우주를 연결하는 한 줄기 빛, 레이저 통신 기술과 ISL

트럼프 2기 정부가 시작되면서 화성에 인류의 발자취를 남기겠다는 목표가 구체화될 것으로 전망된다. 화성을 인류의 두 번째 삶의 터전으로 삼겠다는 이야기도 이제는 현실이 되어가고 있다. 이를 위해 테라포밍 등 다양한 이야기가 나오고 있지만 지구와 화성을 연결하는 그 첫 번째는 바로 인터넷 인프라의 구축일 것으로 생각된다. 과연 우리는 지상의 인터넷을 4억km나 떨어진 화성까지 확장할 수 있을까? 심우주 공간에 인터넷망을 구축하기 위해서는 가장 먼저 거리의 한계를 극복해야 할 것이다. 태양의 눈 부신 햇살을 생각해 보자. 저 먼 우주에 존재하는 태양에서부터 방출된 빛은 지구에까지 도달하여 빛과 열을 제공한다. 이러한 빛은 파장과 주파수에 따라 자외선, 가시광선, 적외선으로 구분된다. 사람의 시각 시스템은 파장 범위가 380nm(나노미터)에서 750nm 사이의 빛만 감지할 수 있다. 이 나노미터는 1억분의 1미터 길이에 해당하며, 이는 우리 눈으로 ‘빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보’의 색으로 구분될 수 있는 가시광선을 말한다. 이와 반대로 자외선이나 적외선은 우리 눈으로 볼 수 없는 빛이다. 이 빛은 넓은 의미에서 모든 영역의 전자기파를 의미하기도 한다. 그렇다면 현재 우리가 전파를 사용하여 데이터를 주고받을 수 있는 것처럼, 빛의 이러한 성질을 이용하여 우리가 데이터를 송신할 수는 없을까? 이러한 질문에 기반하여 개발된 기술이 바로 ‘광통신’ 이다. 광통신이란 빛을 이용해 데이터를 먼 거리로 전달하는 통신 방법을 말하며, 빛으로 1과 0을 표현하여 정보를 멀리 전달하는 원리이다. 예를 들어, 빛을 켜고 꺼서 1과 0을 표현한다면 이를 수신 단에서 감지할 수 있을 것이다. 광통신을 위해서는 빛을 방출하는 광원이 필요한데, 통상적으로 두 가지 형태의 반도체 소자를 활용한다. 하나는 LED(Light Emitting Diode: LED) 소자 이고, 또 다른 소자는 레이저(Laser) 이다. 두 소자의 가장 큰 차이는 파장의 수에 있다. 레이저는 단일의 파장을 갖는 빛을 생성하고, LED는 여러 파장이 섞인 빛을 생성한다. 예를 들어, 흰색 LED 조명의 경우 LED 소자에 의해 여러 다른 색의 빛이 섞여 흰색의 빛이 만들어진 것이다. 한편, 우리가 특정 지점을 지시할 때 사용하는 레이저 포인터를 한번 생각해 보자. ‘빔’이라고 부르는 레이저 빛은 매우 좁은 각도로 방출되기 때문에 특정 지점을 명확히 가리킬 수 있다. 이때 레이저 포인터의 빛은 단일 파장이므로 빛이 분산되지 않고, 빛의 손실을 줄이며 원거리까지도 전달이 가능하다. 또한, 다른 파장을 갖는 신호들을 동시에 전송하더라도 서로 간섭이 생기지 않기 때문에 고속으로 여러 데이터를 전송하는 것도 가능하다. 레이저의 이러한 특성을 이용하는 광통신 방식을 ‘레이저 통신’이라고 한다. 원거리에 여러 데이터를 송신할 수 있다는 점에서 레이저 통신은 심우주 인터넷 네트워크 구축에 필요한 기술임이 틀림없다. 이 레이저 통신을 원활히 진행하기 위해서는 송수기와 수신기 사이에 가로막는 장애물이 없이 직선 경로가 보장되어야 한다. 다만, 레이저 역시 빛이기 때문에 비, 안개, 먼지, 대기 난류 등이 존재하는 지상에서는 빛이 산란하거나 또는 흡수를 겪게 되면서 신호 세기가 줄어들게 된다. 이러한 한계로 인해 통신 거리와 품질이 크게 저하되어, 지상에서의 장거리 통신에 레이저 통신 방법은 적합하지 않다. 하지만 진공 상태인 우주공간에서는 얘기가 달라진다. 진공 상태에서는 빛의 산란과 흡수가 거의 없어 레이저 빔이 넓게 퍼지지 않기 때문에 손실 없이 긴 거리에 걸쳐 전송이 가능하다. 수억에서 수 십억km에 이르는 거리까지 레이저에 의해 통신이 가능한데, 이미 38만km나 되는 지구-달과의 거리까지 안정적으로 통신이 가능하고, 최대 4억km나 되는 지구-화성 거리까지 데이터 전송을 성공한 사례도 있다. 전송 속도는 거리와 직접적인 관계는 없으나, 거리 증가에 따라 신호 감쇠, 잡음, 빔 확산이 전송 속도에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 장애 요소가 없으니, 레이저 통신은 우주에서 가장 빛을 발하는 통신 방법이라 말할 수 있겠다. 실제로 레이저 통신은 지구-달 간의 통신에서 수백Mbps, 지구-화성 간의 통신에서 100Mbps 이상의 속도로 데이터를 전송할 수 있었다. 송수기와 수신기 사이에 가로막는 장애물이 없이 직선 경로가 보장되는 것을 전제로 기술이 지속 발전한다면 수억 km 거리에 해당하는 심우주 통신에도 수십Mbps 급의 속도로 데이터 전송이 가능할 것으로 예상된다. 레이저 통신의 기술적 유용성과 필요성에 대해서 가장 잘 드러나는 사례가 바로 ‘스타링크’ 다. 최근 스타링크의 상용화가 가속화되며, 스타링크의 위성간통신이 요구되고 있다. 지상에서 340km~1,200km 상공에 올려진 수천 개의 군집 위성들은 지구의 자전 속도보다 빠른 속도로 공전을 하고 있으며, 지상의 사용자 단말은 가시권에 있는 다수의 저궤도 위성을 통해 네트워크에 연결된다. 위성에서 수신된 신호는 다시 지상의 관문국(gateway)을 거쳐 지상 네트워크에 접속되는데, 사용자 신호가 위성을 통해 지상망으로 접속하기 위해서는 위성의 가시권 내에 적어도 하나의 지상국이 필요하다. 만약 다수의 위성을 통해 지구 반대편에 있는 네트워크에 접속한다고 가정하면, 사용자 단말-위성-지상국으로 이어지는 연결이 반복되어야 할 것이다. 이 과정에서 장거리 접속을 위해 다수의 지상국에 의존해야 한다면 엄청난 지연이 발생할 것이고, 매우 많은 수의 지상국 설치와 운용이 필요하니 천문학적인 비용이 요구될 것이다. 이러한 문제를 해결할 방안 중 하나가 바로 우주 공간의 위성끼리 상호 접속이 가능하게 하여, 인터넷망을 구축하는 것이다. 인접한 위성간 연결이 가능하다면, 굳이 지상국을 거치지 않아도 지구 반대편의 지상망에 접속할 수 있으니 더욱 효율적일 것이다. 이때 필수적인 기술이 바로 위성 간을 연결하는 링크 ‘ISL(Inter-Satellite Link)’ 인데 이는 레이저 통신에 의해 구현된다. 사용자의 초고속 인터넷 접속으로 발생하는 엄청난 양의 데이터들이 ISL을 통해 전달되기 위해서 멀리 떨어진 위성간 빠른 데이터 전송 속도가 요구되며, 레이저 통신은 이러한 요구사항을 충족한다. 스타링크의 경우에는 5,400km 거리까지 200Gbps의 속도로 전송이 가능하다고 한다. 이는 5G 이동통신망의 최대 전송속도보다 100배 빠른 것 이다. 이렇게 빠른 위성간의 통신 링크로 인해 적은 수의 지상국으로도 전 세계 어디에서나 지상망과 접속할 수 있는 것이다. 저궤도 위성통신망에서 이와 같은 ISL은 전에도 사용되었으나, 전통적으로는 전파 통신 기술이 이용되었다. 이러한 기술은 레이저 통신에 비해 속도가 매우 느리기 때문에 우주 공간에서 처리할 수 있는 데이터의 양은 매우 제한적이었고, 이로 인해 저궤도 위성망 용량에 한계가 있었다. 하지만, 레이저 통신 기술의 발전으로 우리는 대용량 인터넷망을 우주공간에 실현할 수 있게 되었고, 어디에서든 위성을 통해 초고속 인터넷이 가능할 것으로 전망된다. 저궤도 위성통신망 구축은 빠른 송신 속도 외에도 다양한 장점을 가진다. 특히 레이저 통신 시스템의 특성상 전파 통신 장치에 비해 안테나 크기가 작고 가볍다. 이 덕에 위성의 무게를 줄일 수 있기 때문에 더 많은 장비 탑재는 물론, 발사 비용 절감이 가능하다. 이 과정에서 통신 거리를 늘리기 위한 고출력 레이저 송수신기, 전송할 때 레이저 빔의 초점을 맞추고 수신 신호를 효율적으로 수집하기 위한 광학 망원경, 그리고 거리가 멀어질수록 레이저 빔이 넓게 퍼지므로 송수기와 수신기의 방향이 잘 정렬되도록 하는 ‘PAT’ 기술이 요구된다. PAT란 Pointing(지향), Acquisition(탐색), Tracking(추적)의 약자 로, 레이저 통신은 전파 통신과 달리 매우 좁은 빔을 사용하기 때문에 송신 위성과 수신 위성 간 정확하고 안정적인 빔 정렬이 보장되어야 한다. PAT 기술은 이를 보조하여 신뢰도 높은 통신을 구현하는 기술이다. 빔 정렬에서 작은 오차라도 발생하면 신호가 수신기에서 벗어나 통신이 실패할 수 있기 때문에 정밀한 PAT 기술은 레이저 통신에서 필수적이다. 이 PAT 시스템은 마치 스마트폰으로 영상을 찍을 때, 손 떨림과 움직임을 보정해주는 ‘짐벌’이라는 장치와 같은 역할을 한다. 움직임을 감지하여 3개 축을 중심으로 다양한 각도로 기기를 회전해서 위치를 보면서 안정을 유지하는 것이다. 그러나 항공기의 10배 정도 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성의 경우, PAT 시스템이 움직임을 실시간으로 따라가는 것이 매우 어렵다. 특히, 위성 간의 상대적인 거리 변화, 회전 및 자세 제어, 그리고 진동과 환경 변화 등에 의해 송수신기의 방향이 지속적으로 바뀌게 되고, 이에 즉각적으로 대응할 수 있어야 한다. 이런 문제들을 극복해야만 높은 데이터 전송 속도로 안정적인 위성간통신이 가능해지니, 정밀한 PAT 시스템 구현 가능성 여부는 저궤도 위성망 구축에서 큰 경쟁력이 될 것으로 생각된다. 저궤도 위성통신망들간의 레이저 통신을 위한 최고 수준의 PAT 기술은 현재 ‘스페이스엑스’를 포함한 해외 기업 다수가 보유하고 있다. 스페이스엑스는 2021년 초, ISL 기술을 탑재한 첫 스타링크 위성을 발사했고 수천km에 걸쳐 수 초당 기가비트(Gbps) 수준의 속도를 구현한 것으로 추정된다. 이를 통해 스페이스엑스는 저궤도 위성 통신망 구축에 있어 선도적 위치를 차지하였으며, 전 세계 어디서든 고속 인터넷 서비스를 제공하는 데에 기여하게 된 것이다. 국내에서도 이러한 핵심 기술을 ‘한화시스템’이 확보한 것으로 알려져 있다. 한화시스템은 40년에 걸쳐 레이저 통신 기술을 축적해 왔고, 최근 1Gbps급 전송 속도의 인터넷 원거리 접속 시연에 성공한 바가 있다. 초정밀 PAT 기술과 더불어 레이저의 출력을 높이는 증폭 기술, 그리고 송수신 기술을 모두 확보하고, 국내 최초로 초고속 레이저 통신 장비 시제품 개발에 성공한 것이다. 해당 기술은 추진될 국내의 6G 위성망 구축 사업에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 전 세계가 우주를 두고 경쟁하는 지금, 국내 독자 기술을 활용하여 경쟁력을 확보하고 우주 선진국으로 도약할 수 있기를 기대해 본다.