 참고 자료 ]

1. 정보통신기술용어해설. “FSPL” 「정보통신기술용어해설」. 2023년 6월 12일. http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=841

2. 그림 3과 동일한 출처

3. 이희원, 하태식, 윤원상, 김영재, 김성호. “한반도 지역에서의 저궤도 위성 통신 시스템의 도플러 편이 분석 및 보상 방안.” 한국정보기술학회논문지 21, no. 4 (2023년 4월): 75-83.  https://ki-it.com/xml/36446/36446.pdf

4. 정보통신기술용어해설. “도플러 효과” 「정보통신기술용어해설」. 2026년 2월 5일. http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=2621

5. 그림 4와 동일한 출처