[데이터넷] 유비쿼터스 연결을 필요로 하는 사물인터넷(IoT) 애플리케이션은 지상파 셀룰러 통신망과 전통적인 위성 IoT 통신에 의존해야 한다. 하지만 전력 소모가 크고 비지상파 연결이 추가적인 비용을 초래하기 때문에 실제 운용 관점에서 볼 때 셀룰러 연결과 위성 연결을 항상 구동시키는 것은 현실적이지 않다. 결국 셀룰러 연결과 위성 연결의 통합이 필요하고, 비용 최적화가 이뤄져야 한다. IoT를 위한 유비쿼터스 연결 실현 방안을 살핀다. <편집자> 

지상파 셀룰러 연결 서비스는 대도시뿐 아니라 인구밀도가 낮은 지역에도 제공되고 있다. 하지만 이러한 지상파 셀룰러 연결이 미치는 범위는 지구상의 일부분에 불과하다. 

그 이유는 두 가지 측면에서 살펴볼 수 있다. 첫 번째는 많은 국가들이 동일하지 않은 커버리지를 가지고 있다는 것이고, 두 번째는 바다, 산악지대, 사막과 같이 광대한 격오지에는 지상파 셀룰러 연결이 제공되지 않기 때문이다.

이러한 커버리지 틈새를 메우고 귀중한 상품과 자산을 전 세계 어디든 추적하고 모니터링하기 위해 많은 기업들이 비지상파(non-terrestrial) 위성 연결로 눈을 돌리고 있다. 예를 들면 자산 추적, 물류, 운송 분야가 있으며, 주요 인프라의 원격 제어와 스마트 농업 역시 위성 연결을 유용하게 활용할 수 있는 분야들이다.

특히 위성 사물인터넷(IoT) 통신 에코시스템은 최근까지도 제한적이었다. 소수의 기업들이 전체 가입자 기반의 80%를 나눠 가지고 있으며, 진입 장벽 또한 굉장히 높았기 때문이다. 하지만 지난 몇 년 사이 위성 IoT 통신 시장에 대한 관심이 높아지면서 투자가 활성화되고, 스타트업들이 등장하고 새로운 위성들도 발사되며 상황이 반전되고 있다.

뿐만 아니라 별다른 관심을 보이지 않던 대기업들까지 위선 IoT 통신 시장에 참여하려는 움직임을 보이고 있다. 머지않아 최소 10개 이상의 사업자가 위성 통신 서비스를 전개할 전망으로, 위성 연결 개발은 한층 가속화될 것으로 기대된다.

위성 IoT 확산 동력
그렇다면 이러한 트렌드를 이끄는 동력은 무엇이고, 이 기술은 어떻게 유래됐을까? 비지상파 연결이 셀룰러 통신을 위해 할 수 있는 역할이 무엇인지 알아보자.

코로나19로 인한 팬데믹은 공장에 위치한 자산은 물론 최종 목적지를 향해 운송되고 있는 물품에 대한 면밀한 모니터링의 필요성을 부각시켰다. 물품 공급 지연은 생산에 차질을 빚었으며, 그 결과 기업들은 심각한 타격을 입었다.

2020년 코로나19로 인해 전 세계가 셧다운되면서 제품과 기기 생산에 필요한 원자재나 전자부품 등을 실은 수많은 컨테이너가 발이 묶이는 초유의 사태가 벌어졌다. 제조 흐름에 영향을 미치는 이러한 공급망 이슈는 전 세계적으로 빠르게 확산되면서 새로운 접근법에 대한 필요성을 촉발시켰다.

3GPP 릴리즈 17은 전통적인 지상파 셀룰러 통신을 위성으로 확대해 비지상파 네트워크(NTN)로 나아갈 수 있는 토대를 마련했다. 릴리즈 17은 처음으로 표준화된 접근법을 통해 셀룰러와 위성을 연동할 수 있게 했다.

3GPP는 2022년 3월 릴리즈 17을 완성했고, 5G NR(New Radio)을 사용하는 광대역 애플리케이션을 위한 NR-NTN과 LPWA IoT 애플리케이션을 위한 IoT-NTN으로 구성된다. 릴리즈 17로 인해 에코시스템은 빠르게 성숙기를 맞을 것으로 기대된다.

기술 진화로 인해 현재 보다 저렴하고 가벼운 위성 제작이 가능해졌다. 재사용이 가능한 로켓 기술 개발, 보다 소형화된 위성, 그리고 경쟁의 심화는 위성 연결 구성 요소 제작 비용을 한층 낮췄다. 

뿐만 아니라 위성의 경량화를 통해 우주로 쏘아 올리는 데 드는 비용은 한결 줄어들었다. 이들 위성은 대체로 지구 저궤도에서 운행된다. 지구로부터 거리가 가까울수록 출력이 낮은 무선 장비를 사용할 수 있으며, 지연 시간도 미미하다.

지구 정지궤도·저궤도 위성 연결
위성 연결은 위성군을 이용해 이뤄진다. 이는 서로 다른 궤도, 주파수 대역, 대역폭, 지연시간, 표준과 비표준 통신 프로토콜에 의해 특성화된다.

궤도는 위성의 크기, 비용, 지연 시간에 영향을 미친다는 점에서 중요하다. IoT 용도로 가장 널리 사용되는 궤도는 지구 정지궤도(GEO)와 지구 저궤도(LEO)다.

전통적으로 대부분의 통신 위성은 GEO 상에서 운용되며, 지구 표면으로부터 약 3만6000킬로미터 상공에서 궤도를 돈다. 지구와 이들 위성은 동일한 속도로 회전해 이론적으로 3개의 GEO 위성이면 지구의 대부분 지역을 커버할 수 있다.

GEO 위성 연결 관련 단점은 위성의 제조와 발사 비용이 많이 든다는 것으로, LEO 위성보다 높다. 지연시간 역시 또 하나의 단점으로, 지구 표면으로부터 거리가 더 멀기 때문에 제한적인 데이터 패킷 크기로도 지연시간이 수 초에 이를 수 있다.

GEO 위성군을 이용하는 기기는 3만6000킬로미터의 고도에 도달하기에 충분한 무선주파수(RF) 출력 전력을 확보해야 한다. 이는 보다 복잡한 RF 체인과 보다 높은 이득의 안테나가 필요하다는 것을 의미한다. 그 대신 기기 관점에서는 GEO 위성이 고정된 것으로 보이기 때문에 안테나 스티어링이나 복잡한 제어가 필요 없다.

반면 LEO 위성은 지구 표면으로부터 400~1500킬로미터 떨어진 거리에서 궤도를 돈다. LEO는 일명 ‘큐빅(cubic)’ 위성으로 불리는 약 10x10x10센티미터 크기에 기성품(off-the-shelf) 기술로 제작된 우주 비행체 덕분에 점점 더 인기가 높아지고 있다. 

이들 큐빅 위성은 보다 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며, 좀 더 큰 위성을 탑재한 로켓에 이차 적재물로 실어 우주로 보낼 수 있다. 이 방법은 발사 비용을 최소화할 수 있어 매우 편리하다.

비용을 낮추고 LEO 위성의 인기를 높이는 또 다른 측면은 통신 비용으로, 저궤도에서는 비용이 훨씬 적게 든다. 위성과 지구 표면이 더 가깝기 때문에 감쇠가 적어 통신에 필요한 무선 전력이 보다 적게 요구된다. 더 적은 RF 전력은 더 작은 태양광 패널 같이 정교함이 떨어지는 장비를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 

뿐만 아니라 이들 위성은 지연시간도 미미하다. 그러나 보다 양호한 연결을 위해서는 위성의 상대적 궤도 속도로 인해 일어나는 도플러(Doppler) 효과를 잘 보정해야 한다. 

LEO 위성은 초당 약 7킬로미터의 속도로 비행한다. 이로 인해 지상에 있는 사용자는 잠깐 동안 LEO 위성을 볼 수 있다. 위성이 시야에서 사라질 때까지 사용자가 위성을 볼 수 있는 시간은 약 7~10분 정도다. 

LEO 위성은 연속으로 가시적이지 않기 때문에 연속적인 연결을 위해서는 수십 개의 상호 연결된 LEO 위성들로 이뤄진 위성군이 필요하다.

또 다른 고려사항은 LEO 위성이 사용자 머리 위로 비행한다는 점이다. 따라서 사용자 입장에서는 다음과 같은 사항들을 반드시 고려해야 한다.

· 위치 확인이 필요하기 때문에 해당 애플리케이션은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기를 탑재해야 한다.

· 도플러 효과를 보정하기 위해 위성 궤도 정보(almanac)를 가지고 있어야 한다.

· 필요할 경우에는 안테나를 적절히 기울여야 한다.

셀룰러 연결과 위성 연결 상호 보완
유비쿼터스 연결을 필요로 하는 IoT 애플리케이션은 지상파 셀룰러 통신망과 전통적인 IoT 위성 통신에 의존해야만 한다. 하지만 실제 운용 관점에서 볼 때, 셀룰러 연결과 위성 연결을 항상 구동시키는 것은 현실적이지 않다. 

이는 전력 소모가 크고 비지상파 연결이 추가적인 비용을 초래하기 때문이다. 이러한 이유로 인해 제조사들은 두 네트워크 사이에서 전환이 가능한 제품을 설계해야 한다.

셀룰러 연결과 위성 연결 간 전환은 필요에 따라 이뤄질 수 있다. 위성 연결은 비용이 더 많이 들고 사용되는 위성군 유형에 따라 대역폭이 좁거나 실시간 가용성을 제공하지 못하기 때문에 셀룰러 연결이 통신의 기본이 돼야 한다. 대신 지상파 셀룰러 통신망을 이용할 수 없을 때는 위성 기술이 그 빈자리를 대신해 위성 통신 서비스를 백업으로 제공할 수 있다.

셀룰러 연결과 위성 연결 간 전환이 도움이 되는 구체적인 사례로는 다음과 같은 세 가지를 꼽을 수 있다. 물론 솔루션의 설계가 중요한 역할을 하는데, 이는 애플리케이션 유형에 따라 차이가 날 수 있다.

· 커버리지: 위성 연결은 사하라 사막 같은 격오지는 물론 호주와 같은 국가에서도 유용하다. 호주는 대부분의 인구가 4개 대도시에 몰려 있기 때문에 사람이 거주하지 않는 광대한 지역에서는 실외 셀룰러 커버리지가 제한적이다.

· 예기치 않은 재난: 전통적인 셀룰러 연결은 적절한 비용으로 제공되며 상당한 양의 데이터를 전송할 수 있다. 하지만 일부 지역들에서만 이용할 수 있고 지상 인프라에 의존한다. 따라서 지진이나 홍수 같은 재난 상황이 발생하면 한동안 지상파 통신을 사용하지 못할 수 있지만 비지상파 연결은 재난 상황이 발생해도 계속해서 이용할 수 있다.

· 보안: 자산 추적이나 운송 분야는 도난 위험에 노출돼 있다. 범죄자들은 방해 전파(jammer)를 사용해 IoT 셀룰러 모듈, GPS, 운전자의 휴대전화를 교란하는 등 정교한 기법들을 사용할 수 있다. 이러한 상황에 처했을 때 셀룰러 기기는 통신망에 접속해 경보를 보내지 못하더라도 위성 연결은 계속해서 작동할 수 있다.

애플리케이션
셀룰러 연결과 위성 연결 모두에 액세스하기 위해 애플리케이션은 흔히 듀얼 모드 설계를 필요로 한다. 듀얼 모드 셀룰러-위성 기기는 셀룰러만 지원하는 기기보다 고가이지만 몇몇 애플리케이션에서 필수다. 셀룰러 연결과 위성 연결을 상호 보완적으로 활용할 수 있는 사례는 다음과 같다.

· 컨테이너: 팬데믹이 발발했을 때 부두 작업자나 트럭 운전사 부족으로 많은 컨테이너들이 묶여 있었다. 이 때문에 2020년 초에 원자재 수급에 차질이 빚어졌으며, 공급망에도 악영향을 미쳤다. 일부 컨테이너들은 통신 연결을 지원했지만 대부분은 장기간 어딘가에 유실돼 공급과 생산 절차를 크게 지연시켰다.

· 고정형 애플리케이션: 사막이나 산악지대에 설치된 석유관이나 용수관 같은 핵심 인프라는 지속적인 모니터링이 필요하지만 셀룰러 연결만으로는 100% 커버리지를 제공할 수 없다. 예를 들어 누수가 발생해 즉각적인 조치가 필요한 경우, 위성 연결이 중요한 역할을 할 수 있다.

· 스마트 농업: 이 경우 기지국의 밀도가 낮아져 셀룰러 연결성이 저하될 수 있다. 방대한 경작지를 가진 지역은 셀룰러 연결성이 부분적으로만 제공된다.

미국이나 중국도 야외에서 100% 셀룰러 커버리지를 보장할 수 없다. 가장 큰 걸림돌은 모바일 네트워크 사업자(MNO)가 인구 밀도가 극히 낮은 오지에는 연결을 제공하기 위한 장비를 설치하려고 하지 않는다는 것이다. 따라서 위성 IoT는 이들 지역에 연결을 제공하는 데 있어서도 중요한 역할을 수행할 수 있다.

IoT 에코시스템 필수 ‘위성 연결’
위성 통신은 1960년대에 탄생했지만 셀룰러 기술은 그보다 10년 후에 설계됐다. 3GPP 릴리즈 17이 발표되기 전까지는 이들의 공존이나 통합은 드물었다. 그러다가 IoT-NTN 표준을 지원하는 다수의 새로운 위성군들이 갖춰지고, 코로나 팬데믹이 발생하고 관련 비용 인하 여력이 커지면서 마침내 위성 IoT 연결이 비상을 시작했다. 

현재 많은 위성군은 독자적인 프로토콜을 통해 위성 통신 서비스와 IoT 연결을 제공하는데, GEO 또는 LEO 위성군을 기반으로 한다. 유비쿼터스 연결을 제공할 수 있는 애플리케이션을 설계하기 위해서는 셀룰러 연결과 위성 연결의 통합이 필요하다. IoT 업계의 관심을 높이려면 하드웨어 장비의 공유를 바탕으로 비용을 최적화하는 방식으로 연결의 통합이 이뤄져야 한다.

현재의 과제는 IoT-NTN 에코시스템이 태동 단계에 있기 때문에 본격화까지는 시간이 걸린다는 점이다. 이를 위해서는 새로운 IoT 단말, 새로운 위성군, 그리고 위성사업자와 셀룰러 MNO 사이에 로밍 협의가 필요하고, 어떤 애플리케이션은 고유한 요구 사항들을 충족시켜야 한다. 그러기 위해서는 활용 가능한 기술들을 융합해야 한다.

머지않아 위성 IoT 연결은 IoT 에코시스템의 필수 부분이 될 것이다. 기존에 구축돼 있는 지상파 셀룰러 기술과 결합해 더욱 강력한 힘을 발휘할 전망으로, 표준, 법규, IoT 에코시스템 모두가 한 방향을 향해 확고하게 나아가고 있다. 

이러한 움직임의 저변에는 거대한 시장이 자리잡고 있으므로 IoT 설계 엔지니어들은 위성 연결이라는 대세에 올라탈 수 있도록 준비해야만 한다.