📻 주파수 대역 및 할당

3.1 위성 통신 주파수 개요

위성 통신은 전파(Radio Wave)를 매체로 사용하므로, 주파수 선택이 매우 중요합니다. 주파수 대역에 따라 전파 특성, 안테나 크기, 대역폭, 날씨 영향 등이 크게 달라지며, 이는 시스템 설계와 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

위성 통신은 주로 마이크로파(Microwave) 대역인 1 GHz ~ 40 GHz 범위를 사용합니다. 이 범위는 다시 여러 밴드로 세분화되며, 각 밴드는 ITU(International Telecommunication Union)에서 국제적으로 관리합니다.

3.2 위성 통신 주파수 밴드

위성 통신에서 사용하는 주요 주파수 대역은 알파벳으로 명명되며, 역사적으로 군사 기밀 유지를 위해 임의의 문자를 사용했습니다.

3.3 C-band (4~8 GHz)

3.3.1 장점

• 날씨 영향 최소: 비, 눈, 구름에 거의 영향받지 않음
• 높은 신뢰성: 99.9% 이상의 가용성 보장
• 넓은 커버리지: 빔 폭이 넓어 광역 서비스에 유리
• 장거리 전송: 전파 감쇠가 적어 장거리 통신에 적합

3.3.2 단점

• 큰 안테나: 2.4~3.7m의 대형 접시 안테나 필요
• 지상파 간섭: 5G 등 지상 시스템과 주파수 공유로 간섭 발생
• 혼잡한 스펙트럼: 많은 위성이 사용하여 궤도 간격 좁음
• 제한된 대역폭: Ku/Ka 대비 좁은 대역폭

3.3.3 주요 응용

• TV 방송 백본 (방송국 간 중계)
• 대륙 간 장거리 통신
• 석유 플랫폼, 선박 통신
• 재난 통신 백업

3.4 Ku-band (12~18 GHz)

3.4.1 장점

• 소형 안테나: 가정용은 45~60cm, 기업용은 1.2~1.8m면 충분
• 넓은 대역폭: C-band 대비 2배 이상의 채널 수용 가능
• 높은 출력: 위성 EIRP가 높아 소형 수신기로도 양호한 수신
• 좁은 빔: 스팟 빔으로 주파수 재사용 가능

3.4.2 단점

• Rain Fade: 폭우 시 신호 감쇠 발생 (10~20 dB 이상)
• 눈 쌓임: 안테나에 눈이 쌓이면 신호 차단
• 정밀한 정렬: 좁은 빔으로 인해 안테나 정렬이 까다로움

3.4.3 주요 응용

• DTH 위성 방송: SKY, DirecTV, 스카이라이프
• VSAT 네트워크: 은행, 주유소, 편의점 POS
• 항공 인터넷: 기내 WiFi 서비스
• 원격 교육: 오지 학교 인터넷 연결

3.4.4 Ku-band 세부 구분

Ku-band는 용도에 따라 다시 세분됩니다:

3.5 Ka-band (27~40 GHz)

3.5.1 장점

• 막대한 대역폭: 수 GHz의 넓은 스펙트럼 확보 가능
• 초소형 안테나: 30~60cm 접시로 고속 통신 (Starlink Dishy)
• 주파수 재사용: 좁은 스팟 빔으로 동일 주파수 여러 번 재사용
• 고용량: 위성당 수백 Gbps 처리량 가능
• 낮은 혼잡도: 아직 활용도가 낮아 간섭 적음

3.5.2 단점

• 심각한 Rain Fade: 폭우 시 30 dB 이상 감쇠 (신호 차단 수준)
• 대기 흡수: 산소·수증기에 의한 추가 손실
• 높은 전력 소비: 손실 보상을 위한 높은 송신 전력 필요
• 복잡한 기술: 위상 배열 안테나 등 첨단 기술 요구

3.5.3 주요 응용

• Starlink: LEO 메가 컨스텔레이션 고속 인터넷
• ViaSat-3: GEO HTS, 위성당 1 Tbps 용량
• OneWeb: LEO 기업용 광대역
• 항공 인터넷: 최신 기내 WiFi 시스템

3.5.4 Rain Fade 대응 기술

Ka-band의 치명적 약점인 비 감쇠를 극복하기 위한 기술들:

• 적응형 코딩 변조(ACM): 날씨에 따라 변조 방식 동적 변경
• 사이트 다이버시티: 여러 지상국을 분산 배치하여 국지적 폭우 회피
• 전력 제어: 비 올 때 송신 전력 자동 증가
• 주파수 다이버시티: Ka와 Ku를 동시 사용, 자동 전환

3.6 기타 주파수 대역

3.6.1 L-band (1~2 GHz)

• 용도: 이동 위성 전화, 선박·항공 통신
• 장점: 소형 휴대 단말 가능, 날씨 영향 없음
• 단점: 좁은 대역폭, 낮은 데이터 속도 (수십 kbps)
• 대표 시스템: Iridium, Inmarsat, Thuraya

3.6.2 S-band (2~4 GHz)

• 용도: 위성 DMB, 기상 레이더, NASA 심우주 통신
• 장점: 안정적, 중간 크기 안테나
• 단점: 지상 WiFi/LTE와 간섭

3.6.3 X-band (8~12 GHz)

• 용도: 군사 위성 통신, 레이더
• 장점: 군 전용 할당으로 간섭 없음, 보안성 높음
• 대표 시스템: WGS (Wideband Global SATCOM), Milstar

3.6.4 V-band (40~75 GHz)

• 용도: 차세대 광대역 통신 (실험 단계)
• 장점: 미개척 대역, 엄청난 대역폭
• 단점: 극심한 대기 손실, 비용이 매우 높음
• 전망: 2030년대 실용화 예상

3.6.5 광통신 (Optical)

• 주파수: 약 200 THz (1.5μm 파장 레이저)
• 용도: 위성 간 통신 (ISL), 심우주 통신
• 장점: 초고속 (수백 Gbps), 좁은 빔, 간섭 없음
• 단점: 구름에 차단, 정밀한 조준 필요
• 사례: Starlink Gen2 위성 간 레이저 링크

3.7 ITU 주파수 조정 및 할당

3.7.1 ITU의 역할

ITU(국제전기통신연합)는 UN 산하 기구로, 전 세계 주파수와 궤도 자원을 공정하게 배분하고 간섭을 방지하는 역할을 합니다.

• 주파수 할당표(Frequency Allocation Table): 각 대역별 용도 규정
• 궤도 슬롯 조정: GEO 위성 간 2~3도 간격 유지 조정
• 간섭 조정: 국가 간, 위성 간 간섭 분쟁 해결
• WRC (World Radiocommunication Conference): 3~4년마다 개최되는 주파수 정책 회의

3.7.2 주파수 대역 분류

ITU는 주파수를 세 가지 서비스로 분류합니다:

• FSS (Fixed-Satellite Service): 고정 지점 간 위성 통신 (VSAT, 중계)
• BSS (Broadcasting-Satellite Service): 방송 전용 (DTH TV)
• MSS (Mobile-Satellite Service): 이동체 통신 (위성 전화, 항공·해양)

3.7.3 주파수 조정 절차

1. 사전 공고 (API): 위성 발사 7년 전 ITU에 공고
2. 조정 요청 (CR): 발사 5년 전 인접국과 조정 시작
3. 통보 (Notification): 발사 3년 전 최종 기술 정보 제출
4. 등록 (Recording): 발사 후 실제 운용 파라미터 등록

3.8 주파수 간섭과 대응

3.8.1 간섭의 종류

• 인접 채널 간섭 (ACI): 옆 채널 신호가 넘어옴
• 동일 채널 간섭 (CCI): 같은 주파수를 쓰는 다른 위성·지상국
• 고조파 간섭: 송신기 비선형성으로 인한 배음 발생
• 상호변조 간섭 (IMD): 두 신호가 섞여 새로운 간섭 주파수 생성

3.8.2 간섭 완화 기술

• 주파수 재사용 (Frequency Reuse): 편파 분리, 스팟 빔 분리로 동일 주파수 재사용
• 간섭 제거 (Interference Cancellation): 디지털 신호처리로 간섭 성분 제거
• 전력 제어: 필요 이상의 전력 사용 금지
• 빔 형성 (Beamforming): 위상 배열 안테나로 간섭원 방향 null 생성

3.8.3 5G와의 주파수 공유 문제

최근 5G 이동통신이 C-band 일부를 사용하면서, 위성 통신과의 간섭이 심각한 문제로 대두되었습니다. 미국 FCC는 C-band 하단(3.7~3.98 GHz)을 5G에 재할당하고, 위성 사업자에게 120억 달러의 보상금을 지급했습니다.

한국도 3.7~3.8 GHz를 5G에 할당하였으며, 위성 수신국은 더 높은 주파수로 이전하거나 고도의 필터링 기술을 도입해야 합니다.

3.9 마치며

위성 통신 주파수는 L, S, C, X, Ku, K, Ka, V 밴드 등으로 구분되며, 각 대역은 전파 특성, 안테나 크기, 대역폭, 날씨 영향 등에서 뚜렷한 차이를 보입니다.

전통적인 C-band는 안정적이지만 큰 안테나가 필요하고 5G와의 주파수 경쟁에 직면해 있습니다. Ku-band는 DTH 방송의 주력으로 널리 보급되었으나 비에 약합니다. Ka-band는 차세대 HTS의 핵심으로, 막대한 대역폭을 제공하지만 Rain Fade가 심각합니다.

ITU는 국제 주파수 할당과 조정을 총괄하며, 선점 원칙에 따라 궤도 슬롯을 배분합니다. 하지만 제한된 스펙트럼과 궤도 자원으로 인해 국가 간, 서비스 간 경쟁이 치열합니다.

다음 장에서는 위성 통신의 지상 인프라인 VSAT, 게이트웨이, 안테나 시스템을 살펴보겠습니다.