News center

위성통신

위성통신은 더 이상 먼 미래의 우주 기술이 아니라, 지상 통신망의 한계를 보완하는 현실적인 인프라로 자리 잡고 있습니다. 2024년 1월 SpaceX¹는 T-Mobile²과 협력해 일반 LTE 스마트폰과 직접 통신할 수 있는 Starlink Direct to Cell 위성을 처음 발사했으며, 2024년 12월 뉴질랜드를 시작으로 2025년 7월에는 미국에서도 위성 문자 서비스가 정식으로 상용화되었습니다. 또한 팔레스타인 가자 지역의 의료 및 피난 시설인 가자 지구의 병원 통신망이 전쟁과 연료 부족으로 파괴되었을 때, SpaceX의 위성 인터넷망인 스타링크가 도입되어 원격진료 및 외부 연락을 유지하는 데 활용되었습니다. 이처럼 지상 통신망이 불안정한 현장에서도 위성 인터넷은 원격진료와 긴급 연락을 가능하게 하는 수단으로 주목받았습니다. 이번 기획특집에서는 정보가 어떻게 전달되고, 지상국과 위성은 어떻게 통신하며, 나아가 위성끼리 연결되어 우주 인터넷망을 이루는 원리를 차례대로 알아보겠습니다.

기획특집 ①

정보는 어떻게 전달되는가?

글. 산업경영공학과 25학번 31기 알리미 최재민

우리는 스마트폰으로 보낸 메시지가 곧바로 상대에게 도착하는 것을 자연스럽게 받아들입니다. 하지만 통신 장비가 실제로 주고받는 것은 문장의 의미가 아니라, 일정한 규칙에 따라 변환된 0과 1의 배열입니다. 이번 꼭지에서는 이 비트열이 반송파에 실려 변조 과정을 거쳐 전자기파의 형태로 전달되는 과정을 살펴보겠습니다.

정보의 표현과 반송파

디지털 회로에서 정보를 0과 1로 표현하는 이유는 회로 안의 트랜지스터가 작은 스위치처럼 동작하기 때문입니다. 트랜지스터가 꺼진 상태와 켜진 상태, 또는 낮은 전압과 높은 전압을 각각 0과 1로 약속하면 회로가 신호를 안정적으로 구분할 수 있습니다. 0 또는 1을 가지는 정보의 최소 단위를 비트라고 하며, 여러 비트가 모이면 문자와 숫자, 이미지의 색과 밝기 등 다양한 정보를 표현할 수 있습니다. 예를 들어 ASCII 코드³에서 대문자 A는 10진수로 나타내면 65이고, 이를 8비트로 나타내면 01000001입니다.

사진이나 영상도 결국 같은 방식으로 처리됩니다. 영상 통화 화면은 픽셀의 밝기와 색으로 수치화되고, 압축과 패킷화를 거쳐 작은 데이터 조각으로 나뉩니다. 이렇게 정리된 데이터는 0과 1로 이루어진 비트열로 표현됩니다. 하지만 비트열은 정보를 나타내는 방식일 뿐, 그 자체가 멀리 떨어진 곳까지 이동할 수 있는 물리적인 신호는 아닙니다. 따라서 위성처럼 멀리 떨어진 수신기까지 정보를 보내기 위해서는, 이 비트열을 전자기파라는 물리적 매개체에 실어 보내야 합니다.

이때 정보를 실어 나르는 기본 파동을 반송파라고 합니다. 안테나에 시간에 따라 변하는 전류가 흐르면 변화하는 전기장과 자기장이 만들어지고, 이 에너지가 전자기파의 형태로 공간에 방사됩니다. 통신기 안의 한 지점에서 보면 반송파는 보통 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. 

s(t) = A cos(2πfct + Φ)

A: 진폭,  fc: 주파수, Φ: 위상

즉 통신은 이 파동의 진폭과 주파수, 위상 등을 조절해 정보를 싣는 과정입니다.

그림 1. ASK, FSK, PSK에서 반송파의 진폭·주파수·위상이 각각 달라지는 방식

변조: 비트열을 신호 상태로 바꾸는 과정

통신에서는 비트열에 맞추어 반송파의 성질을 바꾸어 정보를 싣는데, 이를 변조라고 합니다. 진폭을 바꾸면 ASK⁴, 주파수를 바꾸면 FSK⁵, 위상을 바꾸면 PSK⁶라고 부릅니다. 예를 들어 0과 1에 서로 다른 진폭이나 위상을 대응시키면, 수신기는 도착한 신호가 어느 약속된 상태에 가까운지를 보고 비트를 읽어낼 수 있습니다. 실제 디지털 통신에서는 하나 이상의 비트를 하나의 심볼에 대응시켜 전송합니다. 이때 한 번에 보내기로 약속한 하나의 신호 상태를 심볼이라고 합니다. 심볼이 2개라면 한 심볼에 1비트를, 심볼이 4개라면 00, 01, 10, 11 네 조합을 표현해 2비트를 담을 수 있습니다. 일반적으로 심볼의 개수가 M개이면 한 심볼에는 log₂ M의 비트를 담을 수 있습니다. 같은 속도로 심볼을 보내더라도 하나의 심볼에 더 많은 비트를 담으면 전체 데이터 전송률은 높아집니다. 이러한 원리를 근거로 하는 대표적인 디지털 변조 방식으로는 반송파의 위상을 변화시키는 BPSK⁷와 QPSK⁸, 그리고 진폭과 위상을 조합해 여러 신호 상태를 표현하는 QAM⁹ 등이 있습니다.

BPSK, QPSK, QAM과 성상도

BPSK는 가장 단순한 위상 변조 방식입니다. 두 개의 심볼 상태를 사용하며, 두 신호는 서로 180도 다른 위상을 가집니다. 한쪽 위상을 비트 0, 반대쪽 위상을 비트 1에 대응시키면 수신기는 들어온 신호가 어느 쪽 위상에 더 가까운지를 보고 비트를 판단합니다. 신호 상태를 점으로 나타내는 성상도에서는 두 심볼이 서로 멀리 떨어진 두 점으로 나타나므로 잡음에는 비교적 강하지만, 한 번에 1비트만 보낼 수 있습니다.

QPSK는 BPSK와 똑같이 위상만 바꾸는 방식이지만, 네 개의 위상 상태를 사용합니다. BPSK가 두 위상으로 0과 1을 구분했다면, QPSK는 서로 다른 네 위상에 00, 01, 10, 11과 같은 2비트 조합을 대응시켜 같은 심볼 전송률에서도 BPSK보다 더 많은 비트를 전달할 수 있습니다.

그러나 위상 상태만 계속 늘리는 데에는 한계가 있습니다. 위상만 바꾸는 방식에서는 성상도 위의 점들이 같은 원 위에 놓입니다. 점의 수가 많아질수록 한 원 위에서 이웃한 점 사이 간격이 좁아져 수신기가 두 점을 구분하기 어려워집니다. 이를 보완하기 위해 위상뿐 아니라 진폭까지 함께 바꾸는 방식이 필요한 것입니다.

QAM은 반송파의 위상과 진폭을 동시에 변화시켜 심볼을 표현하는 방식입니다. 따라서 같은 위상이라도 진폭이 다르면 다른 심볼이 되고, 같은 진폭이라도 위상이 다르면 또 다른 심볼이 됩니다. 결과적으로 성상도¹⁰ 위에 더 많은 점을 배치할 수 있어 하나의 심볼에 더 많은 비트를 담을 수 있습니다.

이를 좌표평면에서 보기 위해 반송파를 서로 직교하는 I 성분과 Q 성분으로 나누어 생각합니다. 

위와 같이 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 반송파를 I 성분과 Q 성분의 조합으로 표현할 수 있으며, 성상도에서 원점과 점 사이의 거리는 진폭, 가로축과 이루는 각도는 위상을 뜻합니다. 즉 성상도의 각 점은 송신기가 선택한 진폭과 위상의 조합입니다.

그림 2. BPSK·QPSK와 16-QAM의 성상도

예를 들어 16-QAM은 성상도 위의 16개 점에 0000부터 1111까지의 4비트 조합을 대응시킵니다. 따라서 한 번의 심볼 전송으로 4비트를 보낼 수 있어 BPSK나 QPSK보다 전송 효율이 높습니다. 다만 점의 수가 많아질수록 점 사이 간격은 좁아지므로, 수신기가 각 점을 정확히 구분하려면 더 명확한 신호가 필요합니다.

그림 3. 256-QAM의 성상도

따라서 QAM의 핵심은 많은 점을 찍는 것만이 아니라, 제한된 전력과 잡음 속에서도 수신기가 점들을 안정적으로 구분할 만큼 거리를 확보하는 데 있습니다. 전송 효율을 높이기 위해 점을 촘촘히 배치할수록 오류 가능성도 커지므로, 변조 방식은 속도와 안정성 사이의 균형을 고려해 선택합니다.

SNR과 변조 방식의 선택

이 균형을 결정하는 중요한 기준이 SNR(Signal-to-Noise Ratio), 즉 신호 대 잡음비입니다. 우주 공간을 지나온 전자기파는 거리가 멀어질수록 세기가 약해지며, 수신 과정에서는 수신기의 열잡음과 주변 간섭이 함께 더해집니다. 수신 신호 r는 성상도 상의 점 a에 잡음 n이 더해진 것으로, 이를 r = a + n으로 볼 수 있습니다. SNR이 낮으면 수신된 점들이 넓게 퍼져 서로 구분하기 어려워지고, SNR이 높으면 점들이 기준점 근처에 모입니다.

그림 4. SNR에 따른 수신점 분포

수신기는 도착한 점이 어느 기준점에 가장 가까운지를 보고 심볼을 판정합니다. 하지만 SNR이 낮아 점구름이 넓게 퍼지면, 원래 00이었던 심볼이 경계를 넘어 01이나 10에 더 가까운 위치로 이동할 수 있습니다. 이 경우 수신기는 규칙대로 판단했더라도 잘못된 비트를 읽습니다. 반대로 SNR이 높으면 더 높은 차수11의 변조 방식도 사용할 수 있습니다. 

이 관계는 섀넌-하틀리 정리로도 설명됩니다. 대역폭 B를 가진 잡음 채널에서 오류 없이 전달할 수 있는 이론상 최대 전송률은 C = B log2(1 + S/N    )입니다. 여기서 C는 채널 용량, B는 대역폭, S/N은 신호 대 잡음비입니다. 이 식은 같은 대역폭에서도 SNR이 높을수록 더 많은 정보를 안정적으로 보낼 수 있음을 보여줍니다.

따라서 위성 통신에서는 링크 상태에 따라 변조 방식을 바꾸어 사용합니다. SNR이 충분히 확보될 때는 16-QAM이나 64-QAM처럼 한 심볼에 많은 비트를 담는 방식을 사용할 수 있습니다. 반대로 신호가 약하거나 잡음이 큰 상황에서는 BPSK나 QPSK처럼 성상도에서 점 사이의 거리가 비교적 먼 방식을 사용해 안정성을 높입니다.

그림 5. SNR과 채널 용량 및 변조 방식의 관계

이처럼 우리가 주고받는 문자와 영상은 비트열과 심볼을 거쳐 전자기파의 형태로 바뀌어 전달됩니다. 하지만 우주 공간을 지나는 동안 신호는 약해지고 잡음이 섞이기 때문에, 정보를 정확히 전달하려면 신호를 더 강하고 정밀하게 보내는 기술이 필요합니다. 다음 꼭지에서는 이 전자기파가 지상국과 저궤도 위성 사이를 어떻게 오가며 안정적인 통신을 유지하는지 살펴보겠습니다. 

[각주]

1. 2002년 설립된 미국의 민간 항공우주 제조 및 우주 수송 기업

2. 독일에 본사를 둔 도이체 텔레콤의 다국적 이동 통신 사업

3. ASCII는 문자, 숫자, 기호에 고유한 숫자 값을 대응시키는 대표적인 문자 인코딩의 표준

4. Amplitude Shift Keying, 진폭 편이 변조

5. Frequency Shift Keying, 주파수 편이 변조  6. Phase Shift Keying, 위상 편이 변조

7. Binary Phase Shift Keying, 두 위상으로 1비트를 전송하는 디지털 변조 기술

8. Quadrature Phase Shift Keying, 4개 위상으로 2비트를 전송하는 디지털 변조 기술

9. Quadrature Amplitude Modulation, 위상과 진폭을 결합하여 여러 비트를 전송하는 디지털 변조 기술

10. 통신 및 전자공학에서 디지털 변조 신호의 위상과 진폭을 복소평면 위에 점으로 시각화하여 나타낸 그림
11. 변조 방식에서 사용하는 심볼의 개수. 16-QAM은 16개의 심볼을 사용하므로 16차 변조이며, 차수가 높을수록 전송 효율은 높아지지만 잡음에는 더 민감해짐

[ 그림 출처 ]

그림 1. Circuit Design, Inc. “Digital modulation.” RF Design Guide. n.d. https://www.cdt21.com/design_guide/digital-modulation 

그림 2-3. Consultative Committee for Space Data Systems. Bandwidth-Efficient Modulations-Summary of Definition, Implementation, and Performance. Informational Report, Issue 3, CCSDS 413.0-G-3. Washington, DC: CCSDS, 2018. https://ccsds.org/Pubs/413x0g3e1.pdf

그림 4. Lee, Gwo-Ruey. “OFDM Transmission over Gaussian Channel.” SlideServe. November 15, 2014. https://www.slideserve.com/imani-key/ofdm-transmission-over-gaussian-channel

그림 5. Kelsey, Lewis. “Are Capacity and Spectral Efficiency Identical for a Discrete-Time Digital Signal?” Signal Processing Stack Exchange. October 2, 2020. https://dsp.stackexchange.com/questions/70664/are-capacity-and-spectral-efficiency-identical-for-a-dicrete-time-digital-signal

[ 참고 자료 ]

1. 그림 2-3과 동일한 출처

2. Simon, Marvin K. Bandwidth-Efficient Digital Modulation with Application to Deep-Space Communications. Deep-Space Communications and Navigation Series, Monograph 3. JPL Publication 00-17. Pasadena, CA: Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2001. https://descanso.jpl.nasa.gov/monograph/series3/complete1.pdf 

3. 그림 4와 동일한 출처 

4. 그림 5와 동일한 출처