“5G 넘어 6G 시대로” 고려대-프린스턴대, 저궤도 위성통신 속도 최대 2.8배 향상

△ 3차원 레인보우 빔포밍의 위성 시스템에서의 장점과 기존 빔포밍 대비 차별점을 나타낸 그림 

최근 스타링크 등 주요 통신 사업자들이 위성-단말 직접 통신 서비스를 본격적으로 시작하면서 6G 시대가 코앞으로 다가왔다. 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 신원재 교수 연구팀이 미국 프린스턴대학교 빈센트 푸어(H. Vincent Poor) 교수와의 공동 연구를 통해 저궤도 위성통신 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.

*저궤도(LEO) 위성통신: 지표면에서 비교적 가까운 거리(고도 300~2,000km)에 위성을 띄워 데이터를 주고받는 기술로 별도의 기지국이 필요없다. 지구 어디서나 초고속·초저지연 통신을 가능하게 하는 ‘6G’ 구현에 필수적인 핵심 기술

저궤도 위성통신은 비교적 낮은 고도에 위성을 띄워 실시간으로 통신할 수 있고, 기지국을 세우기 힘든 지역에서도 인터넷 사용이 가능하다는 장점을 바탕으로 글로벌 통신 인프라의 핵심으로 떠올랐다. 그러나 전파 경로 손실이 기존의 정지궤도 위성 대비 적다고는 해도 여전히 크고, 제한된 크기와 전력 공급 내에서 최적의 성능을 내야 하는 위성의 하드웨어적 한계도 존재한다. 따라서 효율적인 통신 설계가 무엇보다도 중요하다.

기존 위성 시스템에서 널리 사용되는 ‘빔 호핑(Beam Hopping)’은 전파를 시간대별로 쪼개어 여러 지역에 순차적으로 전송하는 방식이다. 따라서 한꺼번에 많은 사용자를 수용하지 못하고 지연이 발생하는 문제가 있었다. 또 위성이 빠르게 이동하는 저궤도 위성통신의 경우, 데이터를 위성으로 정확히 쏘아 올리는 ‘상향링크’ 성능이 제한되는 한계도 존재했다. 

연구팀은 이를 극복하기 위해, 저궤도 위성통신에서 성능 저하 요인으로 여겨졌던 ‘빔 스퀸트’ 효과를 적극적으로 활용하는 ‘3차원 레인보우 빔포밍(3D Rainbow Beamforming)’ 기술을 개발했다. 주파수에 따라 서로 다른 방향으로 빔이 형성되는 특성을 이용해, 마치 무지개가 펼쳐지듯 각 주파수 성분을 서로 다른 방향으로 분산시켰다. 이에 따라 서비스 지역 전체를 대상으로 동시에 끊기지 않는 통신을 제공할 수 있게 됐다. 

*빔 스퀸트: 안테나에서 방출되는 전파의 방향이 주파수에 따라 미세하게 어긋나며 서로 다른 곳으로 꺾여 나가는 물리적 현상 

*빔포밍: 안테나에서 전파를 특정한 방향으로 가늘고 강하게 모아서 쏘는 기술 

기존 빔 호핑 방식 대비 더 많은 사용자를 동시에 수용하고 성능도 획기적으로 높였다. 연구팀은 수학적 최적화 기반 알고리즘을 통해 빔포밍 구조를 설계하고, 실제 3차원 위성 환경을 반영한 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과, 상향링크 전송률이 기존 방식 대비 최대 2.8배 향상됨을 확인했다.

신원재 교수는 “기존에 반드시 보상해야 할 문제로 인식되던 빔 스퀸트 현상을 새로운 자원으로 활용했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “본 연구는 제한된 하드웨어 자원 환경에서도 고효율 통신을 구현할 수 있는 차세대 위성 네트워크의 새로운 방향을 제시하며, 특히 향후 위성-단말 직접 통신 분야에서의 기여가 기대된다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 전기·전자공학 및 정보통신 분야 세계적 학술지인 ‘IEEE Transactions on Wireless Communications(IF=10.7)’ 온라인에 4월 28일 게재됐다.

*논문명: Embracing Beam-Squint Effects for Wideband LEO Satellite Communications: A 3D Rainbow Beamforming Approach

*DOI: 10.1109/TWC.2026.3685821

*URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/11498618

이번 연구는 삼성미래기술육성재단 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 전기전자공학부 신원재 교수(교신저자), 고려대 전기전자공학부 박주하 석사과정(제1저자), 프린스턴대학교 전기컴퓨터공학과 빈센트 푸어(H. Vincent Poor) 교수(교신저자)