[U+Tech Story] 비지상망 네트워크(NTN)와 함께 초연결의 시대로!

안녕하세요, LG유플러스 CTO기술표준팀 안춘수 책임입니다. 여러분, 하늘을 나는 비행기에서 휴대폰으로 끊김 없는 인터넷을 이용하고 전화도 하는 상상, 누구나 한 번쯤 해본 적 있을 겁니다. 이렇게 지구상 어느 곳에서든 끊김 없는 통신 서비스를 누릴 수 있다면 얼마나 좋을까요? 오늘은 전 지구를 커버하는 글로벌 네트워크의 구축을 가능케 할 6G의 핵심 기술인, NTN(Non-terrestrial Network, 비지상망)에 대해 소개해 드리고자 합니다.

NTN에는 Space의 Starlink로 대표되는 저궤도 위성 통신 등의 기술이 포함되어 있으며, 이를 통해 어디서든 끊김 없는 네트워크를 구현할 수 있게 됩니다. 기존에 우리가 사용하고 있는 LTE/5G 등의 이동 통신망에 이러한 NTN이 더해지면, 우리의 삶에도 큰 영향을 미칠 수 있을 정도인데요. 이제 눈앞으로 다가온 NTN의 특징을 살펴봄으로써 근 미래에 우리가 사용하게 될 네트워크의 다음 모습을 한번 알아봅시다!

<6G 백서 : 비지상 네트워크의 가능성>

NTN 비지상망 네트워크는 무엇일까?

통신 기술을 발전시켜 나가는 데 있어서 일반적으로 이상적이라고 생각하는 네트워크의 특성이 있습니다. 그것은 바로 언제 어디서나 접속 가능하여 공간의 제약이 없는 네트워크입니다. LTE와 5G로 대표되는 현재의 통신 기술은 기지국에 접속하여 신호를 송수신하면 유선망으로 데이터가 전달되는 구조이기 때문에, 네트워크의 커버리지를 확장하기 위해서는 수 백 미터 단위로 기지국을 계속 설치해야만 합니다. 하지만 설사 지상에 기지국을 계속 추가하더라도 하늘에서 비행하는 드론 택시, 바다와 산간 오지에 구축되는 센서 네트워크 등의 근 미래에 실현될 것으로 예상되는 서비스들을 지원하기에는 역부족입니다.

그렇다면 마치 지구 전역에 내리쬐는 햇빛과 같이 어디서나 전파의 수신이 가능한 네트워크를 구현할 수는 없을까요? 현재 SpaceX의 Starlink를 필두로 하여 지구 저궤도에 수 천 개 이상의 통신 위성을 띄워 글로벌 통신망을 구축하려는 민간 업체들이 있습니다. 아래의 표에서 볼 수 있듯이 각 업체의 서비스 별로 인공위성의 지표면으로부터의 높이, 위성 궤도의 위치와 개수 등에는 다소 차이가 있지만, 거의 지구 전역을 커버할 수 있는 글로벌 통신망이 구축된다는 점은 모두 같습니다.

이러한 저궤도 위성 통신을 포함하여 지상 기지국이 아닌 위성이나 비행체에 기지국이나 중계기가 탑재되어 있는 네트워크를 NTN(Non-terrestrial Network) 즉 비지상망이라고 하는데요. 기존의 네트워크와는 사뭇 다른 특성을 갖고 있어 이에 대한 개념과 기술적인 특징을 간략히 설명해 보려 합니다.

저궤도 위성 통신 기반의 NTN이란?

NTN(Non-terrestrial Network, 비지상망)은 기존의 TN(Terrestrial Network, 지상망)과는 다르게 통신 위성으로 구성된 네트워크와 고고도에 떠 있는 무인 항공기를 이용한 고고도 플랫폼 무선국인 HAPS(High-Altitude Platform Station) 등을 포함하는 개념입니다. 여기에서 통신 위성은 위성이 위치한 궤도에 따라 저궤도인 LEO(Low Earth Orbit), 중궤도인 MEO(Medium Earth Orbit), 정지궤도인 GEO(Geostationary Orbit) 위성 등으로 구분할 수 있으며 이러한 위성 네트워크를 통해서 기존의 TN에서는 불가능했던 전 지구적인 통신 네트워크의 구축이 가능해집니다.

NTN에서 가장 핵심적인 기술인 저궤도 위성통신 기술은 최근에 급격한 발전을 이루고 있습니다. 대표적인 예로 SpaceX의 Starlink는 이미 저궤도에 군집 위성을 띄워 글로벌 인터넷 서비스를 제공하고 있는데요. LEO 위성(저궤도 위성)은 GEO 위성(정지궤도 위성) 보다 훨씬 가까운 거리에서 통신이 이루어지므로 고속의 데이터 전송이 가능한 반면에, 낮은 고도만큼 위성 당 커버하는 면적이 작아 훨씬 많은 수의 위성이 필요합니다. 하지만 SpaceX의 팰컨9 등 재사용 발사체의 기술 발전으로 과거보다 저렴한 비용으로 한 번에 다수의 통신 위성 발사가 가능해져 위성 통신의 상용화가 가속화되고 있습니다.

안정적으로 고속의 데이터 전송이 가능한 현재의 TN에 공간의 제약이 없는 NTN이 더해진다면 이는 이동 통신 네트워크의 진화 과정에서 큰 사건이 될 수 있습니다. 물론 NTN이 이제 걸음마를 시작하는 단계이므로 성능상 부족한 점이 있을 수 있지만, 현 단계에서의 NTN의 목적은 TN을 대체하기 위함이 아니기 때문에 동일 장소, 동일 서비스에서의 성능 비교는 큰 의미가 없습니다. 기존에 TN으로는 서비스 제공이 불가능했던 공간에 NTN 기반의 네트워크가 구축됨으로써, 이전과는 전혀 새로운 차원의 서비스 시나리오가 실현 가능 해졌다는 점에 그 의미가 있습니다.

잠시만 생각해 보아도 NTN으로 실현 가능한 서비스는 많습니다. 기지국의 구축이 어려운 산간, 오지, 바다 등에 센서 네트워크를 구축하여 실시간으로 광범위한 지역의 데이터를 수집함으로써 재난 방지와 기후 예측이 가능하며, 선박과 비행기로 이동 중에도 지역에 관계없이 끊김 없이 네트워크에 접속할 수 있습니다. UAV(Unmanned Aerial Vehicle), UAM(Urban Air Mobility) 등의 신규 서비스를 개발할 때 고도와 거리에 따른 통신 범위의 한계를 극복할 수 있으며, 지진과 화재 등으로 인하여 지상의 네트워크가 작동 불가능한 상황에서는 NTN을 백업 네트워크로 사용하여 재난 안전망으로 운용할 수도 있습니다.

이와 같이 기존에는 물리적으로 커버가 불가능했던 공간으로의 네트워크 확장은 곧 우리가 이전에는 경험하지 못했던 전혀 다른 차원의 서비스 실현 기회를 제공합니다. 그리고 궁극적으로는 언제 어디서나 접속 가능한 네트워크가 전 지구적인 범위로 구현됨으로써 누구나 네트워크에 연결될 수 있는 세상이 열릴 것입니다.

저궤도 위성 통신의 특징은?

고도에 따른 위성 통신의 장점과 단점은 명확합니다. GEO 위성(정지궤도 위성)의 경우 궤도의 높이가 35,786km로 매우 높아 신호의 세기가 약하고 신호의 지연 시간이 큰 단점이 있는 반면, 단 하나의 위성만으로도 태평양 거의 전체가 가시 영역에 들어올 정도로 넓은 커버리지를 가질 수 있어 비교적 저렴한 비용으로 광범위한 지역에 통신망을 구축할 수 있습니다.

LEO 위성(저궤도 위성)은 GEO 위성(정지궤도 위성) 대비 지표면과의 거리가 1/100 정도의 수준으로 신호의 세기가 강하여 고속의 데이터 전송이 가능하고 신호의 도달 시간이 짧은 장점이 있어요. 하지만 위성 당 커버할 수 있는 면적이 작기 때문에 매우 많은 수의 위성이 필요합니다.

LEO 통신 위성(저궤도 위성)으로 네트워크를 구성할 때 가장 크게 고려해야 할 요소가 있는데, 그것은 바로 위성의 위치가 끊임없이 이동한다는 점입니다. Starlink 위성의 경우 90분마다 지구를 한 바퀴 돌 정도로 그 속도가 매우 빠르기 때문에 안테나의 형상과 성능이 기존의 GEO 위성(정지궤도 위성)과는 달라져야 합니다.

일반적으로 통신 위성을 생각할 때 위의 그림과 같이 접시 형태의 안테나를 떠올리기 쉽습니다. 정지궤도 위성의 경우에는 지표면에서 바라보는 위성의 위치가 고정되어 있기 때문에 접시 안테나로 신호를 증폭함으로써 먼 거리에서도 신호의 감도를 높일 수가 있습니다. 하지만 실시간으로 위치가 변하는 LEO 위성(저궤도 위성)에 접시 안테나를 장착하는 경우, 안테나의 방향을 기계적으로 조절해야 하는데 밀리 세컨드(ms) 단위로 방향을 맞추는 것은 사실상 불가능합니다.

LEO 통신 위성(저궤도 위성)인 Starlink 위성의 안테나 형상을 보면 위와 같이 물리적인 접시 안테나로 신호를 증폭시키는 방식이 아니라, 수 천 개의 조그마한 안테나 소자로 이루어진 위상 배열 안테나(phased array antenna)를 주파수 대역 별로 구성하고 여기에 빔 형성(beamforming) 기술을 적용함으로써 원하는 방향으로 신호를 증폭하여 송수신 할 수 있습니다.

위상 배열 안테나를 사용하는 mmWave는 5G의 대표 기술로 여겨졌으나, 커버리지 제약에 의하여 상용화되기에는 어려운 기술이었습니다. 하지만 수평 방향으로 빔을 전송하여 장애물에 의한 영향을 크게 받는 5G의 mmWave와는 다르게, 통신이 수직 방향으로 이루어지는 저궤도 위성 통신에서는 위상 배열 안테나 기반의 빔 형성 기술의 효용성이 매우 크고 없어서는 안 될 핵심 기술입니다.

지금 우리가 사용하고 있는 TN이 밤길의 가로등이라면, NTN은 맑은 밤하늘의 보름달과 같습니다. 가로등은 가까이에서 보면 밝지만 우리가 원하는 모든 곳을 비춰줄 수는 없습니다. 반면에 보름달의 빛은 하늘 아래 모든 곳을 은은하게 비춰줍니다. NTN을 통해 지역의 제한이 없는 글로벌 네트워크가 구축되고 3차원 공간에서 네트워크 접속에 대한 제약이 사라지면, 사실상 통신이 필요한 모든 서비스 시나리오가 구현 가능해지게 됩니다.

앞으로 NTN 기반의 통신 시대가 도래하게 된다면, 도심항공교통이 지하와 지상, 도시 상공에서 이루어지는 다층의 운송, 교통 시스템을 완성시킴으로써, 보다 유기적이고 효율적인 물류와 대중교통을 가능케 할 것입니다. 또한, 남극 등의 오지에서도 끊김 없고 안정적인 네트워크의 연결성을 제공함으로써, 기업이나 국가 단위만이 아닌 민간의 활동 범위까지 극적으로 넓어지게 되겠죠? 그럼 미래에는 인류가 자연과 함께 상호 작용하며, 지속 가능하고 안정적인 생태계를 구축하는데 새로운 계기를 마련해 줄 수도 있을 것입니다.