📡 지상 장비

4.1 지상 세그먼트 개요

위성 통신 시스템은 우주의 위성만으로는 작동할 수 없으며, 지상의 다양한 장비와 인프라가 필수적입니다. 지상 세그먼트(Ground Segment)는 위성과 최종 사용자를 연결하는 핵심 인프라로서, 게이트웨이, VSAT, 안테나, TT&C 시스템 등으로 구성됩니다.

지상 장비의 성능과 비용은 전체 위성 통신 시스템의 경제성과 품질을 결정하는 중요한 요소입니다. 특히 최근 Ka-band HTS와 LEO 컨스텔레이션의 등장으로 지상 단말의 소형화와 저가화가 급속히 진행되고 있습니다.

4.2 안테나 시스템

4.2.1 포물면 반사경 안테나

위성 통신에서 가장 널리 사용되는 안테나 형식입니다. 포물선 모양의 반사경이 전파를 초점에 집중시키거나, 반대로 초점에서 나온 전파를 평행 빔으로 발사합니다.

• Prime Focus 안테나: 반사경 중심 앞에 피드혼 배치. 효율 높지만 피드가 빔을 가림
• Cassegrain 안테나: 주반사경과 부반사경 사용. 피드를 뒤에 배치하여 빔 차단 최소화
• Offset 안테나: 반사경 중심을 벗어나 피드 배치. 가정용 DTH에 주로 사용

4.2.2 위상 배열 안테나 (Phased Array)

수백~수천 개의 작은 안테나 소자를 배열하고, 각 소자의 위상을 전자적으로 제어하여 빔 방향을 조정하는 첨단 안테나입니다. 기계적 구동 장치 없이 빔을 조향할 수 있어, Starlink Dishy 등 LEO 위성 추적에 필수적입니다.

• 능동형(Active): 각 소자에 송수신 모듈 장착. 고성능이지만 고가
• 수동형(Passive): 위상 변환기만 사용. 저가이지만 성능 제한
• 장점: 빠른 빔 조향, 다중 빔 동시 생성, 고장 허용성
• 단점: 높은 비용, 복잡한 제어, 높은 전력 소비

4.2.3 안테나 파라미터

4.3 VSAT (Very Small Aperture Terminal)

4.3.1 VSAT 시스템 구성

• ODU (Outdoor Unit): 안테나, LNB(저잡음증폭기), BUC(블록업컨버터), 피드혼
• IDU (Indoor Unit): 모뎀, 라우터, 전원공급장치
• 허브(Hub): 중앙 대형 지구국, 인터넷 백본과 연결

4.3.2 VSAT 네트워크 토폴로지

• Star 방식: 모든 VSAT가 중앙 허브를 경유. 가장 일반적. 관리 용이하지만 더블 홉 지연
• Mesh 방식: VSAT 간 직접 통신. 지연 짧지만 복잡하고 비쌈
• Hybrid: Star와 Mesh 혼합. 일반 트래픽은 Star, 중요 트래픽은 Mesh

4.3.3 VSAT 응용 분야

4.3.4 최신 VSAT 기술

• Ka-band VSAT: 60cm 소형 안테나로 50Mbps 이상 속도
• HTS VSAT: 고처리량 위성 활용, Mbps당 비용 1/10 수준
• Flat Panel VSAT: 평판형 위상 배열, 차량·선박·항공기 탑재
• DVB-S2X: 최신 변조 표준, 효율 30% 향상

4.4 게이트웨이 (Gateway)

4.4.1 게이트웨이 구성

• 대형 안테나: 직경 7~13m, 높은 EIRP와 G/T
• HPA (High Power Amplifier): 수 kW급 송신 증폭기
• 다중 피드: 하나의 안테나로 여러 위성 동시 통신
• 백홀 연결: 10~100 Gbps 광케이블로 인터넷 백본 연결
• 기저대역 장비: 변복조, 다중화, 패킷 처리

4.4.2 게이트웨이 배치 전략

LEO 메가 컨스텔레이션은 전 세계에 수십~수백 개의 게이트웨이를 분산 배치합니다:

• 지리적 분산: 대륙별 균등 배치로 지연 최소화
• 사이트 다이버시티: 비 감쇠 대비 인접 게이트웨이 간 거리 50~100km
• 인터넷 POP 인접: Internet Exchange Point 근처 배치로 백홀 비용 절감
• 전력·통신 인프라: 안정적 전력, 고속 광케이블 접근성 중요

4.4.3 Starlink 게이트웨이 사례

Starlink는 2025년 현재 전 세계 약 200개 이상의 게이트웨이를 운영 중입니다:

• 미국: 50개 이상, 주요 도시 근교 배치
• 유럽: 30개 이상, 영국·독일·프랑스 집중
• 아시아: 일본·호주·뉴질랜드 등 10개 이상
• 각 게이트웨이는 수백~수천 명의 사용자를 동시 지원

4.5 TT&C (Telemetry, Tracking, and Command)

4.5.1 TT&C 개요

TT&C는 위성을 감시하고 제어하는 지상 시설입니다. 위성 발사부터 수명 종료까지 24시간 감시하며, 궤도 수정, 자세 제어, 펌웨어 업데이트 등을 수행합니다.

• Telemetry (원격 측정): 위성 상태 데이터 수신 (온도, 전압, 연료, 자세 등)
• Tracking (추적): 위성 위치와 속도 정밀 측정
• Command (명령): 위성에 제어 명령 송신

4.5.2 TT&C 주파수

TT&C는 통신 서비스와 별도의 주파수를 사용합니다:

• S-band TT&C: 2.0~2.3 GHz (업링크), 2.2~2.3 GHz (다운링크). 가장 일반적
• X-band TT&C: 군사 위성, 심우주 탐사선
• Ka-band TT&C: 차세대 HTS에서 도입 중

4.5.3 궤도 결정 및 예측

TT&C 시스템은 위성의 정밀 궤도를 계산합니다:

• 레인징 (Ranging): 전파 왕복 시간 측정으로 거리 계산 (오차 수 m)
• 도플러 측정: 주파수 편이로 위성 속도 계산
• 각도 추적: 안테나 조준 각도로 위성 방향 계산
• 궤도 전파 (Orbit Propagation): 중력, 태양풍, 대기 저항 등을 고려한 미래 궤도 예측

4.5.4 스테이션 키핑 (Station Keeping)

GEO 위성은 중력 섭동으로 궤도가 변하므로, 정기적으로 궤도를 수정해야 합니다:

• 동서 방향: 달·태양 중력으로 ±0.05도 드리프트 → 추력기로 보정
• 남북 방향: 달·태양 중력으로 궤도면 기울어짐 → 가장 많은 연료 소비
• 보정 주기: 수일~수주에 한 번
• 수명 제한: 연료 고갈 시 궤도 유지 불가능 → 폐기 궤도로 이동

4.6 사용자 단말

4.6.1 위성 전화기

• Iridium: LEO, 전 지구 커버, 핸드셋 크기
• Inmarsat IsatPhone: GEO, 해상·항공 특화
• Thuraya: GEO, 중동·아프리카·아시아 커버
• 속도: 음성 + 저속 데이터 (2.4~128 kbps)
• 가격: 단말 50~150만원, 분당 통화료 1,000~3,000원

4.6.2 위성 인터넷 단말

• Starlink Dishy: 위상 배열, 자동 추적, 50~200 Mbps, 월 99달러
• OneWeb 단말: 기업용, 150~300 Mbps, 고정 설치
• HughesNet: GEO, 25 Mbps, 60cm 접시
• Viasat: GEO, 100 Mbps, 75cm 접시

4.6.3 위성 TV 수신기

• DTH 안테나: 45~60cm offset 접시
• LNB: 위성 신호를 중간 주파수(950~2150 MHz)로 변환
• STB (셋톱박스): DVB-S2 복조, MPEG-4 디코딩
• 스마트카드: 암호화된 채널 해독

4.6.4 이동형 단말 (Mobile Terminal)

• 차량용: 자동 추적 평판 안테나, 주행 중 통신 가능
• 항공용: 기내 WiFi, 조종석 통신, Ka-band 주력
• 해상용: VSAT, Inmarsat FleetBroadband, 선박 인터넷
• 휴대용: BGAN(Broadband Global Area Network), 백팩형 위성 모뎀

4.7 RF 장비

4.7.1 LNB (Low Noise Block Converter)

위성에서 내려오는 미약한 신호를 저잡음으로 증폭하고, 주파수를 낮춰 실내 케이블로 전송 가능하게 변환합니다.

• 잡음지수: 0.3~0.8 dB (극저잡음)
• 변환: Ku-band 10.7~12.75 GHz → IF 950~2150 MHz
• 종류: Single, Dual, Quad 출력 (다중 수신기 지원)

4.7.2 BUC (Block Up Converter)

실내 모뎀의 중간 주파수 신호를 위성 업링크 주파수로 상향 변환하고 증폭합니다.

• 입력: IF 950~1750 MHz (L-band)
• 출력: C/Ku/Ka-band, 1~20W
• 선형성: 디지털 변조 신호 왜곡 최소화 필요

4.7.3 HPA (High Power Amplifier)

게이트웨이나 대형 지구국에서 사용하는 고출력 증폭기입니다.

• SSPA (Solid State): 반도체 증폭기, 100W~1kW, 신뢰성 높음
• TWTA (Traveling Wave Tube): 진공관 증폭기, 1~10kW, 고출력
• 냉각: 강제 공랭, 수랭 필요

4.7.4 필터 및 멀티플렉서

• 대역통과 필터: 원하는 주파수만 통과, 간섭 제거
• OMT (Orthomode Transducer): 수평/수직 편파 분리·결합
• Diplexer: 송수신 주파수 분리 (단일 안테나 공유)

4.8 마치며

지상 장비는 위성 통신 시스템의 핵심 인프라로서, 안테나, VSAT, 게이트웨이, TT&C, 사용자 단말 등 다양한 요소로 구성됩니다. 각 장비는 고유한 역할을 담당하며, 전체 시스템의 성능과 비용을 결정합니다.

최근 Ka-band HTS와 위상 배열 안테나 기술의 발전으로 지상 단말의 소형화와 저가화가 급속히 진행되고 있습니다. Starlink Dishy는 자동 추적 위상 배열 안테나를 500달러 수준에 제공하여, 위성 인터넷의 대중화를 실현하고 있습니다.

다음 장에서는 업링크와 다운링크의 전파 전송 특성을 분석하는 위성 링크 분석 방법을 학습하겠습니다.