10Gbps 레이저 위성 간 링크 성능 분석 LEO와 GEO 광무선통신 모델링

본 논문은 차세대 위성 통신을 위한 인터‑위성 광무선통신(IsOWC) 시스템을 설계·시뮬레이션하고, 10 Gbps 데이터 전송을 목표로 LEO와 GEO 위성 간 40 000 km 거리의 링크 성능을 정량적으로 평가한다. 연구 배경으로는 광섬유와 무선통신의 장점을 결합한 자유공간광통신(FSO)이 대역폭·전력·무게 측면에서 기존 RF 시스템을 능가한다는 점을 들며, 특히 진공 환경에서는 대기 감쇠가 없으므로 장거리 전송이 가능하다는 점을 강조한다. 시스템 구성은 송신 측에 연속파(CW) 레이저(파장 860 nm, 출력 15 dBm, 라인폭 10 MHz)를 배치하고, NRZ 펄스 발생기와 마하-젠더(MZ) 변조기를 통해 10 Gbps 비트 스트림을 변조한다. 변조된 광신호는 30 dB 이득, 4 dB 잡음지수를 갖는 광증폭기(EF‑A)로 전력 증폭된 뒤, 구경 20 cm의 광 안테나를 통해 진공 채널로 방출된다. 수신 측에서는 동일 구경의 안테나가 광신호를 집광하고, 이온화 비율 0.9의 APD(다이오드)로 전기 신호로 변환한다. 변환된 전기 신호는 0.75·비트레이트 차단 주파수, 4차 Bessel 저역통과 필터를 거쳐 최종적으로 TT&C 서브시스템에 전달된다. 시뮬레이션 파라미터는 표 1에 정리되어 있으며, 주요 변수로 파장(860, 1340, 1450, 1550, 1650 nm), 안테나 직경(15, 20, 30 cm), 전송 거리(40, 50, 60 km) 등을 설정하였다. 결과는 눈 다이어그램, Q‑factor, BER, 신호 전력 등으로 정량화되었다. 기본 조건(860 nm, 20 cm, 40 000 km)에서는 Q‑factor 30, BER 2.9×10⁻²⁰¹, 전력 –63 dBm을 기록해 거의 오류 없는 전송이 가능함을 확인했다. 파장을 점차 늘리면 회절 손실이 커져 Q‑factor가 14.2→10.5로 감소하고 BER은 10⁻⁵² 수준에서 10⁻⁶⁶ 수준까지 악화된다. 이는 장파장대에서 광학 시스템의 효율이 감소하고, 수신 안테나가 포착하는 광량이 급격히 줄어들기 때문이다. 안테나 직경을 15 cm로 축소하면 Q‑factor가 12.05, 전력 –67.19 dBm으로 저하되지만 위성의 질량·부피·공기 저항이 감소해 페이로드 설계에 유리하다. 반대로 30 cm로 확대하면 Q‑factor와 전력이 각각 33.5, –59 dBm 수준으로 향상되지만, 무게·크기·드래그 증가라는 비용이 따른다. 거리 변수를 50 000 km와 60 000 km로 늘리면 각각 Q‑factor가 21.8, 16.23으로 감소하고 전력은 –61.08 dBm, –64.24 dBm으로 약 3 dB씩 손실된다. 이는 자유공간 전파 손실이 거리 제곱에 비례해 증가하기 때문이다. 논문은 또한 기존 연구와 차별화되는 점을 강조한다. 이전 연구들은 2.5 Gbps 이하의 전송률과 1 000 km 이하의 거리만을 다루었으며, 파장 비교에서도 850 nm와 1550 nm를 주로 검토했다. 본 연구는 10 Gbps, 40 000 km라는 극한 조건을 시뮬레이션으로 구현했으며, 파장·안테나·거리의 다변량 영향을 체계적으로 분석했다. 결론적으로, 860 nm 파장에서 20 cm 구경의 안테나를 사용하면 40 000 km 거리에서도 10 Gbps 전송이 실현 가능함을 보였으며, 시스템 설계 시 파장 선택, 안테나 크기, 거리 제한을 종합적으로 고려해야 함을 제시한다. 다만 실제 운용에서는 포인팅 오차, 우주 입자 충돌, 레이저 파장 온도 변동, 전력 제한 등 비이상적인 요인이 존재하므로, 향후 연구에서는 이러한 실환경 요인을 모델에 포함시켜 보다 현실적인 성능 예측이 필요하다.