[논문 리뷰] Leo-Based Optical/Microwave Terrestrial Communications

A. Meulenberg, Rahul Suresh외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 28.

Advanced Photonic Communication Systems참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지구를 둘러싼 섬유로 연결된 소형 위성의 고도권 고도 위성 궤도를 기반으로 한 새로운 LEO 기반 광/마이크로파 통신 시스템을 제안한다. 이는 고대역폭, 저지연 글로벌 연결성을 가능하게 한다. 내권 위성 간 링크에 광섬유를, 지구 간 링크에 마이크로파(Ku/저주파 Ka 대역)를 조합함으로써, 저지연과 고대역폭을 실현하며 기존의 위성 페치와 지상 섬유망에 비해 비용 효율적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

We propose a LEO-based communication system that is built by deploying circum-terra, optic fibers connecting hundreds of small (perhaps) phased-array-communications and RF-signal-transfer antennas around the earth on multiple rings. The proposed LEO-earth connection will be through microwave links (Ku or low-Ka band) and many of the ISL's through the optic-fiber rings. Inter-ring connectivity could be with either high-Ka band or optical (laser) links. The initial ring would serve to complement existing terrestrial fiber networks; but, the system would expand with additional rings into non-equatorial planes to provide global connectivity. The proposed system would make use of connectivity & broadcasting capability of satellite constellations as well as the high throughput point-to-point capability of optic-fiber systems. The advantages, options, and economics of the proposed LEO optic-fiber / microwave communication system over existing terrestrial- and space-communication systems (of similar functionality) as well as the future development of the system are dealt with in the paper.

연구 동기 및 목표

• 지구 저궤도(LEO) 통신 시스템을 개발하여 광섬유의 고대역폭과 위성 통신의 광역 접근성을 융합한다.
• 기존 정지궤도 위성(GEO)의 한계(예: 높은 지연)와 지상 섬유망의 한계(예: 높은 구축 비용, 지형 제약)를 해결한다.
• 다중 궤도 고도 위성 링에 소형 위성들을 배치하여 농촌 및 고립 지역을 포함한 전 세계 연결성을 실현한다.
• 미래의 천체 엘레베이터와 태양 에너지 발전소를 포함한 천체 기반 인프라의 기술적 타당성과 경제적 실현 가능성을 확립한다.

제안 방법

• 지구를 둘러싼 다수의 LEO 고도 위성 링에 소형 위성들을 설치한다. 이 위성들은 위상 배열 마이크로파 및 광섬유로 연결된 구조를 취한다.
• 내권 위성 간 링크(ISL)에 광섬유를 사용하여 무선 주파수 스펙트럼 의존도를 낮춘다.
• Ku 또는 저주파 Ka 대역의 마이크로파 링크를 통해 지구와의 고도 위성 간 통신을 구현하며, 빔포밍 및 위상 배열 안테나를 통해 정밀도를 높인다.
• 다중 고도 위성 링 간 연결을 위해 고주파 Ka 대역 또는 레이저 링크를 사용하여 적도 평면을 초월한 글로벌 커버리지를 확보한다.
• 실험용 테스트 베드 단계를 실시하여 40개의 하위 위성, 20km 길이의 광섬유, 도전성 섬유를 활용해 안정성, 전력 전달 및 통신 기능을 검증한다.
• 광섬유 스팸(10Gbps, 1개 스팬당 56.7km)에 대한 링크 예산 및 비용 분석을 수행하며, 각 링당 76개의 중계기 필요, 전체 시스템 비용은 초도 링 기준 약 14억 달러로 추정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LEO에서 광섬유 링은 RF 또는 레이저 링크에 비해 어떻게 위성 간 통신 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 열적 및 동적 스트레스 조건 하에서 LEO에서 장기적으로 안정적인 광섬유 구조를 구현하고 유지하는 데 기술적 타당성이 있는가?
• RQ3 기존 위성 페치(예: Iridium, Globalstar, Teledesic) 및 지상 섬유망과 비교해 시스템의 비용과 성능은 어떠한가?
• RQ4 LEO에서 약 40,000km에 이르는 10Gbps 광섬유 링크를 위해 필요한 중계기 수와 전력 예산은 얼마인가?
• RQ5 하이브리드 LEO 아키텍처에서 마이크로파 및 광섬유 링크가 효과적으로 공존하여 저지연, 고대역폭 글로벌 연결성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 초도 LEO 링은 40,000km 거리에서 10Gbps 광전송을 지원하기 위해 76개의 중계기 유닛이 필요하며, 총 스팬 손실은 18.7 dB, 전력 예산은 30 dBm이다.
• 초도 링의 전체 시스템 비용은 약 14억 달러로 추정되며, 이는 40개 위성(각 1,000만 달러)에 4억 달러, 발사 비용 2억 달러, 궤도 내 수리 로봇 2억 달러를 포함한다.
• 광섬유 스팬은 누적 손실(분산, PMD, 비선형 효과 포함)으로 인해 1개 스팬당 최대 56.7km로 제한되며, 빈번한 증폭이 필요하다.
• Ka 대역 업링크/다운링크 성능은 강우 흡수로 인해 심각하게 영향을 받을 수 있으나(최대 10dB 손실), 더 큰 안테나 또는 보조 시스템을 통해 수용 가능하다.
• 시스템은 지구정지위성(GEO)의 약 0.5초 대비 근본적으로 무시할 수 있는 왕복 지연를 기록하여 상호작용 서비스에 적합하다.
• 링크 예산 분석 결과, LEO Ka 대역에서 수신 전력은 -126.22 dBW로 나타나, 적절한 이득 및 전력 제어를 통해 강력한 실현 가능성 여부가 확인되었다.