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저지구 궤도 위성에서 고도 비행 드론까지 새로운 인터넷 접속 서비스
인터넷의 사용 빈도가 높아지면서 활용성이 고도화되어 수십억 명 사람들의 수요를 감당하기 어려운 단계에 진입하고 있다. 이 수요를 만족시키기 위...

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인터넷의 사용 빈도가 높아지면서 활용성이 고도화되어 수십억 명 사람들의 수요를 감당하기 어려운 단계에 진입하고 있다. 이 수요를 만족시키기 위해 기존 방식, 즉 섬유 혹은 케이블 기반의 육상 인터넷 서비스는 비용 측면에서 수요를 감당할 수 없다. 현재 새로운 해결 방식으로 저지구 궤도 위성에서 성층권 풍선ballons, 높은 내구성을 지닌 고도 비행 드론 등에 이르기까지 혁신에 기반한 네트워크가 제안되고 있다. 어떤 타당성 있는 기술이 있으며, 현재 시장 선두 주자들은 누구인가? 새로운 시장 진입자는?


오늘날의 통신 위성들은 지난 50년 동안 사용해온, 모두 동일한 지구 정지궤도 방식을 기반으로 하고 있다. 엄청난 고가의 이 인공위성들은 각각 적도 상공의 한 고정된 위치에 있으며, 이로 인해 범위가 제한되고, 대역폭을 두고 경쟁을 벌이고 있다.


이에 관한 대안으로 저지구 궤도Low Earth Orbit, LEO라고 하는 아이디어는 지표면의 어느 누구, 어느 지역에서나 이동 전화 서비스를 원활하게 제공하기 위한 시도로서 1990년대에 등장했다. 상당한 투자도 잇따랐다. 그러나 이리듐Iridium과 글로벌스타Globalstar와 같은 초기 형태를 포함한 각종 프로젝트들은 기술 제약과 빈약한 비즈니스 모델로 인해 성과를 내는 데 실패했다.


그로부터 25년이 흘러, 그 비전을 상업적으로 성공시키기 위한 새로운 프로젝트들이 현재 진행 중이다. 이 새로운 프로젝트는 과거의 그것들과는 다르다. 훨씬 더 유리한 조건에서 시작한다. 우선 한 가지 이유는 이제는 훨씬 작고 가벼운 인공위성을 만들 수 있다는 점이다. 이로 인해 발사 비용이 현저하게 낮아진다. 더 중요한 것은 다양한 단말기terminal, 핸드셋handset과 관련되는 비용으로 즉, 크기, 제조 가능성, 구성요소의 비용이 크게 떨어진 반면, 기능성과 사용 편의성은 크게 증대되었다는 점이다. 저지구 궤도 위성 단말기에 필요한 고체 형태 안테나에도 상당한 진보를 일궈냈다. 이 안테나는 하늘에서 움직이는 위성을 추적하고 첫 번째 위성이 지평선에서 사라지면 다음 위성으로 끊김 없이 이어질 수 있도록 하는 데 필요하다.


위성 태양 전지의 효율성도 초기보다 두 배 이상 늘었으며, 전력 증폭기의 효율성도 훨씬 좋아졌다. 이러한 조건들은 비즈니스 면을 강화하는 데 분명 도움이 되고 있다. 물론 수요에 대한 불확실성도 여전히 존재한다. 저지구 궤도 위성의 주파수 할당에 대해 각 정부의 기존 규제도 마찬가지다.


다행스러운 점은 이리듐과 글로벌스타의 초기 투자자들이 돈을 잃었지만, 두 프로젝트의 ‘위성 컨스털레이션Constellation(별자리 프로젝트라고 불리며, 전 지구를 더 커버할 수 있도록 수십 개의 동일한 인공위성을 지구 궤도에 띄워놓는 것)’은 모두 건설되어 15년 이상 운영되어 왔다는 것이다. 더욱이 두 회사는 차세대 컨스털레이션 프로젝트를 위한 자금을 성공리에 모집했는데, 글로벌스타의 프로젝트는 2016년에 위성 발사를 시작으로 재개되었고, 이리듐의 차세대 컨스털레이션 위성은 2018년에 완벽하게 운용될 예정이다.


이 시장에 새로운 진입자 중 애널리스트들은 기존 국제위성통신기구 인텔샛INTELSAT뿐만 아니라, 버진 갤럭틱Virgin Galactic, 퀄컴Qualcomm, 휴즈 네트워크 시스템Hughes Network Systems, 에어버스 디펜스 & 스페이스Airbus Defense and Space가 가장 성공 가능성이 높다고 믿고 있다. 흥미롭게도 코카콜라도 이 위성 프로젝트에 관련되어 있다.


영국의 버진그룹과 항공기 제조기업 에어버스가 공동 투자로 만든 글로벌 통신기업 원웹OneWeb은 상업용 서비스를 위해 가장 작고 가벼운 통신 위성을 설계 제작하려고 한다. 이 위성의 무게는 138kg으로, 원웹은 250개의 예비 위성에 약 650개의 Ku 대역 전파Kuband(12~18Ghz) 위성으로 컨스털레이션 프로젝트를 계획하고 있다.


각 위성간 링크는 아직 계획되어 있지 않다. 따라서 이 시스템은 수많은 지상 게이트웨이를 필요로 할 것이다. 게이트웨이는 인텔샛과 상업용 링크가 작동하는 지점이다. 위성을 설계, 제작, 발사하는 것뿐만 아니라 모든 지상 통제 시설에 대한 비용은 75억 달러(한화 약 8조 4,075억 원)에 이를 것으로 추정된다. 현재까지, 원웹은 5억 달러(한화 약 5,604원)를 유치했는데, 상업적 활용을 위한 수많은 후원자들로부터 대부분 거둬진 것이다. 모회사인 에어버스가 위성을 제작할 것인데, 이 위성들은 1,200km 상공, 20개의 궤도면orbital plane에 올려질 것이다. 각 위성 비용은 50만 달러(한화 약 5억 6,000만 원)로 추정된다.


원웹은 또한 태양광 발전으로 운용되는 몇 가지를 포함해 다양한 프로토타입의 사용자 단말기들을 시연해오고 있다. 이 단말기들은LTE, 3G, 2G, 와이파이Wi-Fi와의 조합 기능을 제공할 것이고, 단말기 대당 비용은 250달러(한화 약 28만 원)에 불과할 것으로 추정된다. 최초의 10개의 위성들이 네트워크 및 단말기 테스트에 사용되고 2017년 말에 완료될 예정이고, 전체 컨스털레이션 프로젝트는 2019년 말까지는 준비될 예정이다. 위성 대부분은 미국에서 제작될 것이다.


한편 스페이스XSpaceX가 625km 상공에 4,000개의 위성으로 구성되는 컨스털레이션 프로젝트에 필요한 자금을 위해 구글로부터 10억 달러를, 금융기업 피델리티Fidelity로부터 추가 자금을 유치했다는 소문이 있다. 스페이스X는 Ku 및 Ka 대역에서 각각 작동하는 마이크로샛-1aMicroSat-1a와 마이크로샛-1bMicroSat-1b로 이름 붙여진 최대 8대의 실험용 인공 위성의 사용 시험을 시작하기 위해 연방통신위원회Federal Communications Commission, FCC에 승인을 요청했다.


사업을 진두지휘하고 있는 CEO 엘론 머스크Elon Musk는 이 네트워크가 더 빠른 인터넷을 제공할 것이고, 지상 유선 회사와 경쟁 구도를 형성할 것이라고 밝혔다. 시범 위성은 2018년부터 스페이스X의 팔콘 나인Falcon 9 로켓으로 발사될 것으로 예상된다. 그러나 머스크가 지금까지 밝힌 계획들이 주로 연기되었던 것처럼, 이 프로젝트 또한 지연될 가능성도 있다. 스페이스X의 위성 프로젝트에는 100억~150억 달러(한화 약 11조~16조 원)의 비용이 소요되기 때문에, 앞으로 10년 이내에 이 프로젝트가 완전히 실현될 것이라고 믿는 사람은 소수에 불과하다.


각 기업들이 대중에게 인공위성을 통한 인터넷 서비스를 제공하기 위해 치열한 경쟁을 하는 동안, 전자제품 분야의 거인 삼성전자는 향후 10년 안에 시작될 ‘우주 인터넷Space Internet’에 관한 비전을 세웠다. 삼성전자는 저궤도 저비용 소형위성microsatelite 4,600개를 제시하고 있는데, 각 위성은 초당 1테라바이트를 전송할 수 있고, 지상 대기 시스템과 동등하거나 그 이상의 우수한 신호 대기 시간을 제공할 수 있다. 위성의 무게는 약 200파운드(약 90.7kg)로, 2,000km 미만의 고도에서 운용된다.


삼성은 그들이 계속 혁신의 주체로 머무를 수 있는 영역, 즉 5G에 대한 진화된 비전의 일부로서 이것을 바라보고 있다. 삼성에 따르면 비전은 다음과 같이 정리된다. “밀리미터 파 스펙트럼millimetre wave spectrum에서 무선 접속을 제공하는 5G 비전과 더불어, 단일 표준 기반 무선 기술이 접속, 백홀backhaul, 위성 통신을 위해 개발될 것입니다. 이로 인해 단편화fragmentation를 제거하고, 결과적으로 무선 서비스 제공 비용을 절감할 수 있습니다.”


삼성의 컨셉은 또한 이미 수많은 5G 개발의 중요 요소인 위상 배열 레이더에 근거한 것이다. 이는 커버리지coverage(통신가능)를 개선하고 간섭interference을 줄이는 것을 필요로 할 것이다. 위상 배열은 다수의 전파 발사 소자를 가진 고정 안테나에서 나오는 발사 전파를 전자적으로 조작하여 상하좌우의 주사走査를 고속으로 행하는 것으로, 기존 전통 방식의 느리고 유연성이 떨어지는 기계적 접근보다 빔이 ‘전자 제품의 유연성과 속도’를 조정할 수 있도록 한다.


저지구 궤도 인공위성은 전통적인 통신 위성 및 지상파 네트워크에 비해 많은 이점을 제공한다. 하지만 게임 참여자가 이들만 있는 게 아니다. 성층권 풍선과 고도의 내구성을 갖춘 드론을 활용하는 프로젝트도 완전히 개발 완료되면 더욱 상업적인 영역으로 변모할 수 있다.


풍선부터 시작해보자. 약 4년 전 시작된 이래, 알파벳Alphabet의 프로젝트 룬Project Loon 실험은 거의 불가능한 ‘문샷moonshot’에서 ‘실제로 작동할 수 있는 아이디어’로 전환됐다. 룬 프로젝트 관리자가 최근 언급한 바와 같이, 이 프로젝트 팀은 자체 탐색 및 운항, 인터넷 전송 풍선 네트워크를 구축하려는 시도에 있어 ‘단순한 기대치를 이미 넘어선 상태’에 도달했다. “이 과정에서 우리는 기구를 통한 인터넷이 전 세계의 교외와 외딴 지역에 살고 있는 사람들에게 현실이 되는 날을 훨씬 더 앞당겼습니다.”


2016년 9월, 프로젝트 엔지니어들은 풍선이 기류를 타는 방법, 한 번에 수개월 간 한 지역에 머무르는 방법을 시스템이 어떻게 학습하는지를 발표했다. 이 발표가 매우 흥미로운 이유는 이 연구 결과를 통해 룬 팀은 현재 지역마다 200~400개의 필요한 풍선보다는 1,030개의 풍선만으로도 전 세계 특정 장소들에서 실험과 테스트 서비스를 진행할 수 있기 때문이다.


프로젝트 룬 팀은 또한 항법과 고도 제어 시스템을 개선하여 더욱 정밀한 제어가 가능하도록 하고 있으며, 이 프로젝트에 참여하고 있는 인공지능은 더욱더 똑똑해지고 있다. 이로 인해 더 적은 수의 풍선으로 더 높은 효율성을 달성하면 운영비가 극적으로 낮아진다. 결과적으로 낮은 운영비와 기술 개선으로 인해 수개월이 아닌 수주 내에 새로운 지역에 서비스를 배치할 수 있게 된다. 전 세계의 모든 외곽 지역까지 인터넷을 공급할 수 있는 커다한 수혜가 제공되는 것이다.


풍선은 상대적으로 저렴하고 쉽게 하늘로 올려 보낼 수 있으며, 업데이트 또한 수월하다. 그러나 항법을 개선하는 일은 여전히 쉬운 일이 아니다. 인공위성은 제작과 발사에 비용이 크게 들고, 궤도에 올린 이후에는 업데이트 작업이 쉽지 않다. 풍선과 인공위성의 단점을 한 번에 극복할 수 있는 대안으로 무엇이 있을까? 바로 드론이다.

그러나 드론의 단점은 장기간 하늘에 머무르지 못한다는 것이다. 그러나 드론이 그렇게 할 수 있다면 어떠할까?


에어버스는 최근 태양 빛만으로도 구동하는 드론 ‘제퍼 TZephyr’의 처녀비행을 성공리에 마쳤다고 발표했다. 제퍼 T는 위성보다 훨씬 낮은 고도에서 비행함으로써, 광대역폭 링크를 제공할 수 있고, 레이저를 통해 다른 드론들 혹은 지상 수신기에 정보를 전달할 수 있다. 지구 궤도를 돌고 지평선 너머로는 사라지는 인공위성으로서는 불가능한 ‘가시거리 내 통신Line-Of-Sight Communication도 가능하다.


에어버스는 궤도상에 있는 위성과 저고도의 제한적인 드론 사이의 ‘역량 격차’를 메우기 위한 목적으로 2008년에 유사 인공위성 드론pseudo satellite drone 실험을 시작했다. 2010년, 제퍼 7이 연료 보급 없이 가장 긴 비행으로 세계 기록을 경신했는데, 14일 동안 하늘에 떠있었다. 에어버스는 이제 최소 한 달 이상 하늘에 떠 있는 드론을 확보하기 위해 노력하고 있다.


이러한 기술 역량과 개발 방향을 고려할 때, 우리는 다음 2가지 결론을 예측할 수 있다.


첫째, 2030년까지 저지구 궤도 인공위성 조합이 지구촌 전역의 모든 사람들에게 인터넷 서비스를 제공하게 될 것이다.


현재를 기준으로, 전문가들은 57억 명의 사람들이 저렴한 브로드밴드에 안정적으로 접속하는 데 불편함을 겪고 있다고 추정한다. 이 문제를 해결하면 엄청난 투자 없이도 교육, 상거래, 통신에 대한 큰 도약이 이뤄진다. 저지구 궤도 인공위성 기술의 가장 큰 장점은 상대적으로 낮은 점진적 비용만으로 인터넷이 현재 풍요로운 지역뿐만 아니라 빈곤한 지역까지 모두 커버할 수 있다는 점이다.


둘째, 풍선과 드론은 인도와 같이 인구 밀도가 낮은 특정 지역을 목표로 할 때 가장 큰 성공을 거두게 될 것이다.


여기에는 빈곤 지역뿐만 아니라, 넓은 영토로 인해 인터넷 서비스 업그레이드 비용이 많이 드는 부유 지역도 포함된다. 풍선과 드론은 제한된 지역과 연계된 상황에서는 제일 완벽한 해결책이 될 것이다.


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References List :
1. January 12, 2016. “Billions at stake as broadband satellite race intensifies.”
http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/billions-at-stake-as-broadband-satellite-race-intensi-fies/112421/


2. Jun. 22, 2017. “Commercial balloons in the stratosphere could monitor hurricanes and scan for solar storms” by Adam Mann.
http://www.sciencemag.org/news/2017/06/commercial-bal-loons-stratosphere-could-monitor-hurricanes-and-scan-solar-storms


3. June 1, 2016. “Airbus Wants to Replace Satellites With High-Flying Drones” by Jack Stewart .
https://www.wired.com/2016/06/airbus-new-drones-actually-high-flying-pseudo-satellites/


4. BBC World Service. 11 November 2015. “Facebook’s laser drones v Google’s net-beaming balloons” by Leo Kelion.
http://www.bbc.com/news/technology-34780127



The New ISPs In the Sky
 
Today’s communications satellites are based on the same geo-synchronous approach that we’ve used for over 50 years.  Enormously expensive satellites sit in fixed positions over the equator, restricting coverageand competing for bandwidth.


The alternative idea of Low Earth Orbit (or LEO) networks started in the 90s as well-funded efforts to provide mobile telephony to anyone, anywhere on the surface of the Earth.  But those projects, including the initial versions of Iridium and Globalstar, failed to deliver on the hype because of technology constraints, coupled with poor business models.


Now 25 years later, projects are underway to make that vision commercially successful.


Why should this new spate of projects fare better than the originals?  One reason is that satellites can now be made much smaller and lighter, so launch costs are significantly lower.  More importantly, the size, manufacturability and component costs associated with the different terminals and handsets have plummeted since those early days, while functionality and ease of use have increased. There have also been significant advances in solid-state antennas for LEO satellite terminals, which need to track a satellite as it moves across the sky and transfer seamlessly to another satellite when the first satellite approaches the horizon. Meanwhile, satellite solar cell efficiency has more than doubled since the early days and power amplifier efficiency has also surged.


While these factors have helped strengthen the business case, uncertainties remain about demand, as well as ever-present regulatory constraints placed on frequency allocations for LEO satellites.


Notably, while the original investors in Iridium and Globalstar lost their money, both “satellite constellations” were built and have been operating for over 15 years.  Furthermore, the companies have successfully raised money for second-generation constellations with Globalstar’s latest iteration launched in 2016 and Iridium’s “NEXT constellation” satellites scheduled to be fully operational in 2018.


Of the new entrants, analysts believe the most likely one to succeed is OneWeb, backed by Virgin Galactic, Qualcomm, Hughes Network Systems, and Airbus Defense and Space, as well as legacy satellite network operator Intelsat.  Interestingly, Coca Cola is also involved.
 
OneWeb is planning a constellation of 650 active Ku-band satellites (plus 250 spares), each weighing only 68 lbs, which would make them amongst the smallest and lightest communications satellites designed for commercial service.


Inter-satellite links are not planned, so the system will need many terrestrial gateways ? which is where the commercial link with Intelsat comes into play.  The cost of these and other ground control facilities, as well as designing, building and launching the satellites, is expected to reach $7.5bn.  To date, the group has raised some $500 million, mostly from its many commercial backers. Airbus will build the satellites, which are expected to be launched into 20 orbital planes at an altitude of about 1200km.  Each satellite is expected to cost $500,000.


OneWeb has also demonstrated various prototypes of user terminals, including some operated by solar power. They will offer combinations of LTE, 3G, 2G and Wi-Fi and are estimated to cost just $250 per terminal.  The first 10 satellites will allow testing of the network and terminals to be completed by year-end 2017, with the entire constellation to be ready by late 2019. The bulk of the satellites will be made in the US.


Meanwhile, SpaceX is rumored to have received a $1 billion investment from Google and additional support from financial company Fidelity to fund a constellation of 4000 satellites orbiting at a 625km altitude.  It has requested permission from the FCC to commence trials with up to eight experimental satellites, dubbed MicroSat-1a and MicroSat-1b, operating in the Ku and Ka bands, respectively.  It’s a natural way to diversify, while generating private-sector launch revenue.


Elon Musk has suggested the network could deliver speeds and that would compete with terrestrial fiber. The trial satellites are expected to be launched, beginning in 2018, on SpaceX’s Falcon 9 rocket; but, like “everything Musk,” expect MicroSat to be late.  Projections about how much the SpaceX satellite project would cost range from $10bn to $15bn and few believe it could be fully operational until well into the next decade.
 
While entrepreneurs battle it out to offer Internet to the masses via their satellite constellations, electronics giant Samsung has laid out its own vision for ‘Space Internet’ to be created in the next decade.  The company has proposed 4600 ‘low-cost microsatellites in low-earth orbit, each capable of providing Tera-bit/s data rates, with signal latencies better than or equal to ground based systems.’  The satellites would weigh less around 200lbs and operate at altitudes of less than 2000km.
Samsung sees this as part of its evolving vision for 5G, an area in which Samsung continues to be a major innovator.  According to Samsung, “With the 5G vision of providing wireless access in the millimetre wave spectrum, a single standards-based wireless technology can be developed for access, backhaul and satellite communications, eliminating fragmentation and thereby reducing the costs of providing wireless services.”


The concept also relies on phased array radars: already a critical element of many 5G developments. These will be necessary to improve coverageand reduce interference.  Phased arrays allow the beam to be steered ‘with the flexibility and speed of electronics,’ rather than the slower and less flexible mechanical approach used for traditional parabolic dishes.
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While LEO satellites offer many advantages over traditional communications satellites and terrestrial networks, they aren’t the only game in town.  Projects using stratospheric balloons and high-endurance drones may make even more commercial sense when fully developed.
 
Let’s start with balloons.  Since it launched nearly four years ago, Alphabet's Project Loon experiment has shifted from an unlikely “moonshot” to an idea that might actually work.  As Loon project management wrote recently, the project team has "now exceeded even their own expectations," in the attempts to build a network of self-navigating, internet-beaming balloons. "And, in the process, they've leapt much closer to the day when balloon-powered Internet could become a reality for people in rural and remote regions of the globe."


In September 2016, the project's engineers showed how the system learned to ride air currents and stay in place over one area for months at a time.  The reason this is so exciting is that the team can now run experiments and test services in particular places of the world with just 10 to 30 balloons, rather than 200 to 400 balloons.


The Project Loon team has also improved the navigation and altitude control systems to allow for even more precise control, but the AI behind it can get even smarter.  Fewer balloons means operating costs are drastically reduced and service could be deployed to a new region in weeks rather than months, which is a huge advantageconsidering these are meant to deliver internet to remote regions of the world.
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Balloons are relatively cheap, easily launched, and readily updated, but they are remain relatively hard to navigate.  While satellites, are expensive to build, expensive to launch, and difficult to update once in orbit.  Drones overcome all of the drawbacks of satellites and balloons, but, they can't stay aloft very long.  Or can they?
Airbus recently announced the successful maiden flight of its Zephyr T aircraft, a drone powered only by sunshine. By flying far lower than satellites, drones could provide high-bandwidth links, using lasers to relay information to other drones or receivers on the ground, providing the sort of line-of-sight communication that isn’t possible with satellites that orbit the planet and disappear over the horizon.


Airbus started working on pseudo satellite drones in 2008, aiming to fill the "capability gap" between satellites in orbit and the low-altitude, limited drones of the day.  In 2010, Zephyr 7 smashed the world record for longest flight without refueling, staying aloft for 14 days. Airbus is now working to get that up to at least a month.


Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration,


First, by 2030, a combination of LEO satellites will make broadband Internet service available to almost everyone on the planet.


Today, experts estimate that 5.7 billion people still lack reliable access to affordable broadband.  Solving this problem will provide a huge boon to education, commerce and communication without enormous investment.  A big advantageof LEO technology is that it can cover poor areas as well as rich ones with relatively low incremental cost. And,


Second, balloons and drones will be most successful where the objective is to target specific areas with dense under-served populations, like much of India.
That includes not only poor areas, but also affluent pockets where upgrading the “last mile” has become prohibitively expensive.  Balloons and drones are perfect for situations involving limited geographies.
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References
1. January 12, 2016. “Billions at stake as broadband satellite race intensifies.”

http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/billions-at-stake-as-broadband-satellite-race-intensi-fies/112421/


2. Jun. 22, 2017. “Commercial balloons in the stratosphere could monitor hurricanes and scan for solar storms” by Adam Mann.

http://www.sciencemag.org/news/2017/06/commercial-bal-loons-stratosphere-could-monitor-hurricanes-and-scan-solar-storms


3. June 1, 2016. “Airbus Wants to Replace Satellites With High-Flying Drones” by Jack Stewart.

https://www.wired.com/2016/06/airbus-new-drones-actually-high-flying-pseudo-satellites/


4. BBC World Service. 11 November 2015. “Facebook’s laser drones v Google’s net-beaming balloons” by Leo Kelion.

http://www.bbc.com/news/technology-34780127