달리는 위성, 흔들리는 주파수

달리는 기지국

저궤도 위성은 1초에 7km 넘게 달립니다. [5] 땅 위의 기지국은 가만히 서 있지만, 위성에 실린 기지국은 사용자에 대해 엄청난 속도로 움직입니다. SpaceX도 첫 위성 문자 시험을 설명하며 땅의 기지국은 멈춰 있지만 위성은 사용자에 대해 시속 수만 마일로 움직인다고 했고, 그래서 위성 사이의 매끄러운 넘겨주기와 도플러, 시간 지연에 대한 대응이 필요하다고 꼽았습니다. [2]

다가오면 높게, 멀어지면 낮게

첫 번째 숙제는 주파수입니다. 다가오는 구급차의 사이렌은 높게, 멀어지는 사이렌은 낮게 들립니다. 소리를 내는 쪽이 움직이면 듣는 쪽에서 높낮이가 달라지는 도플러 효과입니다. 전파도 똑같아서, 위성이 다가올 때는 주파수가 조금 높아지고 멀어질 때는 낮아집니다. 3GPP도 저궤도와 중궤도 위성은 빠르게 움직여 도플러 변화가 커진다고 설명합니다. [1]

얼마나 달라질까요? 위성의 속도는 빛의 속도에 비하면 10만분의 2 정도로 아주 작습니다. 그런데 휴대폰 전파의 주파수가 2GHz쯤이면, 이 작은 비율도 수십 kHz가 됩니다. 저궤도 위성의 도플러 변화가 ±48kHz를 넘을 수 있다고 정리한 자료도 있습니다. [5] 이는 대략적인 계산이며, 실제 값은 위성과 휴대폰의 위치에 따라 달라집니다.

이 숫자가 문제가 되는 이유는 무선통신 기초 4편에서 본 OFDM의 부반송파에 있습니다. 부반송파 사이 간격은 흔히 15kHz입니다. [3] 위성의 도플러 변화는 이 간격의 몇 배나 되므로, 그대로 두면 이웃 부반송파끼리 뒤섞여 받는 쪽은 어느 칸에 무엇이 실렸는지 구분하지 못하고 데이터를 제대로 읽을 수 없게 됩니다.

게다가 이 변화는 가만히 있지 않습니다. 위성이 다가올 때는 높았다가 머리 위를 지날 때 0으로 내려오고, 멀어질 때는 반대쪽으로 벌어집니다. 몇 분 사이에 주파수가 쭉 미끄러지는 셈입니다. 자리에 따라서도 다릅니다. 같은 위성이라도 위성 쪽으로 곧장 다가오는 방향에 있는 휴대폰과 옆으로 비껴 있는 휴대폰은 변화가 달라서, 한 가지 값으로 모두를 고칠 수 없습니다.

미리 비켜 맞추기

해법은 3편의 시간 맞추기와 닮았습니다. 휴대폰은 위성이 방송하는 궤도 정보와 자기 위치로 위성의 속도와 방향을 계산해, 주파수가 얼마나 달라질지 미리 알아냅니다. 그리고 올려 보낼 때는 그만큼 반대로 비켜서 보냅니다. 위성이 다가와서 높게 들릴 거라면 처음부터 조금 낮춰 보내는 것입니다. 그러면 위성에는 원래 주파수로 들립니다. 3GPP는 휴대폰이 접속 전에 위치와 위성 궤도 정보로 시간뿐 아니라 주파수 도플러도 스스로 미리 보정하게 했습니다. 이것이 사전 보상입니다. [1][5]

위성과 지상국 사이의 피더 링크에서 생기는 도플러는 망 쪽에서 맞춥니다. 3GPP는 서비스 링크의 도플러 사전 보상은 휴대폰이, 피더 링크의 도플러 관리는 망 구현이 맡는다고 나눕니다. [1]

평범한 휴대폰을 그대로 쓰는 스타링크 방식은 위성이 더 많은 일을 맡습니다. SpaceX는 위성에 실린 전용 반도체, 위상 배열 안테나, 소프트웨어가 이런 어려움을 넘어 평범한 휴대폰에 표준 LTE 서비스를 준다고 설명했습니다. [2] 영상에서는 LTE 휴대폰이 기대하는 동작(시간 맞추기, 주파수 맞추기, 접속, 문자)을 위성의 전용 칩이 대신 맞춰 주는 모습으로 그렸습니다. 이 동작 목록은 이해를 돕기 위한 예시입니다.

땅 위에도 비슷한 일이 있긴 합니다. 달리는 고속 열차 안의 휴대폰도 주파수가 조금 달라집니다. 하지만 시속 300km 열차는 초속 약 83m이고 저궤도 위성은 초속 7km를 넘으니, 위성이 100배 가까이 빠릅니다. 이는 대략적인 계산입니다.

몇 분마다 떠나는 하늘의 기지국

두 번째 숙제는 연결을 넘겨주는 일입니다. 저궤도 위성 하나는 몇 분이면 하늘을 가로질러 지평선 너머로 사라집니다. 휴대폰 위의 기지국이 몇 분마다 떠나는 셈입니다. 무선통신 기초 8편에서 본 핸드오버는 사람이 이 기지국에서 저 기지국으로 옮겨 갈 때 연결을 끊지 않고 넘겨주는 과정이었는데, 하늘에서는 사람보다 기지국이 먼저 움직입니다. 3GPP도 위성의 움직임 때문에 핸드오버가 잦고, 셀과 위성이 계속 바뀐다고 설명합니다. [1]

땅 위에서는 휴대폰이 주변 기지국의 신호 세기를 비교해 넘어갈 때를 정합니다. 하지만 위성에서는 빔이 겹치는 곳에서 신호 세기 차이가 크지 않아, 세기만으로는 언제 넘어갈지 정하기 어렵습니다. [1] 위성은 아주 높이 떠 있어서 빔 한가운데나 가장자리나 거리가 거의 같기 때문입니다. 예를 들어 높이 550km 위성에서 빔 가장자리가 25km 떨어져 있어도 거리 차이는 0.1% 남짓입니다. 이는 거리만 따진 단순한 계산이며, 실제로는 안테나 빔 모양 때문에 가장자리가 조금 더 약해집니다.

그래서 위성 쪽은 시간과 위치를 함께 씁니다. 3GPP는 지금의 셀이 그 지역을 언제까지 맡는지 시각과 위치 정보를 알려 주고, 이웃 위성의 정보도 방송해, 휴대폰이 세기 측정만이 아니라 시간과 위치를 조건으로 넘어갈 수 있게 했습니다. [1] 땅에 그려진 구역을 고정하는 방법도 있습니다. 위성은 움직여도 빔이 맡는 땅의 구역은 그대로 두고, 같은 구역을 다음 위성에게 넘겨주는 것입니다. [1]

하늘의 이어달리기

이것은 하늘의 이어달리기와 같습니다. 앞 위성이 지평선으로 내려가기 전에 다음 위성이 같은 땅을 넘겨받으려면, 둘이 함께 같은 땅을 보는 겹치는 순간이 필요합니다. 그래서 위성 직접 통신에는 위성이 아주 많이 필요합니다. 하늘 어디에 있든 적어도 한 기가 보이고 다음 위성이 이어받을 준비가 돼 있어야 하기 때문입니다. 스타링크는 18개월 만에 650기가 넘는 직접 통신 위성을 저궤도에 올렸다고 밝혔습니다. [4]

위성끼리 넘겨주는 것 말고도 넘겨줄 것이 하나 더 있습니다. 위성과 지상국을 잇는 피더 링크도 위성이 움직이면 언젠가 다른 지상국으로 옮겨 가야 합니다. 3GPP는 이 피더 링크 전환을 따로 다룹니다. [1]

땅과 하늘 사이를 오가기도 합니다. 3GPP는 휴대폰이 위성망과 땅의 망 사이를 오가며 이동하는 것을 지원합니다. [1] 영상에서는 제나가 산을 내려와 땅 위 기지국의 신호가 다시 잡히면 위성 대신 가까운 기지국을 쓰는 것으로 그렸습니다. 각 서비스가 실제로 언제 어떻게 땅의 망으로 돌아가는지는 공개 자료를 찾지 못해 일반적인 흐름으로만 설명했습니다.

하늘의 귀

정리하면, 빠르게 달리는 위성은 두 가지 숙제를 남깁니다. 흔들리는 주파수는 미리 비켜 보내서 맞추고, 스쳐 가는 위성은 시간과 위치로 미리 이어 줍니다. 제나는 마을 입구에 도착할 때까지 미나미와 문자를 주고받았습니다. 그사이 머리 위에서는 몇 기의 위성이 이어달리기를 했을까요?

그런데 이 모든 일을 해내는 위성은 어떻게 생겼을까요? 손바닥만 한 휴대폰의 약한 전파를 들으려면 하늘의 귀가 아주 커야 할 것입니다. 다음 편에서는 하늘에 펼쳐진 거대한 안테나와 그 안의 기지국, 그리고 위성이 받은 신호가 땅의 망까지 가는 길을 알아봅니다.

더 읽기 1 · 이 글의 핵심 용어

• **도플러 효과**: 소리나 전파를 내는 쪽과 듣는 쪽이 서로 움직일 때 들리는 주파수가 달라지는 현상입니다. 다가오면 높게, 멀어지면 낮게 들립니다. [1]
• **부반송파**: OFDM에서 데이터를 나누어 싣는 여러 개의 좁은 주파수 칸입니다. 간격은 흔히 15kHz입니다. [3]
• **사전 보상**: 위성의 움직임으로 생길 시간과 주파수의 어긋남을 미리 계산해, 보내기 전에 반대로 맞춰 두는 방법입니다. [1][5]
• **핸드오버**: 연결을 끊지 않고 한 기지국에서 다음 기지국으로 넘겨주는 과정입니다. 위성에서는 기지국이 먼저 움직입니다. [1]
• **피더 링크 전환**: 위성과 지상국 사이의 연결을 다른 지상국으로 옮기는 일입니다. [1]

더 읽기 2 · 숫자로 보는 도플러와 넘겨주기

영상과 본문의 숫자 가운데 몇 가지는 출처의 값을 바탕으로 직접 계산한 것입니다.

첫째, 도플러의 크기입니다. 초속 7.5km를 빛의 빠르기 초속 약 299,792km로 나누면 약 0.000025, 곧 10만분의 2.5입니다. 실제로는 위성이 휴대폰 쪽으로 곧장 다가오는 성분만 효과를 내므로 이보다 작아져 대략 10만분의 2 정도로 봤습니다. 여기에 2GHz를 곱하면 약 40kHz로, 영상의 "약 40kHz"는 이 개략값입니다. [5]

둘째, 부반송파 간격과의 비교입니다. 40kHz를 15kHz로 나누면 약 2.7이므로 간격의 몇 배가 됩니다. [3]

셋째, 열차와 위성입니다. 시속 300km는 초속 약 83m이고, 초속 7.5km를 83m로 나누면 약 90이어서 "100배 가까이"라고 했습니다.

넷째, 빔 한가운데와 가장자리의 거리입니다. 높이 550km에서 가장자리가 25km 떨어져 있으면 거리는 약 550.6km로 0.1% 남짓 길어집니다. 거리만으로 생기는 세기 차이는 0.01dB 정도입니다. 땅에서 기지국과의 거리가 0.2km에서 2km로 10배가 되면 자유공간 기준 약 20dB 차이가 납니다. 모두 단순화한 계산입니다.

참고 자료와 설명의 범위

이 글과 영상은 저궤도 위성 직접 통신에서 움직임이 만드는 문제를 처음 접하는 사람을 위한 단순화한 설명입니다. 위성의 수와 서비스는 2026년 가을 기준이며 빠르게 바뀝니다. 도플러의 크기, 열차와 위성의 속도 비교, 빔 가운데와 가장자리의 거리 차이는 일반 원리를 바탕으로 한 개략적인 계산입니다. 영상의 주파수 변화 폭, 칸의 개수, 위성과 구역의 배치는 이해를 위해 과장하거나 단순화했습니다. 서비스 사업자가 땅의 망과 위성망 사이를 오가는 구체적인 방식은 공개 자료를 찾지 못했습니다. 표준 문서의 조항 단위 검토를 마쳤다고 주장하지 않습니다. [5]는 표준 문서가 아니라 해설 자료입니다.

저궤도·중궤도 위성의 빠른 움직임과 큰 도플러 변화, 휴대폰의 시간·주파수 도플러 사전 보상과 피더 링크 도플러의 망 관리, 잦은 핸드오버와 빔 겹침 구간의 작은 신호 세기 차이, 시간·위치 기반 핸드오버 조건과 이웃 위성 정보, 땅에 고정된 구역, 피더 링크 전환, 위성망과 땅의 망 사이 이동. 3GPP · Non-Terrestrial Networks (NTN) overview.

땅의 기지국은 멈춰 있지만 위성은 사용자에 대해 매우 빠르게 움직인다는 설명, 위성 사이 넘겨주기와 도플러·시간 지연 대응의 필요, 위성의 전용 반도체·위상 배열 안테나·소프트웨어로 평범한 휴대폰에 표준 LTE 서비스를 준다는 설명. SpaceX · Direct to Cell first text update (2024-01-10).

부반송파 간격 15kHz 가정. Rohde & Schwarz · 5G NTN takes flight (IEEE tutorial, 2024-09).

18개월 만에 저궤도에 올린 650기 이상의 Direct to Cell 위성. SpaceX · Starlink Progress Report 2025.

저궤도 위성의 속도(초속 약 7.5km), ±48kHz를 넘을 수 있는 도플러, 위성 궤도 정보와 자기 위치로 지연과 도플러를 미리 계산해 보정하는 방법(2차 자료). Techplayon · Satellite Ephemeris in 5G NTN.

이어서 읽기

• 이전 편 · 하늘의 기지국 3편 · 하늘에서 늦게 오는 대답
• 무선통신 기초 8편 · 핸드오버
• 다음 편 · 5편 · 하늘에 펼친 커다란 귀
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