위성통신에서 영향을 미치는 전파 특성 및 기타 항목

출처: 작가 macrovector</a> 출처 Freepik

위성통신에서 영향을 미치는 전파 특성 

위성과 지구와의 통신을 생각할 때 고려해야 하는 사항들이 여러 가지가 있습니다. 특히 지구상에 존재하는 대기 상태에 따른 전파의 산란과 회절, 또 기지국의 위치에 따른 상황들도 고려해야 합니다. 위성통신에 고려해야 할 전파 특성은 다음과 같이 간략하게 요약을 해보겠습니다.

 

1. 주파수 선택과 전파 산란

위성 통신에서 주파수 선택은 매우 중요합니다. 예를 들어, Ku 밴드(12-18 GHz)나 Ka 밴드(26.5-40 GHz)는 고주파수 대역으로, 이를 사용하면 매우 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있지만, 이들은 대기 중의 물 분자와 상호작용하여 전파 산란을 야기할 수 있습니다. 이러한 산란은 특히 강우 시에 심해져서 '비 페이딩'이라는 현상을 초래하며, 이로 인해 통신 품질이 저하될 수 있습니다. '비 페이딩'이란 위성 통신에서 주요한 문제 중 하나로, 강한 비나 눈이 오는 상황에서 발생하는 통신 손실을 의미합니다. 이 현상은 주로 고주파수 대역(예: Ku 밴드, Ka 밴드)에서 발생합니다. 비나 눈은 전파의 경로 상에서 물 분자를 증가시키며, 이 물 분자가 전파와 상호작용하여 전파를 산란시키고 흡수합니다. 이로 인해 신호 강도가 감소하며, 이를 '비 페이딩'이라고 합니다.  비 페이딩은 통신 품질을 저하시키며, 심한 경우에는 통신을 완전히 끊어버릴 수도 있습니다. 따라서, 비 페이딩을 최소화하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있습니다. 이러한 기술에는 신호 강도를 증가시키거나, 다른 주파수 대역을 사용하거나, 또는 통신 경로를 다른 방향으로 변경하는 등의 방법이 포함됩니다.

2. 전파의 회절과 지구의 곡률

 전파의 회절은 지구의 곡률 때문에 위성 통신에 중요한 역할을 합니다. 이는 지구의 곡률로 인해 수신 신호 강도가 약화되는 현상을 의미합니다. 예를 들어, 지구에서 36,000km 떨어진 고도 지구 동기 궤도(GEO)의 위성을 사용할 때, 이러한 회절 손실을 고려해야 합니다. 전파의 회절: 회절은 전파가 장애물이나 경계를 우회하는 현상을 말합니다. 이는 전파의 파장이 장애물의 크기와 비슷하거나 더 클 때 발생하며, 이로 인해 전파는 예상치 못한 방향으로 퍼져나갈 수 있습니다. 위성 통신에서 회절은 주로 지구의 곡률 때문에 발생하며, 이는 수신 신호 강도에 영향을 미칩니다. 즉, 회절에 의해 수신 신호 강도가 약화되어 통신 품질이 저하될 수 있습니다.

3. 지구의 곡률

지구의 곡률은 위성 통신에서 중요한 역할을 합니다. 지구는 곡률 된 표면을 가지고 있기 때문에, 지구 표면에서 발사된 전파는 직선 경로로 이동하지 않고 곡선 경로를 따릅니다. 이로 인해 전파는 지구의 곡률을 따라 굴절되며, 이는 전파의 전파 경로와 수신 위치에 영향을 미칩니다. 따라서, 지구의 곡률을 고려하여 적절한 위성 고도 및 통신 각도를 선택해야 합니다.
위성 통신에서는 이러한 회절과 곡률 현상을 고려하여 통신 시스템을 설계하고 운영해야 합니다. 이를 통해 통신 품질을 최적화하고, 통신 손실을 최소화할 수 있습니다.

4. 대기 효과

대기는 위성 신호에 다양한 영향을 미칩니다. 이는 대기 통과 중에 신호가 흡수되거나 산란되면서 발생합니다. 예를 들어, 특히 적외선 및 미립자에 의해 심한 흡수가 발생하는 테라헤르츠 대역을 고려할 때, 이러한 대기 효과를 심도 있게 고려해야 합니다. 위성 통신에서 대기 효과는 매우 중요한 요소입니다. 대기 효과란 위성 신호가 대기를 통과하면서 발생하는 여러 현상을 말합니다. 이 현상은 신호의 강도, 품질, 그리고 전파 경로에 영향을 미치며, 이는 다음과 같은 주요 요소로 구성됩니다.

 

대기 흡수: 대기 통과 중에 전파가 대기의 물 분자, 산소 분자 등과 상호작용하여 일부 에너지가 흡수됩니다. 이로 인해 신호의 강도가 감소하며, 이는 일반적으로 고주파수 대역에서 더욱 심각하게 발생합니다. 특히, Ka 밴드와 같은 고주파수 대역에서는 대기 통과 중에 상당량의 신호가 흡수될 수 있습니다.

대기 산란: 대기 중의 물기, 미립자, 그리고 기타 장애물에 의해 전파가 산란되는 현상입니다. 이는 전파의 방향을 변경시키며, 이로 인해 신호의 품질이 저하되고, 전파 경로가 예측 가능한 직선 경로에서 벗어날 수 있습니다.

대기 굴절: 대기의 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전파가 이동할 때, 전파의 방향이 변경되는 현상입니다. 이는 전파의 전파 경로를 변경시키며, 이로 인해 신호의 도달 시간 및 위치가 변경될 수 있습니다.

비 페이딩: 이미 설명했듯이, 강한 비나 눈은 전파를 산란시키고 흡수하여 신호 강도를 감소시키는 현상입니다. 이는 특히 Ku 밴드와 Ka 밴드와 같은 고주파수 대역에서 더욱 심각하게 발생합니다.

5.지형 및 건물 영향

지형 및 건물은 위성 신호의 경로에 장애를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 산지나 고층 건물이 있는 도시 지역에서는 이런 장애물이 신호의 손실을 야기하며, 이로 인해 통신 품질이 저하될 수 있습니다.

위성 통신에서 지형 및 건물과 같은 물리적 장애물은 신호의 전파 경로에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 영향을 줄이는  여러 가지 방법이 있습니다:

안테나 위치 선정

안테나를 높이 설치하거나 장애물이 없는 곳에 설치하여 장애물에 의한 신호 감소를 최소화할 수 있습니다. 이는 건물의 지붕 위나 높은 산 등에 안테나를 설치하는 것을 포함합니다. 매우 높은 지향성을 갖는 안테나를 사용하여 신호를 특정 방향으로 집중시킬 수 있습니다. 이를 통해 장애물을 우회하거나, 장애물에 의한 신호 감소를 최소화할 수 있습니다.

다중 경로(Multi-path) 기술

장애물에 의해 산란된 신호를 수집하고 합성하여 신호 강도를 향상하는 기술입니다. 이는 주로 도시 환경에서 유용하며, 신호의 품질을 향상하는 데에 도움이 됩니다.

위성 수

여러 위성을 사용하여 한 지점에서 여러 방향으로 신호를 전송할 수 있습니다. 이를 통해 장애물을 우회하는 신호 경로를 제공하며, 이는 특히 저궤도 위성(LEO) 네트워크에서 유용합니다.
이렇게 다양한 방법으로 지형 및 건물과 같은 물리적 장애물로 인한 영향을 줄일 수 있습니다. 하지만, 이러한 방법들은 특정 상황과 요구 사항에 따라 선택되어야 하며, 이는 통신 시스템의 설계 및 운영에 중요한 고려 사항입니다.

6. 위성 및 지상 스테이션의 위치

위성 및 지상 스테이션의 위치는 통신의 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 지상 스테이션이 위성의 발사 위치에 가까울수록, 신호 전달 경로가 짧아지고 전파 지연이 줄어들며, 이로 인해 전력 소비량도 감소할 수 있습니다.

7. 통신 시스템의 성능

통신 시스템의 성능은 신호 강도, 오류율, 데이터 전송률 등에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 통신 시스템의 성능이 뛰어나면, 위성 통신에서  수 있는 다양한 문제점을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

이처럼 위성 통신은 많은 변수를 고려해야 합니다. 이에 따라 효율적인 통신을 위해서는 주파수 선택, 위성 및 지상 스테이션의 위치, 통신 시스템의 성능 등을 적절하게 조절해야 합니다. 이러한 고려사항들을 잘 이해하고 적용하는 것이 위성 통신의 핵심입니다.