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위성 광대역 VSAT 기술 및 발전 동향
Ⅰ.서론 산업사회를 정보사회로 변화하게 한 인터넷의 등장으로 VSAT도 인터넷을 수용할 수 있도록 바뀌었다. 지상에서의 ADSL, Cable 등과의 불가피한 인터넷 속도 경쟁으로 인하여 VSAT도 이른바 초고속 인터넷을 제공하지 않으면 안되게 되었다. 지금까지는 VSAT을 사용하여 T1급의 기업 전용망을 구성하였다면 이제는 개인 PC사용자에게 1Mbps급의 인터넷을 제공해야 되는 것이다. 더구나 인터넷기반 멀티미디어 서비스를 위해서는 VSAT이 IP 패킷 기반으로 동작하는 구조와 프로토콜을 가져야 하는 것이다. 또한 단말이 많은 PC의 트래픽을 수용하여야 하고 속도도 빨라야 하므로 광대역 IP용 VSAT의 출현이 가속화되게 되었다. 본 고에서는 DVB-RCS규격에 의해 대표되는 광대역 IP용 VSAT을 중심으로 VSAT 진화와 그에 따른 서비스의 발전을 살펴보고, 또한 산업측면에서의 수요에 따른 광대역 VSAT의 발전방향을 고찰하여 보고자 한다. 선박이나 열차, 항공기에서의 WLAN 인터넷 액세스를 제공하는 이동형 위성 광대역 서비스, HDTV급의 위성방송을 포함하는 양방향 위성통신방송 서비스, 그리고 탑재신호처리(OBP)와 탑재 스위칭 기능을 광대역 Mesh서비스 등을 제공하기 위한 시스템의 발전 동향에 대해서 살펴보기로 한다. Ⅱ.위성 광대역(Broadband) VSAT과 서비스 1. 위성 광대역(Broadband) 서비스 전통적으로 VSAT은 64~128Kbps급의 양방향 전송속도를 제공하여 주로 음성 및 데이터의 전송, 신용카드 승인, 주식가격 통보, 재고관리, 스케쥴 문의, 예약, 금융 및 은행에 사용되어 왔다. 그러나 다양한 멀티미디어의 출현과 인터넷을 통한 공유, 데이터의 디지털화, 인터넷을 통한 정보 수집과 예약 등의 생활환경 변화로 인하여 가입자의 전송대역폭 요구는 계속 증대하여 왔다. 기존의 dial-up 서비스보다 약 10배 이상의 전송속도(대략 500Kbps급) 이상으로 제공하는 디지털 정보통신 서비스를 광대역 서비스로 지칭하고 있는데, 위성의 경우에도 광대역화 요구가 에외는 아니어서 조사에 의하면 2006년에는 각 PC당 평균 450Kbps 속도가 필요한 것으로 발표되었고, 미국의 경우 2006년 350만 가구(아파트 제외) 가 위성 광대역 서비스를 받을 것으로 발표(카멜그룹 2001년 자료)되었다. 위성 광대역의 등장은 기업의 생산성의 향상은 물론 지상망 액세스가 부족한 지역에서의 산업활동 제약점도 해결할 수 있게 되어, 전국적 지점망을 갖는 기업, 야외작업 기업, 정보지향적 중소기업 및 SOHO 벤쳐기업들이 주요 수요자가 되었다. 이의 용도로는 초고속 인터넷은 물론 화상회의, 원격교육 및 원격의료, VoD, VoIP, VPN, WiFi Gateway 등으로 확산되고 있다. Northern Sky Research(NSR)사의 자료에 의하면, 2002년 기업의 평균 소요 대역폭은 하향 512Kbps, 상향 128Kbps이지만 2006년에는 하향 1Mbps, 상향 300Kbps로 증대할 것이라고 예측하고 있다. 또한 기업용 광대역 VSAT시장의 규모를 2002년 22만대에서 2006년에는 116만대로, 가정용 광대역 VSAT 시장을 2006년 350만대 정도로 전망하고 있다. 한편 정부 및 자치단체, 공공기관, 공익업무, 안전, 경비, 국방, 과학, 탐사, 환경 분야에서도 광대역 VSAT은 임무수행의 보장을 위한 필수 불가결한 요소가 되었다. 이러한 위성 광대역 서비스의 활성화를 지원하기 위해서 VSAT들은 구조적으로 기술적으로 광대역용으로 진화하게 되었다. 인터넷에 의하여 음악, 사진, 동영상들을 각자가 생산하여 서로 공유하게 됨에 따라 하향링크의 광대역화와 아울러 상향링크 전송속도 증가가 필요하게 되었는데, 이를 위한 고속모뎀, 고속처리 프로세서, 광대역의 필터 등의 기술이 개발되어 적용 되었으며, 기존의 Ku대역외 Ka대역에서도 바로 상향링크를 사용할 수 있도록 되도록 RF를 개발하게 되었다. 저가의 단말기를 위해 필요한 요소들, 즉 시스템의 표준화를 통한 대량생산 및 시장경쟁, 시스템의 소형화 및 고성능화 등이 지속적으로 VSAT에 적용되고 있다. ISCe 2003 참석자를 대상으로 한 Futron/ Hannover Fairs 설문조사에 따르면, 가장 문제가 되는 것은 서비스 가격이라고 29%가 답을 하였고, 24%는 사용자단말의 표준화 필요성, 22%는 장비가격 및 설치비용, 10%는 Ka대역 가용성, 9%는 라이센싱을 꼽았다고 한다. 이 문제들을 해결하기 위한 기술적, 정책적 노력이 지속되고 있다. 2. 위성 VSAT 기술의 발전 VSAT에 의한 위성광대역 서비스 경쟁력 향상을 위해서 우선 VSAT 자체의 경쟁력 향상이 진행되고 있다. 위성 중계기 분야와 지구국 분야의 기술 발전, 표준화, Ku/Ka대역을 겨냥한 주파수 활용도 향상, 고성능의 코딩 및 모뎀기술 개발, 저가 RF부품기술 개발 등으로 가격경쟁력을 높여가고 있다. 위성은 점차로 대형화되고 출력이 증대되며, 안테나가 대형화되어 지상에서의 안테나가 점점 소형화되고 휴대 가능해지면서 또한 저가화되고 있다. 중심국을 크게 하고 단말을 작게, 값싸게 하는 성형(Star)망 구조가 계속적으로 연구되고 있다. Ka대역 중계기는 Ku대역에 비해 매우 넓은 주파수대역을 제공함으로써 주파수당 서비스 가격이 낮으며, 또한 타 대역보다 지상 안테나를 소형화시킬 수 있어 점차로 단말의 상향링크를 Ku와 병행하여 수용하는 형태부터 적용되는 추세이다. 이 대역에서는 Ku 대비 bit당 1/5 가격으로 데이터 전송이 가능하여 지상 인터넷과 경쟁 가능하다고 볼 수 있다. 특히 위성내 탑재처리장치에 의하여 다중빔의 스위칭이 가능해지고 상향링크와 하향링크의 신호품질이 향상되게 되어, 앞으로는 지구국 안테나를 줄이고 송수신 성능을 크게 향상시킬 수 있게 되었다. 상향빔과 하향빔에 의한 주파수 재사용으로 위성망의 전체용량이 매우 증대되어 위성당 서비스가입자의 대폭 증가가 예상되고 있고, 성형구조가 아닌 메쉬(Mesh)망 형태의 다중화통신을 사용, 3D게임 등 지연에 민감한 광대역 서비스도 활성화되고 다양화될 것으로 기대되고 있다. 주어진 중계기 대역폭의 활용도를 높이기 위해서 8PSK, 16PSK, 32APSK, CPFSK 등의 고차 변복조방식과, OFDM 등의 다중화를 통한 대역폭 압축 기술, 고효율의 부호화 기술 등이 적용되고 있다. 또한 기존의 패킷 스위칭을 기반으로 한 데이터 전송방식에서 IP 패킷 기반의 다중화를 통해 대역폭을 효율적으로 활용하고 있다. 더구나 가변 데이터 전송 FEC 기술과 다중주파수(MF) TDMA방식을 적용하여 사용자의 수요량에 따라 가변적으로 채널을 할당하며 시스템 전체의 주파수자원을 효율적으로 사용하고 있다. 부품가격의 하락으로 단말기가격 하락을 추구하고 있다. 실리콘 기술의 발전으로 ASIC이나 DSP칩을 저렴한 가격으로 활용할 수 있게 되었고, 고집적 기술을 통해 부품 개수 축소 및 단말 소형화, 신뢰도 향상을 추구하고 있다. 단말 고가 부품 중의 하나인 트랜시버(Transceiver)의 저가화, Ka대역용 저가형 RF부품, MF-TDMA액세스용 스케일러블 선형 IF/RF 트랜시버, IF/RF일체형 모뎀 등도 개발되고 있고, 마이크로스트립 위상배열, 능동안테나 소자, RF회로의 MMIC 집적 등을 통한 안테나 개발이 진행되고 있다. 3. DVB-RCS 규격의 광대역 VSAT 1999년 유럽 ESA의 주도로 위성 양방향 광대역 VSAT 규격인 DVB-RCS (Return Channel System via Satellite, ETSI EN 301 790)가 개발되어 2000년 표준화기구 ETSI에 의해서 VSAT 분야에서 최초로 채택된 개방형 표준규격으로, 이제 곧 ITU-R에서 세계 표준 규격으로 제정될 단계에 있다. 이 규격은 PC중심의 인터넷서비스가 주 target인 IP용 VSAT규격으로, 하나의 단말에 복수의 PC를 연결하여 인터넷을 액세스하는 그룹사용자형 장비이다. 이 규격의 주요 골자는 기존 DVB-S에 의한 45Mbps급의 IP over MPEG 캡슐화 하향링크, 상향링크에서의 QPSK변조, MF-TDMA 액세스, 128Ksps~4Msps의 용량, IP over ATM(AAL5)이며 Slotted ALOHA방식의 채널액세스 방식을 사용하는 것이다. 이 RCS와 기존의 VSAT과의 주요 차이점을 (표 1)에 나타내었다.
이러한 개방형 규격의 채택으로 다수의 생산시설에 의한 대량 생산이 가능해지고 개방시장 형성으로 인한 저가화 기술개발 경쟁이 가속화되어 장비가격이 크게 하락하는 효과를 가져 온다. 또한 생산자에 무관하게 각 제품은 상호호환성을 갖게 되고, 중심국과 단말의 독립적인 구매가 가능해져 망 확장 시 구축비용 절감 및 융통성 향상이 예상되게 된다. 더구나 상향링크의 광대역화에 따른 대칭성의 신규 광대역 서비스 시장의 활성화 및 동적 주파수 할당에 따른 운영비용의 절감 효과를 기대할 수 있게 된다. 또한 유럽에서의 라이센싱 제도처럼, 이 표준화에 의한 특정 조건만 만족하면 장비구입시 바로 라이센스를 발행할 수 있는 여건이 제공된다. 2001년 현재 세계 VSAT 시장의 약80%는 아직도 미국의 HNS, 이스라엘의 Gilat 제품이 차지하고 있다. 유럽에는 Newtec사, Nera사, 캐나다에서는 EMS사가, 우리나라에서는 펜타미디어사가 DVB-RCS제품을 생산하고 있다. 유럽에서는SES Astra, Eutelsat, Aramiska 등이 우선적으로 이 제품들을 채택되고 있으나 미국, 아시아 지역에서는 아직 기존 VSAT의 시장점유율이 높다. NSR사의 조사에 의하면 기업용DVB-RCS시장점유율은 2002년 2%에서 점차 증가하여 2006년 13%, 2007년 15%에 도달할 것으로 예측되고 있다. 아직 높은 가격, 부하가 많은 상태에서의 시스템 동작 성능 검증, 북미지역에서의 거부감, 규격내의 자유도(적용 융통성)에 의한 호환성 미비 등이 점유율의 급증에 걸림돌이 되고 있다. 우리나라 제품은 펜타미디어 자체 기술을 적용한 Single 단말Card 및 Single Chip 솔류션 적용, 저전력 설계, Linux OS 적용 채택 등에 의해, 중심국 및 단말의 가격을 외국제품 1/2 수준으로 출시, 가격경쟁력을 크게 향상시켜 제품이다. (그림 1)에 나타낸 것처럼 기업용, 소형 SOHO용, 개인/가정용, PC장착형 또는 standalone형으로 출시하고 있다. 한편, 유럽 ESA에서는 서로 다른 DVB-RCS시스템간의 상호호환성을 시험하기 위하여 위성운용사, 시스템제조사, 서비스사업자 들로 구성된 SatLabs라는 특별 그룹을 운영, DVB-RCS 시험장비를 개발하여 시험 및 규격 부합성 검정을 추진하고 있다. 그리고 저가 단말모델 구현과 설치비 절감을 위한 상호협력, 그리고 시장활성화를 위한 추가 개발 프로젝트 등을 지원하고 있다. 이러한 활동은 2004년 말 또는 2005년 초 시작될 것이다. 2. 송수신기의 소형화, 저전력화, 저가격화 III. 위성 광대역(Broadband) VSAT의 발전 동향 1. 이동형(Mobile) 광대역화 이미 L대역에서는 육상 및 해상에서 양방향 ISDN급의 패킷 통신용 INMARSAT GAN(Global Area Network)이 서비스 중이고, 유럽에 국한하여 노트북 모양의 휴대형 단말을 통해 144Kbps급 인터넷을 제공하는 Regional BGAN(Broadband GAN)이 서비스 중이다. INMARSAT사는 대형안테나를 갖는 INMARSAT-4위성을 2005년에 발사, 432Kbps급의 BGAN을 통해 차량, 선박 승객에게 고속인터넷, VoD, 화상전화 등을 제공할 예정으로 있다. 한편, 미국 KVH사는 고급 SUV, 버스, 요트 등을 위한 위성방송/위성인터넷 겸용서비스를 제공하고 있는데, 하향 Ku대역, 상향 L대역을 사용하여 최대 400Kbps급 위성인터넷을 제공하고 있다. 유럽의 SeaTel, Telenor사에서는 C 또는 Ku대역과 L대역을 이용하여 여객선, 페리 등에 대해 이동위성 인터넷을 서비스하고 있다. Ku대역에서의 양방향 위성인터넷 액세스는 항공기에서부터 시작되었다. 미국의 CbB(Connexion by Boeing)에서는 CDMA방식을 사용하여 중계기당 하향 5Mbps, 상향 1Mbps 링크를 통하여 항공기내 위성인터넷을 구현하고, 루프트한자, 스칸디나비아 항공, 일본항공 등에 상용 시범서비스를 진행하고 있으며, 대한항공에도 곧 적용하기로 예정되어 있다. 항공용 주파수로 ITU WRC 2003에서 14GHz의 주파수를 할당 받았지만 이 Ku대역에서의 위성 이동서비스는 2차 업무로 정의되어 간섭회피를 위한 CDMA방식 적용이 불가피하여 주파수 사용효율이 떨어진다. 우리나라 ETRI에서도 하향에는 DVB-S, 상향에는 단말당 384Kbps급의 MF-DS/CDMA방식을 사용하는 Ku대역 양방향 위성인터넷 시스템(MSIA)과 양방향 위상배열 능동안테나를 개발, 현재 일본 JSAT과 육상 및 해상에서 실용시험을 진행하고 있다. 위성 이동 광대역에 적합한 Ka 대역에서의 이동형 VSAT은 우리나라를 포함 세계 각국이 기술개발 중이다. 유럽 EC IST의 SECOMS/ABATE 프로젝트에서의 차량, 선박, 항공기용 이동광대역 단말, 일본의 COMETS 및 재해현장 정보수집 전송실험, 미국의 ACTS 프로젝트에서 이미 그 실용성을 입증하였으며, 우리나라 ETRI도 이동용 DVB-RCS 개발의 일환으로 Ka대역 광대역 이동형 위성인터넷 시스템을 개발 중에 있다. Ku 및 Ka대역에서의 이동통신에는 shadowing에 의한 신호감쇠가 심하여 위성신호가 차단되는 구역에서는 별도의 중계장치 또는 다른 망과의 연동이 필요하며, 고속 이동중의 강인한 링크성능 및 망 동기유지가 매우 중요하다. DVB-RCS 작업그룹은 기존의 규격을 확장하여 고속(항공기 등) 이동성을 지원하는 추가 표준화 작업을 추진 중에 있다. 현재 가입자 수용과 전송속도에서 제약이 많은CDMA방식 대신 TDMA방식을 적용하는 이동형 광대역 VSAT을 개발하여 기존 문제를 해결하려는 노력으로 이해할 수 있다. 그리고, 이러한 이동형 광대역 서비스에서는 위성의 고속 추적 및 위성 빔 지향 정확성 등이 요구되며 이를 만족하는 양방향 능동안테나가 매우 중요하다. 유럽의 ESA와 EC, ASMS-TF를 중심으로 여러 능동안테나를 개발 중이며 ETRI에서도 Ku 및 Ka대역용 이동용 능동안테나를 개발 중인데 소형이고 고이득이며, 저가의 추적안테나 개발이 관건이라고 할 수 있다.
2. 통신방송 융합형 광대역화 유럽 DVB에서는 Ka대역에 적합한 광대역 위성통신방송 융합 서비스용 규격인 DVB-S2를 확정하는 단계에 있다. 현재의 DVB-S보다 훨씬 높은 전송용량을 확보하고, 링크마진 개선을 통해 서비스 가용도를 향상시키며, HDTV는 물론 양방향 부가방송 서비스를 지원하고자 하고 있다. 이 규격은 8PSK, 16APSK, 32APSK 등의 고차 변조방식과 LDPC같은 새로운 고효율 채널코딩을 도입하여 기존 대비 약 20-30%의 전송용량을 추가로 확보하고, VCM기법을 채택하여 서비스 대역폭별로 다른 오류보호를 제공하며, ACM기법에 의해 각 수신기마다의 전파조건에 따라 적응적으로 링크를 제어함으로 100~200%까지의 위성용량을 확보하게 한다. 최근 들어 DVB-RCS 작업그룹에서는 하향링크로 DVB-S대신 DVB-S2를 채택한 DVB-S2/RCS 형태로 개선하여 주파수 사용효율을 극대화 시키고자 하고 있다. 이미 WARC-92에서 광대역 위성방송용 Ka 주파수를 할당 받은 바 있어, 2007년경부터 세계 각국에서 DVB-S2가 본격적으로 사용될 것으로 보인다. 우선 DVB-S와 호환이 가능한 서비스가 제공되다가 점차로 DVB-S2전용 HD서비스로 전환될 것으로 보인다. 실제 유럽에서는 위성 탑재처리를 이용한 광대역 위성방송기술이 개발되어 적용되고 있다. Skyflex라는 탑재처리위성을 이용, 분산된 지역 방송사가 직접 위성으로 송신한 채널을 빔 스위칭, 탑재신호처리, 탑재다중화 장치를 통해 광대역 채널로 다중화하여 재방송함으로써 분산 광대역 위성방송을 선도하고 있다. 3 위성과 무선의 결합 특히 WPAN, WLAN, WMAN 등의 다양한 근거리 무선접속 기술과 연동하여 이동/휴대/가반형 광대역 액세스 서비스를 제공할 수 있다. VSAT의 단말을 옥내 UWB, WLAN과 연동하여 홈 게이트웨이로 구성하면 무선 홈 네트웍이 구현되고, 이를 차량에 구현하면 이동형 Hot Spot인 무선 인터넷 액세스 네트웍이 되며, ZigBee, Bluetooth와 결합하여 원격 감시제어 시스템으로 활용하면 SCADA용 무선 센서 네트웍이 구현되게 된다. 이러한 연동시스템 중에서도 우선 무선인터넷에 확장성 및 이동성을 부여할 수 있는 위성-WiFi가 광대역 시장에서 그 중요성이 부각되고 서비스로 구현되고 있다. 위성을 통하여 WiFi를 이동시키려면 이동형 위성 광대역 전송 기술이 필요하다. 차량이나 열차, 선박, 항공기 내부에 WLAN을 설치하고 이동중에도 이를 지상의 서비스망과 연결시켜야 한다. 이 기술이 개발되면 어느 곳이든지 신속하게 차량 주위에 WLAN을 전개할 수 있게 되므로 한시적 또는 이동성이 요구되는 곳, 행사장, RV차량의 야영지, 야외 휴양지, 산간 명승지, 금강산 등에 인터넷, VoIP나 영화/비디오 제공이 가능해진다. 자원/환경 탐사, 해양조사/ 실험 등의 이동 업무도 효율적으로 수행될 것이며, 특히 비상재난 구조 및 복구, 공공서비스에는 절대적으로 필요한 “Broadband Anywhere”를 지원할 수 있게 된다. 유럽에서는 이미 IST의 SUITED 프로그램을 통하여 Ka대역 위성과 지상 이동통신 인프라 통합을 통한 글로벌 이동 광대역 시스템(GMBS : Global Mobile Broadband System)을 개발하여 위성, 이동통신, WLAN간의 연동기능을 단말에 구현하고 각 상황에 따른 서비스연동을 시연하였다. 이어 FIFTH 프로그램에서는 위성, Gap-filler, WLAN간의 핸드오버를 통해 열차내의 WLAN 개발을 진행 중에 있다. 한편 ESA에서는 WirelessCabin 프로그램을 통해 항공기 내부의 WLAN 개발을 진행하고 있으며 일본에서도 이러한 개념의 기술개발을 추진하고 있다. 우리나라 ETRI에서도 이미 2003년부터 Ka대역에서의 이동형 위성광대역 기술개발(MoBISAT프로그램)을 착수하여 하향 80Mbps, 상향 10Mbps급의 이동형 Hot-Spot개발을 진행중이다. IV. 결론 또한 위성의 글로벌 빔 특성과 광대역성, 방송특성 등 장점을 바탕으로 지상망과의 상호 보완을 통하여 유비쿼터스의 중요 인프라로 자리 매김하여, 이동형 Hot-Spot 등의 이동 광대역 서비스, 통방융합형 광대역 방송 및 부가서비스, 지상망/WLAN과의 연동을 통한 유비쿼터스 광대역 서비스를 제공하고 있다. 이미 미국, 유럽에서는 이에 대한 기술적 검증을 완료하고 본격적인 기술개발이 이루어지고 있으나 우리나라에서는 이제 기술개발을 진행중이다. 우리나라가 광대역 VSAT 기술보유국으로서 위성통신 시장선점 경쟁에 본격적으로 뛰어 들어 세계 최고의 경쟁력을 발휘할 수 있도록 정부가 정책적으로 연구개발에 적극 투자하고 상품화를 통한 수출확대, 산업육성을 위해 노력할 때이다..
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