제2장

현재 과제

WIA-COMM-005(Satellite Internet Standard)가 출발점으로 삼는 문제는 지상망이 닿지 않는 곳, 곧 외딴 지역, 농촌, 해상, 항공 환경에서 쓸 만한 광대역을 어떻게 제공하느냐입니다. 표준은 이를 홍익인간(弘益人間)의 취지에 따라 디지털 격차를 줄이는 일로 설명합니다. 전통적인 GEO 위성은 고도 35,786 km에서 왕복 지연이 500~600 ms에 이르러 대화형 서비스에 한계가 있습니다. LEO 군집은 같은 문제를 20~40 ms 수준의 왕복 지연으로 풀려 합니다. 대신 수백에서 4만 기 이상의 위성이 움직이는 구조를 관리해야 합니다. 위성 간 링크, 지상국, 사용자 단말, 주파수 조정, 핸드오버를 하나의 틀로 묶는 일이 이 표준의 과제입니다.

개요

이 장은 표준이 위성 인터넷을 어떤 축으로 나누어 정의하는지 보여 줍니다. 먼저 모든 설계의 바탕이 되는 LEO 군집 구조를 살펴봅니다.

2.1 LEO 군집의 궤도 구조와 가시성

표준은 LEO를 고도 500~2000 km로 정의하고, 군집을 궤도면(orbital plane)과 면당 위성 수의 조합으로 기술합니다. 일반적인 구성은 다음과 같습니다.

Altitude: 550 km (Starlink), 600 km (OneWeb), 590 km (Kuiper)
Inclination: 53°, 70°, 87° (for different coverage patterns)
Orbital Planes: 20-80 planes
Satellites per Plane: 20-80 satellites
Total Satellites: 300-40,000+ satellites
Orbital Period: ~90-100 minutes

경사각(inclination)은 서비스 목적을 결정합니다. 87~90°의 극궤도 구성은 극지방을 포함한 전 지구를 덮으며 과학, 군사, 긴급 용도에 쓰입니다. 53~70°의 중위도 구성은 인구 밀집 지역에 맞춘 상업 광대역용입니다.

위성은 궤도면 전체에 균일하게 배치됩니다. 위상각은 360° × (plane_number / total_planes), 면 내 위성 간격은 360° / satellites_per_plane으로 계산합니다. 표준이 든 Starlink Phase 1 예시는 72개 궤도면에 면당 22기, 총 1,584기이며 면 사이 위상각은 5°입니다. 사용자 관점의 가시성은 최소 고각(elevation angle) θ로 정해집니다. 이 값은 보통 25~40°이며, 다음 관계로 표현합니다.

cos(θ) = R_e / (R_e + h)
r = R_e × arccos[R_e × cos(θ) / (R_e + h)]

여기서 R_e는 지구 반지름(6,371 km), h는 위성 고도, r은 최소 고각에서의 커버리지 반경입니다. 고도를 낮추면 지연은 줄지만 한 위성이 덮는 면적도 줄어듭니다. 그래서 더 많은 위성이 필요하다는 점이 이 식에서 드러납니다.

기술적 기초

궤도 구조 위에서 실제 통신을 성립시키는 것은 링크 버짓, 도플러 보상, 핸드오버 예측, 위성 간 링크입니다.

2.2 링크 버짓, 도플러, 핸드오버, 그리고 ISL

표준은 RF 링크를 네 개의 식으로 정리합니다.

EIRP (dBW) = Tx Power (dBW) + Antenna Gain (dBi) - Losses (dB)
Path Loss (dB) = 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) + 92.45
SNR (dB) = EIRP - Path Loss - Noise Figure + G/T
Capacity (Mbps) = Bandwidth × log₂(1 + SNR)

d는 거리(km), f는 주파수(GHz), G/T는 이득 대 잡음온도비입니다. 용량 식의 SNR은 dB가 아니라 선형 비율로 넣어야 한다는 점에 유의해야 합니다. 경로 손실은 거리와 주파수가 커질수록 늘어납니다. 같은 고도라면 Ka-band(26.5~40 GHz)나 V-band(40~75 GHz)가 Ku-band(12~18 GHz)보다 손실이 큽니다. 그 대가로 더 넓은 대역폭을 쓸 수 있습니다.

LEO 위성은 지상에 대해 약 7.5 km/s로 움직이므로 도플러 편이가 큽니다. 표준의 식은 Δf = (v/c) × f₀이고, c는 299,792 km/s입니다. 이 식에 28 GHz 반송파를 넣으면 최대 약 700 kHz 규모의 편이가 나옵니다. 이는 위 식에 직접 대입한 값이며, 수신기가 이를 추적·보상해야 한다는 뜻입니다. 핸드오버 시점은 t_handover = arccos(R_e / (R_e + h)) / ω로 예측합니다. ω는 위성의 각속도입니다. 한 위성이 시야에 머무는 시간이 짧기 때문에, 위성 간 전환은 예외가 아니라 정상 동작으로 설계됩니다.

위성 간 링크(ISL)는 광학과 RF 두 가지입니다. 아래 표는 표준에 실린 값을 비교한 것입니다.

구분	대역/파장	전송률	비고
광학 ISL	1550 nm	링크당 1~100 Gbps	최대 5,000 km, 빔 발산 10 마이크로라디안 미만
RF ISL (Ka-band)	23~27 GHz	100 Mbps ~ 1 Gbps	주파수 면허 필요
RF ISL (V-band)	60 GHz	1~10 Gbps	E-band(71~76 GHz)도 후보

광학 ISL은 RF 대비 10~100배의 대역폭을 내고, 주파수 면허가 필요 없으며 간섭이 적고 도청이 어렵다는 장점이 있습니다. 광학 링크의 수신 전력은 P_rx = P_tx + G_tx + G_rx - L_space - L_point로 계산하며, 좁은 빔 때문에 지향 손실(L_point)이 핵심 변수가 됩니다. ISL이 있으면 메시 토폴로지를 만들 수 있어 지상국 의존도와 지연이 줄고 복원력이 커집니다. 라우팅 프로토콜로는 OSPF 기반, 군집 간 BGP, 지연 허용이 필요한 경우의 DTN이 명시되어 있습니다.

시장 분석

표준은 시장 규모나 점유율 수치를 다루지 않습니다. 대신 Starlink(550 km), OneWeb(600 km), Kuiper(590 km)처럼 고도와 규모가 서로 다른 상용 LEO 군집을 모두 수용하는 공통 기술 틀을 제시합니다. 그 점이 시장 관점에서 의미가 있습니다. 군집마다 경사각과 궤도면 수가 달라도 같은 기술 어휘와 계산식으로 비교할 수 있기 때문입니다. 표준은 MEO와 GEO도 제외하지 않습니다. 현재 시장은 한 가지 궤도가 아니라 여러 궤도가 공존하는 구도임을 전제로 합니다.

산업 응용

표준이 겨냥하는 환경은 외딴 지역, 농촌, 해상, 항공입니다. 궤도별 용도는 다음과 같이 구분됩니다.

LEO: 지연이 낮은 사용자 접속. 극궤도 구성은 과학, 군사, 긴급 용도에, 중위도 구성은 상업 광대역에 맞춥니다.
MEO(고도 8,000~20,000 km, 주기 6~12시간, 왕복 지연 100~150 ms): 항법(GPS, Galileo, BeiDou), 지역 광대역, LEO 백업에 쓰입니다.
GEO(주기 23시간 56분, 전 지구 커버에 3~5기): TV 방송과 DTH, 기존 해상·항공 서비스, 기상 관측, 긴급 백업에 쓰입니다.

현대 시스템은 이들을 결합합니다. LEO는 사용자 접속을, MEO는 지역 커버리지 보완을, GEO는 방송과 백업을 맡는 하이브리드 구조입니다.

표준 준수

표준은 주파수 조정과 궤도 안전을 준수 항목으로 둡니다. 법적 기준은 ITU Radio Regulations와 궤도 잔해물(orbital debris) 저감입니다. 여기서는 SDK와 CLI가 이를 어떻게 코드로 옮기는지 봅니다.

2.3 SDK와 CLI에서 본 계산과 점검

TypeScript SDK(@wia/comm-005)는 군집 초기화, 링크 버짓, 핸드오버 예측 함수를 제공합니다. 표준의 예제를 줄여 인용하면 다음과 같습니다.

import { SatelliteNetwork, calculateLinkBudget, predictHandover } from '@wia/comm-005';

const network = new SatelliteNetwork({
  constellation: 'LEO',
  altitude: 550,        // km
  inclination: 53,      // degrees
  totalSatellites: 1584,
  orbitalPlanes: 72
});

const linkBudget = calculateLinkBudget({
  distance: 600,        // km
  frequency: 28,        // GHz (Ka-band)
  txPower: 10,          // W
  antennaGain: 35,      // dBi
  bandwidth: 250        // MHz
});

const handover = predictHandover({
  currentSatelliteId: 'SAT-1234',
  userLatitude: 37.7749,
  userLongitude: -122.4194,
  elevationAngle: 25
});

결과 객체에서는 snr, capacity, timeRemaining, nextSatelliteId를 읽습니다. 같은 기능은 wia-comm-005 CLI로도 쓸 수 있습니다.

wia-comm-005 link-budget --distance 600 --frequency 28 --power 10
wia-comm-005 predict --lat 37.7749 --lon -122.4194 --duration 3600
wia-comm-005 doppler --velocity 7500 --frequency 28000
wia-comm-005 beam-steer --users 1000 --coverage-area 500
wia-comm-005 debris-check --altitude 550 --inclination 53

규제 준수 관점에서 눈에 띄는 것은 debris-check입니다. 고도와 경사각을 입력해 궤도 잔해물 저감 기준을 점검하는 단계가 설계 도구 안에 들어 있다는 뜻입니다.

구현 고려사항

2.4 지상 구간, 빔, 데이터 형식의 구현 경계

구현자가 먼저 정해야 할 것은 지상국(gateway와 teleport)을 분산 배치하는 방식입니다. ISL 메시가 있으면 지상국 의존도를 낮출 수 있지만, 지상망 연결 지점은 여전히 필요합니다. 사용자 단말은 위상배열 안테나(phased-array)와 모뎀 규격을 따릅니다. 빔 조향은 동적 빔 관리와 스팟 빔 최적화로 다루며, CLI의 beam-steer가 사용자 수와 커버리지 면적을 입력으로 받는 것도 이 때문입니다. 핸드오버는 위성 간 전환이 끊김 없이 이어지도록 앞의 예측식을 바탕으로 구현합니다.

데이터 형식은 표준의 Phase 1 문서가 맡습니다. 이 문서는 LEO/MEO/GEO 군집 기술자(descriptor), 위성 간 링크 기록, 지상국과 사용자 단말의 데이터 구조를 정규 봉투(canonical envelope)로 정의합니다. 다음 장에서 필드 단위로 다루므로, 이 장에서는 물리 계층과 궤도 계층의 계산 근거를 이해하는 것으로 충분합니다.

미래 전망

표준 본문에서 확인되는 방향은 세 가지입니다. 첫째, 광학 ISL의 비중이 커집니다. 대역폭이 크고 면허 부담이 없기 때문입니다. 둘째, Ka-band에서 V-band로 이어지는 높은 주파수 대역 활용이 확대됩니다. 셋째, LEO·MEO·GEO를 결합한 하이브리드 운용이 일반화됩니다. DTN이 라우팅 후보에 포함된 것은 연결이 항상 유지되지 않는 환경까지 염두에 둔 설계입니다.

요약

2.5 이 장의 정리와 다음 장으로의 연결

이 장의 요점은 네 가지입니다. 첫째, LEO 군집은 고도, 경사각, 궤도면 수, 면당 위성 수로 기술되며 최소 고각이 커버리지를 결정합니다. 둘째, 링크 버짓과 도플러 편이, 핸드오버 시점은 모두 거리, 주파수, 고도, 각속도에서 나오는 계산식으로 표현됩니다. 셋째, ISL은 광학과 RF로 나뉘고, 이것이 메시 라우팅과 지상국 의존도 감소의 바탕이 됩니다. 넷째, ITU Radio Regulations와 궤도 잔해물 저감은 도구(debris-check)에 반영될 정도로 표준의 일부입니다.

지금까지 다룬 것은 이 계산과 구조를 어떤 값으로 주고받는가의 바탕입니다. 다음 장에서는 이를 Phase 1의 데이터 형식으로 옮겨, 군집 기술자와 ISL 기록, 지상국·사용자 단말 데이터가 정규 봉투 안에서 어떤 모양을 갖는지 살펴봅니다.