우주는 언제나 통신 기술의 최종 개척지였습니다. SpaceX와 같은 민간 업체의 의욕적인 노력을 포함하여 궤도 상에서의 제반 활동이 증가하고 있는 상황에서 5G 인프라의 외계 배치에 대한 압박이 증가하고 있지만, 그렇게 하기 위해서는 우주에서도 작동할 수 있는 견고하고 강력한 기술이 필요할 것입니다.
위성은 5G 기술의 명백한 잠재 대상으로 상호 접목될 경우 기존의 4G 통신망에 비해 대기 시간이 훨씬 더 단축되어 지상의 소비자에게 혜택이 돌아갑니다. 최근까지 위성 통신은 광대역 이동 통신 네트워크 생태계와 독립적으로 운영되어 왔습니다. 그러나 5G 아키텍처의 통합에 따라 최신 대형 위성의 경우 광범위한 연결성을 통해 자율 주행, 해양 선박, 항공기, 수십억 개에 달하는 사물 인터넷 장치(특히 오지 및 농촌 지역)를 뒷받침하는 네트워크에서 핵심적인 접점이 되고 있습니다.
민간 업체에 의해 궤도 상에 올려지고 있는 다수의 위성에 비해 수는 더 적지만 최근 몇 년간 궤도로 향하는 우주 발사체의 수 또한 증가해 왔습니다. 국제우주정거장(ISS)에 보급품을 실어 나르고 개인 여행 서비스를 제공하는 수준은 이미 지나가고 있습니다. 심지어 우주 호텔 이야기까지 나오고 있습니다. 그렇게 될 경우 호텔 투숙객은 자신의 무중력 객실에서 믿을 수 있는 Wi-Fi 서비스를 원할 것이 분명합니다.
첨단 기술도 결국 모두 평균적인 소비자에게 서서히 보급될 것이기에 우주용으로 개발된 5G 혁신 기술 또한 지상으로 내려오게 될 것입니다. 어떤 경우든 5G 네트워크 구성 부품이 엄혹한 외계 환경의 현실에서 장기간 직접적인 유지보수 없이 견딜 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항이 설계에 대한 압박으로 작용하여 보다 발전된 반도체 기능의 개발을 촉진할 것입니다.
외계 5G 네트워킹은 지상의 소비자 입장에서 많은 편익을 제공합니다
차세대 위성은 데이터 집약적인 응용 분야를 위한 광역폭을 제공함으로써 전 세계에 걸쳐 5G 인프라를 뒷받침하는 데 있어 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 한편 모바일 네트워킹 서비스 업체들 또한, 예를 들어 우주에서 송신되는 5G 신호를 수신하여 무선 서비스 고객에게 전달함으로써 보다 나은 사용자 경험을 제공할 수 있도록, 지상의 장비를 미래의 인프라에 맞게 업그레이드하고 있습니다.
고객층도 다양할 것입니다. 모바일 게임 이용자이거나 셀룰러 네트워크를 통해 4K 동영상을 스트리밍하는 스마트폰 사용자일 수도 있지만, 5G 위성은 가전 기기 및 보안 시스템을 포함한 스마트 홈 IoT 장치를 지원할 수도 있습니다. 외계 5G가 제공하는 편익은 다양합니다. 기업은 예를 들어 선적 컨테이너를 추적하고, 의사는 원격 수술을 실시하고, 전력 및 에너지 업체는 발전기, 가스 라인 및 원유 파이프라인의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있을 것입니다. 전 세계에 걸쳐 산재한 자율 주행 차량 및 IoT 장치도 위성 통신 기반 5G 아키텍처로부터 큰 편익을 보게 됩니다.
나아가 5G 장비가 지상에 배치됨에 따라 Omnispace 및 Lockheed Martin과 같은 업체는 우주 기반 5G 네트워크를 활용하여 지상 인프라를 보완하는 방법을 모색하고 있습니다. 또한 NASA 및 Northrup Grumman은 Grumman의 Cygnus 우주선에서 2주 간 시험을 거친 통합 통신 장치를 포함하여 우주에서의 5G 개념 증명을 위해 협업하고 있습니다.
5G 네트워킹 구성 요소를 통합할 때 지상 장치에 대한 세부적인 설계 고려 사항이 있듯이 우주 기반 장치에 대해서도 마찬가지로 세부적인 변수를 고려해야 합니다. 향후 수 년간 이러한 고려 사항이 수십 억에 달하는 모바일 장치에 추가되고, 그에 따라 광역폭에 대한 수요가 급증할 것입니다.
5G 신호는 우주에서 견딜 수 있는 견고한 인프라가 필요합니다
우주에서의(위성이든 우주선이든) 5G 아키텍처 구축에는 몇 가지 핵심적인 설계 고려 사항이 수반됩니다.
5G 신호를 공유하는 여러 장치의 높은 밀집도가 한정된 자원인 스펙트럼 광역폭에 상당한 압박을 가할 것입니다. 이는 위성, 항공기 및 기타 항공 기술의 효과적인 작동에 부정적인 영향을 미치는 무선 주파수 간섭으로 이어질 수 있습니다. 다양한 위성이 우주로 발사됨에 따라 기상 위상 사업자와 같은 기존 운영자 입장에서 새 5G 신호가 그들의 주파수를 침해할 것이라는 우려가 존재합니다. 대부분의 상용 4G 네트워크가 가용한 모든 주파수 분할 이중화(FDD) 대역을 사용해 왔기 때문에, 5G 네트워크는 대체로 고유한 요건이 수반되며 네트워크 대기 시간 및 성능에 영향을 줄 수 있는 다양한 종류의 간섭에 취약한 시간 분할 이중화(TDD) 대역을 사용하게 될 것입니다.
TDD 아키텍처는 단일 주파수 대역을 사용하여 신호를 송신하고 수신하는데, 이는 FDD에 비해 상대적으로 뛰어난 이점을 제공합니다. 하지만 5G가 지상 기지국에 배치되어 있기 때문에 설계자는 이미 링크 교차 간섭 문제를 해결해야 하는 상황에 처해 있습니다. 이 간섭은 두 기지국이 동일한 주파수 대역으로 동시에 하나는 송신하고 다른 하나는 수신하는 경우에 발생합니다. 이러한 간섭은 모든 기지국이 동시에 송신만 하거나 수신만 하도록 조치함으로써 피할 수 있습니다.
외부 기지국의 높은 출력 또한 인자 중 하나입니다. 높은 출력은 기지국 간의 전파 조건을 향상시키기 때문에, 상향 링크 상태에 있는 기지국이 다른 기지국의 하향 링크에 의해 간섭을 받을 경우 링크 간 간섭이 상당할 수 있습니다. 우주라 할지라도 5G 기지국을 추가할 경우 링크 교차 간섭 관리가 더욱 복잡해질 것입니다.
항공우주 산업에서 "우주"에 대한 집중도가 높아짐에 따라 5G 솔루션이 궤도 상에서 직면하게 될 극한 조건을 해결할 필요가 대두될 것입니다. 기지국 장비의 경우 지나치게 튼튼할 필요가 없으나 우주 자체의 환경은 까다롭습니다(예: 극한적인 열과 냉기, 극심한 진동, 높은 압력 등). 게다가, 장비의 일부가 지구 위에서 작동 중인지 수송 중인지에 따라 이러한 제반 조건이 변합니다. 상용 항공기 및 기타 군사 장비 부문이 이 분야에서의 혁신을 어느 정도 주도해 왔지만, 우주 기반 5G 아키텍처 구축은 관련 기술의 추가적인 발전에 대한 필요성을 더욱 촉진할 것입니다.
5G 시스템 자체는 우주에서도 크게 다르지 않지만 하우징 및 연결은 달라야 합니다. 예를 들어, 우주로 발사될 때 대기 중에서 연소되지 않도록 일정한 열에 견딜 수 있어야 합니다. 이는 5G 아키텍처가 작동에 지장을 주지 않고 보호하는 열 차폐 기능을 필요로 한다는 의미입니다. 시스템이 녹거나 융합되지 않도록 하기 위해서는 효과적이면서도 간소한 냉각 시스템과 대기에서 벗어나거나 대기 중으로 진입할 때 또는 장기간 궤도 상에서 작동하는 상황을 예견한 열관리가 요구됩니다.
우주용 설계 시의 고려 사항
어떤 전자 시스템이든 외계 용도로 구축하고자 할 때는 5G 네트워크 구성 부품을 포함하여 시스템을 연결하는 모든 커넥터 및 케이블을 고려해야 합니다. 전자 부품의 종류를 불문하고 우주 적합화(경화)를 위해서는 5G 네트워크 구성 부품을 포함하여 커넥터 및 케이블 하우징과 접점용 금속이 매우 중요합니다. 궤도 상에 안착하면 높은 전류 및 리플 강도와 극저온을 견디면서 속도, 대기 시간 및 성능에 대한 요건을 구현할 수 있어야 합니다. 우주용 커넥터 및 하우징은 군사용보다 사양이 더 엄격해야 할 것입니다.
따라서 이러한 제반 5G 네트워킹 구성품의 건전도를 모니터링하는 일이 지상에서보다 더욱 중요할 것입니다. 통합 전자 설계는 이미 조종사가 임의의 고장을 파악하고 보정할 수 있도록 하는 첨단 항공기 건전도 모니터링 시스템을 지향하는 방향으로 나아가고 있습니다. 우주에서 그와 같은 기술을 구현하는 일은 마찬가지로 중요하면서도 상당수의 센서가 함께 작동해야 하기 때문에 더욱 복잡합니다. 아울러 우주에서 기능할 수 있게 하려면 일정한 원가 상승이 불가피합니다. 5G 시스템의 추가적인 이중화도 또 다른 해결 과제 중 하나인데, 궤도 상에서는 문제를 진단할 수 있어도 수리하기가 어렵기 때문입니다.
결론
지상에서나 우주에서나 5G 네트워킹은 여전히 초기 단계에 있습니다. 6G에 대한 합의에 도달하기까지 긴 여정이 남은 것처럼 보이는 상황임에도 중국은 지구 관측과 고주파수(테라헤르츠) 통신 페이로드의 시험 임무가 부여되었으며 5G에 비해 몇 배나 더 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있는 최초의 6G 위성을 우주로 발사했다고 발표한 바 있습니다.
필요는 발명의 어머니라는 말과 같이 우주 분야는 언제나 기술 발전의 첨병 역할을 해왔습니다. 지구 궤도 상에서의 5G에 대한 필요가 존재합니다. 이는 5G 네트워킹이 우주에서 기능을 수행하고 견디도록 하기 위해 필요한 것이 무엇인지 반드시 알아내야 한다는 의미입니다. 최종 개척지에서의 혁신은 궁극적으로 지구로 환원되어 지상 5G 인프라를 보완하고 강화하게 될 것입니다.
