정보통신개론 10 - 2 위성통신

용어체크

1. 저궤도 위성

LEO: Low Earth Orbit(저궤도 위성)
휴대전화의 국가간 장벽을 허물고 하나의 통화권으로 묶기 위한 목적이다.
음성 전화, 무선 호출, 데이터 통신 서비스를 제공한다.
고도(320Km – 1126Km)

2. 정지 궤도 위성

GEO: Geostationary Earth Orbit(정지 궤도 위성)
지구로부터 35800Km 상공에서 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치한다.
지구 면적의 43%를 커버할 수 있다.

3. 상향링크/하향링크

상향 링크(Up-link): 지구국에서 위성까지의 채널이다.
지구국에서 위성으로 큰 전력을 사용하여 송신이 가능하므로 전파의 감쇠가 큰 고 주파수대를 사용한다.
하향 링크(Down-link): 위성으로부터 지구국까지의 채널이다.
위성에서 지구국으로의 송신전력이 한계가 있으므로 감쇠가 적은 고 주파수 사용한다.

 

학습내용 위성통신의 개념 위성통신의 종류 위성통신의 활용분야 학습목표 위성통신이 무엇인지 설명할 수 있다. 위성통신의 종류를 나열할 수 있다 위성통신 활용분야를 열거할 수 있다.

 

 

 

1. 위성통신의 개념

 

 

1) 위성통신

대기권 밖으로 쏘아 올린 인공위성을 이용하여 통신을 중계하는 방법. 통신가능구역이 넓어지고 고주파수대의 전파를 이용하여 초고속 전송이 가능해진다. 본격적인 위성통신의 시작은 1964년 8월에 발사된 최초의 정지위성 신콤(Syncom)2호를 이용하여 1964년 도쿄올림픽 생중계가 이루어진 뒤부터이다. 위성통신은 단 하나의 통신 위성만으로 대륙간의 통신이 가능한 인공위성을 중계국으로 하여 지상의 기지국을 연결하는 통신방식이다. 전자기파를 이용해 데이터를 전송하는데, 대표적인 예는 위성 마이크로파이다. 위성마이크로파는 지상에서 약 35,860km 떨어진 상공에 위성을 띄워 놓고 지상의 여러 송수신국을 서로 연결한다. 지상 송신국에서 안테나 빔을 이용해 송신할 신호의 주파수 대역을 증폭(아날로그 전송)하거나 재생(디지털 전송)해 다른 주파수로 바꾸어 지상 수신국으로 송신한다. 

 

 

2) 위성 통신 구성

상향 링크 : 기지국에서 위성까지의 채널. 지구국에서 위성으로 큰 전력을 사용하여 송신이 가능하므로 전파의 감쇠가 큰 고주파수대를 사용한다.

하향 링크 : 위성에서 기지국까지의 채널. 위성에서 지구국으로 송신전력이 한계가 있으므로 감쇠가 적은 고주파수를 사용한다. 

통신 위성 : 전파를 받아 주파수를 변환하고 증폭하여 다시 지상으로 발사한다.

지구국 : 통신위성으로 전파를 발사하고 위성이 보낸 전파를 수신하여 지상의 최종 목적지인 상대방까지 보내는 역할을 한다.

 

 

3) 통신위성 = 정지위성

통신위성은 지상 약 35,860km 적도 상공에서 마치 고정된것처럼 관측되어 정지궤도 위성이라고도 한다.. 지구의 인력과 원심력의 균형 때문에 등속 타원운동을 하고, 자전주기가 지구의 자전주기와 일치하여 고정된 위치에 있는 것처럼 보인다. 통신위성은 이론상 지구를 중심으로 세 개를 설치하면 일부 극지방을 제외한 모든 지역에서 위성통신이 가능하다. 

 

 

4) 위성통신의 작동원리

초고주파(SHF) 마이크로파를 이용해 통신위성의 중계를 거쳐 데이터를 전송한다. 위성통신의 주파수 대역은 보통 1~10GHz사이에 있다. (10GHz 이상은 자연현상에 따라 감쇄가 발생하고, 1GHz 이하는 전자파의 간섭에 영향을 많이 받을 수가 있다) 지상국에 있는 주파수 변환장치를 이용해 지상국에서 통신위성으로 보낼때에는 6GHz로 상향 링크되고, 반대로 통신위성에서 지상국으로 보낼 때에는 4GHz로 하향링크된다. 위성통신은 전송로 하나에 데이터 신호 여러 개를 중복시켜 고속 신호 하나로 전송하는 다중화(Multiplexing) 방식을 사용하는데, 다중화 방식을 사용하면 전송로의 이용 효율을 높일 수 있기 때문이다. 다중화 방식으로는 FDMA, TDMA, CDMA등을 모두 사용하고 있다.

 

 

 

 

2. 위성통신의 종류

 

 

1) 정지궤도위성

GEO, Geostationary Earth Orbit. 지구로부터 35,800km 상공에서 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치하기 때문에 지구에서 보았을 때에는 한 곳에 고정된 것처럼 관측된다. 통신위성은 일반적으로 인공위성과는 달리 반드시 정지궤도에 위치해야 통신할 수 있다. 지구 면적의 43%를 커버한다. 이론적으로 적당한 위치에 3개의 위성만 띄운다면 극지방을 제외한 지구 전역에 통신중계를 할 수 있지만, 실제로는 통신위성의 중계 능력에 한계가 있기 때문에 3개의 통신 위성으로 지구 전역의 통신을 수행하는 것은 불가능하다. 

 

 

2) 비정지궤도 위성

지구를 중심으로 계속 회전하는 위성. 2,000km 이하의 궤도를 회전하는 것을 저궤도위성(LEO, Low Earth Orbit), 2,000km ~ 8,000km 사이의 궤도를 회전하는 것을 중궤도위성(MEO, Medium Earth Orbit), 타원궤도위성(HEO, High Earth Orbit)등으로 부른다. 

 

타원궤도위성 : 정지궤도위성으로는 위성과 지구의 수평면에 대한 고도각이 너무 작아서 북유럽과 극지방에서는 위성으로부터의 송수신의 영향을 받지 못한다. 낮은 고도각에서 보내진 위성신호는 언덕, 산과 같은 자연장애물과 빌딩과 같은 인공장애물에 의해 쉽게 손상된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 사용되는 것이 타원궤도위성이다.

근지점(Perigee) : 궤도의 형태가 타원으로 지구와 가장 가까운 궤도점

원지점(Apogee) : 지구와 가장 먼 궤도점

궤도는 타원형이며 적도면에 대해서 65도로 기울어져있다. 북반구로부터 가장 멀리 떨어질 경우 39,900km에 달하는데 이는 정지궤도위성의 높이인 35,800km보다 약간 더 높다. 남반구에서는 500km까지 접근한다. 주로 북유럽과 극지방, 인공장애물과 자연장애물에 대해서 통신가능하고 북반구에서는 12시간동안 체류하게 된다. 

 

저궤도위성 : 위성을 통해 휴대전화의 국가간 장벽을 허물고 전세계를 하나의 통화권으로 묶기 위한 목적으로 개발되었다. 전세계적으로 표준화된 규약을 바탕으로 이동전화서비스를 제공하는 시스템으로 구축하기 위해 사용하는 위성이다. 음성전화와 무선호출, 데이터통신 등을 제공한다. 저궤도위성의 고도는 대략 320km ~ 1,126km 상공에 위치하고 있다. 동일전송전력을 가정하면 정지궤도위성에 비해 감쇠가 적고 서비스 지역은 주파수 재사용을 위해 적절하게 지역화할 수 있다. 저궤도 위성기술은 감소가 적은 신호를 필요로하는 이동단말과 개인단말을 이용한 통신에 사용된다. 24시간동안 서비스를 제공하기 위해서는 많은 수의 위성이 필요하다. 연속해서 서비스하려면 수십 개에 달하는 위성이 필요하다. 커버하는 범위가 좁기 때문이다. 가장 대표적인 저궤도 위성의 이름은 이리듐이라고 한다. 이리듐은 한 개의 위성을 부르는 이름이 아니고 765km의 저궤도에 66개의 위성이 존재한다. 

 

 

3) 위성통신의 주파수 대역

위성통신은 3~30GHz의 초고주파(SHF, Super High Frequency)대역을 사용한다. 상향링크와 하향링크의 주파수 범위는 다르다. 큰 대역폭을 이용할 수 있으므로 대용량의 통신이 가능하며 고속통신, 여러 사람이 동시에 통화하는 것 등을 가능하게 한다. 비용이 거리에 무관하며, 위성 통신용 주파수는 통신용인데 위성방송용 주파수도 있다. 이는 영상전송을 위해 사용된다. 

 

<통신위성용 주파수>

L밴드 : 전파의 인덕티브(전자유도를 이용해서 충전 전력을 공급하는 방식)효과가 있다. 휴대 단말의 실용화가 가장 용이하다. 상,하향 1.5, 1.6GHz대

S밴드 : 전파의 인덕티브 효과가 적다. 휴대 단말의 실용화가 곤란하다. 상, 하향 2.5, 2.6GHz대

C밴드 : 강우 감쇠의영향이 경미하다. 대형 지구국 안테나가 필요하다. 기기제조가 용이하여 저가격대에 많이 사용된다. 상, 하향 4, 6GHz대

Ku밴드 : 강우 감쇠의 영향이 크다. 소형 안테나를 이용할 수 있다. 기기제조 비용이 약간 높다. 상, 하향 12, 14GHz대 

Ka밴드 : 강우 감쇠 영향이 크다. 소형 안테나를 이용할 수 있으며 기기제조 비용이 높다. 상, 하향 20, 30GHz대를 사용한다. 

 

 

4) 통신위성의 구성

통신위성 : 지상으로부터의 전파를 수신, 증폭해서 주파수를 변환한 후 다시 지구로 송신

채널 : 전파를 전달하는 상.하향 링크

지구국 : 지구에서 전파를 송수신

 

통신위성구조 : 태양전지판넬, 배터리, 전력공급부, 명령 및 텔리메트리계, 위치제어계, 분사기, 수신기, 주파수변환기, 송신기, 안테나계, 안테나로 구성되어있다.

 

* 전력공급기 : 태양전지패널, 배터리, 전력공급부. 필요한 전력은 대부분 태양전지에 의해 얻어진다.

* 중계기 : 신호를 수신한 후 하향 주파수로 변환하여 재전송한다. 수신기, 주파수 변환기, 송신기로 구성되어 있다. 중계기는 수신기를 통해 들어오는 전파를 주파수변환기를 통해 주파수를 변환한 후 송신기를 통해 안테나부로 전송한다. 중계기는 한 개 이상의 트랜스폰더(Transponder)로 구성되며, 트랜스폰더는 지구국으로부터 송신된 상향링크신호를 수신하여 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)에서 증폭한 다음 하향주파수로 변환하여 고주파증폭기(FR Amplifier)에서 고전력증폭 후 송신 안테나를 통해 송출한다. 예_ 무궁화위성 : 700명이 동시 통신이 가능한 통신용 중계기 12개

* 안테나 : 주파수가 높아질수록 더 작은 직경의 안테나를 사용할 수 있다. 높은 주파수를 사용할수록 이웃하는 위성간의 간섭을 줄일 수 있어 더 많은 수의 위성을 띄울 수 있다.

 

 

지구국

* 안테나계 : 위성으로부터 미약한 전파를 수신할 수 있어야 하며 고이득, 저잡음, 지향특수성이 우수하고 광대역 특성을 요구하나. 종류에는 파라볼라형, 카세그린형, 리플렉터형, 어레이형 안테나를 사용한다.

* 송수신계 : 저잡음증폭장치, 대전력증폭장치, 주파수변환기로 구성된다. 저잡음증폭장치는 미약한 신호를 증폭시키는 역할을 하며, 주파수변환기는 마이크로파와 중간주파수 사이에 주파수 변환을 실행한다. 

* 변복조계 : 위성으로부터 전송된 하향주파수변환기에서 고주파신호를 중간주파수신호로 바구어 베이스밴드 신호로 복조한다. 반대로 변조된 중간주파수신호는 상향주파수변환기에 의해 고주파신호로 바뀌어 고출력증폭기에서 증폭되어 안테나를 통해 위성으로 전송된다.

* 인터페이스계 : 위성통신계와 지상전송계를 연결해주는 Mux장비, TV단말장치등이 있으며 지구국의 전반적인 시스템 동작을 감시하고 제어하는 감시제어장치가 있다.

 

 

 

5) 세계의 위성통신 역사

 

 

 

 

 

3. 위성통신의 활용 분야

 

 

1) 위성통신의 활용 분야

전화, 전신, TV방송, GPS등에 사용된다. 국제전화나 TV중계에 이용되는 인텔셋이 대표적인 예이다. 인말샛(Inmarsat)은 비행기와 선박 등의 통신에 많이 사용된다. 국가단위 위성통신서비스를 제공하기 위한 목적으로도 사용. 기내에서 와이파이를 사용할 수 있는 항공사가 늘어나면서 태평양 상공에서도 와이파이를 사용할 수 있게 되었는데 이 역시 적도 상공의 정지궤도위성인 인말샛 덕분이다. 

 

해상에서 선박이 고장났을때, 화면을 통해 정보교환이 가능해지면서 단시간에 수리할 수 있게 되었다. 선박과 육상기지간 의사소통도 용이해져 운항계획도 쉽게 짤 수 있게 되었다. 위성통신은 군사용, 재난용, 원격교육용 및 의료용, 도서지역, 인프라취약지역 등에서 공공적인 목적으로 반드시 필요한 존재가 되었다. 

 

 

2) 위성통신의 발전방향

능동안테나(Active Antenna) : 능동 위상 배열 안테나(Active Phased Array Antenna)시스템의 약어로 세계 최초로 전자적 빔 제어 방식을 사용한 위성 안테나이다. 기존에 개발된 위성을 추적하는 안테나와는 달리 빔을 원하는 방향으로 자유롭게 제어해 고속으로 전파를 수신하는 시스템으로, 버스, 승용차, 기차, 선박 등 다양한 이동체에 탑재하여 이동중에도 실시간으로 깨끗하고 완벽하게 위성방송을 수신할 수 있다.

 

 

적응형 위성방송통신 전송기술 : 20Mbps급 초고속 위성인터넷 서비스를 제공하는 기술인데, 2세대 위성통신 모뎀 기술을 개발하는 것이 핵심이다. 이 기술이 완성되면 해상의 날씨 상태에 따라 전송 방식을 바꿔 선박 인터넷 통신이 가 능하게 된다.

 

초정밀 GPS 보정시스템 : 국토교통부는 위치 오차가 17~37m인 현 GPS를 1m급으로 보정해 맞춤형 내비게이션 정보를 제공하는 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 개발 사업을 시작했다.­ 초정밀 GPS 보정시스템은 위치 오차가 작아 국제민간항공기구(ICAO) 의 항공 분야 표준 시스템으로 지정되었으며,­ 우리나라가 개발에 성공하면 세계 번째 기술 보유국이 된다.

 

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우리나라 최초의 위성은 무엇이었는지, 어떻게 발사되었을지 생각해 보자.

우리나라 최초의 위성은 무궁화 1호로, 방송통신 복합용으로 개발 되었다. 1995년 8월 5일 미국 케이프카나벨라기지에서 발사 되었으며, 적도 상공 고도 36,000km의 정지궤도에서 동경 127.5도 북위 36도를 중심점으로 직접 위성 방송용 중계기 3개와 통신용 중계기 12개를 탑재하고 서비스를 제공하였지만 발사 과정 중 보조 로켓 하나가 늦게 분리되어 목표 궤도 진입에 실패하면서 수명이 4년 4개월 단축되면서 2005년 12월 10년 4개월간의 임무를 마치고 우주 공간 속으로 떠나 갔다. 우리나라 첫 우주 발사체는 나르호이다.

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Quiz 01저궤도 위성 지구로부터 35800Km 상공에서 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치한다.

• 1 O
• 2 X

정답 :2

해설 :저궤도 위성(LEO: Low Earth Orbit)은 고도 2000km이하의 궤도 회전을 하고 휴대전화의 국가간 장벽을 허물고 하나의 통화권으로 묶기 위한 목적으로 음성 전화, 무선 호출, 데이터 통신 서비스 제공한다. 정지궤도 위성이 지구로부터 35800Km 상공에서 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치한다.

 

 

 

Quiz 02다음 중 위성 통신 시스템의 장점이 아닌 것은?

• 1 통신 비용 및 품질이 균일하다.
• 2 광대역 고속통신이 가능하다.
• 3 초기투자비가 적다.
• 4 극지방도 서비스 지역에 포함된다.

정답 :3

해설 :위성통신의 단점으로 지연시간과 태양에 의한 잡음현상, 초기투자비용이 높고, 유지보수가 까다롭다는 것이 있다.

 

 

 

Quiz 03위성 통신의 다중 접속 방법으로 옳지 않은 것은?

• 1 WDMA
• 2 CDMA
• 3 FDMA
• 4 TDMA

정답 :1

해설 :위성 통신에서 사용하는 다중화 방식으로는 FDMA, TDMA, CDMA 등이 있다.

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위성통신의 개념

• 인공위성을 중계국으로 하여 지상의 기지국을 연결하는 통신 방식
• 대표적인 예는 위성 마이크로파
• 통신위성은 지상 약 35,860km 적도 상공에서 마치 고정된 것처럼 관측되어 정지궤도 위성이라고도 함
• 통신위성은 이론상 지구를 중심으로 세 개를 설치하면 일부 극지방을 제외한 모든 지역에서 위성통신이 가능함

 

위성통신의 종류

정지 궤도 위성(GEO: Geostationary Earth Orbit)

• 지구로부터 35800Km 상공에서 지구를 1회전하는데 24시간이 소요되어 지구의 자전주기와 일치, 지구 면적의 43%를 커버할 수 있음

타원 궤도 위성(HEO: High Earth Orbit)

• 북유럽과 극지방, 인공 장애물과, 자연 장애물에 대해 통신 가능
• 적도면에 대해서 65도로 기울어져 있다.
• 근지점(Perigee): 지구와 가장 가까운 궤도점
• 원지점(Apogee): 지구와 가장 먼 궤도점

저궤도 위성(LEO: Low Earth Orbit)

• 휴대전화의 국가간 장벽을 허물고 하나의 통화권으로 묶기 위한 목적
• 음성 전화, 무선 호출, 데이터 통신 서비스 제공
• 고도: 320Km – 1126Km

 

위성통신의 활용분야

• 전화, 전신 TV 방송, 지구위치 측정시스템(GPS) 등에 많이 사용
• 국제전화나 TV 중계에 이용, 비행기, 선박 등의 통신에 많이 사용
• 국가 단위의 위성통신 서비스를 제공하기 위한 목적으로도 사용