위성 통신 (2005-07-18)

▶ 위성통신의 개요

    위성통신이란?
     지표 상공에 떠있는 위성을 이용,지구국과 지구국간에 통신을 행하는 통신방식으로 주로 SHF 
     주파수대를 사용하여 각종 통신서비스 및 방송서비스를 제공하는데 사용된다.

     이때, 통신위성의 기능은 육상 마이크로파 통신에서의 중계국의 기능과 비슷하여 어떤 지구국
     에서 발사된 신호를 받아, 증폭하여 다른 지구국에 재전송하는 기능을 수행한다.

     즉, 지상 마이크로파 통신의 경우 장거리 전송을 위해서는 전송 도중에 여러개의 중계기가 필요
     하게 되기 때문에, 이런 문제점을 해결하기 위해 지표 상공에 중계기(위성)를 띄워두고 통신을
     수행하는 것이 위성 통신인 것이다.

     하나의 위성을 통해 송신지구국과 수신지구국이 연결되는 경로를 위성링크(satelite link)라
     하고, 지구국에서 위성으로 향하는 신호를 up link신호, 위성에서 지구국으로 향하는 신호를
     down link 신호라 한다.

     이때, up link 신호가 가지는 주파수는 down link 신호가 가지는 주파수보다높은 것을 사용한다. 

     그 이유는 높은 주파수일수록 자유공간에서의 전파손실이 크며 이런 손실을 보상하기 위한 
     여러가지 보전 방법이 위성보다는 지구국에서 더 쉽기 때문이다.


                              

    현재 위성에서 가장 많이 사용되는 주파수대로는 4~8GHz(C밴드)와 12.5GHz~18GHz(Ku밴드)
    이며 그 이상의 주파수인 Ka밴드의 이용을 위한 연구가 진행되고 있다.
   (참고기사) 정통부, 초고속 위성통신기술개발 및 서비스 활성화 추진키로 (전자 2000/2/7)


                        

▶ 위성의 종류

    위성은 크게 수동위성과 능동위성으로 나눌 수 있고, 능동위성은 다시 정지궤도위성, 랜덤
   위성,위상위성으로 구분할 수 있다.

   [정지궤도 위성]

    정지궤도 위성(geo-stationary orbit satelite)이란 적도 궤도면을 갖는 궤도에 지구의 자전방
    향과 같은 방향으로 회전시키는 위성을 말한다.
 
    이 위성은 위성의 공전주기와 자전주기가 같으므로위성이 항상 제자리에 위치하는 것처럼
   보여 위성을 추적할 필요가 없으며 1일 24시간 연속통신이 가능하다.


                             

 


    정지궤도 위성은 지표 상공 약 36,000km 상공에 떠 있으며, 3개의 정지궤도 위성만으로 극지
    방을 제외한 전세계 통신망을 커버할 수 있어 국내 및 국제통신용 위성방식으로 널리 사용된다.
    (무궁화위성 1,2,3호는 바로 정지궤도 위성)

    이 위성은 통신회선의 에러율은 작으나 지상에서 거리가 멀기 때문에 전파지연시간(최소 238ms, 
    최대 278ms)과 전송 손실이 문제가 된다.


   [랜덤 위성]

    랜덤위성이란 지구 상공 수백km에 수시간의 주기를 갖고 돌고 있는 위성을 띄워 통신을 행하는 
    위성으로 지구국간에 위성이 마주 보이는 시간에만 통신할 수 있으며, 상시 통신망을 확보하기 
    위해서는 많은 위성을 사용해야 한다. 
    (이리듐, 글로벌 스타 등 저궤도 위성이 여기에 속함)

    이 위성은 정지궤도 위성이 커버하지 못하는 극지방에서의 통신도 가능하고 낮은 궤도에 띄워
    져 있어 전파지연 및 전송손실은 작으나, 여러개의 위성을 운용해야 하기 때문에 비용이 많이들게
    된다.


   [위상 위성]

    위상위성(polar orbit satelite)이란 극궤도 상공에 위성을 띄워 자원 탐사용이나 기상관측용으로 
    사용하는 위성으로 극지방에서의 통신도 가능하고 낮은 궤도에 띄워져 있어 전파지연 및 전송손실
    도작다.


▶ 위성 시스템

    위성 시스템은 크게 위성의 임무를 수행하는 페이로드 시스템(payload system)과 위성의 전력
    공급, 통신 및 자세제어 등을 위해 사용되는 버스 서브 시스템(bus sub system) 으로 구성된다.

   [페이로드 시스템]
    페이로드 시스템은 트랜스폰더(transponder)와 안테나계로 구성된다. 

    o 트랜스폰더

      - 역할 : 상향링크(up)신호를 받아 증폭 및 주파수 변환하여 하향(down)링크 신호로 만드
                    는 과정을 수행

       - 구성 : RF front end, 주파수변환기, 전력 증폭기
        ㆍRF front end에 들어있는 저잡음 증폭기로는 이득이 높고 잡음이 적은 증폭기를 사용
           해야 하며 파라매트릭 증폭기, 전계효과 트랜지스터 증폭기, 터널 다이오드 증폭기, 메이저
           증폭기 등이 사용됨
        ㆍ주파수 변환기는 수신된 상향링크 주파수를 하향링크 주파수로 변환시키는 장치
           → 수신 증폭된 상향링크 신호의 주파수를 트랜스폰더내의 국부발진기에서 발생시킨 신호
               의 주파수와 혼합
           → 하향링크 신호 주파수로 변환
           → 하향링크 주파수로 변환된 신호는 필터로 구성된 입력 멀티플렉서에서 여파된 후 
           → 구동 증폭기에서 전력 증폭기의 입력 크기에 적합한 출력으로 증폭
           → 이렇게 증폭된 하향신호는 TWTA(Travelling Wave Tube Amplifier)나 SSPA(Solid 
               State Power Amplifier)와 같은 전력 증폭기에서 하향링크 신호가 지구국에 도달할 수 
               있을 정도의 크기로 더욱 증폭시킴

 
   o 안테나계
      - 텔레케트리계 정보를 송수신할 수 있는 무지향성 안테나, 좁은지역을 커버하는 스폿빔
          (spot beam)을 형성하는 파라보라 안테나, 넓은 지역을 커버하는 빔을 형성하는 혼 안테나
          등으로 구성


   [버스 서브 시스템]
   버스 서브 시스템은 전력계, 텔리메트리 명령계 및 기타 부분으로 구성됨

    o 전력계
      - 전원 발생부와 전원공급부로 구성, 전원발생부는 1차 전원으로 태양 전지를 사용해 태양 
           에너지를 전기에너지로 변환시키고, 2차 전원으로는 축전지(Ni-Cd)를 사용해 위성의 일식
           (지구가 위성과 태양의 일직선상에 놓여 위성이 태양으로부터 빛을 받지 못하게 되는 상태)
           기간동안 위성에 전원을 공급함

   o 텔리메트리 명령계(TTC : Tracking Telemetry & Control)
      - 위성 관제소로부터의 명령 신호를 수신하거나 위성의 자세 및 위치 등에 관한 텔리메트리 
           데이터를 위성관제소에 송신하는 기능을 수행
       - 그외에 자세제어, 위치제어, 빔 중심제어, 정상기능점검, 운용장비와 예비용 장비와의 절체
         기능을 수행함

   o 자세제어계
      - 스핀안정 방식과 3축 제어방식을 이용하여 위성의 자세를 제어

   o 열제어계
      - 위성체를 구성하는 각 부품들의 동작온도가 허용온도 범위내에 있도록 조정하는 기능

   o 추진계
      - 추진장치와 원지점 모터(AKM)로 구성되는데, 추진장치는 발사전 위성의 자세제어에 사용
           되고 원지점 모터는 위성을 전이궤도(GTO)에서 표류궤도로 들어가게 할 때 사용

   o 구체계
      - 위성체의 각 장치 및 기기들을 지지하고 유지하는 기본 구조체를 말함



▶ 다원 접속 기술과 실제 운영방식
    위성 통신 시스템에서는 지구국은 여러개 이나 위성은 하나이기 때문에 하나의 위성을 여러 지
     구국이 공통으로 사용하기 위한다원 접속기술(MA : multiple access)이 필요하며 여기에는 
      FDMA, TDMA, CDMA 등의 방법이 있다.

   [FDMA]
    하나의 위성을 여러 지구국이 공용할 수 있도록, 위성의 사용 주파수 대역을 분할해 지구국이
     서로 다른 주파수 채널을 사용하므로써 여러 지구국이 하나의 위성을 공유하는 방식이다. 

    수신측에서는 BPF를 이용해 원하는 채널만 받아들일 수 있으며, 동기가 불필요하고 하드웨어가 
    간단해 초기 다원접속기술로 많이 사용되었으나 최근에는 거의 사용되지 않는다.

    FDMA는 동기가 필요하지 않고 채널할당이 간단할 뿐 아니라 지구국 장비가 간단하여 초기 투자
    비용도 저렴하나, 간섭에 약하고 상호변조왜곡이 생기며 보호대역에 의한 대역폭이 낭비된다.

    이 방식은 TDMA와는 달리 서로 다른 용량의 채널을 섞어서 사용할 수 없으며, 비선형 장치를 통
    과했을 때 반송파 전력이 작은쪽의 신호가 반송파 전력이 큰 신호보다 상대적으로 작아지는 
    weak carriersuppression 현상이 생긴다.

    FDMA는 실제 운영하는 방식에 따라서는 MCPC와 SCPC로 나눠진다. 
 
    MCPC(Multi Channel Per Carrier)란, 하나의 반송파에 다수개의 채널을 실어 전송하는 방식
    으로, 주파수 분할 다중화된 다수개의 채널을 하나의 반송파를 사용해 주파수 변조한 후 송신하며,
    FDM/FM/FDMA라고도 한다. 

    SCPC(Single Channel Per Carrier)란 하나의 반송파에 하나의 채널을 실어 전송하는 방식으로
    채널할당방식에 따라서는 각 지구국으로부터 채널할당 요청이 있을 경우에 할당해 주는 방식인 
    SPADE와 각 지구국에 미리 채널을 할당해주는 PA-SCPC(Pre Assigned-SCPC)로 나눌수 있다. 

    두 방식 모두 음성의 부호화 방식으로는 64kbps PCM을, 변조방식으로는 QPSK를 사용한다.


   [TDMA]

     TDMA란 하나의 위성을 여러 지구국이 공용할 수 있도록 위성의 사용시간대를 분할하여 지구국
    이 서로 다른 시간에 위성을 사용하게 하므로써, 여러 지구국이 위성을 공유하는 방식이다. 

    수신측에서는 망동기를 통해 원하는 채널만 받아들일 수 있으며 간섭, 상호변조잡음 등이 작고 성
    능이 우수해 위성의 다원접속 기술로 많이 사용되고 있다.

    TDMA는 전체 위성 시스템(위성과 지구국 등)의 망동기가 필요하고 하드웨어는 복잡하나 상호
    간섭이 작고 상호변조가 거의 일어나지 않으며 중계기(트랜스폰더)의 출력을 거의 포화상태로 동
    작시킬 수 있어 효율적이다.

    이 방식은 FDMA와는 달리 서로 다른 용량의 채널을 섞어서 사용할 수 있으며 weak carrier Sup
    -pression 현상도 생기지 않는다.

    TDMA는 실제 운영하는 방식에 따라서는 TDMA와 SS-TDMA로 나누어진다. 

    TDMA란 각 지구국에게 할당된 time slot동안 데이터를 burst 형태로 전송하는 방식으로, 이때 
    burst는 preamble, 메시지, postamble로 구성되며 burst사이에는 보호시간이 필요하다. 

    SS-TDMA(Satelite Switching TDMA)란 multi-spot beam을 이용하여 빔 커버리지 지역을
    스위칭 하는 방식으로 여러 지역에서 동일한 전파자원을 효율적으로 이용할 수 있다.



   [CDMA]

   CDMA란 하나의 위성을 여러 지구국이 공용할 수 있도록 각 지구국에 직교관계에 있는 코드(상
   호상관함수의 값이 "0"인 코드)를 할당, 여러 지구국이 위성을 공유하는 방식이다. 

   수신측에서는 송신측에서 사용했던 코드와 동기되고 동일한 역확산 코드를 곱해 원래의 신호
   를 복조할 수 있으며, 대역확산기술(spread spectrum)을 사용하기 때문에 혼신, 방해, 페이딩 
   등에 강한 통신을 수행할 수 있어 성능이 우수한 다자간 접속기술로 각광받고 있다.

   CDMA는 간섭, 혼신, 페이딩에 강하며 통신내용에 대한 비밀이 보장될 뿐 아니라 주파수 및 시간
   계획이 필요하지 않아 주파수 사용효율도 높다. 이 방식은 전력제어 및 에러 정정 부호를 사용하
   므로 전송품질도 좋고, 많은 가입자를 수용할 수 있으며 추가적 수용도 용이하나, 고도의 전력제
  어 기술이 요구된다.

   CDMA 를 실제 운영하는 방식에 따라 분류하면 DS와 FH방식으로 나눌 수 있다.

   DS(Direct Sequence)란 송신측에서 2진 데이터로 변조된 반송파를 PN부호 발생기로부터 나
   오는 확산 부호와 곱해대역확산시켜 전송하고 

   수신측에서는 송신측에서 사용했던 확산부호화 동기되고 동일한 역확산 부호를 대역확산 신호와
   곱해 대역확산을 제거시킨 후 복조하므로써 원래의 데이터를 찾아내는 대역확산방식이다.

   FH(Frequency Hopping)란 송신측에서 2진 데이터로 변조된 반송파(피변조파)를 PN코드 발
   생기의 결과에 따라 계속 변화하는 주파수합성기의 출력 주파수와 더하여 피변조파의 주파수를 
   다른 주파수 대역으로 도약시켜 전송하고,

   수신측에서는 송신측에서 사용했던 주파수 합성기의 출력 주파수와 동기되고 동일한 주파수를
   수신 신호에서 빼서 주파수 도약을 제거시킨 후 복조하므로써 원래의 데이터를 찾아내는 대역확산
   방식이다.



▶ 위성 통신의 장단점

   [장점]

   ① 넓은 범위의 지역에서의 통신
       정지궤도 위성의 경우 3개의 위성만으로 극지방을 제외한 전세계 통신망을 커버할 수 있어 넓
         은 범위에서의 통신이 가능할 뿐 아니라 지상에서의 재해 및 자연 장애물에 관계없이 통신회선
         을 구성할 수 있다.

    ② 고속 광대역 통신
       위성통신의 경우 SHF 주파수대를 반송파로 이용하므로 많은 데이터를 빠르게 전송할 수 있다.

   ③ 동보성
       위성통신은 위성 안테나의 빔 범위내에 있는 여러 지구국 및 지점에 동시에 정보를 전달할 수
         있다.

   ④ 적은 에러율과 통신품질 균일
       위성통신의 경우 지상 마이크로파 통신과 같은 지상통신보다, 신호의 대기중 통과거리가 훨씬
         짧으므로 에러가 적게 발생될 뿐 아니라 전송하려는 신호를 디지털로 변환하여 통신하므로써, 
         음성, 데이터, 영상 등의 데이터가 동등한 에러의 영향을 받아 통신품질이 균일하게 된다.

   ⑤ 통신 비용 감소
       지상 마이크로파 통신과 같은 지상통신의 경우에는 통신거리에 비례하여 통신비용이 증가하나,
         위성통신의 경우에는 통신거리가 통신비용에 거의 영향을 미치지 않게되어 통신비용이 절감됨

   ⑥ 그 밖의 장점
      위성통신은 통신망을 신속하게 건설할 수 있을 뿐 아니라 지구국의 트래픽 변동상황에 신속하고
        유연하게 대응할 수 있다.


   [단점]

   ① 전송 지연 발생
       정지궤도 위성의 경우 적도 상공 약 36,000km 상공에 떠있기 때문에 지구국에서 발사된 전파가
         위성을 거쳐 다시 지구국에 도달하는 데에는 최소 238ms에서 최대 278ms 정도의 전송지연이 
         발생하게 된다.

   ② 큰 전파손실
      위성통신의 경우 지구국에서 발사된 전파가 공간을 거쳐 위성에 도착할 때까지 공간에서의 감
       쇠가 클 뿐만 아니라 다시 위성에서 지구국까지 오는데도 이론적으로는 같은 감쇠를 받게 되어
       큰 전파손실을 나타낸다.

   ③ 위성일식의 영향
      지구가 위성과 태양사이에 일직선으로 놓이게 되는 위성일식 현상이 나타나면 태양전지가 빛을 
        받지 못하여 전원을 생산할 수 없게되고 이때는 통신 및 방송을 수행하기 곤란하게 된다.
        (2차 축전지에 충전되어 있는 전원을 이용하여 통신은 가능)

   ④ Point-to-Point 회선만 구성 가능
      장거리 통신을 수행하는 경우 지상통신은 장거리 구간 사이에 point-to-point 회선을 구성하고 
        나머지 인접구간은 선을 깔아 적은 비용으로 multipoint 회선 구성이 가능하나 위성통신의 경우
        에는 장거리 구간 사이에 point-to-point 회선구성만 가능하며 따라서 새로운 지구국 건설에 많
        은 비용이 소요된다.

   ⑤ 그 밖의 단점
      위성통신을 수행하기 위해서는 암호화 장비 및 대형 지구국 안테나가 필요하다. 위성체의 경우
        에는 수명이 짧고 위성체에서의 고장 발생시 수리하기 어려운 점이 있다.



▶ 위성통신의 이용분야

    위성통신은 고속 광대역 통신이 가능하고 적은 에러율을 가질뿐 아니라 통신품질이 균일하기 때
     문에 여러가지 분야에서 활발히 이용되고 있다.

   ① 장거리 전화통신, 텔렉스
   ② 데이터 통신, ISDN 서비스
   ③ 직접 위성방송 서비스(DBS : Direct Broadcasting Service)
   ④ HDTV방송서비스, 복합위성방송 서비스
   ⑤ GMPCS(이리듐, 글로벌스타, 오딧세이, ICO, 오브콤 등)
   ⑥ VSAT(Very Small Aperture Terminal : 개인이 가지고 다니는 초소형 지구국 시스템)