레이저가 무선 통신을 대체할 수 있을까 Companies Hope Lasers Can Replace Radio for Space-to-Ground Comms

Companies Hope Lasers Can Replace Radio for Space-to-Ground Comms

Getting optical signals through the atmosphere could remain a challenge

For decades, satellites have been beaming data from Earth to space and back via radio waves. But with the growing number of spacecraft in orbit and the increasing quantities of data beaming back to Earth, radio spectrum is hitting its physical limits. For about a decade, companies and research institutions have been working on higher-bandwidth, optical technologies that would remove current data transmission bottlenecks. Perhaps the most ambitious among those companies is Singapore-based deep-tech start-up Transcelestial, which has been testing its commercial-grade Earth-to-space laser communication terminal in trials in space in the past few weeks.

https://spectrum.ieee.org/satellite-communication-laser-radio-transcelestial

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기업들은 레이저가 우주-지상 통신에서 무선 통신을 대체할 수 있기를 기대하고 있다.

대기를 통과하여 광학 신호를 전송하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있을 수 있습니다.

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수십 년 동안 인공위성은 전파를 통해 지구와 우주 간 데이터를 주고받아 왔습니다 . 하지만 궤도에 있는 우주선의 수가 늘어나고 지구 로 전송되는 데이터 양도 증가함에 따라 전파 대역폭은 물리적 한계에 도달하고 있습니다. 약 10년 전부터 기업과 연구 기관들은 현재의 데이터 전송 병목 현상을 해소할 수 있는 고대역폭 광학 기술 개발에 매진해 왔습니다 . 그중에서도 가장 야심찬 기업은 싱가포르에 본사를 둔 첨단 기술 스타트업 트랜스셀레스티얼(Transcelestial)로, 최근 몇 주 동안 우주에서 상용급 지구-우주 레이저 통신 단말기 시험을 진행해 왔습니다.

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지상 간 인터넷 전송 레이저 단말기를 수백 대 판매한 이 회사는 지난해 11월 영국에 본사를 둔 오픈 코스모스가 개발한 6G스타랩 위성에 실린 시연용 탑재체를 우주로 발사했으며, 올해 하반기에도 추가 위성 발사를 계획하고 있습니다. 트랜스셀레스티얼 은 이 위성들이 향후 구축될 위성군의 핵심 기반이 되어, 2020년대 말까지 전 세계 인터넷 미가입 지역에 광섬유급 연결성을 제공할 것이라고 밝혔습니다.

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다른 회사들도 위성 간 데이터 전송에 레이저 단말기를 사용해 왔습니다. 스페이스X의 스타링크는 2021년부터 우주 간 레이저 단말기를 활용하여 지상국 없이도 실시간으로 방대한 양의 데이터를 우주를 통해 전송할 수 있는 궤도 네트워크를 구축했습니다 . 하지만 이 위성군은 지구 사용자에게 연결을 제공하기 위해 여전히 기존의 전파를 사용해야 하므로, 전체 네트워크를 통해 동시에 전송할 수 있는 데이터 양에는 한계가 있습니다.

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하지만 레이저를 이용해 지구로 데이터를 전송하는 방식에는 지금까지 해결하기 어려웠던 여러 가지 난제가 있습니다. 그러나 트랜스셀레스티얼을 비롯한 여러 회사는 마침내 이 문제를 해결했다고 믿고 있습니다.

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고속 레이저 인터넷 기술

레이저 광은 전파보다 높은 주파수로 전송되므로 훨씬 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. SpaceX의 스타링크 위성군은 최대 사용자 대역폭이 초당 200메가비트(Mbps)에 불과하지만, 특정 지역의 사용자 수가 증가함에 따라 대역폭이 희석됩니다. 이에 비해 트랜스셀레스티얼의 시험 위성은 최대 초당 1기가비트(Gbps)의 속도로 지구에 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 회사의 향후 위성들은 최대 10Gbps의 훨씬 더 높은 대역폭을 제공할 것입니다. 트랜스셀레스티얼의 CEO이자 공동 창립자인 로히트 자는 미래에는 모든 위성이 지구에 100Gbps 이상의 데이터를 전송할 수 있을 것으로 예상합니다.

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"광학 시스템의 확장은 사실 상당히 쉽습니다."라고 Jha는 말합니다. "궁극적으로 위성에 단말기를 더 많이 설치하는 것만으로도 초당 100Gbps의 속도를 제공할 수 있습니다. 마치 우주에서 해저 케이블을 연결하는 것과 같을 것입니다 ."

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트랜스셀레스티얼의 공동 창립자이자 최고 기술 책임자인 모하마드 다네 쉬는 지구와 우주 간 레이저 데이터 전송 실험이 이전에도 진행되었지만, 수백만 달러에 달하는 맞춤형 과학 등급 장비가 필요했다고 말합니다 . 2023년 NASA는 지상국과 저궤도에 있는 NASA의 패스파인더 기술 실증 위성 3호 간에 200Gbps의 기록적인 레이저 링크를 시험했습니다 . 같은 해 중국 과학원은 저궤도와 지상 간 10Gbps 레이저 연결을 이용한 보다 소규모의 실증 실험을 수행했습니다.

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Transcelestial은 수년간 지구상의 접근하기 어려운 지역에 인터넷을 제공하기 위한 지점 간 레이저 통신 시스템을 개발하면서 축적해 온 공급망 관리 및 제조 경험을 결합하여 비용을 절감함으로써 해당 기술을 주류로 만들 수 있다고 믿습니다.

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다네쉬는 "가장 큰 과제는 안정적이고 확장 가능한 광 지상국 네트워크를 구축하는 것"이라며, "현재 사람들이 구축하고 있는 광 지상국은 수백만 달러가 소요되는데, 이는 확장성이 떨어집니다. 전 세계에 수십 개씩 설치할 수 있도록 상업적인 가격으로 대량 생산이 가능해야 합니다. 이것이 바로 우리가 추구하는 접근 방식입니다."라고 말했습니다.

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다네쉬는 또한 여러 지상국이 전 세계에 대체 다운링크 및 업링크 위치를 제공함으로써 레이저 광선이 구름을 통과하는 데 어려움을 극복하는 데 도움이 될 것이라고 덧붙였습니다.

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다네쉬는 "만약 A 지점이 흐리거나 비가 오거나 어떤 이유로든 제대로 작동하지 않으면, 정보를 전송하여 데이터를 다운로드할 수 있는 다른 지점을 찾습니다."라고 말합니다. "이는 우주 공간에서 획기적인 기술이 될 것입니다. 무선 주파수(RF)를 사용하더라도 이러한 기능은 아직 완벽하게 구현되지 않았고, 데이터에 접근하는 데 며칠이 걸리는 경우도 있기 때문입니다."

우주 공간에서의 안전한 레이저 통신

트랜스셀레스티얼은 우주용 레이저 통신 기술을 개발하는 여러 회사 중 하나입니다. 레이저는 전파에 비해 대역폭이 훨씬 넓을 뿐만 아니라, 신호가 훨씬 좁고 집중되어 있습니다. 이는 레이저가 전파 방해 및 도청에 훨씬 더 강하다는 것을 의미합니다. 이러한 내재적인 보안성은 우크라이나 전쟁 이후 무선 주파수 통신이 전파 방해 및 스푸핑에 취약하다는 사실이 드러나 면서 더욱 중요해졌습니다 .

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" 레이저 통신 의 경우 , 통신 빔을 방해하려면 말 그대로 통신 빔의 가시선 안에 있어야 합니다."라고 아스트로라이트 의 CEO인 라우리나스 마치울 리스는 말합니다 . "실제로 매우 어렵습니다."

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리투아니아에 본사를 둔 아스트로라이트(Astrolight)는 우주-지상 레이저 통신 단말기를 개발했으며, 이 단말기를 그리스 아테네 국립 카포디스트리아 대학교 와 테살로니키 아리스토텔레스 대학교 가 개발한 소형 위성 두 대 에 탑재하여 이달 말 우주로 발사할 계획입니다 . 이 회사의 목표는 트랜스셀레스티얼(Transcelestial)보다 다소 소박한데, 지구 관측 위성 운영자들이 데이터를 더 빠르게 전송할 수 있도록 하고, 추가적인 보안이 필요한 사용자들에게 백업 통신을 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

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이 회사는 앞서 NATO의 REPMUS 및 DiBax 훈련 의 일환으로 해상에서 두 척의 함선 간, 그리고 두 지상 기지 간에 데이터를 전송하기 위한 보안 레이저 통신 링크를 테스트했습니다 . 두 경우 모두 단말기는 테스트를 훌륭하게 통과했으며, 2주 동안 비와 안개가 낀 날씨에도 24시간 내내 안정적인 고대역폭 통신을 제공했습니다.

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언론 보도 에 따르면 , 스페이스X의 CEO 일론 머스크는 인구 밀집 지역에서 스타링크 사용자들을 괴롭히는 대역폭 병목 현상을 극복하기 위해 지상-우주 레이저 통신 기술을 검토 중이라고 시사했습니다.

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장갑을 낀 손이 은색 큐브를 들고 있는 클로즈업 사진입니다. 큐브 앞면에는 각각 다른 두 개의 레이저 렌즈가 장착되어 있습니다. 트랜스 셀레스티얼은 자사의 레이저 통신 단말기 데모 버전을 6G 스타랩 미션에 탑재하여 우주로 발사했습니다.

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자하는 레이저 통신이 미래의 통신 기술이 될 것이라고 생각합니다. 초기 가격은 더 높지만, 이 기술은 무선 주파수 시스템에 비해 전송 비트당 비용을 몇 배나 낮출 수 있기 때문입니다. 그는 트랜스셀레스티얼이 스타링크를 뛰어넘어, 스타링크가 1만 개 이상의 위성을 사용하는 것과 달리 단 40개의 위성으로 적도 지역(전 세계에서 인터넷 연결이 가장 취약한 수십억 명의 사람들이 거주하는 지역)에 광섬유급 연결을 제공할 수 있을 것이라고 믿습니다.

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스타링크처럼 지구상의 개별 사용자에게 직접 인터넷을 전송하는 대신, 트랜스셀레스티얼은 수십에서 수백 기가비트의 대역폭을 지역 통신 회사에 제공하고, 이 회사들이 지상 기반 시설을 통해 사용자에게 연결성을 제공하는 방식을 구상하고 있습니다. 미래에는 궤도 레이저가 해저 케이블까지 대체하여 적대 세력이나 자연재해로 인한 장애 발생 가능성이 낮은, 더 저렴하고 안정적인 서비스를 제공할 수 있을 것이라고 자하는 전망합니다.

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독일에 본사를 둔 레이저 통신 개발업체 마이나릭 의 최고 기술 책임자인 요아힘 호르바트는 대기 간섭으로 인한 어려움이 일부 사람들이 생각하는 것보다 극복하기 더 어려울 수 있다고 경고합니다.

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"레이저 통신은 특히 매우 높은 데이터 처리량, 내재된 보안성, 그리고 부족한 RF 스펙트럼에 의존하지 않고 기술을 배포할 수 있다는 점에서 우주-지상 링크에 분명한 이점을 제공합니다."라고 호르와스는 말합니다. "하지만 대기 조건은 여전히 중요한 기술적 과제입니다. 구름, 난류, 그리고 날씨 변화는 광 링크 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 시스템은 신뢰성을 보장하기 위해 사이트 다중화 또는 하이브리드 아키텍처와 같은 전략이 필요합니다. 이러한 이유로 레이저 통신이 RF를 완전히 대체할 것으로는 예상하지 않습니다."

https://spectrum.ieee.org/satellite-communication-laser-radio-transcelestial