스타링크 다이렉트 투 셀 동작 원리 향후 전망

Bydeepbluedawn

스타링크 다이렉트 투 셀, 이동통신 서비스 시장에 데뷔하다

스타링크 다이렉트 투 셀, 우크라이나~러시아 전쟁에서 그 효용성이 증명된 테슬라 스타링크 인공위성 통신 서비스가 이제 새로운 커스터머 세그먼트와 새로운 비지니스 모델로 통신업계에 영향을 미치고 있습니다.

우주로 쏘아 올려지는 스타링크 다이렉트 투 셀 인공위성 V2 Mini

일론 머스크는 아래의 트윗에서 다이렉트 투 셀 서비스를 지원할 수 있는 스타링크의 최신 버젼 위성 V2가 팔콘로켓으로 궤도로 쏘아 올려질 것이라고 밝혔습니다.

현재 인공위성을 통하여 가정이나 직장에 인터넷 서비스를 제공할 수 있는 4500여개의 스타링크 위성이 궤도에서 동작중이며, 최종 목표는 42,000대의 인공위성을 쏘아 올릴것으로 알려져 있습니다.

이 위성들이 제공하는 서비스는 우리가 사용하는 댁내 초고속 인터넷과 비슷한 서비스이며 휴대폰을 통하여 스타링크의 위성 인터넷 서비스를 사용하려면, Wi-Fi 라우터와 같은 별도 장비가 필요합니다. 

그러나, 스타링크 다이렉트 투 셀 서비스는 이러한 형태의 접속이 아닌 인공위성이 기지국 역할을 하여 직접 LTE 폰에 데이터를 전달해 주는 방식입니다.

이동통신의 기존 위성 사용방식을 바꾼 스타링크 다이렉트 투 셀

기존 이동통신도 인공위성을 사용하고 있습니다.  

이른바 백홀이라고 부르던 네트워크를 인공위성을 통한 무선 링크로 사용하는 Use case이며 주로 유선연결을 제공하기 힘든 도서 산간 벽지나 격오지 에 이런 방식을 사용하고 있습니다.

인공위성에 설치된 기지국 (인공위성 기지국)

스타링크 다이렉트 투 셀 홈페이지에 보면 아래와 같은 그림이 나옵니다.

스타링크 다이렉트 투 셀 동작 개념도

즉, 기존 이동통신 업계에서 이동 통신을 이용하는 방법이 아닌, 인공위성에 직접 기지국을 설치하여 해당 기지국이 지상의 LTE 단말과 직접 통신하는 방식입니다. 

V2 Mini위성의 경우, 저궤도에서 (LEO) 운영되며, 이 저궤도는 통상, 지구 표면에서 약 160 킬로미터(100 마일)에서 2,000 킬로미터(1,200 마일)까지의 공간에 해당됩니다.

고도는 위성의 속도, 커버리지 영역, 통신 지연 시간 등을 결정하는 중요한 요소입니다.

특히, 스타링크 위성은 지구에서 약 550 킬로미터(340 마일)의 고도에 배치되어 있다고 알려져 있습니다.

이 상대적으로 낮은 궤도 고도는 여러 가지 목적을 수행합니다. 

  • 우선, 신호 강도를 높여 인터넷 속도를 빠르게 합니다. 
  • 지표면에 가까이서 운용되기 때문에, 이 위성들은 약 35,786 킬로미터(22,236 마일)의 높은 고도에 있는 전통적인 정지궤도(GEO) 위성보다 지연 시간이 짧습니다. 
  • 또한, 낮은 궤도는 위성이 대기 마찰을 받아 자연스럽게 궤도를 벗어나게 하므로, 우주 쓰레기 문제에도 도움이 됩니다.

로밍방식이 아닌 망공유 방식(MOCN)

스타링크가 밝힌 협력 이동 통신사들은 아래와 같습니다.

  • T-MOBILE (USA)
  • OPTUS (AUSTRALIA)
  • ROGERS (CANADA)
  • ONE NZ (NEW ZEALAND)
  • KDDI (JAPAN)
  • SALT (SWITZERLAND)
  • ENTEL (CHILE)
  • ENTEL (PERU) 

즉, 스타링크 위성들로 구성되는 하나의 물리적인 무선 기지국 망이 서로 다른 통신사업자의 네트워크와 연결되는 RAN sharing (구체적인 기술명은 MOCN)방식일 것으로 예상됩니다.

일반적으로 “로밍”이라고 하는 것은 가입자가 네트워크 제공자가 다를때, 가입자를 받아주는 접속망의 네트워크 사업자가 접속하려는 가입자의 네트워크 사업자와 협약이 되어 있는 경우, 접속망의 네트워크 코어 앞단에서 가입자의 사업자 코어 네트워크로 연결해 주는 기술입니다.

RAN sharing은 우리나라 5G 외곽지역 커버리지 향상을 위하여 구축한 기지국 공유기술입니다.

인공위성 기지국의 기술적인 문제들

전리층의 전파 반사

  • 전리층은 지구 대기 상공 약 60 킬로미터에서 상공 약 1,000 킬로미터의 구역으로, 태양 복사에 의해 공기 분자가 이온화되어 자유 전자가 밀집된 층입니다. 
    • 전리층은 D층, E층, F층으로 구분되며, 각 층은 전파의 주파수와 전자밀도에 따라 전파를 반사하거나 흡수합니다. 대략 30MHz 정도의 저주파대 전파가 이에 해당합니다.
    • 스타링크 다이렉트 투 셀이 지원하는 LTE 주파수는 아래와 같이 알려져 있습니다.
      • B2 (1900 MHz)
      • B4 (1700/2100 MHz)
      • B5 (850 MHz)
      • B12 (700 MHz)
      • B13 (700 MHz)
      • B25 (1900 MHz)
      • B26 (850 MHz)
      • B41 (2500 MHz)
      • B66 (1700/2100 MHz)
      • B71 (600 MHz)
    • 위의 주파수 대역중 B5는 우리나라에서도 사용하는 대역입니다. 저주파의 특성으로 인해 LTE 초창기 커버리지 확보를 위해 주로 구축된 기지국이라 상대적으로 가장 수가 많은 기지국이고 그만큼 음영지역은 없어, 굳이 스타링크 다이렉트 투 셀이 음영지역 해소를 위해 사용될 수 있을지는 의문입니다.

매우 빠른 위성의 이동 속도

  • 아울러 스타링크가 밝힌 문서에 따르면, 저궤도 위성 네트워크에서의 주요 문제점으로 지상의 사용자에 비해 시간당 수만 마일의 속도(대략 28000 Km/h, 현재 상용 4G/5G는 대략 3~500 Km/h로 이동하는 물체에서 발사되는 전파 정도를 처리할 수 있습니다.)로 움직입니다.
    • 이는 위성 간의 매끄러운 핸드오버와 도플러 쉬프트, 타이밍 지연과 같은 요인들을 수용해야 한다고 언급되어 있습니다.
  • 초고속으로 움직이는 물체가 전파를 송수신하는 경우, 사용하는 전파의 특징이 바뀝니다. 이게 도플러 효과입니다.
  • 초고속으로 움직이는 물체와 원활하게 무선통신을 해야 하는 경우, 수신한 전자기파를 다시 복원해 주어야 하고, 무선 채널을 해당 전파특성에 맞도록 잘 구성해 주어야 합니다.
  • 이런 복잡한 전파 처리를 위해서는 고성능의 신호처리 전용 프로세서(DSP)와 대용량의 고속 메모리가 필요합니다.

일반 LTE 통신 대비 긴 거리

  • 휴대전화는 안테나 이득과 송신 파워가 낮기 때문에 수백 킬로미터 떨어진 위성과 연결하기가 매우 어렵습니다.
    • 보통의 LTE 기지국의 경우 안테나로부터의 거리가 100Km떨어진 지점까지 송수신이 가능합니다. 
    • 스타링크는 이 거리 대비 5배정도 떨어진 단말과 통신해야 하며, 전리층이라는 특수한 대기권의 층도 통과하고 수신할 수 있어야 합니다.
    • 이를 위하여 스타링크 위성에는 2.7mX2.3m정도의 면적에 Phased array antenna를 설치하였다고 합니다.
      • Phased array antenna는 송신하는 파의 에너지와 커버리지를 자유롭게 제어할 수 있습니다.
      • 또한 미세한 전파도 각 안테나 엘리먼트의 성분들을 사용하여 복원할 수 있게 됩니다.
      • 현재 고주파를 사용하는 5G 상용 통신망의 기지국도 대부분 위의 기술을 사용하고 있으며, 안테나 소자의 개수는 대략 16~64개 정도를 사용합니다.
스타링크 인공위성 사진. 작은 원판들의 배열이 Phased array antenna로 추측된다.

스타링크 다이렉트 투 셀, 왜 하려는 걸까?

하나의 위성 네트워크 플랫폼 내에서 수익 최대화

현재 스타링크 서비스의 자세한 매출 규모는 알 수 없습니다. Site에 따라서 다르긴 하지만, 5.46 Billion USD에서 많은 경우 17 Billion USD까지 예측하는 site도 있습니다.

자체 인공위성 초고속 인터넷 통신 사업 외에, 스타링크가 비젼으로 밝힌 총 LTE 서비스 가입자 목표는 200만명 정도에 이릅니다.

새로운 아이폰을 발표하면서 직접 위성통신 기능을 발표했던 애플 사의 경우 무료 서비스가 끝나는 시점부터 한달에 약 50$의 subscription fee를 적용할 것이라 예측되고 있습니다. 

스타링크도 애플과 비슷한 가격대를 책정한다라고 하면 하이엔드급의 아이폰이 침투하지 못한 위성통신 시장을 장악할 수 있게 됩니다. 

결국 필요한 것은 지구 어디에서나 연결되어야 하는 IoT

Earth covered by IoT

도로에는 모두 전기 자동차가 달리고 있고, 그 중 대다수의 차들은 테슬라 전기 자동차가 됩니다.

집 그리고 직장에서 단순한 육체적 노동은 테슬라에서 렌트한 옵티머스 로봇이 대신하고 있습니다.

사막, 그리고 평원에는 테슬라의 솔라시티 태양열 발전소가 그리고 각 개인 주택의 지붕은 이미 테슬라의 태양열 발전 지붕이 설치되어 있어, 테슬라 제품의 밧데리 충전에 필요한 전력은 자동으로 충전된다.

어쩌면 가까운 미래에 우리 곁에 펼쳐질 일상일 수도 있겠습니다.

이 모든 것들이 원활하게 유기적으로 동작하기 위해서는 테슬라의 모든 제품으로 부터 인사이트를 얻고, 상황에 맞는 적절한 액션을 지시할 수 있는 무선 네트워크는 필수 적입니다. 물론 이 모든 것의 가운데에는 DOJO라고 불리우는 그들만의 AI 플랫폼이 있습니다.

전 세계에는 아직까지 LTE 무선통신이 닿지 않는 곳이 많습니다. 그런 곳까지 빈틈없이 테슬라의 서비스 커버리지로 채우는 것, 이것이 바로 테슬라와 스타링크가 목표로 하는 세상이 아닐까라는 생각이 들었습니다.

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