사람 한 명 없는 무인도에서 구조 요청을 하지 못해 35년 만에 무인도에서 탈출한 로빈슨 크루소. 만약 그가 지금 시대에 다시 한번 무인도에 갇힌다면, 하루도 아닌 반나절 만에 무인도에서 탈출할 수 있을 것이다. 언제 어디서든 통신이 가능한 NTN (Non-Terrestrial Networks – 비지상(非地上) 네트워크) 기술이 있기 때문이다. 산, 바다, 사막에서도 끄떡없는 비지상망 통신, NTN은 과연 무엇일까?

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MAP 1. 오지도 문제없는 NTN의 기술력

그동안 우리는 지상 기지국과 모바일 기기를 연결하는 지상망 통신을 사용해왔다. 지상망 통신은 대부분의 지역에 적용되어 있기에, 우리가 일상생활을 하기에는 문제가 없지만, 통신 인프라가 부족한 지역에서는 통신 자체가 어려울 수 있다. 인적이 드문 시골에서나 깊은 산속을 등산할 때 스마트폰 통신이 잘 터지지 않는 것을 떠올리면 이해하기 쉬울 것이다.

‘NTN(Non-Terrestrial Networks)’이라고 부르는 비지상망 통신을 활용한다면, 이 한계를 극복할 수 있다. 비지상 네트워크는 지상 기지국이 아닌, 인공위성과 같은 공중 플랫폼과 모바일 기기를 연결하는 통신 기술이다. 지상 네트워크는 지형적, 물리적 제약으로 인해 통신이 끊기는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 통신 인프라가 구축되지 않은 곳에서는 지상 기지국을 설치할 수 없으며, 자연재해나 전쟁 등의 상황에서는 지상 네트워크가 파괴되어 통신이 마비될 수 있다. 비지상 네트워크는 위성 신호를 이용하여 신호를 전송할 수 있기 때문에 공공 안전 메시지, 긴급 문자 메시지, 재난 구호 등에 이용할 수 있고 오지에서도 통신이 가능하다. NTN을 사용하면 통신 사각지대를 없앨 수 있을뿐더러 재난 지역에서도 안정적으로 통신할 수 있다.

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MAP 2. 좁은 대역폭으로 넓고 안정적이게! NB-IoT NTN

우리가 위성통신에 사용하는 인공위성은 고도에 따라 ‘정지궤도 위성’과 ‘저궤도 위성’으로 나뉜다. 그중 3만 6000km대의 고도에 위치한 정지궤도 위성은 고도가 높아 대륙 단위의 넓은 영역에서 통신이 가능하다. 고궤도 정지위성과 단말 사이는 거리가 멀기에 이를 연결하기 위해서는 저전력 광역 통신 기술이 적합하다. 이 고궤도 정지위성과 모바일 기기를 연결하는 이동통신 네트워크가 바로 ‘NB-IoT NTN(협대역 사물 인터넷 비지상 네트워크)’다.

NB-IoT NTN은 NB-IoT (Narrow band Internet of Things – 협대역 사물인터넷) 표준을 NTN 서비스에 사용한다. NB-IoT는 LTE 표준에 기반하고 있으며, 대역폭이 많이 필요하지 않은 저속의 서비스를 제공하는 데 중점을 둔다. NB-IoT에서 좁은 대역폭을 사용하는 특징은 상대적으로 낮은 단말의 송신 출력으로도 먼 거리까지 도달이 가능하여 높은 궤도에 위치한 정지궤도 위성과 통신이 가능하도록 해준다.

또한 정지궤도 위성의 특성상 지상에 위치한 단말에서 위성이 항상 고정된 상공에 위치하므로, 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성에 비해 연결성이 보장되어 공공 안전 목적에 부합할 수 있다.

삼성전자 반도체는 NB-IoT 기반 위성통신 표준기술도 개발해 차세대 엑시노스 모뎀에 적용할 예정이다. 해당 기술이 적용된다면, 수신 감도 개선을 위한 무선통신용 고출력 안테나 칩이 없어도 위성 송수신 출력이 가능하기 때문에 모바일 제품의 디자인 제약을 줄일 수 있다.

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MAP 3. 로딩 없는 빠른 통신 속도, NR NTN

그렇다면, 정지궤도 위성이 아닌 저궤도 위성을 사용하는 이동통신 네트워크는 무엇일까? 바로 5G NR 기반 위성 데이터 서비스인 ‘NR NTN(NR 기반 비지상 네트워크)’이다. 정지궤도 위성보다 훨씬 낮은 고도에 위치한 저궤도 위성을 사용하기에 지연 시간이 짧고 고속 데이터 전송 속도를 경험할 수 있다. 인터넷 서핑과 실시간 스트리밍을 많이 이용한다면, NR NTN이 제격이다.

이처럼 NB-IoT NTN과 NR NTN은 각각 다른 서비스를 제공하기에 어떤 것이 더 좋은 기술이라 꼽기는 어렵다. 두 기술의 가장 큰 차이는 대역폭! NB-IoT NTN은 대역폭이 좁아 적은 양의 데이터 전송만 지원하지만, 고정 위성이 고궤도에 위치하여 통신하기 때문에 도달범위가 넓고 안정적인 특징이 있고, 5G NTN은 저궤도 이동 위성을 사용하기에 넓은 범위를 커버하기 위해서는 많은 수의 위성이 필요하지만, 광대역을 이용하기에, 웹 브라우징이나 실시간 영상 서비스가 가능한 특징이 있다.

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MAP 4. 주파수 오류를 최소화하는 법! 도플러 천이 보상

정지궤도 위성에 비해 비교적 낮은 고도에 위치한 저궤도 위성은 넓은 대역폭을 가지고 있어 5G 기반의 대용량 데이터를 주고받을 수 있지만 위성이 매우 빠른 속도 (시속 27,000Km 혹은 초속 7.5Km)로 이동한다. 이 과정에서 주파수 오류가 발생할 수 있는데 이를 ‘도플러 효과’라고 한다. 도플러 효과는 파동원(인공위성)과 관찰자(모바일 사용자)의 상대 속도에 따라 파장이 바뀌는 현상으로 송수신 주파수 차이로 인해 전송 속도가 저하되거나 오류가 증가할 가능성이 있다.

삼성전자 반도체는 이를 해결하고자, 인공위성이 이동하는 위치를 정확하게 예측함으로써 파장의 변이를 예측하고 보상함으로써 주파수 오류를 최소화하는 ‘도플러 천이 보상(Doppler Shift Compensation)’ 기술을 개발했다.

도플러 천이 보상 기술은 파동원과 관찰자 사이의 도플러 효과를 예측하고 계산하는 기술이다. 다시 말해, 단말기에서 위성 신호를 수신할 때는 도플러 효과를 빠른 시간 안에 찾아 초기 접속 시간을 단축할 수 있도록 하고, 신호를 전송할 때는 도플러 현상을 예측해 미리 보상 신호를 전송함으로써 왜곡을 최소화한다. 도플러 천이 보상 기술을 적용하게 되면, 사진과 영상과 같은 대용량 데이터의 안정적인 양방향 송수신이 가능하다.

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MAP 5. 만물인터넷 시대의 필수 네트워크 솔루션, NTN의 미래

이제는 단순히 사물 간의 연결을 넘어 만물이 인터넷에 연결되는 만물인터넷 시대다. 이러한 환경 속, 삼성전자 반도체는 미래를 선도하기 위해 향후 5GㆍNB-IoT NTN 기술이 적용된 엑시노스 모뎀을 지속 발전시켜 인공위성 기반의 5G 이동통신 상용화 시기를 앞당기는 한편, 6G를 기반으로 한 필수 통신 기술을 선제적으로 확보해 나갈 예정이다.

2023년 10월에 열린 테크 데이에서도 이러한 삼성전자 반도체의 목표를 엿볼 수 있었다. NB-IoT NTN과 NR NTN을 동시에 지원하는 단일 칩 솔루션을 개발했다고 밝힌 것. 이번 개발로 삼성전자 반도체의 비지상 네트워크 솔루션은 다양한 사용자 애플리케이션에 안정적인 서비스와 일관된 커버리지를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.  

무인도에서도 통신 두절 걱정 NO! 언제 어디서든 원활한 통신이 가능한 NTN에 대해 더 알아보고 싶다면 삼교시 탐구생활 ‘NTN’편을 참고해 보자.

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“오지에서도 5G 터진다”
삼성전자, 5G 기반 위성통신용 모뎀 국제표준기술 구현

지난 달 23일, 삼성전자 반도체는 모바일 기기와 인공위성을 연결하는 ‘5G 기반 비지상 네트워크(Non-Terrestrial Networks, 이하 NTN)’ 표준기술 구현 소식을 전해 세상을 깜짝 놀라게 했습니다. NTN은 지상 기지국이 아닌 인공위성과 직접 통신하는 기술로, 기존 지상 네트워크에서 발생했던 통신의 한계를 극복했다는 점이 가장 큰 특징입니다. 사막, 바다, 산 등과 같은 오지나 재난/재해 상황에서도 통신이 가능해 진 것이죠.

위성통신에 사용되는 인공위성은 고도에 따라 4G(LTE) 기반의 ‘정지궤도 위성’과 5G 기반의 ‘저궤도 위성‘이 있습니다. 고도 3만 6천km 대에 위치한 정지궤도 위성의 경우 고정 위성 기반으로 안정적으로 데이터를 주고받을 수 있지만, 좁은 대역폭으로 인해 대용량 데이터 전송은 어렵습니다.

비교적 낮은 고도의 저궤도 위성은 넓은 대역폭으로 5G 기반 대용량 데이터를 주고 받을 수 있는데요. 하지만 7.8km/s의 빠른 속도로 지구를 돌고 있어 주파수의 오류가 생깁니다. 이를 ‘도플러 효과’라고 하는데, 파동원(인공위성)과 관찰자(모바일 사용자)의 상대 속도에 따라 파장이 바뀌는 현상입니다.

삼성전자 반도체는 이를 해결하고자, 인공위성이 이동하는 위치를 정확하게 예측함으로써 파동을 동일하게 유지시켜 주파수 오류를 최소화하는 ‘도플러 천이 보상’ 기술을 개발했습니다.

또한, 3GPP(이동통신 표준화 기술협력기구) 최신 표준(릴리즈-17) 기술을 세계 최초로 구현했다는 것도 주목할 점입니다. 위성통신에 활용되는 핵심 모뎀 기술이기에, 표준 구현을 통해 시장에서 우위를 선점했다는 것이 큰 의미를 갖기 때문이죠.

실제 이 기술이 상용화된다면, 기지국과 멀리 떨어져 있는 곳에서도 사진, 영상 등 대용량 데이터의 양방향 송수신이 가능하게 되는데요. 기술을 개발한 주인공들을 만나 좀 더 자세한 이야기를 들어보았습니다.

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MISSION: 차세대 통신기술을 선점하라

“안녕하세요, S.LSI사업부 Modem개발팀 제희원, 김기일, 방종현, 그리고 CP S/W개발팀 정영훈 입니다. 3GPP 표준 기반 5G NTN 위성통신 기술은 네트워크 사업자, 위성사업자, 위성 발사 관련 업체 등 다양한 분야에서 시장 선점을 위해 노력하고 있는데요. Fast follower가 아닌 frontier로써 삼성전자 반도체가 도전하고 있다는 것에 자부심을 느끼고 있습니다.”

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불가능의 영역? 아직 발견하지 못했을 뿐!

“5G NTN의 가장 큰 어려움은 도플러 효과로 인한 신호 품질 저하였습니다. 빠른 속도로 지구를 돌고 있는 저궤도 위성과 지표면의 단말기 간 상대속도 때문에, 파장이 계속 바뀌고 이에 따라 오류가 생기는 것인데요. 저희는 여러 통신 프로토콜 및 알고리즘 개선을 통해 이를 해결하고자 했습니다. 그리고 ‘도플러 천이 보상‘ 기술이 개발되었죠.”

“도플러 천이 보상 기술은 단말기에서 위성 신호를 수신할 때에는 도플러 효과를 빠른 시간 안에 찾아 초기 접속 시간을 단축할 수 있도록 하고, 단말기에서 위성에 신호를 전송할 때에는 도플러 현상을 예측해 미리 보상 신호를 전송함으로써 왜곡을 최소화해주는 기술입니다. 5G NTN 기술은 엑시노스 모뎀 5300에 적용해 검증까지 마치며 표준 구현에 성공했는데요. 5G NTN에 이어 NB IoT NTN 표준기술도 구현해 나갈 계획입니다.”

“앞서 5G NTN은 저궤도 위성과의 통신이라고 말씀드렸는데요. NB-IoT NTN은 보다 높은 고도에 위치한 4G 기반의 정지궤도 위성과의 통신입니다.”

“두 기술의 가장 큰 차이점은 ‘대역폭’인데요. 5G NTN은 광대역을 이용하기에, 추후 웹 브라우징이나 실시간 영상서비스가 가능할 것으로 기대됩니다. NB IoT NTN은 대역폭이 좁아 낮은 데이터 전송만 지원하지만, 고정 위성과 통신하기 때문에 도달범위가 넓고 안정적인 특징이 있고요.”

“각각 타깃으로 하는 서비스가 다르기 때문에 둘 다 필요한 기술인데요. 서로 공존하면서 세계적으로 다양한 통신 서비스를 제공할 수 있도록 노력할 예정입니다. 얼마 전, 스페인에서 열린 ‘MWC 2023’에서 NTN 기술 시연을 진행했는데, 아주 핫한 반응을 얻기도 했죠.”

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표준=글로벌 기술진보

“최근 위성 통신 시장이 급변하고 있는데요. 현재는 여러 기술들이 경쟁하고 있지만, 결국 표준 기반의 통신 기술이 주도권을 가질 것으로 예측됩니다. 우리는 그 시장을 리드할 수 있는 가능성을 갖게 된 것이고요.”

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“이번 개발은 ‘협력’ 그 자체였죠”

세상엔 없던 기술로 새로운 시장을 만든 자랑스러운 주인공들. ‘이것‘이 없었다면 불가능했다고 입을 모아 말했습니다.

“5G NTN 기술은 Modem개발팀, CP SW개발팀, RF개발팀, 기획팀, 상품기획팀, 마케팅팀 등 S.LSI사업부 전체가 협력해서 얻은 결과이기에 더 값지게 느껴집니다. 특히, 위성통신 사업은 처음 도전해보는 분야라 내부 협력뿐만 아니라 외부 위성사업자, 위성 발사 업체, 장비사 등 정말 많은 분들의 도움도 필요했는데요. 이 자리를 빌려 개발에 함께 힘써준 모든 분들께 감사 인사를 전하고 싶어요.”

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World best & World first를 향해

앞으로 삼성전자 반도체가 개척해 나갈 위성통신 시장이 기대가 되는데요. 마지막으로, 개발진들이 전하고 싶은 메시지가 있다고 합니다.

“그동안 다양한 글로벌 기업에서 통신 음영지역에 무선 통신 서비스를 제공하려는 시도가 지속적으로 있었지만 다소 제한된 범위의 메시지나 긴급 구조 서비스 정도에 그쳤습니다. 삼성전자 반도체는 이에서 더 나아가고자 표준기술 기반의 더 넓은 대역폭을 활용한 서비스, 즉 5G NTN 표준에 대한 비전을 갖고 실제 개발까지 해낼 수 있게 되었습니다.”

표준 기반 기술을 구현한 만큼 개발진들은 이제부터가 진짜 시작이라고 말합니다. 2G부터 5G 시대까지 국내에서 세계로, 모뎀 개발의 최전선에서 쉼 없이 달려온 삼성전자 반도체의 기술이 지구를 넘어 우주에서도 빛을 펼칠 수 있도록 많은 응원과 관심 부탁드립니다.

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