위성통신 전파 매개체의 영향과 강우감쇠 극복 방안

금일은 위성통신에 있어 전파 매개체의 영향과 강우감쇠 극복 방안에 대하여 살펴보겠습니다.

위성통신 전파 매개체의 영향과 강우감쇠 극복 방안

 

 

1. 시작하며

최근 앨론 머스크의 스타링크 저궤도 위성인터넷은 괄목할 만한 성장을 이끌어 내고 있습니다. 우리의 현대 사회에서 통신과 방송은 우리의 삶에 빼놓을 수 없는 요소이지만 저궤도를 포함한 이러한 위성 통신 시스템은 대기 중의 다양한 요소에 영향을 받을 수 있습니다. 특히, 전파 매개체인 대기는 우리의 통신 및 방송 신호에 큰 영향을 미치는데, 그 중에서도 강우감쇠는 10Ghz 이상의 주파수를 사용하는 Ku/k/ka-band 위성통신 이용에 최대 장애가 될 수 있습니다.

강우감쇠(Rain Attenuation)는 비가 오거나 습한 기후 조건에서 발생하는 현상으로, 통신 및 방송 신호의 감쇠를 야기합니다. 공기 중에 수증기가 증가하거나 비가 내리게 되면, 전파는 빗방울에 의해 흡수되고 산란되어 신호의 감쇠가 발생합니다. 이는 주로 10Ghz 이상의 고주파 대역에서 나타나며, 특히 위성 통신 및 방송에서 주요한 문제로 대두됩니다.

Space2.0 시대에 진입하였지만 위성 전파의 강우감쇠는 위성통신링크에 큰 영향을 미치고 있으며 여전히 극복해야할 과제로 남아 있습니다. 이번 포스팅은 전파 매개체와 강우감쇠가 위성통신에 미치는 영향과 극복방안에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

 

2. 대류층과 전리층

위성 통신에서의 전파의 전파손실은 주로 대기 중의 다양한 요소에 의해 발생합니다. 이러한 요소들은 대류층과 이온층, 그리고 강우에 따라 크게 영향을 받습니다.

대류층은 지표면으로부터 약 10~20km까지의 범위에 위치한 대기의 가장 하층부로, 대부분의 기상 현상이 발생하는 곳입니다. 대류 현상과 기상 현상에 의해 구름, 비, 안개 등이 발생하며, 이러한 현상들은 전파의 강우감쇠를 유발합니다. 특히, 대류층 내에서 구름과 비의 존재로 인해 전파가 흡수되고 산란되는 현상이 발생하여 전파 손실이 발생합니다.

그리고 전리층(이온층)은 지구 상층의 이온화된 층으로, 대기 분자나 원자가 복사 에너지에 의해 이온화되어 전파의 굴절, 반사, 산란과 같은 현상이 발생됩니다. 이러한 현상으로 전리층에서는 전파의 편파면이 회전하여 통신링크를 저하시킬 수 있습니다. 이는 주로 이온층 내의 이온과 전자에 의한 흡수 및 산란으로 인해 발생합니다.

 

 

3. 대기 감쇠에 의한 전파 손실과 강우감쇠

대기 감쇠는 대기 중 다양한 물질들에 의해 발생하는 현상으로, 특히 10 GHz 이상의 주파수에서 크게 나타납니다. 강우감쇠는 주로 대기 중의 물방울 등에 의한 흡수와 산란으로 인해 전파가 손실되며 특히, 강우강도에 따라 손실이 크게 변동하며 강우율과 주파수에 따라 달라집니다.

위성통신에 사용되는 주파수는 대역별로 동일한 강우감쇠를 받지는 않습니다. 1Ghz ~10Ghz 까지는 감쇠량이 크지 않지만 14Ghz 이후부터는 급격히 증가하여 18Ghz~23Ghz 대역에서 정점을 이루고 이후 40Ghz 부근에서 높아지다가 60Ghz에서 강우감쇠량은 가장 높게 됩니다.

그림 1. 강우감쇠 개념도, 출처:https://www.bcsatellite.net/blog/what-is-rain-fade/

 

강우감쇠는 강우량에 따른 강우강도에 따라 감쇠량을 ITU-R로 모델링 할 수가 있는데, 한반도 지역은 ITU-R 모델에 K지역으로 분류하며 년 시간율 0.01%에서 40~80mm/h 강우강도에 9~12dB의 강우감쇠를 받을 수 있습니다. 년 시간율 0.01%는 53분에 해당됩니다. 53분이 작다고 생각할 수도 있지만 실제 운용환경에서 10dB 이상의 감쇠는 10초 전후가 가장 빈번하고 30초 이내가 90% 가까이 됩니다. 1분 이상의 긴 시간동안 10dB 이상의 강우감쇠를 받는 경우는 태풍통과시에나 드물게 나타나게 됩니다.

이러한 강우감쇠는 위성 통신 시스템에서 중요한 고려 사항 중 하나로, 위성 통신 시스템 설계 및 운용 시에는 대류층과 전리층, 그리고 강우에 따른 전파 손실을 고려하여 안정적이고 신뢰성 있는 통신을 보장하기 위한 방안을 마련해야 합니다.

 

 

4. 한반도 아열대화와 우기철 호우의 영향

한반도의 기후 변화는 최근 몇 년간 전세계적인 기온상승으로 인한 이상 기후현상과 함께 지속적으로 바뀌고 있으며, 장마철 한반도에서는 아열대화 현상이 점차 뚜렷해지고 있습니다. 아열대화 란 기후 조건이 뜨거워지고 습도가 높아지며, 폭염과 강우량의 증가와 같은 현상을 포함합니다. 우리나라의 경우에는 최근 몇 년간 우기철 동안 잦은 폭우가 나타나고 있습니다.

이러한 우기철 동안의 잦은 폭우는 강우 감쇠를 증가시키는 요인으로 작용합니다. 비가 많이 내릴수록 대기 중의 수증기 및 강우 입자의 밀도가 증가하게 되어 전파의 흡수와 산란은 더욱 증가하게 됩니다. 특히, 강한 강우는 전파의 경로를 가로막고 흡수하는 경향이 있어, 위성통신 시스템의 설계와 운용에서 반드시 고려되어야 합니다.

시스템 운영자들에게는 신호의 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해서 아열대화와 잦은 폭우에 대한 대비책을 마련해야 며, 특히 강우감쇠에 대한 영향을 최소화하기 위한 기술개발이 필요합니다. 이를 통해 우리는 기후 변화에 대응하며 안정적이고 신뢰성 있는 통신을 지속할 수 있을 것입니다.

 

 

5. 위성통신 강우감쇠 극복 방안

위성 통신과 위성 방송이 기상 상태에 영향을 받지 않기 위해서는 몇 가지 방안이 필요합니다. 여기에는 전통적으로 UPC(Uplink Power Control)를 사용하는 방법과 다수의 주파수, 지구국, 위성 네트워크를 이용하는 Diversity 방법 그리고 적응형 변조 및 신호 처리 기술이 포함되어 있는 DVB-S2x 표준 등이 될 수 있습니다.

1) UPC(Uplink Power Control): 지구국에서 통신위성으로 송출하는 Power Level에 5~10dB Margin을 가지는 방법으로 강우감쇠를 받으면 UPC에서 설정해 놓은 여유 전력을 증가 시키는 방법입니다.

2) Frequency Diversity: 다양한 주파수 대역을 활용하여 통신 및 방송을 운용하며 고주파에서는 강우에 의한 감쇠가 심해지므로, 저주파 대역을 추가로 활용함으로써 기상에 민감한 주파수를 피할 수 있습니다. 그렇지만 강우감쇠가 작은 C band 주파수 대역은 이미 포화되어 있습니다.

3) Site Diversity: 지리상으로 100km 이상 떨어져 있는 두개 이상의 지구국을 설치하고 기상악화시 기상이 양호하거나 강우감쇠가 적은 지구국으로 송수신하게 되면 영향을 받지 않게 됩니다. 이는 기상통계학에서 기상예측에 사용되고 있는데, 통계적으로 100km 이상 떨어진 두 지역에 동시에 매우 높은 감쇠를 일으키는 강우셀은 극히 드문 확률로 발생하는 것을 위성통신에 응용한 것입니다.

4) Satellite Diversity: 다중 위성 네트워크를 활용하여 여러 위성을 이용하여 통신 신호를 전달하는 것이 효과적일 수 있습니다. 이렇게 함으로써 특정 지역에서 날씨가 좋지 않을 때도 다른 위성을 통해 신호를 전달할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있습니다. 스타링크, 원웹과 같은 저궤도 위성통신에서는 위상배열안테나를 이용하여 다수의 위성링크를 선택적으로 활용할 수 있습니다.

5) 적응형 변조 및 신호 처리 기술: 적응형 변조 및 신호 처리 기술을 활용하여 기상 상태에 따라 변조방식과 FEC를 조절하고 최적의 전송 파라메터를 선택할 수 있습니다. DVB-S2x 기술을 통해 기상 상태에 따른 신호 감쇠를 최소화하고 통신의 안정성을 유지할 수 있습니다.

위 방안들 외에도 다양한 방법들이 있지만 주로 이러한 기술적 방안을 통해 위성 통신과 방송이 기상 상태에 민감하지 않고 안정적으로 운영될 수 있습니다. 위성인프라 및 기술 성숙도에 따라 이용이 제한될 수 있지만 앞으로 한반도 기상이변에 대응하기 위해서 이러한 기술들의 개발과 접목은 더욱 효과적인 위성 통신 및 방송 시스템을 구축하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

 

 

 

6. 마치며

대기중의 감쇠는 위성통신과 방송신호에 영향을 미치고 이중 강우감쇠는 큰 장애요소로 작용하고 있습니다. 한반도 아열대화로 6월말부터 시작되는 장마철은 위성통신과 위성방송 분야에서 강우감쇠와 같은 문제를 야기할 수 있습니다. 비가 오면 위성 신호가 흐려지고 약해질 수 있어서, 통신의 신뢰성과 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 도전에 대처하기 위해서 우리는 기술적 혁신과 새로운 방법을 모색해야 합니다. 전통적인 UPC 및 Diversity 기술과 고도의 신호 처리 기술을 활용하여 강우감쇠를 극복하는 방법이 있습니다. 또한, 저궤도와 같은 다중 위성 네트워크를 구축하여 여러 위성을 통해 신호를 안정적으로 전달하는 방안도 고려될 수 있습니다. 그리고 위상배열 안테나와 고성능 tuner를 탑재한 단말을 개발할 수도 있습니다.

New Space 시대에 우리는 기술적 혁신을 통해 위성통신 시스템을 더욱 강화하고 발전시킬 수 있을 것입니다. 이를 통하여 우리의 미래를 준비하고, 6G 통신과 같은 더 나은 통신 환경을 구축하는 데에 큰 기여를 할 것입니다.

 

 

 

정보통신기술사 김덕수