제6장
WIA-COMM-005의 Phase 1은 봉투(envelope)의 데이터 형식을, Phase 2는 이를 HTTPS로 노출하는 엔드포인트를 정의합니다. Phase 3는 이 봉투를 신뢰 경계를 넘나드는 프로토콜 교환으로 감쌉니다. 다루는 영역은 핸드오버 관리, 주파수 조정, 궤도역학, 우주 파편 저감의 네 가지입니다. 모든 교환은 와이어 수준(wire-level)에서 정의되며, 감사(audit)와 재전송 공격(replay) 방어를 전제로 합니다.
가장 먼저 다룰 것은 핸드오버입니다. 550 km 고도의 저궤도(LEO) 위성은 한 지점에서 4~7분 정도만 보이므로, 단말은 다음 위성으로의 전환을 미리 예측해 끊김 없이 실행해야 합니다. 가시 시간은 다음 식으로 표현됩니다.
t_visible = 2 × arccos(R_e / (R_e + h)) / ω
R_e = 지구 반지름 (6,371 km)
h = 위성 고도 (550 km)
ω = 위성 각속도 (rad/s)표준은 핸드오버를 세 가지 유형으로 구분합니다.
| 유형 | 빈도 | 트리거 | 다음 위성/영향 |
|---|---|---|---|
| Intra-Plane | 4~7분마다 | 위성 고도각이 임계값 미만 | 같은 궤도면의 위성 |
| Inter-Plane | 20~40분마다 | 더 나은 SNR 확보 가능 | 다른 궤도면의 위성 |
| Gateway | 가변 | 트래픽 최적화, 위성의 게이트웨이 전환 | 사용자에게 투명(영향 최소) |
핸드오버 프로토콜은 세 단계로 진행됩니다.
1. Measurement Phase (30초 전)
- 현재 위성의 SNR 모니터링
- 다음 위성 탐색
- 도플러 편이 측정
2. Decision Phase (10초 전)
- 최적의 다음 위성 선택
- 자원 예약, 빔 스티어링 준비
3. Execution Phase (끊김 없이)
- 안테나 빔 전환
- 도플러에 맞춰 주파수 조정
- TCP 연결 유지 (패킷 손실 없음)실제 교환은 단말, 출발(source) 위성, 도착(destination) 위성, 성좌 컨트롤러(constellation controller) 사이에서 서명된 봉투로 이루어집니다. 모든 핸드오버 이벤트는 감사 체인에 기록되므로, 운영팀은 성능 이상이 생겼을 때 사후에 경위를 재구성할 수 있습니다. 표준이 제시하는 추적 예시는 다음과 같습니다.
T+0 단말이 고도각 25° 이상에서 Sat-A를 포착, 링크 활성.
T+90s Sat-A가 하강 중, 30초 내 핸드오버 예측.
T+105s 단말이 컨트롤러에 handover-request 봉투 전송
(Sat-A = source, Sat-B = 예측된 destination).
T+106s 컨트롤러 ack. Sat-A와 Sat-B가 동기화된 타임스탬프의
조정 봉투를 수신.
T+108s 단말이 위상배열 안테나를 Sat-B로 전환, 링크 유지.
T+109s Sat-A가 링크 해제, Sat-B가 링크 수립을 확인.
감사 봉투가 운영 대시보드로 전달.종단 간 핸드오버 지연 목표는 5초 이하입니다. 목표를 넘기는 핸드오버는 운영팀에 경고 봉투(warning envelope)를 발행합니다.
핸드오버 타이밍과 주파수 보정은 궤도역학에서 나옵니다. 궤도 속도와 주기는 다음 식으로 정해지며, 표준이 제시하는 값은 아래 표와 같습니다.
v = √(GM / r)
T = 2π√(r³ / GM) (r = R_e + h)| 궤도 | 고도 | 속도 | 주기 |
|---|---|---|---|
| LEO | 550 km | 7.59 km/s | 95.6분 |
| MEO | 8,000 km | 4.84 km/s | 6.0시간 |
| GEO | 35,786 km | 3.07 km/s | 23.93시간 |
위성이 빠르게 움직이므로 반송파에는 도플러 편이가 생깁니다. 28 GHz 반송파와 550 km LEO 속도 7.59 km/s를 대입하면 최대 편이는 약 ±710 kHz입니다. 편이의 변화율은 대략 10~50 kHz/s로, 단말은 연속 추적을 해야 합니다.
Δf = (v / c) × f₀ × cos(θ)
Δf_max = (7590 / 299792) × 28 × 10⁹ ≈ ±710 kHz주파수 대역은 세대별로 나뉩니다. Ka-band는 LEO의 주력 대역이고, Ku-band는 GEO 중심의 기존 대역이며, V-band는 향후 고용량 전송을 위한 대역입니다.
| 대역 | 업링크 | 다운링크 |
|---|---|---|
| Ka-band | 27.5–30.0 GHz | 17.7–20.2 GHz |
| Ku-band | 12.75–13.25, 13.75–14.5 GHz | 10.7–11.7, 11.7–12.75 GHz |
| V-band | 47.2–50.2 GHz | 37.5–42.5 GHz |
Ka-band에서는 게이트웨이 링크도 사용자 링크와 같은 범위를 씁니다. V-band는 합쳐서 최대 10 GHz의 대역폭을 제공합니다.
표준은 규격 준수 사업자가 분기마다 성능 벤치마크를 공개하도록 요구합니다. 항목은 지역별 중앙값 왕복 시간(RTT), 95번째 백분위 RTT, 단말 등급별 지속 처리량, 핸드오버 성공률, 페이드 이벤트 MTBF입니다. 이 수치는 소비자의 사업자 선택 자료이자 규제 당국 보고서의 근거가 됩니다. Starlink, Kuiper, OneWeb 같은 사업자가 같은 지표로 비교되므로, 시장에서는 규격이 정한 지표 정의가 공통 잣대 역할을 합니다.
실제 운영 사업자에게서는 세 가지 배치 패턴이 반복됩니다. 각 패턴에서 병목이 되는 요소가 서로 다릅니다.
여러 사업자가 공존하는 환경을 위해, 사업자 간 연합(federation)은 WIA-SOCIAL Phase 3 §5의 연합 봉투를 사용합니다. 신뢰 목록(trust list)에는 상대 사업자의 신원, 주파수 조정 범위, 상대에게 영향을 주는 커버리지 변경의 통지 주기가 담깁니다.
주파수 조정. 사업자 간 조정은 ITU-R 관행을 따릅니다. 봉투에는 사업자 신원, 요청 주파수 대역, 지리적 풋프린트, 시간 구간이 담깁니다. 할당 자체는 ITU-R이 조정하고, 봉투는 사업자끼리 그리고 ITU-R과 주고받는 와이어 형식입니다. 신고 절차는 다음 순서입니다.
1. Advance Publication: 발사 7년 전
2. Coordination Request: 발사 5년 전
3. Notification: 위성 운용 개시 후 30일 이내
4. Frequency Assignment: ITU Master Register에 기록간섭 완화에는 세 가지 방법을 씁니다. 첫째는 주파수 재사용으로, 직교 편파(V/H 또는 LHCP/RHCP), 주파수를 재사용하는 스팟 빔, 지리적 분리를 활용합니다. 둘째는 동적 스펙트럼 관리로, 인지 무선 기법, 실시간 간섭 모니터링, 적응형 전력 제어를 씁니다. 셋째는 GEO와의 공존으로, 오프축 EIRP 제한, GEO 호 ±2° 배제 구역, 시분할 공유를 적용합니다.
관할권. 사업자는 FCC(미국), Ofcom(영국), MIC(일본), KCC(한국), EU 회원국 규제기관의 규정을 동시에 따라야 합니다. 봉투에는 사업자의 면허 관할권 집합이 실리고, 소비자는 요청한 서비스가 허용된 관할권 안에 있는지 검증합니다. 합법 감청이 요구되는 관할권(미국 CALEA, ETSI ES 201 671에 따른 EU, 한국 통신비밀보호법)은 디스커버리 문서에 그 요건을 선언합니다. 해당 관할권의 세션은 시작 시 통지 봉투를 발행합니다. 실제 감청은 접근마다 감사 기록을 남기는 별도의 서명된 채널로 수행됩니다.
재전송 방어와 감사. 표준의 96비트 nonce, 300초 시계 오차(skew) 허용 창, 600초 seen-nonce 캐시가 적용됩니다. 충돌 경고(conjunction warning)는 표준에서 가장 높은 우선순위의 트래픽 등급입니다. 감사 봉투는 두 곳 이상의 저장소에 복제되며, 보존 기간은 규제 기간에 맞춥니다. 주파수 조정 기록은 통상 5년, 안전 관련 충돌 경고 기록은 10년입니다.
우주 파편 저감. 충돌 경고 봉투에는 위성 간 또는 위성과 파편 간의 예측 근접 통과 파라미터가 담깁니다. 선별 기준은 아래와 같습니다.
- 카탈로그(TLE 데이터) 대비 일일 스크리닝
- 경보 임계값: 충돌 확률 > 10⁻⁴
- 기동 임계값: 이격 거리 < 1 km
- 기동량: ΔV = √(2μ/r) × Δh / (2h) (Δh는 통상 500~1000 m)임무 종료 후 LEO 위성은 25년 이내에 궤도를 이탈해야 합니다. 방식은 세 가지입니다. 능동 이탈은 잔여 추진제로 제어 재진입하며 1~12개월이 걸립니다. 600 km 미만에서는 대기 항력에 의한 수동 이탈이 가능하며 1~5년이 걸립니다. GEO는 궤도를 300 km 이상 높여 묘지 궤도로 보냅니다. 설계 단계에서는 소멸 설계(Design for Demise)를 적용합니다. 티타늄이나 인코넬 같은 고융점 소재 대신 알루미늄과 복합재를 쓰고, 지상에 남는 부품은 5 kg 미만을 목표로 합니다. 이탈 전에는 추진제 탱크를 비워 궤도상 폭발을 막습니다. 참조 규격은 ISO 24113(우주 파편 저감)과 CCSDS 502.0-B(Orbital Ephemeris Message)입니다.
첫 구현은 보통 다음 순서로 진행됩니다. 참조 컨테이너 wia/satellite-internet-host:1.0.0을 띄우고, 적합성 시험 스위트를 돌린 뒤, 모의(mock) 백엔드를 엔드포인트 단위로 실제 백엔드로 교체합니다. 이어서 감사 로그 복제를 연결하고, 신뢰하는 피어 하나와 연합한 뒤 다수 피어로 확장합니다. 마지막으로 경고 봉투 구독을 갖춰 운영에 올립니다. 이 런북을 따르면 약 90일 안에 운영 단계에 이릅니다. 감사와 규정 준수 작업이 이 기간에 집중되므로 엄격한 절차에 비용을 들일 만합니다. 이후 다른 관할권으로 확장할 때는 같은 구성 요소에 관할권별 정책 오버레이만 얹으면 됩니다. 단말 쪽 도구로는 jq와 POSIX 셸만 필요한 cli/satellite-internet.sh의 샘플 봉투 생성기가 있습니다.
주파수 측면에서는 V-band가 고용량 후보로 이미 규격에 포함되어 있습니다. 상호운용 측면에서는 3GPP NTN 규격이 참조 목록에 올라 있어 지상 이동통신망과의 접점이 넓어질 것입니다. 1.x 계열 안에서는 기존 봉투, 엔드포인트, 프로토콜 교환이 계속 접근 가능해야 하고 문서화된 상태 코드와 콘텐츠 형식도 유지되어야 합니다. 새 선택 필드와 봉투를 추가하는 것은 허용되지만 기존 요소를 제거할 수는 없습니다. 호환성을 깨는 변경은 메이저 버전 상승과 12개월 폐기 유예(IETF RFC 8594, 9745 기준)를 거치고 위원회 3분의 2 찬성이 필요합니다.
Phase 3는 위성 인터넷에서 시간 척도가 다른 두 요구를 함께 다룹니다. 운영 층은 5초 이하 핸드오버와 분 단위 주파수 조정으로 빠르게 반응하고, 감사 층은 면허, 스펙트럼 조정, 파편 저감에 대해 엄격한 기록을 남깁니다. 요약하면 다음과 같습니다.
이 장의 프로토콜 교환은 WIA 계열의 다른 표준과 함께 구성됩니다. 자격 증명 저장은 WIA-OMNI-API, 런타임 신뢰 목록은 WIA-AIR-SHIELD, 연합 핸드셰이크는 WIA-SOCIAL Phase 3 §5, 워크로드 의도 선언은 WIA-INTENT, 개인정보 처리 시의 봉인 데이터 봉투는 WIA Secure Enclave가 맡습니다. 덕분에 한 호스트가 여러 WIA 표준을 운영해도 신원, 서명, 감사 체계를 하나만 두면 됩니다. 다음 장에서는 이 프로토콜 교환을 더 넓은 생태계와 연결하는 Phase 4를 다룹니다.