[Tech Report] RFIC 기술 발전으로 강화되는 대용량 저지연 저궤도 위성통신

[아나로그디바이스=도날 매카시(Donal McCarthy)] 위성통신(Satcom)은 음성, 영상, 데이터를 전송하기 위한 안정된 방식 중 하나다. 정지 궤도(Geostationary Equatorial Orbit, GEO), 중궤도(Medium Earth Orbit, MEO), 저궤도(Low Earth Orbit, LEO)로 불리는 주요 궤도에서 다양한 분야에 사용된다. 위성통신은 내비게이션을 위한 GPS, 기상 정보, TV 방송, 음성 및 데이터 통신을 위한 효과적인 수단으로 간주되며, 이미징과 과학 연구에도 활용된다. 

또, 최근에는 LEO 군집 위성을 중심으로 유망한 고속 인터넷 연결에 사용되는 등 사용처가 확대되고 있다. LEO 위성은 차세대 인터넷 통신을 위해 저지연, 대용량 광대역 연결을 제공한다.

LEO 위성은 5G 셀룰러 통신의 지속적인 사업 전개에 중요한 역할을 한다. 위성 네트워크는 3GPP 표준화에 속속 포함되고 있으며, 미래의 네트워크에서 위성의 역할로부터 기대되는 것들이 이미 활발하게 개발되고 있다. 2017년에는 5G 연결에서 위성통신 네트워크의 타당성을 확인해 보려는 활동들이 3GPP 표준화 기구 내에서 시작되었다. 3GPP 표준 15, 16, 17, 18판을 통해 이러한 네트워크의 통합을 지원하기 위한 여러 활동이 개발됐다.

LEO 위성은 통신 인프라가 취약한 지역에서 넓은 범위에 대해 커버리지를 제공하고, 이동 중인 사람들이 서비스를 계속 이용할 수 있게 하며, 사물통신(M2M)/사물 인터넷(IoT) 기기에 대한 연결과, 비용 효율적인 방식으로 5G에 주목할 만한 업그레이드 경로가 될 수 있다.

차세대 LEO 위성 시스템은 지표면으로부터 500km ~ 2000km 사이에서 지구 궤도를 선회하면서 과거의 위성 네트워크보다 기술적으로 우수한 솔루션을 제공한다. LEO 위성은 지구에 가깝기 때문에 지연이 짧은 연결을 제공할 수 있으며, 이는 인터넷 게임 또는 실시간 산업용/의료용 장비 제어 등 소비가전이나 기업용 활용 사례에 중요한 의미를 갖는다. 정지궤도 위성은 700ms의 지연을 갖는데 반해 LEO 위성의 지연 시간은 약 50ms로 짧고, 차세대 기술에서는 20ms 미만으로 더 단축될 것으로 예상된다.

LEO 위성은 방사선에 대한 노출이 매우 적어, 높은 비용이 발생하는 방사선 강화 시험을 완화할 수 있다. LEO 위성은 정지 GEO 위성, MEO 위성에 비해 제작 비용을 대폭 절감할 수 있다. 또, 방사선 노출이 적다는 것은 반도체 공정의 보다 광범위한 이용이 가능하다는 것을 의미하며, 따라서 타위성대비 다양한 부품을 사용할 수 있다.

하지만 LEO 위성의 단점도 있다. LEO 위성은 고도가 낮기 때문에 훨씬 많은 수의 위성을 배치해야 한다. LEO 위성의 평균 수명은 이전의 위성 활용 사례보다 훨씬 짧아서 보통 5 ~ 8년 사이이며, 수명이 다한 위성은 궤도에서 떨어져 나가 교체할 필요가 있다. 따라서 LEO 위성은 발사 및 대체 위성 재발사 비용이 경제적이어야 한다.

LEO 광대역 연결의 비즈니스 사례가 뚜렷하게 나타나기 시작하면서, 이 모든 동향들이 산업 감시자들로부터 주목을 받고 있다. 과거 1990년대에도 LEO 연결을 목표로 한 기업들이 몇몇 있었지만, 많은 사업 전개 비용과 그에 비해 한정된 수요로 인해 실패했다. 

오늘날에는 반도체 기술이 놀라운 수준으로 발전함에 따라 전례 없는 성능과 통합을 제공하는 것을 볼 수 있다. 외진 곳이나 통신 인프라가 취약한 환경에서 고속, 저지연 인터넷 연결에 대한 폭발적인 수요와 위성통신의 5G 표준 통합이 결합하여 시너지를 나타내면서 미래의 LEO 군집 위성은 성공을 약속하는 뛰어난 플랫폼으로 부상하고 있다.

현재, LEO 위성 연결 사용자는 최대 100Mbps의 다운링크 데이터 속도를 기대할 수 있으며, 향후 이 기술은 다중 사용자, 풀타임 비디오 스트리밍에 이상적인 150Mbps로 확대될 예정이다.

LEO 위성의 한 가지 과제는 위성이 끊임없이 움직인다는 특성이다. 군집 위성이 최소한의 실행 가능한 서비스가 되려면 완전한 사업 전개가 이루어질 필요가 있다. 이는 낮은 궤도 문제 때문에 더 많은 LEO 위성이 배치되어야 하고, 위성 수가 많아질수록 초기 비용이 많이 든다는 것을 의미한다. 하지만, 이러한 문제가 LEO 위성의 성공을 가로막는 요인이 되지는 않는다.

◆ LEO 위성 시스템의 작동 원리

LEO 위성 통신 시스템은 사용자 단말/사용자 장비, 지상국/게이트웨이, 위성과 같은 세 가지 주요 구성요소들로 이뤄진다.

사용자 단말/사용자 장비(UE)

이들 장비는 사용자와 위성 간 직접 연결을 제공하며, 가격이 저렴하고 손쉽게 가정에 단말을 설치할 수 있을 뿐 아니라, 모바일 단말로도 구현할 수 있다(ex: 해상, 이동 중인 위성통신, 전술용 휴대용 무전기). 사용자 단말은 높은 수준의 IC 통합을 통해 BOM을 줄이고, 비용을 낮추며 소형 폼팩터를 유지한다.

지상국/게이트웨이

이들 장비는 통상적으로 광섬유를 통해 서버(인터넷 연결을 위한 데이터센터)에 대한 지상 연결을 제공하고, 위성과 지상을 연결한다. 이들은 지구 전역에 걸쳐 고정된 위치에 배치된다.

위성

위성이 모여 있는 것을 군집 위성이라고 부르며, 이들 군집 위성은 지구 궤도를 돌면서 단말과 게이트웨이를 모두 연결하는 동시 링크를 제공한다.

LEO 위성은 우주를 가로질러 이동하고, 보통 1개의 위성은 90분 ~ 110분 주기로(궤도 주기) 지구를 한 바퀴 돈다. 이 때문에 위성에 연결하는 사용자는 짧은 시간(최대 20분) 동안만 해당 위성의 범위에 있게 된다. 따라서 일반 사용자는 정상 작동하는 동안 여러 위성과 연결해야 하며, 이에 따라 시스템 사용자는 범위 내에 들어오는 다른 위성에 핸드오프된다.

이는 이동하는 자동차에서 휴대전화를 사용하는 사람과 셀룰러 네트워크에서 하나의 기지국이 다른 기지국으로 핸드오프하는 것과 유사한 방식이다. 가장 적합한 위성에 최적의 링크를 유지하기 위해서는 빔을 조향하는 방법에 대한 엄격한 요구사항이 필요하다.

또 다른 흥미로운 발전은 위성 시스템이 지상국 범위에서 벗어날 때 작동을 유지하는 방법이다. 일부 악천후가 지상국에 대한 링크 속도에 영향을 미치는 것을 볼 수 있다. 전통적으로 위성은 구부러진 경로를 사용한다. 이는 지상국의 범위 내에 있기 위해서는 위성이 지구로 향하는 링크 경로, 또는 우주에 있는 다른 위성으로 바꾸어주는 역할을 하는 다른 수단(항공기)을 찾아야 한다는 것을 뜻한다.

새로운 기법은 위성을 연결하기 위해 우주에서 광학 또는 V 대역 및 E 대역 연결을 사용하는 위성 간 링크로 구현된다.

◆사용자 단말 업/다운 컨버터(UDC)의 발전

사용자 단말은 상당한 수준의 IC 통합을 요구하는데, 아나로그디바이스(ADI)는 실리콘 공정 기술의 성능과 통합 기능을 활용하여 이러한 요구에 부응하고 있다. 이러한 솔루션이 전력 소모를 최소화하고 무선당 최적의 비용을 엄격하게 고수하면서 무선 단말의 폼팩터를 최소화하도록 하려면 최고 수준의 IC 통합을 구현해야 한다.

업/다운 컨버터(UDC)는 사용자 단말에서 가장 기본이 되는 제품이며, 모뎀 IF 또는 베이스밴드 정보를 Ku 대역 또는 Ka 대역에 직접 연결한다.

RFIC UDC의 주파수 커버리지 목표는 다음과 같다.

• Ku 대역: ~10.7GHz ~14.5GHz

  - 다운링크(위성에서 지상으로): 7GHz ~ 12.7GHz

  - 업링크(지상에서 위성으로): 14GHz ~ 14.5GHz

• Ka 대역: ~18GHz ~31GHz

  - 다운링크(위성에서 지상으로): 7GHz ~ 21GHz

  - 업링크(지상에서 위성으로): 27GHz ~ 31GHz

위성에서 사용자 단말로 가는 통신은 두 개의 개별 주파수 대역을 사용하도록 다운링크와 업링크 주파수가 분리된다. 따라서 RFIC 제조사는 각각의 사용자 단말의 업/다운 컨버터를 별도 대역으로 설계해야 한다.

업링크 대비 다운링크에 따라 사용자 단말 링크는 통상적으로 125MHz ~ 250MHz의 채널 대역폭(BW)을 포괄하고, 게이트웨이는 250MHz ~ 500MHz 사이를 포괄한다. 하지만 일부 배치에는 사용자와 게이트웨이 링크 사이에 대역폭을 공유하는 기능이 있으므로, 작동하는 주파수에서 채널 대역폭을 재구성할 수 있다.

LEO 위성은 끊임없이 움직이는데, 중단 없는 연결을 위해 단말 내부의 업/다운 컨버터 주파수 합성기는 빠른 잠금 시간을 달성해야 한다. 합성기는 주파수 상향 변환 및 하향 변환을 지원하는 데 사용된다. 공중에서 주파수가 한 위성에서 다른 위성으로 작동 대역(즉, Ka 및 Ku 대역) 내에서 계속 변하기 때문에 이들 디바이스는 단말이 작동하는 동안 다른 위성에 연결하고 재연결할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 한다.

ADI는 크기, 무게, 면적, 전력, 비용(SWaP-C) 문제를 해결하기 위해 사용자 단말용 Ku 및 Ka 대역 UDC 제품군을 개발했다.

이들 UDC는 필터, 증폭기, 감쇠기, PLLVCO, 전력 검출 등 광범위한 RF 및 IF 신호 조절을 포함한다. 모든 IC는 사용자 단말의 신호 체인 성능을 염두에 두고 설계됐다. ADMV4630/ADMV4640 은 위성 모뎀에 IF 인터페이스를 지원하는 Ku 대역 UDC다.

보다 높은 주파수의 Ka 대역용으로, ADI는 I/Q 베이스밴드 인터페이스를 필요로 하는 위성통신 모뎀을 지원하기 위해 ADMV4530/ADMV4540 UDC를 개발했다. ADMV4530 업 컨버터는 듀얼 모드 디바이스로 IF 인터페이스도 지원할 수 있는 것이 특징이다. 실리콘으로 설계된 이들 솔루션은 최고 수준의 통합을 제공하여, 이러한 대용량 단말 애플리케이션에서 볼 수 있는 높은 통합 요구에 부응한다.

◆ 고성능 단말 UDC

단말 시장에서 성능 지향적인 일부 애플리케이션은 크기와 최저 비용 설계 목표와 관련된 제약이 상대적으로 적다. 이러한 애플리케이션은 디스크리트 RFIC 솔루션을 자유롭게 사용할 수 있다. 각각의 부품들을 별도 패키지로 유지하면 MESFET, pHEMT, BiCMOS, CMOS IC를 포함한 공정 기술을 혼합하여 어떠한 설계 요구사항도 최적화할 수 있다.

디스크리트 설계는 다양한 유형의 성능 대 크기 절충을 가능하게 하므로 설계 과정에서 유연성이 극대화된다. 설계자는 더 높은 출력 전력을 제공하고 더 넓은 대역폭을 지원하는 고성능 무선 설계가 가능하다. 뿐만 아니라 높은 수신기 감도로 동적 범위를 높이고 스퓨리어스 성능을 향상시킬 수 있다. 지상국/게이트웨이 역시 이 솔루션 범주에 해당한다. 게이트웨이는 크기가 더 크며, 확실히 단말 수준에서와 같은 통합 요구를 받지 않는다.

게이트웨이는 다양한 공정 기술을 활용하여 성능에 가장 최적화된 솔루션을 시장에 내놓는다. ADI는 이러한 활용 사례에 대응하기 위해 디스크리트 솔루션 포트폴리오를 지속적으로 확장하고 있다.

◆ 전자 조향 안테나(ESA)를 사용하여 사용자 단말 비용 절감

통상적으로 장비를 장착하고 위성 위치를 찾는 업무를 전문 외주업체에 맡기면 설치 비용이 크게 늘어나는데, 기업들은 이 비용을 없앰으로써 사용자 단말의 배치 비용을 낮추는 데 주력하고 있다.

이는 통신 링크를 처리하는 데 필요한 모든 전자장치(위상 편이 소자, RFIC UDC 등)와 안테나를 하나의 실외 장치(Outdoor Unit, ODU)에 결합함으로써 달성된다. ODU는 하늘을 향해 옥외에 설치되는 안테나 어레이이다. 실내 장치(Indoor Unit, IDU)는 ODU에 연결되며, 기존 라우터(유선 또는 무선) 역할을 하여 사용자(PC 또는 전화)에게 인터넷 연결을 제공한다.

앞서 언급했듯이 LEO 군집 위성은 지상 단말 범위에 들어오고 벗어나는 많은 위성들로 이루어지므로 전자 조향 안테나(ESA)를 사용하는 것이 훨씬 더 효율적이다. 전자 조향 안테나는 위성 방향으로 에너지의 송수신 빔을 전자적으로 조향하므로 높은 방향성을 제공하기 때문이다. 이를 통해 위성이 사용자 단말의 범위에 들어오고 벗어날 때 위성 간에 거의 즉각적으로 전환이 이루어지면서 하나의 위성에서 다른 위성으로 최적의 링크가 유지된다. 정상적인 작동 과정 동안 연결할 필요가 있는 위성의 수와 궤도 주기를 생각하면 ESA는 사실상 필수적인 요구사항이다.

이러한 과제를 해결하기 위해 ADI는 Ku 대역 빔포밍 집적회로(BFIC) 기술을 개발했다. ADMV4680은 사용자 단말용으로 설계된 실리콘 솔루션으로서, 신호의 이득과 위상을 독립적으로 제어하는 하프 듀플렉스 채널을 제공한다. 특히 주목할 점은 이 IC의 크기가 8.2 mm2에 불과하다는 점이다.

전체 무선 비용을 최소화하는 BFIC 기술 개발의 핵심은 시스템 및 어레이 전문 기술력이다. 레이어의 적층과 레이어 수를 포함하는 기계적 조립 및 PCB 설계는 무선 비용을 발생시키는 요인 중 하나이다. BFIC를 개발할 때 애초부터 기계적 조립과 PCB 설계를 염두에 두면 전체 무선 비용을 최소화할 수 있다. ADI는 고객과 긴밀히 협력하면서 이를 지원하기 위해 사내 PCB 전문가를 두고 있다. 실제로 IC 설계와 최종 구성은 시스템 균형 연구의 일부이다.

ESA를 채택하여 LEO 위성을 추적하고 링크 속도를 최적화하면 저렴한 구성이 가능하며, 통상적으로 이는 플러그 앤 플레이 방식이다. ESA와 높은 통합 수준의 ODU로 전환하면 배치를 근본적으로 간소화하고 시스템 비용을 낮출 수 있다. 또한 ESA는 패널을 보다 평판으로 유지할 수 있어 미적으로도 우수한 설계를 제공한다.

최고 성능의 단말 애플리케이션의 경우, 듀얼 파라볼릭 조향 안테나가 사용된다는 것을 알아 둘 필요가 있다. 이 경우, 비용과 미적인 사항은 주요 고려사항이 아니며, 전체적인 성능에 중점을 둔다. 소비가전과 비용이 중시되는 소형 엔터프라이즈 솔루션에서는 지금까지 ESA가 시스템 설계 목표를 충족하면서 최저 무선 비용을 달성하는 가장 좋은 방법으로 활용되고 있다.

LEO 위성 인터넷 연결은 새롭고 흥미진진한 영역이며, 오늘날 대부분의 정부와 인터넷 사업자들은 우주 경쟁에 뛰어들 태세이다. 세계가 더 긴밀하게 연결됨에 따라 LEO 위성은 우주에서 외진 지역까지 3GPP 표준 연결을 더욱 향상시킴으로써 5G에서 중요한 역할을 담당하게 될 것이다. 사용자 단말에서 RFIC 통합 요구사항은 점점 더 까다로워지고 있으며, ADI는 이러한 분야에서 지속적으로 솔루션을 개발하고 IC 로드맵을 가속화하고 있다.