샌디에이고 캘리포니아 대학의 엔지니어링 팀은 위성 지상국의 기존의 부피가 크고 기계적으로 회전하는 포물선형 안테나를 분산된 소형 평면 안테나로 교체하려고 노력하고 있습니다. 이는 비용을 절감하는 동시에 위성 데이터 전송 기능을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다. "ArrayLink"라고 불리는 연구 시스템은 옥상, 통신 타워 및 기타 건물에 여러 개의 노트북 크기 위상 배열 안테나를 배포하여 함께 작동하여 점점 더 혼잡해지는 저궤도 위성에 보다 유연하고 확장 가능한 지상 접근 방법을 제공합니다.

위성 자체는 지난 10년 동안 과거 수톤에 달하는 대형 통신 위성에서 고집적, 소프트웨어 정의가 가능한 소형 저궤도 위성으로 전환하는 등 급속한 발전을 경험했지만, 지상 인프라는 여전히 대형 기계식 포인팅 안테나에 의존하는 구식 모델에 크게 머물러 있습니다. 현재 위성 통신은 위성 인터넷 서비스를 제공할 뿐만 아니라 지구 위치 확인 및 항법, 금융 거래, 일기 예보, 군사 통신, 비상 대응, 항공 및 해상 운영, 원격 의료, 지구 관측과 같은 주요 시나리오도 지원합니다. 그 중요성은 일반 대중의 인식을 훨씬 뛰어넘습니다.

현재 광역 인터넷에 액세스하려면 대부분의 위성 데이터가 여전히 지상국을 통해 "착륙"되어야 하며, 이러한 지상국은 일반적으로 고이득 "피드 링크"를 제공하기 위해 직경이 약 1.8미터 이상인 포물선 안테나에 의존합니다. 이러한 유형의 안테나는 성능이 강력하지만 유연성이 매우 낮습니다. 각 안테나는 한 번에 하나의 위성만 추적할 수 있으며 시속 약 28,000km의 속도로 하늘을 통과하는 저궤도 위성을 추적하려면 기계적으로 회전해야 합니다. 이 모델은 저궤도 별자리의 확산이라는 맥락에서 점점 더 병목 현상이 되고 있습니다.

연구팀은 일부 활성 지상국 위성 안테나의 기계적 회전 속도가 초당 2~5도에 불과하다고 언급했습니다. 한 위성에서 다른 위성으로 전환하는 데는 종종 몇 초 또는 거의 1분 정도 걸립니다. 이 기간 동안 지상국은 "사용할 수 없는" 상태가 되어 전체 처리량 용량이 더욱 제한됩니다. 전자적으로 스캔된 위상 배열은 이론적으로 기계식 안테나를 대체할 수 있지만, 대형 포물선형 안테나의 이득과 일치하도록 단일 배열에 충분한 안테나 요소를 쌓는 데 드는 비용과 복잡성은 현재 대규모로 배포하기에는 너무 높습니다.

ArrayLink의 아이디어는 "하나의 어레이를 더 크게 만드는 것"을 포기하고 대신 여러 개의 기성 소형 위상 어레이 패널을 사용하여 분산 시스템으로 조정하는 것입니다. 이 아키텍처는 최대 16개의 위상 배열 패널을 통합할 수 있으며 배포 범위는 최대 킬로미터입니다. 각 패널에는 링크 기능이 제한되어 있습니다. 그러나 통합 조정 후 전체 성능은 "가상 대형 안테나"와 같으며 이득이 기존 포물선 안테나에 접근합니다.

해당 논문의 교신 저자인 Dinesh Bharadia는 현재 위성 통신 용량 확장의 근본적인 병목 현상이 더 이상 우주에 있는 것이 아니라 지상에 있다고 지적했습니다. 이것이 ArrayLink가 해결하려는 핵심 문제입니다. 그는 이 솔루션이 업계가 더 낮은 비용과 더 빠른 속도로 지상국의 규모를 확장하는 데 도움이 될 수 있으며 "크라우드소싱" 배포를 통해 구현할 수도 있다고 말했습니다. 즉, 옥상 리소스를 보유한 소유자나 기업은 시스템을 설치하고 위성 데이터를 다시 인터넷으로 전송할 수 있습니다.

ArrayLink의 혁신은 물리적 형태의 평면화 및 분포뿐만 아니라 공간 채널 특성의 심층적 활용에도 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 팀은 더 넓은 물리적 범위에 걸쳐 패널을 분산시킴으로써 "근거리 가시선 MIMO"라는 효과를 활용하여 동일한 위성과 지상국 사이에 여러 병렬 데이터 스트림을 형성하여 처리량을 크게 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

기존의 가시선 위성 링크에서는 각 수신 안테나가 거의 동일한 신호를 "인식"하는 경우가 많아 공간 다중화를 달성하기가 어렵습니다. 패널 간격이 충분히 크면 각 패널에서 관찰된 입사 전자기파는 위상과 같은 매개변수가 다르므로 시스템이 동일한 위성의 신호에서 여러 개의 독립적인 데이터 스트림을 분리할 수 있습니다. 이는 Wi-Fi 라우터나 이동통신망에서 일반적으로 사용되는 MIMO 기술과 원리적으로 유사하지만 위성 규모로 증폭됩니다.

팀의 시뮬레이션 결과에 따르면 ArrayLink는 수백 킬로미터의 전송 거리에서 최대 4개의 공간 병렬 데이터 스트림을 지원할 수 있으며 2,000킬로미터 이상의 거리에서도 2개의 데이터 스트림을 유지할 수 있습니다. 연구원들은 기존의 단일 스트림 파라볼라 안테나 시스템에 비해 이 아키텍처의 전체 처리량이 약 3배까지 증가할 것으로 예상한다고 말합니다.

ArrayLink는 또한 색다른 능력을 보여줍니다. 즉, 각도 차원에서 에너지를 집중시킬 수 있을 뿐만 아니라 거리 차원에서 에너지의 "고정점 전달"도 달성할 수 있습니다. 기존 안테나는 주로 지향 각도를 변경하여 빔 방향을 제어하는 ​​반면 ArrayLink는 각도 및 방사형 차원에서 에너지 집중 위치를 미세하게 제어할 수 있어 복잡한 궤도 환경에서 다른 위성 시스템에 대한 간섭을 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다.

이 시스템은 종이에 남아 있지 않습니다. 연구팀은 27GHz 주파수 대역의 위상배열 안테나와 소프트웨어 무선 플랫폼을 사용해 가시선 조건에서 실외 하드웨어 실험을 완료했다. 측정된 데이터는 이론적 분석 및 시뮬레이션 결과와 매우 일치하며, 이는 계획의 핵심 물리적 메커니즘을 어느 정도 검증합니다.

엔지니어링 구현 관점에서 ArrayLink는 실용성과 구현 가능성도 강조합니다. 그 디자인은 시중에서 판매되는 위상 배열 하드웨어를 기반으로 합니다. 이러한 장치는 현재 대량 생산되는 위성 인터넷 단말기 안테나와 유사하며 값비싸고 고도로 맞춤화된 "실험실 전용" 장비에 의존할 필요가 없으므로 향후 대규모 배포를 위한 실행 가능한 경로를 남겨줍니다.

팀은 또한 매우 실용적인 아이디어를 제안했습니다. 이러한 유형의 어레이를 기존 5G 기지국 타워에 직접 설치하여 원래의 셀룰러 통신 기능을 유지하면서 위성 지상국으로 "파트타임"할 수 있다는 것입니다. 이러한 타워 스테이션 자체에는 전원 공급 장치, 광섬유 백홀 및 사이트 임대와 같은 기본 조건이 있기 때문에 ArrayLink의 중첩 배포에 대한 한계 비용은 새로운 전용 지상 스테이션의 한계 비용보다 훨씬 낮을 것이며 이는 글로벌 위성 액세스 인프라 확장을 가속화할 것으로 예상됩니다.

현재 ArrayLink는 아직 실험적 연구 단계에 있으며 실제 궤도를 도는 위성에 대한 엔드투엔드 검증이 아직 완료되지 않았습니다. 연구팀은 시스템 설계를 최적화하고 조정 제어, 운영 및 유지 관리 관리, 대규모 배포 시 기존 위성 네트워크 아키텍처와의 호환성과 같은 엔지니어링 문제를 해결하는 방법을 지속적으로 탐색하고 있습니다.

업계 관점에서 볼 때, 저궤도 별자리의 수가 계속 급증하고 위성 성능이 계속 증가함에 따라 지상국 아키텍처가 "소수이지만 세련된" 대규모 사이트에서 "다지점 배포 및 유연한 확장"이라는 새로운 패러다임으로 전환되어야 하는 것은 거의 불가피합니다. ArrayLink와 같은 분산형 위상배열 기반 솔루션이 비용, 신뢰성 및 표준화 측면에서 획기적인 성과를 거둘 수 있다면 미래의 글로벌 위성 통신 네트워크를 위한 실행 가능한 새로운 인프라 형태를 제공할 것으로 기대됩니다.