일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.1.31

플라잉 기지국이 스마트폰과 직접 통신
NTT 연합이 2025년에 세계 첫 상용화

Space Compass(NTT와 스카파JSAT의 합작회사)와 NTT도코모, NTT, 스카파JSAT의 4사는, 성층권 통신 플랫폼(HAPS: High Altitude Platform Station)의 2025년도 상용화를 목표로 한 본격적인 개발을 시작했다.

HAPS를 통해서 스마트폰이나 태블릿 등의 휴대 단말로 직접 통신이 가능한 서비스를 개발한다. 2024년에는 일본 국내에서는 최초가 되는, HAPS 기체를 이용한 성층권 환경에서의 휴대 단말용 통신 실험을 실시한다. 목표대로 상용화를 실현할 수 있다면 세계의 선두주자가 될 가능성이 있다.

더욱이 HAPS의 보급과 유스케이스를 확대하기 위해 휴대 단말과 HAPS간 통신(서비스링크)의 고속/대용량화나, HAPS와 지상의 게이트웨이국(HAPS와 지상의 통신 네트워크를 중계하는 지상국)간 통신(피더링크)이 단절되지 않도록 하는 기술의 실현 등, 시스템 고도화를 목적으로 한 개발에도 착수한다.

HAPS는 이동통신 기지국 혹은 중계기를 탑재한 무인항공기를 고도 20km 부근의 성층권에서 비행시켜, 광역에 브로드밴드 통신 서비스를 제공하는 시스템이다. ‘플라잉 기지국’이라고도 불린다. 기체의 날개에 탑재하는 태양전지로 발전한 전력을 모터를 이용해 추진 에너지로 변환해, 성층권을 수개월간의 긴 기간동안 비행한다. 지상에서는 기체는 거의 정지해 있는 것처럼 보인다.

HAPS의 커버 구역은 반경 50~100km 정도로, 기존에 구역화가 어려웠던 공중이나 해상을 비롯해, 채산성 관점에서 구역화가 어려웠던 과소 지역이나 중산간 지역 등도 서비스 대상으로 포함하는 것을 검토하고 있다.

-- 위성 통신보다 고속에 저지연 --
HAPS는 미국 스페이스X의 ‘Starlink’ 등 저궤도를 주회하는 인공위성을 사용하는 위성 브로드밴드 서비스와 비교하면, 전용 안테나가 불필요하고 스마트폰으로 직접 통신할 수 있는 점이 최대 이점이다.

스페이스X는 2024년내를 목표로 스마트폰으로 직접 통신할 수 있는 새로운 서비스를 시작한다고 밝혔다. HAPS의 기체는 고도 550km 부근의 저궤도를 주회하는 위성보다 상당히 낮은 고도를 비행하기 때문에 보다 저지연/대용량의 통신 서비스를 실현할 수 있을 가능성이 있다.

Space Compass 우주RAN사업부의 미노와(箕輪) 부장에 따르면, “HAPS에서는 웹 브라우징이 가능한 통신 속도를 실현할 수 있다. 속도는 계산상, 수 Mbps(비트/초), 피크에서는 수십 Mbps가 된다. 지연은 1ms(0.001초) 이하다. 한편, 저궤도 위성에 의한 직접 통신은 통상 텍스트 레벨의 속도로, 지연 시간도 수십 ms 이하가 될 것으로 본다”고 말한다.

스마트폰이 출력할 수 있는 전파는 상한이 정해져 있기 때문에 통신 속도는 상대까지의 거리와 안테나의 크기로 결정된다. 스페이스X는 3~6m 정도 크기의 안테나를 탑재한 위성으로 서비스 제공을 계획하고 있기 때문에, 계산상 Mbps 클래스의 속도를 실현하기는 어려울 것으로 보인다.

“미국 AST SpaceMobile이 20m라고 하는 대형 안테나를 탑재한 위성을 통해, 보다 고속의 스마트폰 직접 통신 서비스를 계획하고 있지만 물리적으로도 비용적으로도 허들이 높아 보인다”(미노와 부장).

-- HAPS에 대한 기지국 탑재는 '2단계' --
Space Compass가 사업 주체인 HAPS 서비스에서는 유럽 Airbus가 개발한 기체 ‘Zephyr(제퍼)’를 이용한다. NTT, NTT도코모, 스카파JSAT, 에어버스의 4사는 2022년 1월, HAPS의 조기 상용화를 위한 연구개발이나 실증실험에 관한 협력 체제 구축에 관해 각서를 체결. 에어버스는 Zephyr를 이용한 비행 시험을 해외에서 여러 차례 실시했다.

구체적으로는 성층권에서 지상의 수신 안테나로의 UHF대(450MHz 및 2GHz대)의 전파 전파(Radio Propagation) 측정 실험을 실시했다. 실험 기간 중 기체는 성층권에 18일간 체공. 기체에서 발신한 전파의 전파 상황을 측정/분석함으로써 성층권에서 지상에 있는 스마트폰으로의 직접 통신 서비스의 실현 가능성을 실증했다고 한다.

Space Compass에서는 상용화를 2개의 단계로 나누어 진행한다. 2025년까지 조기 실용화를 목표로 하는 단계1과 2027년도 이후의 고도화를 위한 단계2이다.

HAPS는 중계국으로서 지상국으로부터 수신한 통신 신호를 필요한 주파수로 변환한 후에 지상으로 반환해 발신하는 ‘중계형’과, 4G/5G 망의 기지국 장치 혹은 그 일부를 HAPS에 탑재하는 ‘기지국형’으로 나눌 수 있다.

중계형은 지상에 설치한 규모가 큰 기지국 장치를 이용할 수 있기 때문에 공간 다중 수나 셀 수를 높이는 고속/대용량화에 적합하다. 반면에 HAPS의 커버 구역에 지상국을 설치해야 한다.

한편, 기지국형에서는 위성 백홀(기지국과 기간 통신망을 잇는 중계 회선/네트워크)을 이용하기 때문에 기지국을 설치할 필요가 없어지면서, 해상 등 지상국 설치가 어려운 구역에 HAPS 서비스를 제공할 수 있는 이점이 있다.

Space Compass는 상용화 단계1에서는 중계형, 단계2에서는 중계형 외에도 기지국형 실현을 목표로 한다. HAPS에서는 통신 영역 내를 여러 셀(빔)로 커버할 필요가 있는데, 당초 셀 수는 최대 4개 정도를 상정하고 있다.

그래서 통신 용량을 더 높이기 위해 여러 안테나를 이용하는 ‘MIMO(Multiple Input and Multiple Output)’ 기술 등을 활용해 공간다중 수나 셀 수를 높이는 기술을 개발한다. 최종적으로는 커버 구역의 단위 면적당 주파수 이용 효율을 초기의 3배 이상으로 향상하는 것을 목표로 한다.

현행 무선통신 규칙에서는 HAPS의 서비스 링크에 국제전기통신연합(ITU)의 이동통신 시스템에 관한 국제표준 'IMT(International Mobile Telecommunications)'에서 특정한 2.7GHz 이하의 주파수대를 사용해야 한다.

상용화 당초는 2GHz대 FDD(Frequency Division Duplex: 주파수 분할 복신)를 이용하게 된다고 한다. 다만, FDD의 주파수대는 많은 휴대 단말이 표준으로 서포트하고 있는 반면, 지상 네트워크에서도 널리 사용되고 있기 때문에 간섭 조정이 과제가 된다.

그래서 현재 국내에서는 할당되지 않은, IMT에서 HAPS 전용으로 특정한 TDD(Time Division Duplex: 시분할 복신) 주파수대를 활용하는 것을 검토하고 있다고 한다.

FDD가 상행과 하행의 통신을 다른 주파수에 할당(HAPS에서는 상행 1920~1980MHz, 하행 2110~2170MHz)하는데 대해 TDD는 같은 주파수(HAPS에서는 2010~2025MHz)를 사용하면서, 상행과 하행을 시간으로 전환한다. TDD에는 기술적인 과제가 있지만 HAPS 전용으로 사용할 수 있는 가능성이 있다고 한다.

“지상국을 설치할 필요가 없는 기지국형과, HAPS 전용으로 사용할 수 있는 TDD 주파수의 조합을 통해 장소를 가리지 않고 HAPS 서비스를 제공할 수 있게 된다. 장기적으로는 유스케이스에 따라 FDD와 TDD를 구분해 사용하거나 병용하는 것을 상정하고 있다”(미노와 부장).

-- 국내 실증은 큰 도전 --
Space Compass는 우선 국내 전용으로 조기의 상용화를 목표로 하고, 그 노하우를 세계에 전개한다고 한다. 처음은 낙도나 중산간부 등 지상 네트워크가 커버하지 못하는 구역을 서비스화하고, 해상이나 공중을 움직이는 드론, 플라잉카를 위한 통신 등 새로운 수요도 개척한다.

최대 챌린지는 최초가 되는 HAPS의 국내에서의 비행 및 통신 실험이다. HAPS는 태양전지가 전력원이지만, 일본은 적도 부근보다 위도가 높기 때문에 발전량이 작아진다. 게다가 HAPS는 선회하면서 항상 고정된 구역에 빔을 쏴야 하는데, 편서풍이 불고 있기 때문에 기체 제어에 전력을 소비하거나 빔 제어가 어려워질 수 있다.

Space Compass에 따르면 “상용화 시점에서 최소 3개월은 연속 비행이 가능하도록 하고 싶다. 여러 기체를 바꿔서 사용하게 되지만, 2025년에는 10기보다 적은 수로 운용을 시작하고, 순차적으로 기체 수를 확대해 나갈 것이다”라고 말한다.

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