[첨단 헬로티]
노르딕 세미컨덕터의 고객사인 펌웨이브(Firmwave)는 유럽 우주국의 지구 근접 저궤도 위성에 노르딕의 블루투스 저에너지 비콘을 통합해 저가의 브로드캐스트 시스템을 구현했다.
아일랜드 더블린(Dublin)에 위치한 기술 설계 기업인 펌웨이브(Firmwave)의 마이크 히벳(Mike Hibbett) 비즈니스 개발 매니저는 “오늘날에는 최신 기술을 통해 이전에는 실현할 수 없었던 애플리케이션들도 재고할 수 있게 되었다”고 말한다. 즉 현명한 엔지니어들은 가장 적합한 첨단 기술을 선택해 이전에는 다루기 어려웠던 엔지니어링 문제들을 해결할 수 있다는 것이다.
이러한 천재적 발상 중 하나는 저비용, 단거리 무선 IoT(Internet of Things) 애플리케이션을 위해 설계된 RF 기술인 블루투스 LE(Bluetooth Low Energy)를 저궤도(Low-Earth Orbit) 위성 브로드캐스트 시스템에 적용한 것이다.
펌웨이브는 DCU(Dublin City University)가 조성한 혁신 캠퍼스인 DCU 알파(DCU Alpha)에 입주해 있으며, 센서 및 게이트웨이와 같은 셀룰러 및 블루투스 LE IoT 솔루션을 전문으로 설계하고 있다.
또한 DCU 알파는 상업적 기업들의 우주 연구를 지원하는 유럽우주국(European Space Agency, 이하 ESA)의 산하 기관인 위성 통신 메이커-스페이스(Maker-Space for Satellite Communication)의 본거지이기도 하다.
2018년 초, 마이크 히벳은 ESA 메이커-스페이스의 입찰 제안서를 받게 된다. 이 기관이 제기한 과제는 ‘우주 운용자산의 극대화’, 즉 인공위성의 활용을 극대화할 수 있는 방안을 찾는 것이었다. 구체적으로 ESA 메이커-스페이스는 기업들에게 인공위성을 사용해 블루투스LE 신호를 지구로 전송한 다음, 비콘(Beacon)을 이용해 이를 다시 브로드캐스트하는 방안을 제안할 것을 요청했다.
어려운 도전
다른 복잡한 작업들 중에서도 위성은 무선 릴레이처럼 동작한다. 지구와 연결된 트랜스미터는 산이나 지표면의 굴곡과 같은 장애물로 인해 제한되지만, 메시지를 위성까지 보낸 다음, 온보드 무선을 통해 재전송함으로써 하나의 위성으로 지구의 방대한 영역을 커버할 수 있다.
ESA 메이커-스페이스는 블루투스 LE 신호가 위성을 통해 전송될 수 있다면, 저가의 배터리 구동 방식의 수신기를 널리 배치해 블루투스 비콘을 통해 주변의 스마트폰에 메시지를 전송하는데 사용할 수 있을 것으로 판단했다. 이러한 시스템은 비용 효율적인 정보 전달 방법을 구현할 수 있다. ESA는 이 아이디어를 현실화할 수 있는 혁신적인 엔지니어들의 도움이 필요했다.
이는 간단한 엔지니어링 문제가 아니다. 블루투스 LE 무선은 2.4GHz와 2.483GHz 사이에 있는 2.4GHz의 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서 동작한다. 일부 위성 신호는 2.488GHz 및2.495GHz 사이의 ‘S대역’에서 브로드캐스트 된다. 또한 일부 위성은 송신 전력이 90dBm을 초과하는 무선을 전송하며, 신호가 지구로 내려가면 신호 강도는-77dBm까지 감소할 수 있다.
또 다른 문제는 저궤도 위성의 속도로 인해 영향을 받을 수 있다는 점이다. 궤도 속도는 위성이 지상에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 결정된다. 지구와 가까운 위성은 낮은 속도로 돌고, 더 빠른 위성은 그 보다 높은 위치를 유지하며 이동해야 한다. 이러한 속도는 무선 신호에 도플러(Doppler) 변위를 발생시켜 주파수에 영향을 미친다.
ESA는 160km와 2,500km 사이의 고도에서 궤도를 도는 위성과 통신할 수 있는 시스템 사양을 요구했다. 160km에서 궤도의 속도는 약7.8km/s이고, 도플러 변위는 위성에 근접할수록 최대60kHz까지 신호 주파수에 더해지고, 멀어지면 60kHz까지 감소한다. 도플러 효과는 무선 소프트웨어를 통해 보상되어야 하며, 그렇지 않으면 신호가 손실된다.
마지막으로 ‘비-연결(Non-Connected)’ 블루투스LE 전송(즉, 이 프로토콜의3개의 애드버타이징 채널을 이용한 단방향)을 구현하는 경우, 블루투스LE RF 소프트웨어(스택)는 대역외(Out-of-Band) 신호를 차단하고, 3개의 주파수 사이에서 지속적으로 호핑하게 된다. 이 동작을 변경하려면, 스택에 대한 복잡한 코딩 변경이 필요하다.
▲ 저비용의 비콘 기반 시스템은 ESA가 우주 운용 자산의 활용을 극대화하는데 도움을 줄 것이다.
글 / 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)
