레이저 통신 우주에서 지상으로 초당 200Gbps 기록달성

나사(NASA)와 매사추세츠공과대학(MIT) 등이 공동 개발한 위성통신 시스템 'TBIRD(TeraByte InfraRed Delivery)'가 200Gbps의 전송속도를 기록해 2022년에 달성한 100Gbps의 기록을 두 배로 뛰어 넘었다. 

저비용 소형이며 고속의 위성 레이저 통신 시스템을 통해 인공위성이 획득한 방대한 데이터를 즉시 지상으로 전송할 수 있게 되어 우주 탐색에서 더 많은 발견을 할 수 있을 것으로 기대된다.

나사는 지난 4월 실시한 위성-지상 간 레이저 통신 시험에서 역대 최고 데이터 전송 속도인 200Gbps의 처리량을 달성했다고 5월 12일(현지시각) 발표했다. 이에 따라 위성은 지상국 상공을 5분간 통과하는 것만으로 고화질 영화 1000편에 해당하는 2TB 이상의 데이터를 전송할 수 있게 됐다.

이 레이저 통신을 가능케 한 TBIRD 시스템은 나사의 패스파인더 기술 실증 위성 3호(PTD-3)에 탑재되어 2022년 5월 스페이스X의 위성탑승공유 미션 '트랜스포터-5'에 의해 궤도에 올려졌다. 상공 530km 상공을 도는 PTD-3 위성은 사과 상자 절반 정도의 크기에 무게는 약 12kg의 큐브샛이다. 또한 내장된 TBIRD는 일반 티슈박스 정도의 크기밖에 되지 않는다.

일반적으로 지구에서의 고속 통신은 광섬유를 이용한 레이저 통신으로 이루어지고 있지만, 레이저로 고속 인터넷 통신을 할 수 있는 인공위성은 아직 없다. 따라서 우주 관련기관이나 우주개발 기업들은 우주공간에서의 통신에 무선 전파통신을 사용하고 있지만, 위성이 고성능화되면서 전파통신의 느린 속도가 문제가 되고 있다.

레이저 통신에 사용하는 적외선은 무선 전파보다 주파수가 높아 더 빠른 데이터 통신이 가능하지만, 이번 TBIRD의 속도는 쉽지 않았다. 이를테면 지상의 레이저 통신을 위해 개발된 대부분의 부품은 로켓 발사나 우주공간이라는 혹독한 환경을 견딜 수 있도록 설계되지 않았다. 따라서 우주에서의 운용을 가정한 테스트에서 광신호 증폭기 케이블이 녹아내리는 일이 발생하기도 했다. 

이는 공기의 대류로 열을 발산하는 것을 전제로 만들어진 증폭기가 진공 상태에서 열을 잘 발산하지 못했기 때문이었다. 이에 연구팀은 증폭기 제조사와 협력해 열전도를 통해 냉각하는 방식으로 개선했다.


또한, 우주에서 지상으로 도달하는 레이저는 대기의 영향과 기상 조건에 따라 왜곡되어 데이터 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 데이터 전송 중 발생하는 오류를 수정하기 위한 프로토콜인 ARQ(Automatic Repeat Request, 자동 재전송 요청)를 독자적으로 개발했다. 지상국이 위성에 어떤 데이터 블록(프레임)을 제대로 수신했는지 알려주면 위성이 재전송해야 할 프레임을 파악할 수 있어 불필요한 데이터 재전송 시간을 줄일 수 있게 된 것이다.

특히 레이저는 무선 통신에 비해 빔이 가늘다는 문제도 있었다. 이로 인해 빔을 정확하게 수신기로 향하게 해야 하기 때문에 일반적으로 레이저 장비는 짐벌, 즉 회전대에 장착된다. 

하지만 TBIRD는 작은 큐브샛에 탑재하기 때문에 부피가 큰 회전대를 사용할 수 없다. 그래서 연구팀은 오류 신호를 이용해 위성의 방향을 수정하는 방식으로 해결했다. 이 짐벌리스 전략은 TBIRD를 더욱 소형화할 뿐만 아니라 발사 비용 절감에도 기여했다.

200Gbps를 달성한 연구팀의 다음 목표는 이 기술에 적합한 과학적 임무를 찾는 것이다. MIT 링컨 연구소의 항공우주 엔지니어인 커트 리징(Cut Leesing)은 "이 기술은 많은 데이터를 수집해 얻을 수 있는 과학 임무에 적합하다“며, ”이를테면 블랙홀을 촬영하는 이벤트 호라이즌 망원경을 확장하는 '이벤트 호라이즌 익스플로러 미션'에서의 활약이 기대된다."라고 말했다.

사상 첫 블랙홀을 최초로 촬영에 성공한 이벤트 호라이즌 망원경은 관측에 참여한 각 망원경이 하루에 350TB에 달하는 방대한 양의 데이터를 생성했다. 향후 이러한 미션에 우주망원경 등 인공위성이 참여할 경우, 우주와 지상 간 고속 통신이 필수적이다.

연구팀은 앞으로 달 탐사에 TBIRD를 사용할 수 있는 방법도 모색하고 있다. 검토 중인 통신 속도는 1~5Gbps로, 200Gbps에 비하면 다소 낮은 속도처럼 보이지만 달과 지구가 약 40만km 떨어져 있다는 점을 감안하면 엄청난 속도다.

또한 이 기술은 지구상의 데이터 링크에도 적용될 수 있다. 이를테면 건물과 건물, 산꼭대기와 산꼭대기 등 사람이 쉽게 접근할 수 없는 곳의 통신에서 광섬유를 설치하는 데 엄청난 비용이 드는 경우에 활용 될 수 있다.