전파 방향 어긋나는 '빔 스퀸트'를 무지개처럼 분산해서비스 지역 동시에 커버하며 6G 핵심 기술로 떠올라美프린스턴대 빈센트 푸어 교수와 공동 연구IEEE 발행 국제학술지 '트랜잭션스 온 와이어리스 커뮤니케이션스'에 게재
  • ▲ 연구진. 왼쪽부터 고려대 전기전자공학부 박주하 석사과정, 김석호 석사과정(이상 공동 제1저자), 고려대 전기전자공학부 신원재 교수, 프린스턴대학교 전기컴퓨터공학과 빈센트 푸어 교수(이상 공동 교신저자).ⓒ고려대
    ▲ 연구진. 왼쪽부터 고려대 전기전자공학부 박주하 석사과정, 김석호 석사과정(이상 공동 제1저자), 고려대 전기전자공학부 신원재 교수, 프린스턴대학교 전기컴퓨터공학과 빈센트 푸어 교수(이상 공동 교신저자).ⓒ고려대
    고려대학교는 전기전자공학부 신원재 교수 연구팀이 6세대 이동통신(6G)의 핵심 기술로 꼽히는 저궤도(LEO) 위성통신 성능을 획기적으로 향상하는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

    연구팀은 주파수에 따라 전파(빔) 방향이 어긋나는 현상을 보정하는 대신 적극 활용하는 역발상으로 통신 성능을 개선했다.

    이번 연구는 미국 프린스턴대 빈센트 푸어(H. Vincent Poor) 교수와 공동으로 진행했다.

    미국 우주기업 스페이스엑스(X)의 위성 인터넷 서비스인 스타링크는 내년부터 위성-스마트폰 직접 연결(Direct-to-Cell, D2C) 서비스를 본격 확산할 것으로 알려졌다. 현재 D2C 서비스는 미국, 영국 등 몇몇 국가에서 4G 무선통신기술(LTE) 기반으로 문자메시지(SMS) 전송 등에 제한적으로 이뤄지고 있다.

    D2C 서비스는 LEO 위성통신을 활용한다. 고도 3만6000㎞쯤에 떠 있는 정지궤도(GEO)보다 지표면에서 비교적 가까운 고도 300~2000㎞에 위성을 띄워 통신하는 기술이다. 기지국을 세우기 어려운 지역에서도 인터넷을 사용할 수 있다. 지구 어디서나 초고속·초저지연 통신을 가능케 하는 6G 구현의 핵심 기술이다.

    그러나 전파 경로 손실이 GEO 위성보다 작다고는 해도 여전히 큰 데다 위성은 크기와 전력 공급이 제한적이다.
  • ▲ 3차원 레인보우 빔포밍의 위성 시스템에서의 장점과 기존 빔포밍 대비 차별점을 나타낸 그림.ⓒ고려대
    ▲ 3차원 레인보우 빔포밍의 위성 시스템에서의 장점과 기존 빔포밍 대비 차별점을 나타낸 그림.ⓒ고려대
    연구팀은 통신 성능 향상을 위해 기존 ‘빔 호핑(Beam Hopping)’을 대체할 ‘3차원 레인보우 빔포밍(3D Rainbow Beamforming)’ 기술을 개발했다. 쉽게 말하면 한 번에 한 지역씩 차례대로 신호를 보내던 방식 대신 동시에 여러 지역으로 신호를 퍼뜨리는 방식을 개발했다는 얘기다.

    위성은 전파(빔)를 쏴서 인터넷 신호를 보낸다. LEO 위성은 전력과 자원이 제한돼 있어 여러 지역을 동시에 커버하지 못하고 차례로 빔을 이동시킨다. 이걸 빔 호핑이라고 한다. 사용자가 많아지면 병목이 발생해 통신이 지연되는 한계가 있다.

    설상가상 주파수에 따라 빔 방향이 조금씩 어긋나는 ‘빔 스퀸트’ 현상까지 발생하면서 신호를 정확하게 보내지 못하게 되고, 이는 성능 저하로 이어졌다. 저주파는 애초 보내려던 방향에서 왼쪽, 고주파는 오른쪽으로 어긋나는 식이다.

    연구팀은 역발상으로 빔 스퀸트를 적극 활용해 문제를 해결했다. 빛이 프리즘을 통과하며 무지개가 펼쳐지듯, 서로 다른 주파수 대역의 전파 신호를 동시에 서비스 지역 전반으로 보내는 방식을 고안했다. 원래는 물줄기(전파)가 하나의 화분(지역)에 떨어지고 다음 화분으로 옮겨가는 방식이었는데, 물줄기가 옆으로 퍼지면서 효율이 떨어지자 오히려 이런 현상을 이용해 여러 개의 화분에 동시에 물을 주는 발상을 한 것.

    연구팀이 제안한 방식은 지상에서 위성으로 빔을 쏘는 ‘상향링크’ 성능 저하 문제도 해결했다. LEO 위성은 1초에 수 ㎞를 빠르게 이동하기 때문에 안테나 방향이 조금만 틀어져도 신호 세기가 감소하고 데이터 손실이 발생할 수 있다. 하지만 3D 레인보우 빔포밍은 더 넓은 영역을 동시에 커버할 수 있어 이런 문제를 해결할 수 있다.

    연구팀은 최적화 알고리즘을 통해 빔포밍 구조를 설계하고 실제 위성 환경을 반영해 시뮬레이션한 결과, 상향링크 전송률이 기존 빔 호핑 방식보다 최대 2.8배 향상된 것을 확인했다.

    신원재 교수는 “이번 연구는 성능 저하 요인으로 여겨졌던 빔 스퀸트 현상을 새로운 자원으로 활용했다는 점에서 의미가 크다”며 “제한된 하드웨어 자원으로 고효율 통신을 구현할 수 있는 방향을 제시했다. 특히 6G 위성-단말 직접 통신 분야에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

    이번 연구 성과는 국제전기전자학회(IEEE)가 발행하는 전기·전자공학과 정보통신 분야 국제학술지 ‘트랜잭션스 온 와이어리스 커뮤니케이션스(IEEE Transactions on Wireless Communications·무선통신 논문지)’에 지난달 28일 온라인 게재됐다. 고려대 전기전자공학부 박주하·김석호 석사과정이 공동 제1저자, 고려대 신원재 교수와 프린스턴대 빈센트 푸어 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

    이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받았다.

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    ▲ ⓒ고려대