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기획특집 ③

위성끼리 연결되는 우주 인터넷망

글. 전자전기공학과 25학번 31기 알리미 황희권

지금까지는 지상과 위성 사이의 전파 통신을 다뤘다면, 이제는 위성과 위성 사이를 직접 연결하는 ‘우주 인터넷망’에 주목할 때입니다. 이번 꼭지에서는 전 지구를 하나의 거대한 네트워크로 묶는 핵심 기술인 위성 간 링크(ISL)와 초정밀 제어 기술인 PAT(Pointing-Acquisition-Tracking)에 대해 알아보겠습니다.

지상국 중심 통신의 한계

그림 1. 투명형 페이로드 모델

초기의 저궤도 위성 인터넷이 채택한 기본 구조는 투명형 페이로드(Transparent Payload)입니다. 해당 구조는 위성이 지상의 단말기로부터 전송되는 전파 신호를 받아 주파수를 변환하고 감쇠된 신호를 증폭한 뒤, 지상국으로 반사해 주는 일종의 거울 역할을 수행합니다. 즉, 위성은 신호를 복조하여 내용을 해석하지 않은 채 변조된 파형을 그대로 전달하며, 신호가 이동하는 경로는 지상 단말기, 저궤도 위성, 지상국, 인터넷망의 순서를 따릅니다. 그러나 이러한 방식에는 치명적인 한계가 존재합니다. 그것은 위성이 지상의 단말기와 지상국을 동시에 바라보고 있어야만 통신 네트워크가 성립한다는 구조적 제약입니다. 

위성 간 링크

기존 투명형 페이로드 방식의 한계를 극복하기 위해 제안된 기술이 바로 위성 간 링크(Inter-Satellite Link, ISL)입니다. 신호를 바로 지상국으로 전송할 수 없다면, 인접한 위성으로 데이터를 보내 새로운 통신 경로를 개척하여 지구 전체를 거대한 통신망으로 통합할 수 있습니다. 하지만 신호를 해석하지 않고 그대로 중계하는 기존의 투명형 방식만으로는 위성 자체가 데이터의 목적지를 판단해 다른 위성으로 전달하기 어렵습니다. 따라서 위성 자체에서 신호를 처리하고 경로를 결정하려면 재생형 페이로드(Regenerative Payload) 방식이 활용될 수 있습니다.

그림 2. 재생형 페이로드 모델

해당 방식을 탑재한 위성은 기존의 위성과 달리 지상에서 온 전파를 단순히 증폭하는 데 그치지 않고, 디지털 신호로 복조¹하고 복호화²하여 내용을 해석합니다. 그러면 전파가 대기권을 통과하며 섞여 들어온 잡음이 걸러지고, 복호 과정에서 오류까지 정정된 깨끗한 디지털 데이터만 남게 됩니다. 위성은 이 재생된 데이터의 목적지 주소를 확인한 뒤, 인접한 위성을 향해 새롭게 변조하여 신호를 발사합니다.

위성은 어떻게 데이터를 주고받는가

그렇다면 재생된 데이터를 다른 위성으로 전송할 때 어떤 물리적 매체를 사용할까요? ISL에서는 전파뿐 아니라 레이저를 이용한 광학 통신 방식도 사용됩니다. 제어하기 까다로운 레이저를 위성 간 연결의 수단으로 채택하는 배경에는 회절 현상이 자리 잡고 있습니다. 전자기파가 위성의 안테나를 통과할 때 파동은 직진하지 못하고 주변 공간으로 퍼지게 됩니다. 이 과정에서 파동은 중심부가 가장 밝고 주변부로 갈수록 명암이 반복되는 고리 모양의 회절 패턴을 형성하게 됩니다. 이에 따라 위성에서 발사된 빔은 원뿔 모양으로 퍼지면서 나아가는데, 이 원뿔이 양옆으로 벌어지는 사각도³인 발산각(𝜃)은 파장(𝜆)과 안테나의 구경(D)을 매개변수로 하여 다음과 같이 나타냅니다. 

즉, 전자기파의 파장이 짧고 구경이 클수록 신호가 직진성을 유지함을 의미합니다. 위성통신에 쓰이는 전파와 비교했을 때 통신용 레이저의 파장은 전파보다 수십만 배 이상 짧습니다. 따라서 레이저는 멀리 떨어진 표적 위성을 향해 날아가더라도 빛 에너지가 전파보다 훨씬 좁은 범위에 집중되어 전달될 수 있습니다.

그림 3. Acquisition 단계의 상호 보완적 비대칭 스캔 과정

PAT(Pointing-Acquisition-Tracking)

앞서 설명된 날카로운 레이저를 명중시키기 위해서는 정밀한 조준 및 추적 기술이 필요한데, 이를 가능하게 만드는 것은 PAT(Pointing-Acquisition-Tracking) 기술입니다. 첫 번째 단계인 Pointing에서는 상대 위성을 조준할 수 있도록 대략적인 방향을 찾아냅니다. 이때 레이저가 이동하는 동안에도 상대 위성은 고속으로 이동하므로, 상대 위성이 이동해 있을 위치를 예측하여 미리 조준해야 합니다. 이를 위해 자신과 상대 위성의 상대적 위치 관계를 수학적 동역학 모델로 계산하고, 예측값을 기반으로 레이저 송수신기의 방향을 조정합니다. 

두 번째 단계인 Acquisition에서는 대략적인 오차 범위 영역을 최적화된 경로로 스캔하여 상대 위성이 보내는 최초의 광학 신호를 포착해 냅니다. ISL을 구축할 때 통신을 시도하는 두 위성은 상호 보완적인 역할을 분담합니다. 그림 3의 A 위성은 오차 범위 영역을 스캔하며 빔을 조사하는 역할을 전담하고, 반대편 B 위성은 A 위성이 보내오는 신호가 자신의 검출기에 들어오는지 감지하기 위해 스캔을 수행합니다.

이때 빛을 쏘아 보내는 A 위성은 좁은 레이저 발산각(𝛩div)에 맞춰 공간을 촘촘하게 훑도록 최적화되어 있습니다. 반대로, 신호를 대기하는 B 위성은 검출기의 넓은 시야각(𝛩fov)을 활용할 수 있도록 넓고 느린 패턴을 그리며 스캔합니다. 이는 두 위성이 임의의 시점에 탐색을 시작하더라도, 각 패턴의 탐색 주기를 다르게 설정해 송신 빔이 상대 위성의 탐색 영역과 만날 확률을 높이는 전략입니다. 

마지막 Tracking 단계에서는 위성의 궤도 운동과 내부 진동으로 인한 광축의 비틀림을 억제하여 통신 링크를 계속 유지합니다. 이를 위해 아래의 그림과 같이 끊임없이 오차를 감지하고 수정하는 피드백 루프(Feedback Loop)를 수행합니다.

그림 4. Tracking 단계의 피드백 루프

상대 위성에서 날아온 레이저는 수신부 내부의 4분할 포토다이오드 센서(Quadcell)에 상이 맺힙니다. 만약 빔이 사분면의 정중앙에서 조금이라도 벗어나면, 사분면을 이루는 4개의 포토다이오드가 각각 감지하는 빛의 양에 차이가 생깁니다. 이때 디지털 제어기는 각 사분면(IA, IB, IC, ID)의 신호 측정값을 바탕으로 다음과 같은 정규화 수식을 사용하여 X축과 Y축의 오차를 정밀하게 산출합니다.

이러한 계산을 거치면 두 위성 사이의 거리에 따라 레이저의 전체적인 밝기가 변하더라도 그 영향을 줄이면서 빔이 중앙에서 얼마나 벗어났는지를 추정할 수 있습니다. 이때 위성의 제어기는 (∆x, ∆y) 오차를 통해 고속 구동 거울(Fast Steering Mirror, FSM)을 어느 정도 기울여야 하는지 계산하고, FSM을 미세하게 기울여 각도를 조절합니다. 결과적으로 거울이 기울어지면서 레이저 빛은 다시 Quadcell의 중앙으로 돌아오게 됩니다. 이러한 피드백 루프를 빠르게 반복하여, ISL은 정밀한 조준 상태를 유지하며 데이터를 전송할 수 있습니다.

지금까지 디지털 비트열을 반송파로 변조하여 전송하는 통신 기초부터 지상과 위성 간의 빔포밍 제어, 그리고 위성 간 링크(ISL)를 실현하는 PAT 기술의 메커니즘에 대해 알아보았습니다. 이번 기획특집을 계기로 위성 통신 기술과 이를 가능하게 만드는 차세대 네트워크 혁신에 관심을 가져보는 것은 어떨까요?

[각주]

1. 전파에 실린 신호에서 원래의 디지털 데이터(0과 1)를 되찾는 과정

2. 암호화되거나 압축된 데이터를 원래의 정보 형태로 되돌리는 데이터 처리 과정

3. 중심 전파 축으로부터 공간상으로 방사형 원뿔 형상을 그리며 에너지 밀도가 확장 및 분산되는 기하학적 각도 범위

[ 그림 출처 ]

그림 1-2. 3GPP, “Solutions for new radio (NR) to support non-terrestrial networks,” 3GPP, Tech. Rep. TR 38.821, 2020.

그림 3. Rüddenklau, René, Jorge Rosano Nonay, and Georg Schitter. “Automated Design and Validation of Acquisition Patterns for Optical Inter-CubeSat Links.” Proceedings of the Annual Small Satellite Conference, Logan, UT, August 2024. https://doi.org/10.15142/fwhp-2g96

그림 4. Li, Qing, Shaoxiong Xu, Jiawei Yu, Lingjie Yan, and Yongmei Huang. “An Improved Method for the Position Detection of a Quadrant Detector for Free Space Optical Communication.” Sensors 19, no. 1 (January 2019): 175. https://doi.org/10.3390/s19010175

[ 참고 자료 ]

1. 그림 1과 동일한 출처

2. “5G Satellite Architecture | Transparent and Regenerative Payload”, Techplayon, 2025.10.17 https://www.techplayon.com/5g-satellites-architecture-transparent-regenerative

3. Grenfell, Peter, Alexa Aguilar, Kerri Cahoy, and Michael Long. “Pointing, Acquisition, and Tracking for Small Satellite Laser Communications.” Proceedings of the Annual Small Satellite Conference, Logan, UT, 2018.

4. 그림 3과 동일한 출처