비지상 네트워크의 장점, 과제 및 애플리케이션

비지상 네트워크(NTN)는 무엇입니까?

비지상 네트워크(NTN)는 지상 자산뿐만 아니라 공중 또는 우주 자산을 통합하는 통신 네트워크입니다. 이러한 하이브리드 네트워크는 위성 통신(SATCOM) 기술을 적용하여 기존 셀룰러 통신을 확장합니다. 비지상 네트워크 또는 NTN은 일반적으로 셀룰러 세계와 위성 링크를 연결하는 네트워크와 최종 사용자가 위성 네트워크에 직접 액세스하는 방법을 의미합니다.

6G의 등장으로 NTN은 초저지연, 고처리량 연결성, 지상 네트워크와의 원활한 통합을 지원하도록 진화하고 있으며, 이를 통해 실시간 원격 작업, 몰입형 확장 현실(XR) 및 글로벌 IoT 커버리지와 같은 고급 애플리케이션을 가능하게 합니다.

오늘날의 새로운 우주 경쟁은 정부와 기업이 통신, 감시, 감지 및 모니터링 기능을 발전시키고자 함에 따라 주로 NTN에 중점을 둡니다. NTN은 최신 SATCOM 진화이자 우주 상업화의 핵심 지지자입니다. 비지상 네트워크가 백홀 트래픽에 NTN 위성을 사용하여 단순한 중계기에서 중요한 구성 요소로 변모시키기 때문에 NTN은 상당한 내재적 복잡성을 가지고 있습니다.

비지상 네트워크(NTN)는 무엇으로 구성됩니까?

An NTN은 지구상에 물리적으로 위치하지 않은 노드를 포함하는 네트워크입니다. NTN에서 주로 위성을 생각하지만, 다른 구성 요소는 기지국 역할을 하는 저고도 플랫폼(LAP), 고고도 유사 위성(HAPS), 드론, 풍선 및 무인 항공기(UAV)로 구성될 수 있으며, 이는 6G NTN 아키텍처에서 점점 더 많이 고려되고 있습니다. 

현재 대부분의 개발은 3GPP Release 17 이상을 통해 가능해진 D2D(Direct-to-Device) 위성 연결에 중점을 두며, 표준 스마트폰이 5G NR NTN 프로토콜을 사용하여 위성과 직접 통신할 수 있도록 합니다.

모든 비지상 네트워크(NTN)에는 위성 네트워크가 지상 인터넷에 연결되는 여러 접속 지점(PoP)이 있습니다. 광섬유 링크는 지상국을 서로 연결하며, 위성 간에는 레이저 광학 링크가 점점 더 많이 사용되어 6G NTN 확장성에 필수적인 고속, 저지연 및 간섭 방지 통신을 제공합니다. 지상의 위성 게이트웨이에서 광대역 링크는 셀룰러 네트워크를 위성군에 연결하며, NASA 및 Starlink와 같은 상업 운영자가 시연한 바와 같이 피더 링크는 이제 광학 위성 간 링크(OISL) 및 레이저 통신 시스템을 사용하여 최대 200Gbps에 도달합니다. 이러한 PoP는 하나 이상의 게이트웨이에 연결됩니다. 이 그래픽은 게이트웨이와 위성 간의 이러한 링크를 지상 셀 타워의 광대역 백홀 링크로 보여줍니다.

비지상 네트워크(NTN)는 저궤도(LEO)에서만 작동합니까?

비지상 네트워크(NTN)는 정지궤도(GEO), 중궤도(MEO), 저궤도(LEO)에서 작동합니다. 6G NTN 연구에는 초저지연 및 전역 커버리지를 지원하기 위한 고타원 궤도(HEO) 및 초저궤도(VLEO)가 포함되며, 특히 모빌리티 및 IoT 사용 사례에 중점을 둡니다. 현재 5G NTN의 주요 애플리케이션은 GEO 및 LEO에 집중되어 있습니다. 오늘날 LEO 위성의 폭발적인 성장은 상업, 정부 및 군사 산업 전반에 걸쳐 대부분의 NTN 사용 사례를 위한 기반을 제공합니다. 저궤도 위성은 MEO의 약 150ms, GEO의 약 280ms에 비해 6~30밀리초의 낮은 지연 시간을 제공하므로 디바이스 직접 연결과 같은 실시간 애플리케이션에 이상적입니다.

각 궤도는 통신 네트워크에서 다양한 과제를 야기합니다. 저궤도(LEO) 위성은 더 가까운 거리에서 작동하지만 더 빠르게 이동합니다. 근접성으로 인해 위성-지상 간 저지연 통신이 가능합니다. 이와 대조적으로, 기존의 정지궤도(GEO) 위성은 해당 궤도의 위성과 지상국 간 신호 경로에서 훨씬 더 긴 지연과 함께 장시간 고정 연결을 제공합니다. 이 과정은 신호가 지점 간에 이동해야 하는 횟수에 따라 지연 시간을 기하급수적으로 증가시킵니다. 예를 들어, 위성이 전 세계를 이동해야 하는 경우, 상당한 지연이 발생할 수 있습니다.

지연 시간은 저장 및 전달 시나리오에서도 발생합니다. 여기서는 위성이 신호를 수신한 다음, 목표 지상국에 대한 가시성을 확보했을 때 나중에 해당 신호를 전송합니다. 이러한 현상을 종종 불연속 전송이라고 합니다.

NTN의 장점은 무엇입니까?

NTN의 주요 이점은 확장된 커버리지입니다. 농촌 지역, 섬, 고립된 커뮤니티와 같은 원격 및 서비스 소외 지역에서 이 기술의 이점을 누릴 수 있습니다. NTN은 또한 해상 선박, 비행 중인 항공기, 드론, 자율 주행 차량 및 웨어러블 장치에 서비스를 제공하여 미래의 모빌리티 중심 6G 시나리오에서 원활한 연결성을 지원할 수 있습니다. NTN은 네트워크 서비스 제공업체가 미개척 시장에서 운영하고 기존 지상 네트워크의 기능을 뛰어넘는 프리미엄 서비스를 제공할 수 있도록 합니다. NTN은 위성을 통해 더 많은 정보를 송수신하여 통신 및 데이터 전송을 위한 끊임없이 증가하는 데이터 수요를 충족합니다. 스마트 농업, 자율 물류, 기후 감지 및 산업 자동화를 포함한 M2M(Machine-to-machine) 및 대규모 IoT 애플리케이션은 6G에서 AI 강화 저전력 NTN 연결성의 이점을 얻습니다. 

비지상 네트워크는 기존 5G 네트워크에 복원력과 이중화 계층을 추가합니다. 자연재해, 지역 분쟁 또는 네트워크 중단 발생 시, 6G 시대의 NTN은 분산형 AI 기반 아키텍처를 제공하여 재해 발생 시 신속한 복구와 우선적인 비상 서비스를 가능하게 하며, 지상 인프라가 실패하더라도 초고신뢰, 저지연 통신을 보장합니다. 분산형 LEO 위성군(constellation)의 장점은 수백 또는 수천 개의 위성에 위험과 비용을 분산시킨다는 것입니다. 

비지상 통신을 강화함으로써 NTN은 다음과 같은 수많은 이점을 제공합니다.

• 유비쿼터스 커버리지
• 중요한 비상 지원 개선 사항.
• 감지 기능을 통한 농업 진단 향상 기능.
• 지구 및 기후 변수의 정확한 모니터링.
• 위성 전반에 걸쳐 위험 및 비용 지출의 효과적인 분산.
• 대기 질 실시간 모니터링을 위한 고급 기후 및 환경 감지.

NTN이 직면한 과제는 무엇입니까?

NTN 및 해당 애플리케이션은 여러 가지 과제에 직면해 있으며, 이러한 네트워크가 발전함에 따라 추가적인 장애물이 발생할 것입니다.

우주 환경: 우주는 NTN에 있어 가장 큰 과제입니다. 일단 배치되면 장비에 접근할 수 없습니다. 또한 시스템은 극한의 온도와 방사선이 있는 극도로 혹독한 환경에서 작동해야 합니다. 성공적인 성능을 위해서는 시스템이 일관된 전력 생성 및 저장을 제공해야 합니다. 우주에 메시 네트워크를 구축하면 문제 발생 가능성이 증가하여 이러한 복잡성이 더욱 심화됩니다.

크기, 무게, 전력 및 비용: 또 다른 우려는 고주파 RF 및 컴퓨팅 리소스를 하늘에 배치하는 물리적 한계입니다. 정지궤도(GEO) 20톤 위성에서 더 소형화된 저궤도(LEO) 위성 및 HAPS 플랫폼으로 이동함에 따라 크기, 무게, 전력 및 비용(SWaP-C)이 문제가 되며, 페이로드도 이에 따라 변화해야 합니다. 6G NTN 설계는 위성 역할을 분리하여 SWaP-C 한계를 완화하도록 진화하고 있습니다. 서비스 위성은 사용자 링크에 집중하고, 피더 위성은 RAN 및 코어 기능을 처리하여 페이로드 질량과 전력 사용을 최적화합니다.

끊임없이 움직이는 연결: 비지상 네트워크는 네트워크 내의 일부 또는 모든 것을 끊임없이 움직이게 합니다. NTN 위성 및 HAPS 움직임은 연결 설정, 신호 품질 및 핸드오버에 영향을 미칩니다. 5G NTN에서 gNodeB 인스턴스 및 공중에 떠 있는 무선 액세스 네트워크(RAN)의 일부는 지상에 있는 모든 사용자 장비(UE)의 움직임에 더해집니다.

페이로드 선택: 투명 또는 재생 페이로드 선택은 네트워크 구성 방식과 결과적인 신호 라우팅을 완전히 바꿀 수 있습니다. LEO 위성이 움직이는 상황에서는 모든 타이밍 관계가 동적입니다. 주로 가변 지연과 복잡한 핸드오버로 인해 연결 끊김이 발생할 수 있으므로 서비스 품질(QoS) 사용자 경험이 중요합니다. 6G NTN에서는 재생 페이로드가 온보드 gNodeB 기능과 위성 간 링크(ISL)를 가능하게 하여 커버리지, 지연 시간 및 이동성 관리를 개선하는 데 주목받고 있으며, 투명 페이로드는 더 간단하지만 지상 인프라에 크게 의존합니다.

지연 시간: 신호 전송 지연은 지상과 위성 간에 신호가 전송되기 때문에 발생합니다. 기존 NTN은 지연 시간 제한에 직면하지만, 6G NTN 연구는 테라헤르츠 통신, 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 및 AI 기반 라우팅과 같은 기술을 통해 3GPP 초고신뢰 저지연 통신 (URLLC) 사용 사례를 지원하는 방향으로 발전하고 있으며, 서브 밀리초 지연 시간과 99.99999% 신뢰성을 목표로 합니다.

보안: 분산형 LEO 위성군이 위성 전반에 걸쳐 비용과 위험을 분산시키지만, 하드웨어는 비우호적인 영토를 통과할 때 취약합니다. 국가 안보 요구 사항은 우주에 배치된 인프라를 보호하기 위한 사이버 보호 및 새로운 작전에 대한 요구를 야기합니다. 예를 들어, 미국 우주군은 모든 군 및 정부 기관을 위한 이 임무를 맡고 있습니다. 6G NTN은 AI 악용, 양자 해킹 위험, 의미 인식 위협을 포함한 새로운 사이버 보안 과제를 제시합니다. 탐색 중인 솔루션에는 동적 분산 NTN 환경을 보호하기 위한 상황 인식 인증 프로토콜, 블록체인 기반 신뢰 모델 및 AI 기반 이상 감지가 포함됩니다.

5G NTN은 무엇입니까?

NTN이라는 용어는 일반적으로 네트워크의 한 측면으로 5세대(5G) 셀룰러를 포함합니다. 5G NTN은 5G 지상 네트워크에서 많은 기능을 가져오고 동일한 많은 문제에 직면하며, 이전 SATCOM 네트워크에 비해 5G NTN 서비스에 대한 더 높은 신뢰성 기대치를 추가합니다. 일반적으로 지상에 타워로 구성된 지상 네트워크인 기지국은 지상에서 공중 및 우주로 이동하고 있습니다. 5G 코어 네트워크는 차세대 코어(NGC)라고 합니다. 5G NTN은 휴대폰이나 센서와 같은 모바일 장치로 구성된 UE를 포함합니다. 필요한 경우 UE는 각각 gNodeB라고 불리는 기지국과 통신합니다.

이 구성은 일반적인 5G NTN 설정입니다. 그러나 다양한 변형이 존재합니다. 예를 들어, 모든 NTN 애플리케이션에 gNodeB가 필요한 것은 아닙니다. 독점 시스템의 게이트웨이에 인터넷이 직접 연결된 코어 네트워크를 가질 수도 있습니다. 또 다른 대안은 NTN을 엣지 컴퓨팅에 사용하여 네트워크 엣지를 위성에 배치하는 것입니다.

5G NTN 아키텍처에는 다양한 접근 방식이 존재합니다. 예를 들어, 공중 자산 또는 위성은 UE와 gNodeB 사이에서 벤드 파이프(bent pipe) 역할을 할 수 있습니다. 해당 디바이스는 주파수 1에서 신호를 수신하고 주파수 2에서 전송하여 넓은 지리적 범위에 걸쳐 비지상 네트워크 통신을 용이하게 합니다. 이 모델에서 UE는 위성 벤드 파이프에서 송수신하기에 충분한 전력과 감도를 필요로 합니다. gNodeB는 NTN 위성 벤드 파이프와 통신할 수 있는 한 지상 기반일 수 있습니다.

대안 아키텍처는 공중 또는 우주 자산 자체에 gNodeB를 배치합니다. 이 경우 UE는 해당 공중 자산과 통신합니다. 코어 네트워크도 해당 공중 또는 우주 자산에 연결됩니다. 추가 예시에서는 위성 벤트 파이프를 사용하는 표준 UE 또는 공중 또는 우주 gNodeB에 연결된 UE와 인터페이스하기 위한 릴레이 노드를 소개합니다.

5G NTN의 도입은 기존 5G 지상 네트워크 아키텍처를 혁신하고 연결성 패러다임의 전환을 가져옵니다. gNodeB 및 RAN 도메인에 참여하는 위성과 HAPS에 대한 여러 대안이 존재하며, 일부는 수 마일에 걸쳐 흩어져 있는 여러 위성을 체인으로 포함합니다. 5G NTN은 5G 지상 네트워크의 많은 기능을 활용하며 동일한 여러 과제에 직면합니다. 이는 이전 SATCOM 네트워크에 비해 5G NTN 서비스에 대한 더 높은 신뢰성 기대를 더합니다.

5G와 6G NTN의 주요 차이점은 무엇입니까?

5G NTN은 지상 5G의 추가 기능으로, 주로 위성 또는 항공 연결성을 제공하여 원격 또는 서비스 소외 지역으로 커버리지를 확장하며 3GPP 릴리스 17 및 18에 정의된 개선 사항을 기반으로 합니다. 6G NTN은 아직 연구 및 초기 표준화 단계에 있으며, 3GPP, ITU 및 주요 산업 그룹에서 모든 기능과 차별화 요소에 대해 활발히 논의 중입니다. 다음은 주요 방향과 예상되는 발전을 요약한 것이지만, 기술 탐색 및 글로벌 합의가 발전함에 따라 변경될 수 있습니다. 

네이티브 NTN-TN 통합: 비지상 네트워크와 지상 네트워크의 조화는 6G의 핵심 제안이며, 3GPP 및 ITU 연구는 원활한 전환과 통합 아키텍처를 허용하기 위한 공동 설계에 중점을 둡니다. 이는 NTN이 애드온인 5G의 접근 방식과는 다릅니다. 이 통합의 세부 사항은 아직 확정되지 않았으며 글로벌 연구 및 협력의 대상입니다.

고급 위치 파악 및 감지: 연구 이니셔티브는 다양한 NTN 계층의 신호를 통합하여 GNSS를 사용할 수 없는 위치에서 cm 수준의 위치 파악을 조사하고 있습니다. 초기 3GPP 및 EU 연구에서는 이를 가능한 차별화 요소로 제시하지만, 기술과 표준은 여전히 진화 중이며 구체적인 접근 방식은 아직 나타나지 않았습니다.

저지연 및 대규모 연결: 6G NTN은 5G의 용량과 신뢰성을 훨씬 능가하여 실시간 IoT 및 강력한 모바일 광대역과 같은 새로운 애플리케이션을 어디서나 구현하는 것을 목표로 합니다. 이러한 목표는 ITU와 3GPP 모두에 의해 연구 목표로 설정되었지만, 유효성 검사 및 타당성 테스트는 연구 및 파일럿 프로그램 내에서 진행 중입니다.

새로운 파형 및 AI 네이티브 설계: 동적 리소스 할당을 위한 여러 고급 파형과 AI의 기본 통합이 연구되고 있습니다. 최근 산업 프로젝트 보고서에서는 AI 지원 RAN 컨트롤러 및 새로운 파형 후보를 제안했지만, 아직 완전히 표준화되거나 상업적으로 검증되지는 않았습니다.

지속 가능성 및 에너지 효율성: 6G-NTN과 같은 이니셔티브는 초기 결과에서 강조된 바와 같이 지속 가능성 지표를 적극적으로 정의하고 친환경 설계 원칙을 탐구하고 있습니다. 이러한 개념은 6G 표준이 성숙해짐에 따라 최종 6G 표준에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

NTN과 위성 통신은 동일한 개념인가요?

비지상 네트워크는 위성 통신(SATCOM)의 다음 물결을 예고하며, SATCOM을 셀룰러 네트워크의 일부로 만듭니다. 위성 통신 기술은 인프라가 없거나 셀룰러 네트워크 배포를 지원할 고립된 플랫폼이 없는 접근하기 어려운 지역을 커버합니다. SATCOM의 사용은 또한 M2M(Machine-to-Machine)/IoT에 대한 추가적인 신뢰성과 비행기, 기차, 자동차와 같은 이동 플랫폼에 대한 연결성을 제공합니다.

SATCOM에 대한 새로운 성능 요구 사항을 충족하기 위해 위성 산업은 더 높은 처리량, 더 넓은 대역폭 및 더 높은 작동 주파수를 달성하기 위해 노력하고 있습니다. 점점 더 많은 네트워크가 광자 링크에도 의존하고 있습니다. 비지상 네트워크는 또한 자유 공간, 날씨, 구름 및 기타 전리층 조건에도 불구하고 수신기에 충분한 전력을 공급해야 합니다. NTN 및 SATCOM의 복잡성이 증가함에 따라 지연된 신호에 대한 버퍼링을 추가하고 현실적인 위성 운동학을 생성하기 위해 슬라이딩 지연을 시뮬레이션하는 등 현실적인 환경 모델로 위성 통신 시스템을 테스트해야 합니다. 키사이트는 5G NR NTN 위성 링크 테스트를 포함하여 전체 지상 및 공중/우주 워크플로우 전반에 걸쳐 비지상 네트워크의 개발, 제조, 배포 및 유지보수를 지원합니다.

키사이트는 NTN 사용 사례를 어떻게 지원합니까?

키사이트는 다음과 같은 NTN 사용 사례에 대한 개발 및 지속적인 성능 검증을 지원합니다.

• 서비스 미제공 지역 적용 범위
• 항공기, 선박, 기차, 버스 등을 위한 서비스
• 인간-기계 및 IoT
• 완화된 지연 시간 요구 사항
• 서비스 가용성
• 5G Advanced / 6G 네트워크 확장성

키사이트는 네트워크 액세스 및 전체 위성군까지 가상화할 수 있는 종단 간 NTN 테스트 환경을 제공합니다. NTN 지원 무선 네트워크를 완전한 기능을 갖춘 NTN 네트워크 에뮬레이션 장치인 키사이트 UXM 5G로 대체하십시오. 키사이트 고급 VXG 마이크로파 신호 발생기 및 키사이트 UXA 신호 분석기와 함께 키사이트 PROPSIM 채널 에뮬레이터로 위성 링크를 재현하십시오. 테스트 중인 시스템에 대한 완벽한 제어와 NTN 노드 및 링크에 대한 완전한 가시성을 확보하십시오. X-대역 및 K-대역과 같은 모든 주요 NTN 대역을 포괄하도록 주파수 범위를 확장하기 위해 하드웨어를 쉽게 추가할 수 있습니다.

유연한 Channel Studio 시나리오 생성을 통해 노드 및 네트워크 수준에서 실제 위성 라디오 하드웨어와 솔루션을 테스트할 수 있습니다. UXA 신호 분석기에서 실행되는 키사이트 WaveJudge 무선 분석기 및 키사이트 PathWave 벡터 신호 분석(VSA)을 사용하여 성능 문제를 해결하십시오. WaveJudge를 넘어 IQ 스트림을 분석하려면 PROPSIM 내부 IQ 캡처 및 스트리밍 기능을 사용할 수 있습니다.

또한 VXG 마이크로웨이브 신호 발생기를 PROPSIM 및 UeSIM 사용자 단말 동작의 사실적인 표현과 결합하여 실험실에서 실제와 같은 테스트 조건을 생성할 수 있습니다. 키사이트가 전체 워크플로우에서 지상에서 공중까지 NTN의 지속적인 개발을 어떻게 지원하여 미래 통신을 연결하고 보호하는 데 도움이 되는지 자세히 알아보십시오.