[프론티어] 5G와 위성 이동통신 시스템의 통합 분석

소개

모바일 인터넷의 급속한 발전과 스마트 단말 장치의 보급 및 적용이 확대됨에 따라 사람들은 모바일 통신 속도에 대한 더욱 높은 요구를 하고 있습니다. 5세대 이동통신 시스템(5G)은 더욱 다양해진 비즈니스 요구를 충족하기 위해 최고 전송 속도 10Gbps~20Gbps, 체감 속도 100Mbps~1Gbps를 제공하는 것을 목표로 합니다. 5G는 대용량 무선 통신 서비스 용량, 다양한 서비스, 고속 통신이라는 장점을 바탕으로 인구 밀집 지역에서 널리 활용될 수 있습니다. 그러나 인구 밀도가 낮은 지역이나 지상 네트워크 구축이 어려운 지역에서는 5G의 장점을 제대로 활용하기 어렵습니다. 지상 이동통신 네트워크와 비교했을 때, 위성 통신 시스템은 넓은 커버리지, 대용량 통신, 지형 영향 최소화, 높은 유연성, 다양한 서비스 적응성 등 비교할 수 없는 장점을 가지고 있습니다. 따라서 위성을 활용하면 인구 밀도가 낮은 지역이나 지상 네트워크 구축이 어려운 지역을 커버하여 지상 네트워크를 효과적으로 보완하고, 진정한 글로벌 커버리지를 실현하며 전 세계 사용자에게 차별화되지 않은 통신 서비스를 제공할 수 있습니다.

사실, 사람들이 위성 통신을 활용하기 시작한 것은 지상 셀룰러 무선 통신망이 구축되기 이전입니다. 세계 최초의 상업용 통신 위성 시스템은 1965년 국제위성통신기구(INTERSAT)가 발사하고 운영한 얼리 버드(Early Bird)였습니다.위성 시스템은 물론이고, 세계 최초의 셀룰러 무선 통신 시스템은 1980년대에 구축되기 시작했습니다.최근 수십 년 동안 국제적으로 운영되고 있는 위성 통신 시스템에는 정지궤도의 인마르샛, 투라야, 비아샛 등뿐만 아니라 저궤도의 이리듐, 글로벌스타, 오브컴 등이 포함됩니다.특히 2015년 이후 원웹(OneWeb)과 스타링크(Starlink)와 같은 저궤도 인터넷 통신 위성군 구축이 국제적으로 급증하면서 국제적인 관심의 중심이 되었습니다.The integration and construction of satellite communication systems and terrestrial wireless communication systems has once again become a development direction that has been in-depth demonstrated internationally.

01위성과 5G 통합 연구 현황

21세기 초, 통신 사업자들은 위성-지상 하이브리드 통신망 구축 허가를 획득하여 위성 통신을 주류 시장으로 진입시켰습니다. 위성 통신망 확장을 위해 사업자들은 지상 보조 장치(ATC) 또는 지상 보완 장치(CGC)를 추가했습니다. ATC는 위성 이동 통신에 사용되는 지상 보조 기지국을 의미합니다. 위성과 다수의 ATC 기지국을 결합하여 넓은 지역에 끊김 없는 통신망을 구축함으로써 위성 통신 한계를 극복할 수 있습니다.고층 건물이 많은 도시나 실내에서는 신호 수신 상태가 좋지 않은 문제가 있지만, 이 문제는 다른 요인들과도 관련이 있습니다.위성 및 관제 기지국의 주파수 재사용, 우주 및 지상 시스템의 전환 및 통합 제어와 같은 복잡한 문제들.

5G 기술이 점차 성숙해짐에 따라 5G와 위성 통합은 국내외에서 큰 관심을 불러일으키고 있습니다. 국제전기통신연합(ITU)과 3GPP(3GPP)와 같은 표준화 기구들은 위성 통합 5G 시스템 관련 기술 실증 작업에 많은 노력을 기울여 왔습니다.

1) 국제전기통신연합(ITU)은 2016년 "차세대 이동통신망은 사용자가 언제 어디서든 서비스에 접속할 수 있도록 해야 한다"고 제안하고, 위성 접속 기술 분야에서 ITU-RM(차세대 이동통신망 연구)을 수행했습니다. [NGAT_SAT] 표준 연구에서는 아래 그림과 같이 중계 광대역 전송 서비스, 데이터 백홀 및 배포 서비스, 광대역 이동통신 서비스, 하이브리드 멀티미디어 서비스 등 위성-지상 통합을 위한 네 가지 대표적인 응용 시나리오를 제시하고, 이러한 응용 프로그램을 지원하는 핵심 기능을 명확히 했습니다. 또한, ITU는 위성과 5G의 주파수 이용에 관한 연구도 적극적으로 추진하고 있으며, 위성과 5G 간의 주파수 공유 및 전자기 호환성 분석을 여러 차례 수행했습니다.

그림 1. ITU에서 제시한 위성-지상 통합 시스템의 4가지 적용 시나리오

2) 3GPP(Third Generation Partnership Project)는 2017년 릴리스 14 표준을 발표한 이후 지상 이동 통신 시스템에 위성 통신을 활용하는 이점을 입증하기 시작했습니다. 2017년 말에 발표된 기술 보고서 ​​TR22.822에서 3GPP 워킹 그룹 SA1은 5G에서 위성 접속을 사용하는 세 가지 주요 방법, 즉 연속 서비스, 유비쿼터스 서비스 및 확장 서비스를 정의했습니다.사용 사례를 제시하고 신규 및 기존 서비스에 대한 요구 사항을 논의합니다. 현재 3GPP는 주로 "비지상 네트워크(NTN)"라는 연구 프로젝트를 통해 5G 위성 통신의 구축 시나리오 및 무선 인터페이스 설계에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

3) 2017년 6월, 유럽은 BT, SES, Avanti, 서리 대학교 및 기타 유럽 기업과 연구 기관을 회원으로 하는 SaT5G(5G 위성 및 지상 네트워크) 연합을 설립했습니다. 이 연합은 비용 효율적이고 간편한 5G 위성 솔루션을 제공하고 위성 산업 사슬에 지속적인 성장 기회를 제공하는 것을 목표로 합니다. 2018년 유럽 네트워크 및 통신 컨퍼런스는 슬로베니아 류블랴나에서 개최되었으며, 이 컨퍼런스에서 VT iDi-rect와 SES를 포함한 5개의 SaT5G 회원사가 위성과 3GPP 네트워크 아키텍처 통합을 시연했습니다.

그림 2. Sat5G에서 제시하는 위성 5G 애플리케이션 시나리오

4) 5G 시스템에서 제시하는 1000배 용량 증가 목표에 대응하기 위해 유럽 연합 H2020의 지원을 받아 시작된 SANSA(Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas) 프로그램은 미래의 대용량 무선 통신 시스템을 위한 우수한 백홀 링크 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다. SANSA 프로젝트는 저전력 스마트 안테나 빔포밍 기술, 위성-지상 통합 무선 네트워크를 위한 동적 지능형 무선 자원 관리 기술, 데이터베이스 기반 동적 스펙트럼 공유 기술 등을 제안하고 심도 있는 연구를 수행했습니다.

02  위성 5G 통합을 위한 핵심 기술

위성 통신과 지상 무선 통신은 전파 거리, 커버리지, 전력 용량 측면에서 차이가 있기 때문에 두 통신 방식의 심층적인 통합에는 필연적으로 몇 가지 어려움이 있습니다. 본 논문에서는 위성 5G 통합을 위한 핵심 기술을 시스템 아키텍처, 빔 커버리지, 무선 인터페이스 파형, 스펙트럼 공유, 네트워크 제어의 다섯 가지 측면에서 분석합니다.

2.1 시스템 아키텍처

위성 5G 통합 아키텍처에서는 고궤도 및 저궤도 위성을 혼합한 위성군을 고려합니다. 동시에, 중저속 및 광대역 전송 서비스 요구 사항을 고려하여 저주파 대역(L 및 S 대역 등)과 고주파 대역(Ku 및 Ka 대역 등)을 포함하는 통신 주파수 대역 설계를 시행합니다. 위성의 직하점 이동에 따라 위성 서비스 영역도 이동하며, 최종 사용자는 서로 다른 셀 간에 전환할 수 있습니다.

저궤도 위성군의 위성 간 링크는 레이저 또는 마이크로파 링크로 구성되며, 여러 위성이 상호 연결되어 위성을 스위칭 노드로 하는 우주 통신망을 형성합니다. 위성군은 일반적으로 극궤도 위성군으로 설계됩니다. 이는 인접한 궤도면에 있는 위성들이 (극지방이나 역궤도 경계를 제외하고) 상대적으로 안정적인 상대적 위치 관계를 유지하기 때문에 위성 간 링크를 안정적으로 유지하고 고위도 지역을 효과적으로 커버할 수 있기 때문입니다. 또한, 위성 ​​피더 링크 사업은 게이트웨이 스테이션에서 수행되어 위성 네트워크와 지상 PSTN, PLMN, 인터넷 간의 상호 연결 및 상호 운용성을 구현합니다. 이러한 모든 작업은 Ka 또는 Q/V 주파수 대역에서 이루어집니다.

현재 위성-지상 통합 네트워크에는 크게 세 가지 아키텍처가 있습니다. 첫 번째는 위성-지상 보완 네트워크입니다. 이 아키텍처에서는 5G 시스템과 위성 시스템이 네트워크 관리 센터를 공유하지만, 각각의 액세스 네트워크와 코어 네트워크는 독립적으로 유지됩니다. 액세스 네트워크와 일부 코어 네트워크 기능은 위성 게이트웨이 스테이션에서 제공되며, 단말기는 셀룰러 또는 위성 액세스 모드 중 하나 또는 둘 다를 지원합니다. 두 번째는 위성-지상 하이브리드 네트워크입니다. 이 아키텍처에서는 지상 시스템과 위성 시스템이 네트워크 관리 센터를 공유하고, 각 코어 네트워크와 주파수 대역의 독립성을 유지하기 위해 무선 인터페이스 부분도 최대한 통합됩니다. 단말기는 지상 및 위성 액세스 모드를 모두 지원할 수 있습니다. 세 번째는 위성-지상 통합 네트워크입니다. 주요 특징은 전체 시스템의 액세스 포인트(AP), 주파수, 액세스 네트워크 및 코어 네트워크가 완전히 통합되어 설계 및 구축된다는 점입니다. 위성-지상 통합 네트워크는 위성-지상 통합 통신 시스템의 최상위 단계이며, 막대한 기술적 난제에 직면해 있다는 점을 유념해야 합니다.

2.2 빔 커버리지

위성-지상 통합 이동 통신 시스템은 빔 영역과 무선 자원을 조정하여 핫스팟 지역에서 사전 설정된 용량을 초과하는 음성 및 데이터 서비스를 제공할 수 있습니다. 이러한 유연한 기능은 디지털 빔포밍(DBF) 기술을 통해 구현됩니다. 현재 위성 통신용 디지털 빔포밍 기술은 크게 지상 DBF, 위성 ​​탑재 DBF, 하이브리드 DBF의 세 가지 형태로 나뉩니다. 그중 하이브리드 디지털 빔포밍은 성능과 복잡성 측면에서 우수한 균형을 제공하여 광범위하게 연구되고 있습니다. 하이브리드 DBF를 사용할 경우, 지상 네트워크 제어 센터는 빔 조정 요구 사항과 해당 전략에 기반하여 최적화된 빔포밍 행렬을 계산한 후, 해당 행렬의 매개변수를 피드 링크를 통해 위성으로 전송합니다. 위성은 위성에 탑재된 다중 빔 안테나를 재구성하여 지상으로의 빔 커버리지를 동적으로 조정합니다.

위성 또는 단말기 이동으로 인한 핸드오버는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 하나는 위성 시스템 내에서의 핸드오버입니다. 저궤도 위성의 경우 지상에 대한 상대적 위치가 빠르게 변하기 때문에 단말기가 동일한 위성의 커버리지를 지속적으로 받는 시간은 약 10분 정도에 불과합니다. 따라서 핸드오버 과정에서 데이터 손실을 방지하기 위해 위성 간 또는 빔 간 핸드오버를 사전에 준비하고 신속하게 실행해야 합니다. 다른 하나는 단말기가 지상 5G 네트워크와 위성 네트워크 간에 전환하는 것입니다. 이 전환 시에는 온보드 처리 및 벤드파이프 투명 포워딩 아키텍처 지원, 시간 동기화, 측정 및 정보 조정 등의 요소를 고려해야 합니다. 셀룰러 네트워크 신호가 매우 약할 경우 단말기는 셀룰러 네트워크에서 위성 네트워크로 전환하고, 그렇지 않을 경우에는 지상 네트워크에 계속 접속합니다.

2.3 공기 인터페이스 파형

직교 주파수 분할 다중화(OFDM)는 여전히 5G 시스템의 기본 전송 시스템이지만, 반송파 간 간섭(ICI)은 시스템 성능을 심각하게 저하시킵니다. OFDM 기술 자체가 주파수 오프셋에 매우 민감하고, 주파수 오프셋으로 인한 부반송파 간 혼선이 통신 성능을 저하시키기 때문입니다. 잔류 주파수 오프셋이 시스템 성능에 미치는 영향을 효과적으로 줄이기 위해 가변 부반송파 대역폭 설계 방식을 채택할 수 있습니다. 주파수 대역이 좁은 L 대역에서는 지원하는 음성 서비스의 코드율이 2.4Kbps 정도로 낮기 때문에 15KHz 이하의 부반송파 대역폭을 사용해야 합니다. Ka 대역에서는 사용 가능한 부반송파 대역폭이 더 넓습니다. 이는 사용자들이 광대역을 통해 인터넷에 접속하는 경우가 많고 최소 상승각이 크기 때문에 도플러 효과의 영향을 효과적으로 줄일 수 있기 때문입니다.

또한, 5G에서 지원하는 비직교 다중 접속(NOMA) 방식은 각 사용자가 전용 자원을 점유할 필요가 없습니다. 사용자들은 비직교 자원을 통해 동시에 정보를 송수신할 수 있습니다. 다중 사용자 공동 검출을 기반으로 신호 처리를 통해 사용자 간 상호 간섭을 방지할 수 있습니다. 기존의 직교 접속 방식과 비교했을 때, NOMA 기술을 적용하면 스펙트럼 효율을 3배 이상 향상시킬 수 있습니다. 현재 지상 5G 시스템용 NOMA 칩이 개발, 보급 및 적용되고 있습니다. NOMA 기술은 스펙트럼 효율성을 위해 복잡성을 감수해야 하므로, 사용자 접속 파라미터를 동적으로 제어하기 위해 많은 신호 상호 작용이 필요하기 때문에 지연 시간이 긴 정지궤도(GEO) 위성 통신 환경에는 적용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 위성 통신 분야에서 NOMA 기술에 대한 추가적인 기술 연구가 필요합니다.

2.4 주파수 공유

위성 통신이든 지상 이동 통신 시스템이든, 사용 가능한 주파수 대역 부족은 시급히 해결해야 할 문제로 대두되었습니다. 특히 위성 통신과 지상 통신은 주파수 자원을 놓고 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 예를 들어, 오랫동안 위성 통신 시스템에서 사용되어 온 C 대역과 Ka 대역은 ITU에 의해 지상 5G 시스템용으로 승인되었습니다. 두 시스템 간의 주파수 경쟁 상황은 구체적으로 다음과 같습니다.

1) Ka 대역: 사용자 속도와 시스템 용량의 급속한 증가에 대응하기 위해 5G와 위성 통신 모두 Ka 대역 또는 밀리미터파 대역을 활용하고자 합니다. 예를 들어, 2019년 세계 전파통신회의(WRC-19)에서는 5G 및 미래 국제 이동통신 시스템을 위해 24.25GHz~27.5GHz, 37GHz~43.5GHz, 66GHz~71GHz, 총 14.75GHz의 대역폭을 지정했습니다. 또한 미국 연방통신위원회(FCC)는 지상 5G 통신에 27.5GHz~28.35GHz, 37GHz~38.6GHz 주파수 대역을 허가했으며, 이 주파수 대역들은 위성 통신 시스템에서 사용하는 주파수 대역과 어느 정도 겹칩니다.

2) 3GHz~6GHz C 대역: 중국, 유럽연합, 일본, 한국 등 여러 국가에서 C 대역을 5G 시스템 후보 주파수 대역으로 제안해 왔습니다. 그러나 아시아에서는 중국, 베트남, 말레이시아 등이 이미 이 주파수 대역에 다수의 위성 통신 시스템을 구축해 놓은 상태입니다. 따라서 지상 5G 시스템에 C 대역을 활용하기 위한 조율이 어렵습니다.

위성-지상 협업 계획을 통한 구성 최적화는 주파수 자원의 효율적인 활용을 향상시킬 수 있습니다. 위성-지상 공동 스펙트럼 감지 시스템 구축을 통해 위성-지상 통신 시스템 간 스펙트럼 공유가 가능해지고 스펙트럼 활용 효율이 향상됩니다. 지상 무선 통신 네트워크와 비교했을 때, 위성 통신은 광범위한 커버리지를 제공하기 때문에 인지 사용자가 네트워크 환경 내 모든 스펙트럼을 감지하는 것이 훨씬 더 어렵습니다. 따라서 스펙트럼 데이터베이스의 신속한 업데이트, 빔 형성, 스펙트럼 감지 정확도, 인지 영역 정의는 이 기술의 주요 연구 과제입니다. 또한, 자원 통합 관점에서 셀룰러 통신과 위성 통신의 통합 계획 및 설계를 통해 "스펙트럼 공유" 형태의 간섭 문제를 해결하고 주파수 자원의 공유 활용을 촉진함으로써 위성 통신 시스템과 5G 시스템의 심층적인 통합을 위한 기반을 마련할 수 있습니다.

2.5 네트워크 제어

SDN과 NFV 기술을 통해 구현되는 엔드투엔드 네트워크 슬라이싱은 5G 시스템 네트워크 제어 클라우드의 가장 큰 특징입니다. SDN과 NFV 기술은 각각 네트워크 전송과 제어의 분리 및 핵심 네트워크 요소의 소프트웨어화를 실현하여 네트워크 슬라이싱 구현을 위한 견고한 기반을 제공합니다.견고한 기초.

위성 통신 시스템이 지상 5G와 긴밀하게 통합되면 위성 코어 네트워크의 제어 기능과 포워딩 기능을 분리할 수 있어 포워딩 기능을 더욱 간소화할 수 있습니다. 높은 트래픽 전송 요구 사항과 유연하고 균형 잡힌 트래픽 부하 스케줄링을 지원하기 위해 기업의 스토리지 및 컴퓨팅 기능을 네트워크 센터에서 네트워크 에지로 이동시킬 수 있습니다.

지상과의 통합을 지원하기 위해 3GPP가 제공하는 기본 서비스 기능인 9가지 네트워크 기능 외에도 5G 위성 코어 네트워크의 사용자 평면에 3GPP 외 상호 연결 기능과 사용자 평면 기능을 추가해야 합니다.

03 위성 5G 통합이 직면한 과제 및 연구 방향

위성 5G 통합 분야에서 많은 진전이 있었지만, 위성과 5G 통합이라는 아름다운 비전을 완전히 실현하기 위해서는 여전히 많은 기술적 과제가 남아 있습니다. 위성과 지상 영역 모두에서 공통적으로 발생하는 과제들이 많습니다. 아래에서는 주요 기술적 과제와 향후 연구 방향을 제시합니다.

1) 전송 시스템의 과제: 위성-지상 통합 네트워크 전송에서 도플러 주파수 편이, 주파수 관리 및 간섭, 전력 제한 및 타이밍 어드밴스는 시급히 해결해야 할 과제입니다. 도플러 주파수 편이에 대응하기 위해 5G는 전송 시스템에서 다중 반송파 OFDM을 사용합니다. 하지만 OFDM의 부반송파 간격 설계는 도플러 주파수 편이의 영향을 고려하지 않아 부반송파 간 간섭을 유발할 수 있습니다. 전력 제한 측면에서는 높은 주파수 대역 활용률을 확보하면서 신호의 피크 대 평균 비율을 낮추는 문제가 있습니다. 마지막으로 타이밍 어드밴스와 관련하여 무선 링크 전송 지연의 급격한 변화로 인해 모든 업링크 전송의 동기화를 보장하기 위해 단말기의 개별 타이밍 어드밴스를 동적으로 업데이트해야 할 필요성이 발생할 수 있습니다.

2) 접근 및 자원 관리 문제: 위성-지상 통합 네트워크의 긴 지연 시간은 MAC 계층과 RLC 계층의 접근 제어, HARQ, ARQ 등의 프로세스에 어려움을 야기합니다. 접근 제어 측면에서 5G와 위성의 효율적인 통합을 지원하기 위해서는 사전 인증, 준지속적 스케줄링, 인증 불필요 등의 합리적인 접근 메커니즘을 설계해야 합니다. HARQ의 경우 왕복 시간이 최대 HARQ 타이머 길이를 초과하는 경우가 많으며, HARQ 프로세스는 엄격한 시간 제약을 받습니다. MAC 계층과 RLC 계층의 스케줄링 과정에서도 위성 시스템의 긴 지연 시간은 스케줄링의 적시성에 영향을 미치므로 스케줄링 지연 매개변수를 조정해야 합니다.

3) 이동성 관리 과제: 위성-지상 통합 네트워크에서는 이동성 관리 과제가 더욱 심각해집니다. 통신 수준에 따라 네트워크 레벨 스위칭과 링크 레벨 스위칭으로 나눌 수 있으며, 적용 시나리오에 따라 지상 셀 간 핸드오버, 위성과 지상 셀 간 핸드오버, 위성 셀 간 핸드오버, 위성 간 핸드오버로 구분할 수 있습니다. 이 문제는 이미 연구되었지만, 추가적인 연구가 필요합니다.

04 맺음말

위성 통신과 지상 이동통신 시스템은 약 30년간의 발전을 거듭하며 눈부신 성과를 거두었습니다. 그러나 본질적인 한계로 인해 사람들의 증가하는 이동통신 수요와 대규모 데이터 연결 요구를 충족하기에는 어려움이 있습니다. 최근 사물인터넷(IoT) 기술의 급속한 발전과 함께 미래의 무선 통신 시스템은 '사람과 사람'에서 '사람과 사물', '사물과 사물'로의 전환을 지향하며, 유비쿼터스 통신과 만물인터넷(IoT)을 실현하고자 합니다. 위성 통신과 지상 이동통신의 통합 발전을 통해 상호 보완적인 장점을 확보하고 새로운 발전 기회를 창출할 수 있을 것입니다. 본 논문에서는 위성 통신과 5G 통합의 발전 현황, 핵심 기술 및 당면 과제를 소개하고 논의하여, 이 기술의 발전에 참고 자료와 방향을 제시하고자 합니다.

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