일본산업뉴스요약

우주통신, 열쇠를 쥐고 있는 4개의 기술
'언제 어디서나 끊이지 않는다'라는 이상상을 실현

NTN(Non-Terrestrial Network, 비지상 네트워크)에서 ‘언제, 어디서나 끊기지 않는다’ ‘유저가 요구하는 최적의 통신 품질을 제공한다’라는 이상상을 실현하기 위해서 멀티오빗화나 지상 네트워크(TN: Terrestrial Network)와의 융합을 목표로 한 기술 개발이 세계 각처에서 진행되고 있다. 멀티오빗(Multi-Orbit, 다중궤도)이란 저궤도(LEO: Low Earth Orbit), 중궤도(MEO: Medium Earth Orbit), 정지궤도(GEO: Geostationary Orbit)와 같은 서로 다른 궤도에 있는 위성을 접속해 하나의 네트워크로 운용하는 형태를 말한다.

요소기술로서 특히 주목받고 있는 것은 (1) 전자제어로 위성을 고속으로 추적 가능한 ‘평면 안테나의 소형화/슬림화’, (2) 보다 고속/대용량의 통신을 가능하게 하는 ‘전파의 고주파화’, (3) 위성 사이 등을 고속으로 접속하는 ‘광위성통신(광무선통신)’, (4) 서로 다른 궤도에 배치된 특성이 다른 복수의 통신위성으로 구성된 네트워크의 ‘통합제어’이다.

-- 평면 안테나를 드론에도 --
위성통신용 안테나로서 최근에 활발하게 개발하고 있는 것이 평면형의 위상배열안테나(Phased Array Antenna)(평면 안테나)이다. 전자제어에 의해 발하는 전파를, 고속으로 이동하는 위성에 향하게 함으로써 평면형이면서 높은 이득을 실현할 수 있다. 종래의 기계식의 접시형 안테나(Parabolic Antenna)와 비교해, 구동부가 필요 없어 슬림형으로 할 수 있다.

LEO위성 등에 적합한 평면 안테나를 개발하는, 샤프 통신사업본부의 이마무라(今村) 부장은 “2023년 무렵까지는 파라볼라 안테나를 사용하고 있었는데, 2024년 무렵부터 Ku대(12G~18 GHz)나 Ka대(26.5G~40GHz)용의 위상배열안테나가 등장했다”라고 말한다.

샤프는 평면 안테나를 선박이나 항공기, 장래에는 자율주행차에 탑재하는 것을 시야에 넣어 개발하고 있다. 그 때문에 소형/경량화는 중요하다. 이미 시험 제작한 것은 45cm×45cm 사이즈인데, 앞으로는 20cm×20cm로 대규모 소형화에 도전할 계획이다.

-- 평면 안테나는 방열이 과제 --
위상배열안테나를 소형화/슬림화 할 때 과제는 방열이다. 안테나의 뒷면에는 전파의 출사방향을 제어하는 빔 포밍용 IC가 고밀도로 구현되어 있다. 예를 들면, 샤프가 개발한 안테나에서는 1024개의 IC를 탑재하고 있다. 이들 소자가 발열을 하기 때문에 안정적으로 가동시키려면 발열부에 방열판 등을 직접 부착해 열을 효율적으로 내보내야 한다.

그러나, 종래의 방열재에서는 높은 열전도성 실현과 경량화를 양립하는 데 과제가 있었다. 이 과제에 대해 정보통신연구기구(NICT)는 방열부의 재료부터 재검토하여 열전도성이 높은 복합재료를 개발했다. IC의 발열을 시뮬레이션한 시험에서는, 종래의 알루미늄 합금제 방열판의 경우는 가장 온도가 높아지는 부위는 섭씨 약 200도였는데 그것을 절반까지 억제할 수 있었다고 한다. 이는 열을 한 곳에 집중시키지 않고 복합재료 전체로 효율적으로 넓혀 외부로 방출하기 쉽도록 했기 때문이다.

신개발 복합재는 높은 열전도율을 갖는 흑연(Graphite) 시트와 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 결합한 것이다. 흑연 시트 단체(單體)로는 안테나 기판을 지지하기 위한 강도가 부족하지만 CFRP와 적층해 복합함으로써 강도를 유지하면서도 높은 열전도성과 경량화를 양립하였다. 또한 재료의 열전도율 이방성을 살려 효율적으로 열을 유도해 외부로 내보내는 설계가 가능해진다고 한다.

-- 보다 고주파인 Q/V대로 확장 --
현재, LEO 위성에 의한 고속통신 서비스에서는, 유저 단말 전용의 서비스 링크에 Ku대나 Ka대의 전파가 사용되고 있다. 단, Ka대 이하의 주파수는 과밀 상태가 되어 있어 국제 주파수 조정에 시간이 걸린다. 향후, LEO 위성 콘스텔레이션에는 수많은 기업이 참여할 것으로 보여, 한층 더 혼잡해질 것으로 예상되고 있다.

그래서 전파 간섭이 보다 적고, 보다 고속의 통신을 실현할 수 있는 고주파대의 이용을 위한 연구개발이 진행되고 있다. 40G~75GHz의 Q/V대, 그리고 100G~10THz의 테라헤르츠대를 활용하는 것이다.

예를 들면, 유럽에서는 ESA(유럽우주기관)가 Q/V대의 통신기기나 전파 특성에 관한 연구에 자금을 제공해, 각 기업이 개발을 진행하고 있다. 국내에서는, 도호쿠대학교와 미쓰비시 전기, Space Compass(도쿄), 스카파 JSAT 등의 연구 그룹이, Q/V대 등에서의 디지털 빔 포밍 송수신기술을 연구개발한다. Q/V대를 이용함으로써 기존의 Ka/Ku대에서의 수 M~수Gbps(비트/초)보다도 고속인 최대 20Gbps 이상의 통신을 실현하는 것을 목표로 한다.

-- 다루기 힘든 테라헤르츠에 도전 --
Q/V대보다 더 고주파인 테라헤르츠파를 활용하는 연구개발도 진행되고 있다. 2025년 5월, 우주항공연구개발기구(JAXA)와 와세다대학교 이공학술원의 가와니시(川西) 교수의 연구 그룹은, 개발한 W대(95GHz)의 테라헤르츠대 통신시스템을 이용해, 항공기와 지상 실험국과의 사이에서 고속 데이터 통신에 성공했다고 발표했다. 실증실험에서는, 항공기에 이 통신시스템을 탑재해, 고도 약 3km를 비행하는 항공기와 지상 실험국과의 사이에서 4Gbps의 통신에 성공했다.

앞으로는, 고도 20km의 성층권과 지상 간에 전송 속도 20Gbps의 통신을 실현하기 위해 연구를 진행한다. HAPS(High Altitude Platform Station) 등에 탑재해 피더링크(지상국과 우주국 간의 무선회선)로서 활용하는 것을 상정하고 있다.

한편, 테라헤르츠파에는 대기 중에서의 감쇠가 크다는 과제가 있다. 테라헤르츠파는 예를 들어 300GHz대의 경우, 100m에서 전파 강도가 절반 정도로 감쇠한다. 이 때문에 통신할 수 있는 거리는 최대 수백 미터에 그친다. 이는 5G에서 사용되는 Sub6(6GHz 미만의 주파수대)의 통신거리인 수 km 이상과 비교하면 10분의 1 이하 수준이다.

다만, 시스템 설계의 아이디어에 따라서 실용화는 가능하다고 가와니시 교수는 말한다. “우천 시에는 감쇠하지만 통신이 불가능하게 되는 것은 아니다. 적절한 설계를 하면 이용할 수 있다”. 기상 조건의 영향을 고려한 전파의 전파(Propagation) 모델을 작성하는 등 다양한 대처를 하고 있다.

-- 네트워크 통합 제어를 국제 표준으로 –
NICT는 복수의 위성사업자를 연계/조정하는 ‘오케스트레이션 기술’을 개발한다. 미국 스페이스X와 같이 대규모의 콘스텔레이션을 스스로 구축할 수 있는 사업자는 세계에서도 얼마 안 된다. 현실에서는 소규모의 콘스텔레이션 등을 연계시킴으로써 가상적으로 다양한 타입의 콘스텔레이션을 구축하는 케이스가 많아질 것 같다. 미쓰비시종합연구소 모빌리티통신사업본부의 시모무라(下村) 연구원은 “관측위성이나 통신위성, 나아가 국경을 넘어 네트워크를 오케스트레이션 해 나가는 기술도 중요해질 것이다”라고 말한다.

이러한 네트워크에서는 노드가 이동하고 네트워크가 동적으로 변화한다. 이 때문에 접속하는 위성이나 트래픽의 경로, 사업자를 적절히 선택해 제어할 필요가 있다. 또한, 지상과도 잘 접속하는 것도 필요하다. NICT는 사용자나 사업자의 요구를 충족시킬 수 있는 '오케스트레이터'를 실현하기 위해 접속방법에 관한 알고리즘을 개발하고 사양을 검토하고 있다. 장기적으로는 이 기술의 국제 표준화를 목표로 하고 있다.

NICT는 장기적으로 사업자가 접속해 연계할 가능성을 전제로 산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 아래, NEC나 악셀스페이스(Axelspace), Space Compass와 공동으로 연구 프로젝트를 실시한다. 현재는 다른 품질 요건을 가지는 단말에, 오케스트레이터가 제어 메세지를 보냄으로써 품질을 유지하면서 통신할 수 있는 시뮬레이터를 완성시키고 있다.

포인트가 되는 것은 애플리케이션에 따라 요구되는 QoS(Quality of Service)가 다르다는 점이다. 예를 들면, 통화에는 저지연 통신이, 데이터 통신에는 대용량 통신이 요구된다. NICT의 시스템은 애플리케이션의 요구를 해석해, 저지연이 요구되는 경우는 LEO 경유의 라우팅, 대용량이 필요한 경우는 광회선을 이용하는 등 경로를 자동으로 전환한다. 이를 통해 유저는 통신 방식을 의식하지 않고 다양한 어플리케이션에 대응할 수 있게 된다.

과제는, 멀티오빗 네트워크의 최종적인 운용 형태가 정착되지 않은 것이나 비용 부담, 정보 개시 등 각자의 이해 조정이 필요한 것이다. XG모바일추진포럼(XGMF) NTN추진프로젝트의 도요시마(豊嶋) 리더는 “각 사의 로컬 최적화를 존중하면서, 그 외측을 공통으로 제어하는 역할 분담형의 통합 제어가 좋다고 생각하고 있다”라고 말한다.

NEC 어드밴스드네트워크연구소의 아리요시(有吉) 연구원은 “토폴로지가 움직이는 대규모 네트워크의 제어에서 AI(인공지능)를 활용할 수 있다”라고 말한다. 예를 들어, LEO-HAPS-지상 간에 고속통신이 필요한 경우는 광링크를 사용한다. AI로 날씨를 예측하면서 악천후 시에는 광통신에서 무선 통신으로 전환해, 통신속도를 크게 저하시키지 않는 등의 운용도 생각할 수 있다고 한다.

 -- 끝 –

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