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    통신에 인공위성을 이용할 수 있다는 생각을 해낸 사람은 아더 클라크다. 클라크는 1945년 영국의 런던에서 발간되는「Wireless World」라는 잡지에서 세계최초로 인공위성을 통신 목적에 이용할 수 있음을 주장했다. 이 생각은 17년이 지난 1962년 미국의 TELSTA라는 인공위성이 궤도에 올려짐으로써 비로소 실현되었으며, 이는 1957년 스푸트니크가 소련에 의해 발사된 지 5년후의 일이었다. 아쉽게도 TELSTA는 상업적으로는 이용되지 못했다.

    최초의 상업적인 목적의 통신위성은 1965년도에 쏘아올린「Early Bird」혹은 인텔샛이라고 불리우는 인공위성이었다. 인텔샛은 그 이후 계속 발사되어 국제간의 모든 통신을 담당하고 있다.
    인텔샛 위성들은 모두 인텔샛이라는 기관에 의해 운영되는 통신위성으로 우리 나라를 포함한 100여 개국이 공동으로 투자하여 만든 국제간의 위성통신만을 전담하는 기관이다. 따라서 이 기관 이외에는 통신위성을 띄워 국제간의 통신을 행할 수 없다.

    우리 나라에서 쏘아 올린 무궁화 위성도 국내 통신용이지 국제 통신용은 아니다. 그리고 무궁화 위성은 통신과 방송의 두 가지 역할을 담당하도록 되어 있다. 무궁화 위성을 갖게 되므로서 우리 나라도 통신 발전에 새로운 전기 하나를 마련하게 된 셈이다.


    통신에 인공위성을 이용할 수 있다는 생각을 해낸 사람은 아더 클라크다. 클라크는 1945년 영국의 런던에서 발간되는「Wireless World」라는 잡지에서 세계최초로 인공위성을 통신 목적에 이용할 수 있음을 주장했다. 이 생각은 17년이 지난 1962년 미국의 TELSTA라는 인공위성이 궤도에 올려짐으로써 비로소 실현되었으며, 이는 1957년 스푸트니크가 소련에 의해 발사된 지 5년후의 일이었다. 아쉽게도 TELSTA는 상업적으로는 이용되지 못했다.

    최초의 상업적인 목적의 통신위성은 1965년도에 쏘아올린「Early Bird」혹은 인텔샛이라고 불리우는 인공위성이었다. 인텔샛은 그 이후 계속 발사되어 국제간의 모든 통신을 담당하고 있다.
    인텔샛 위성들은 모두 인텔샛이라는 기관에 의해 운영되는 통신위성으로 우리 나라를 포함한 100여 개국이 공동으로 투자하여 만든 국제간의 위성통신만을 전담하는 기관이다. 따라서 이 기관 이외에는 통신위성을 띄워 국제간의 통신을 행할 수 없다.

    우리 나라에서 쏘아 올린 무궁화 위성도 국내 통신용이지 국제 통신용은 아니다. 그리고 무궁화 위성은 통신과 방송의 두 가지 역할을 담당하도록 되어 있다. 무궁화 위성을 갖게 되므로서 우리 나라도 통신 발전에 새로운 전기 하나를 마련하게 된 셈이다.


    통신위성이 동작하는 기본원리는 매우 간단하다. 한마디로 말하면 하늘에 있는 마이크로웨이브이다. 마이크로웨이브는 동축케이블과 함께 지상통신에서 장거리 구간에 널리 쓰이고 있는 전송방식이다.

    마이크로웨이브의 주파수 대역은 SHF(Super High Frequency)대역으로 3GHz에서 30GHz범위의 주파수를 이용한다. 파장이 긴 전파들은 지구를 둘러싸고 있는 전리층에 의하여 반사되기 때문에 그러한 파장을 이용하여 통신하는 두 상대방이 가시거리 내에 있지 않아도 통신이 가능하다.

    발사된 전파는 중간에 장애물이 있어 직접 도달하지 못하는 경우에도 전리층에 의하여 반사된 전파는 도달할 수 있기 때문에 통신이 가능한 것이다. 이론적으로는 전파의 세기만 보장된다면 지구의 정 반대편을 포함하여 지구상 어느 곳에서나 통신이 가능할 것이다.

    그러나 마이크로웨이브처럼 파장이 10Cm에서 1M정도로 짧은 전파는 전리층에서 거의 반사가 이루어지지 않는다. 따라서 통신은 중간에 산이나 높은 건물과 같은 장애물이 있어 직접전파(propagation)가 이루어질 수 없는 두 지점 사이의 통신은 불가능하다. 뿐만 아니라 지구는 둥글기 때문에 두 지점이 멀어서 직접 보이지 않는 경우에도 역시 통신이 불가능하다. 마이크로웨이브의 특성 때문에 가시거리를 확보할 수 없기 때문이다.

    이러한 이유 때문에 마이크로웨이브 통신을 가시거리(Line of Sight)통신이라고 한다. 즉 통신하는 두 지점이 상호 눈으로 직접 보일 수 있는 거리인 경우에만 통신이 가능하다는 의미이다. 지상에서의 가시거리를 확보할 수 없다면 다른 방법으로 전파를 하늘에서 반사해 주는 전리층의 역할을 할 수 있는 무엇인가가 있다면 문제는 해결이 가능할 것이다.

    즉 지상으로부터 오는 전파를 받아서 그것을 지상으로 다시 되쏘아주는 장치를 하늘에 띄울 수 있다면, 통신하는 상대방끼리는 가시거리가 아니라도 통신이 가능해 질 것이다. 통신위성이 바로 그 장치에 해당된다. 그림 14.1에는 위성 통신의 구성을 보이었다.



    통신위성은 하늘에 떠있는 마이크로웨이브 중계 안테나의 역할을 수행한다.
    어떻게 보면 인공적인 전리층의 역할을 수행한다고도 볼 수 있다. 그리고 지상에는 전파를 발사할 때 통신하는 상대방을 향해서가 아니라 직접 통신위성을 통하여 전파를 발사하고, 통신위성은 전파를 받아 주파수를 변환.증폭하여 지상을 향해 다시 발사한다. 주파수를 변환하는 이유는 지상으로부터 올라오는 전파와 부딪치지 않게하기 위해서이다.

    위성을 향하여 전파를 쏘아 올리고 위성이 다시 쏘아 내려주는 전파를 지상에서 수신하는 역할을 하는 곳을 지구국(Earth Station)이라고 부른다. 그리고 전파를 쏘아올리는 지구국에서 위성으로부터 수신하는 지구국까지의 길(Channel)을 상향 링크(Up-Link), 반대로 위성으로부터 수신하는 지구국까지의 길(Channel)을 하향 링크(Down-Link)라고 부른다.

    실제 통신은 송신자가 우선 지구국까지 신호를 보내고 지구국이 이를 위성까지 쏘아 올리고 위성은 이를 받은 후 주파수를 변환. 증폭하여 다시 지구국으로 내려보내고, 지구국은 이를 최종 목적지인 상대방까지 보내 송신자의 신호가 수신자에게까지 이르게 된다.
    그림 14.2에는 통신 위성의 주요 구성부를 보이었다.


    일반적으로 통신용량은 대역폭에 비례한다. 위성통신에 할당되는 대역폭은 4/6GHz를 이용하는 경우 상향 링크는 5.925-6.425GHz, 하향 링크는 3.7-4.2GHz로 500MHz에 해당한다. 12/14GHz의 경우에는 상향 링크가 14.0-14.5GHz, 하향 링크가 19.7-21.2GHz (혹은 10.95-11.2GHz와 11.45GHz-11.76GHz)로 가지며 20/30GHz인 경우에는 상향 링크가 19.7-21.2GHz, 하향 링크가 29.5-31.0GHz(혹은 17.7-19.7GHz와 27.5-29.5GHz)로 1.5-2.0GHz의 대역폭을 이용할 수 있다.
    표 12.1에는 통신에 이용되는 전파의 주파수의 명칭과 그 범위를 보이었다.

    위성통신이 가장 유리한 이유는 이렇게 큰 대역폭을 이용할 수 있음으로 해서 대용량의 통신이 가능해졌다는 점이다. 말하자면 고속 통신이 가능하고 여러 사람이 동시에 통화가 가능해지므로 1인당 통화료를 낮출 수 있다는 이야기이다.

    지상통신의 비용은 통신하는 두 지점간의 거리에 비례하여 증가하는데 비해 위성통신의 비용은 두 지점 사이의 거리에 무관하다. 즉, 위성통신은 어떤 경우에나 두 개의 지구국과 통신 위성만 있으면 서울과 부산, 서울과 로스엔젤레스간의 차이는 없다.

    이러한 위성통신의 특징이 특히 국제간의 통신요금을 획기적으로 내려놓는 원인이 된다. 위성의 통신 능력은 발전을 거듭해 오고 있는데 인텔샛 IV위성의 경우 음성 4,000회선과 두 개의 TV채널, 인텔샛 IV-A는 음성 6,000회선과 두 개 TV채널, 그리고 인텔샛 VI는 음성회선만도 60,000회선에 이른다. 이처럼 대량의 통신 능력을 갖게 되므로 결국 1인당 회선 비용은 현저한 감소를 가져오게 된다.

    위성통신의 또 다른 이점으로 회선 품질의 향상을 들 수 있다. 지상의 마이크로웨이브 통신의 경우 보다 훨씬 낮은 에러율을 갖게 되는데 이는 위성을 통한 데이터 통신에 매우 중요한 특성이 된다.

    통신위성은 다른 위성들과는 달리 반드시 정지궤도에 위치하여야 한다. 정지궤도란 적도위 35,800Km를 말하며 일반적으로 위성의 궤도가 높아질수록 위성이 지구를 1회전하는데 소요되는 시간이 길어진다.

    즉, 35,800km 상공에서 위성이 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치하게 되고 지상에서 올려다 보았을 때 위성은 정지해 있는 것처럼 보이게 된다. 만일 궤도의 높이가 40,000Km가 되면 28시간쯤 소요된다.

    35,800Km 상공에 정지해 있는 통신위성에서는 지구면적의 43%가 내려다 보인다. 따라서 이론적으로는 적당한 위치에 3개의 위성만 띄운다면 극지역을 제외한 지구전역의 통신중계를 할 수 있다.

    그러나 실제로는 통신위성의 중계능력에 한계가 있기 때문에 세 개의 통신위성으로 지구전역의 통신을 수행하는 것은 불가능하다. 만일 기술이 더욱 발전하여 통신위성의 중계능력이 무한이 커진다면 세계의 모든 통신을 세 개의 통신 위성으로 수행할 수 있는 날이 올지도 모른다. 표 14.2에는 위성의 고도와 지구 1회전 시간과의 관계를 보이었다.

    그림 14.2 주파수 명칭과 그 범위

    명 칭

    주파수 범위

    VLF, Very Low Frequency

    LF, Low Frequency

    MF, Medium Frequency

    HF, High Frequency

    VHF, Very High Frequency

    UHF, Ultra High Frequency

    SHF, Super High Frequency

    EHF, Extra High Frequency

    3~30kHz

    30~300kHz

    300~3000kHz

    3~30MHz

    30~300MHz

    300~3000MHz

    3~30GHz

    30~300GHz

    kHz : 1,000Hz

    MHz : 1,000,000Hz

    GHz : 1,000,000,000Hz


    통신 위성의 능력은 위성에 몇 개의 중계기(Transponder)를 싣느냐에 따라 달라진다. 우리 나라에서 쏘아올린 무궁화 위성은 700명이 동시통신이 가능한 통신용 트랜스폰더(36Mhz)를 12개, 4개 방송을 동시에 수행할 수 있는 방송용 트랜스폰더(27Mhz)를 3개 싣고있다.

    그런데 여러 개의 중계기를 싣고 가서 이용하기 위해서는 많은 전력이 필요하고 많은 전력을 위해서는 많은 태양전지를 싣고 가야 한다. 많은 태양전지를 싣고 가면 위성의 무게는 당연히 무거워지고 강력한 추진력을 갖는 운반체가 필요해진다.

    그러나 지금까지 개발된 운반체가 싣고 갈 수 있는 무게는 한정이 있어서 일본의 BS-2라는 직접 위성 방송(DBS)의 발사에 이용된 N-Ⅱ Vehicle의 경우는 131kg, 미국의 Delta 391은 485kg, 그리고 프랑스의 아리안 로켓은 970kg정도이며, 가장 강력한 로켓은 1,500kg이 된다. 이후 스페이스 셔틀의 개발로 실어나를 수 있는 무게는 2,300kg으로 커져 몇 개를 동시에 가지고 올라가서 스페이스 셔틀의 궤도에서 다시 정지궤도까지 쏘아 올릴 수 있게 되었다.

    이렇게 2단계로 나누어 정지궤도에 올리는 방법이 통신위성을 정지궤도까지 올려놓는데 드는 비용을 줄일 수 있다. 왜냐하면 스페이스 셔틀의 궤도에서는 이미 지구중력의 영향을 적게 받으므로 적은 추진력으로도 위성을 정지궤도에 올릴수 있기 때문이다.
    그림 14.3에는 통신위성에 탑재되는 중계기 (트랜스폰더)로 사용되는 traveling wave tube의 모양을 보이었다.


    통신 위성에서 사용하는 주파수는 영문 알파벳으로 구분하여 부른다. 4-6GHz는 C밴드, 12-14GHz는 Ku밴드, 20-30GHz는 Ka밴드라 부른다. 주파수가 높아질수록 더 적은 직경의 안테나의 사용이 가능하다.

    C밴드에서는 3.6M, Ku밴드에서는 1.8M의 안테나를 사용하여야 하나, Ka밴드에서는 30Cm정도의 직경을 갖는 안테나를 사용할 수 있다. 또한 높은 주파수를 사용할수록 이웃하는 위성간의 간섭을 줄일 수 있으므로 더 많은 수의 위성을 띄울 수 있는 잇점이 있지만, 대기상태에 더 큰 영향을 받는 약점이 있다.

    통신위성은 대용량에 따라 국제간의 통신요금을 싸게 해주는 이점이 있는 대신 지상통신이나 해저케이블에 의한 통신에 비해 매우 큰 전파지연 시간을 갖는 불리한 점도 있다. 실제 35,800km상공에 있는 통신위성까지 전파신호가 도달하는데 소요되는 시간은 약 125ms정도다.

    이 신호를 위성이 받아 중계하면 상대편 지구국에 도달하는데 소요되는 시간도 동일하므로 전송시간만 250ms에 이른다. 위성과 지구국에서의 지연시간 약 50ms를 더하면 송신국으로부터 수신국까지의 총지연시간은 300ms이다. 이러한 지연시간은 음성통신에서는 크게 문제되지는 않지만 데이터 통신에서는 큰 문제가 될 수 있다.

    예를 들어 BSC와 같이 한 블럭의 데이터를 전송한 후 상대방으로부터 응답이 있은 후 전송을 행하는 프로토콜을 사용한다면 한 블록 전송 후 600ms이후에나 다음 블록을 전송하게 되므로 심각한 비효율을 초래한다.

    따라서 위성링크를 사용하는 데이터통신에서는 상대방의 응답없이도 많은 블럭을 연속해서 보낼 수 있는 윈도우 사이즈(Window Size)가 큰 프로토콜을 이용해야만 링크의 효율을 높일 수 있으나, 이때에는 단말기들의 송수신 버퍼가 윈도우 사이즈에 비례하여 매우 커야 할 것이다.

    통신위성이 갖는 또 하나의 단점으로 보안성을 들 수 있다. 지상에서 쏘아올린 전파는 위성의 중계기에서 주파수가 변환.증폭되어 다시 지상으로 쏘아지는데 이때의 전파는 지구국만 갖추고 있다면 누구나 수신이 가능하다.

    이는 방송과 마찬가지이다. 따라서 위성통신은 전혀 보안성이 없다. 따라서 위성을 이용하여 통신하고자 하는 사람 중에서 반드시 보안이 요구되는 내용이 있다면 이를 위해 별도의 조치를 취해야만 한다. 데이터를 전송하는 경우라면 암호화를 행해 주어야 한다.

    위성통신을 위해서는 세 단계가 필요하다. 우선 위성의 제작이 필요하고, 둘째, 위성을 쏘아 올리는 일, 그리고 마지막은 쏘아 올린 위성을 운영하는 일이다. 무궁화 위성의 경우 제작과 발사는 모두 미국에서 이루어졌으며 운영은 용인과 대덕의 관제소에 의해 이루어지고 있다.

    위성의 제작과 쏘아올리는 일은 별개로 이루어진다. 대체로 미국의 휴즈 에어크레프트나 포드 에어로스페이스, 마린 마리에타 등에서 위성을 제작하는 일을 사업으로 하고 있다. 위성을 상업적으로 궤도에 쏘아 올려주는 일은 미국의 NASA, 프랑스의 아리안, 중국의 장정(로케트의 이름)등에 의해 이루어지고 있으므로 가장 저렴한 가격을 제시하는 곳에 의뢰하게 된다.

    이 때는 물론 가격뿐만 아니라 안전성도 고려되어야 한다. 쏘아 올린다고 해서 무조건 정확히 정지궤도에 올릴 수 있는 것이 아니라 가끔은 우리 나라의 무궁화 1호의 경우처럼 실패하는 경우도 있어 이에 대비하여야 한다. 대개는 보험에 가입한다.

    비싸게 만든 위성을 궤도에 올리는데 실패하면 그 손해가 무척 크기 때문이다. 우리 나라의 무궁화 위성의 총 비용은 약 3천4백50억 정도가 소요된 것으로 알려져 있다. 무궁화 1호의 경우에는 발사에 절반쯤 실패한 경우지만 어떤 경우에는 전혀 정지궤도에 진입하지 못하는 발사 실패의 경우도 있다.

    쏘아 올린 위성은 내버려두어도 혼자 작동하는 것은 아니다. 따라서 지상에 관제소를 설치하여 위성의 상태를 감시하고 적절한 조치를 취해 주어야 한다. 정지궤도에 한번 올라간 위성이 계속 그 자리를 유지하는 것은 아니므로 위치를 벗어나게 되면 소형 로켓을 동작시켜 제자리로 오게하는 것도 위성 운영에서는 매우 중요한 일이다.

    만일 조금씩 위치를 벗어나는 것을 그대로 둔다면 위성은 궤도를 이탈하게 되고 통신위성으로서의 기능을 수행하지 못할 것이기 때문이다. 우리 나라 무궁화 위성의 관제소는 용인과 대덕 두 군데 위치하고 있다.

    통신위성의 수명이 대체로 10년 내외인 것은 다른 이유도 있지만 위성이 자기 위치를 벗어났을 때 제자리로 다시 옮겨놓는 소형 로켓을 동작시키기 위한 연료가 그 정도의 시간이면 모두 소모되기 때문이다. 위성의 다른 기능들은 모두 정상이라 하더라도 이 소형 로켓을 움직이는 연료가 떨어지면 결국 위성이 제자리를 벗어나게 되고 위성으로서의 수명을 다하게 된다.

    중요한 통신기능을 수행하는 위성이 고장을 일으키면 안되므로 위성을 하나 띄우면 이에 수반되는 예비위성을 띄우는 것이 보통이다. 최근에는 고장난 위성을 회수하여 수리후 재사용하는 기술이 스페이스 셔틀에 의하여 가능해져 전체적으로 통신위성의 비용을 절감하는데 기여하고 있다. 우리 나라의 경우도 무궁화 2호는 별도로 동작하는 것이 아니라 무궁화 1호의 예비위성의 목적을 띄고 있다.

    지금까지는 주로 정지궤도 위성만을 이야기하였으나 최근에는 정지궤도가 아닌 저궤도(Low Earth Orbit)위성을 이용한 이동통신에 대한 관심이 대단히 높아졌다. 유명한 이리듐 프로젝트는 모토롤라가 주체가 되어 여러 회사들의 참여로 진행중인데 765km의 저궤도에 모두 66개의 위성을 띄워 전지구상의 통신을 가능하게 하는 야심찬 계획이다.
    저궤도에서는 위성이 지구를 한바퀴 도는데 소요되는 시간이 1시간 40분에 불과하기 때문에 연속적으로 통신서비스를 제공하기 위해서는 다수의 위성이 필요하다.

    애초에는 11개의 극궤도에 7개씩의 위성이 위치하여 77개의 위성망으로 전세계 모든 곳에 개인의 직접통신이 가능하게 할 계획이었으나 이후 위성의 수를 궤도당 6개로 줄이는 것이 가능해져 66개의 위성으로 운영하게 되었다. 이 계획의 이름은 이리듐이라는 원소가 모두 77개의 전자를 갖고 있으며, 이들 전자가 핵의 주위를 도는 모양이 위성들이 지구를 도는 것과 흡사하기 때문에 붙여진 것이다.

    각 위성은 교차통화가 가능하도록 설계되어 하늘에서 움직이는 통신망의 역할을 수행한다. 위성과 지구국간에 Ku-band 주파수를 사용하며 기지국은 3.3M의 접시형 안테나를 갖는다.

    이 접시형 안테나는 전화의 수신 및 발신을 제어하고 기존의 유선전화와 이동통신시스템을 연결하는 역할을 한다. 개인 휴대용 단말기가 기존의 지상 이동 통신의 범위를 벗어나는 경우 이리듐을 이용하여 통신하게 되며 음성뿐만 아니라 팩시밀리나 데이터를 전송할 수도 있다. 이 시스템이 운영을 시작하면 동시에 21만 6천명이 통화할 수 있는 능력을 갖는다.

    국내의 경우에는 지역이 좁으므로 단순한 지점대 지점간의 통신을 위성으로 바꾸어도 큰 경제적 이점을 얻기는 어렵다. 정확한 계산은 아니지만 통신거리가 500km이상은 되어야 위성통신이 지상의 다른 통신 수단에 비해 통신비용이란 측면에서 경제성을 갖는 것으로 알려져 있다.

    우리 나라 최초의 통신위성 무궁화호는 통신뿐만 아니라 방송에도 복합적으로 이용이 가능하도록 설계되었다. 방송에 이용될 경우에는 난시청의 문제가 일시에 해소되며 질좋은 TV수신을 기대할 수 도 있다.

    위성통신은 섬과 섬 사이의 통신에도 획기적인 변화를 가져오게 될 것이다. 뿐만 아니라 지난번 중 동전쟁 때 CNN 기자가 생생한 전쟁화면을 TV로 보여준 바와 같이 전시에 다른 모든 통신이 두절되 더라도 마지막 통신수단으로서 역할을 기대할 수 있다. 이제 무궁화 위성을 이용한 새로운 통신의 시 대가 열리고 있고 국내 정보통신 역사에 새로운 이정표 하나가 세워진 셈이다.

자료출처 : 어떤이..<http://myhome.netsgo.com/peyang/infostudy/0110_14/0110_14.htm>

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