휴대폰이 못 내는 에너지를 위성이 낸다 — 아마존 레오 D2D 5,105기 신청의 링크 예산

ISSUE 2026 · W31 | 위성 & 궤도기술

5개 셸, 5,105기의 설계도

아마존이 공개한 설명에 따르면 신청 성좌는 다섯 개의 궤도 셸로 구성된다. 고도 580 km·경사각 55.7°, 560 km·58.2°, 510 km·56.3°, 570 km·73°, 540 km·84°다. 단말과의 통신에는 L 대역과 S 대역을, 지상국과의 연결에는 Ka 대역과 V 대역을 쓰며, 위성끼리는 광 레이저 링크로 잇는다. 배치는 2028년 시작이 목표다. 아마존 레오의 크리스 웨버(Chris Weber) 부사장은 “2028년 배치 시작이 계획”이라고 밝혔다.

이 신청은 기존 광대역 성좌와 별개다. 보도에 따르면 아마존 레오는 이미 390기 이상의 위성을 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)에 올렸고, 1세대 3,232기를 2029년 중반까지 배치할 계획이며, 4,500기가 넘는 2세대 위성도 앞서 FCC 승인을 받았다. 이번 D2D 성좌는 현재 아이폰 긴급 SOS와 메시지를 지원하는 글로벌스타(Globalstar)의 D2D 망과 함께 운용되는 구도로 소개됐고, 애플과의 협력도 언급됐다. 글로벌스타와의 구체적 관계와 주파수 이용 조건은 이번 발표 자료에서 확인하지 못했다.

공개되지 않은 것도 분명히 짚어 둔다. 위성 한 기의 질량, 안테나 개구 크기, 태양전지 출력은 이번 발표 어디에도 없다. 그래서 이 글은 공개된 궤도·주파수 값만으로 링크 물리를 따져, D2D 위성이 어떤 전력 구조를 가질 수밖에 없는지를 역으로 추론한다.

링크 예산의 비대칭

지상 이동통신에서 휴대폰과 기지국 사이 거리는 보통 수 km다. 2 GHz 대역에서 5 km의 자유공간 경로손실은 약 112.4 dB다. 같은 주파수로 고도 540 km 위성이 머리 바로 위에 있을 때는 약 153.1 dB, 앙각 30°로 비스듬히 볼 때(경사거리 약 976 km)는 약 158.3 dB다. 격차는 41~46 dB, 전력비로 1만~4만 배에 이른다.

핵심은 이 격차를 휴대폰이 메울 수 없다는 점이다. 이동통신 표준에서 일반 단말의 최대 송신 출력은 23 dBm, 약 0.2 W 수준이고 안테나 이득도 0 dBi 안팎이다. 배터리와 인체 노출 기준 때문에 이 값은 위성 시대라고 올라가지 않는다. 결국 상향 링크의 부족분은 위성의 수신 안테나 이득으로, 하향 링크의 부족분은 위성의 송신 출력과 안테나 이득으로 메워야 한다. 파장 0.15 m(2 GHz)에서 40 dB 이득을 얻으려면 개구 효율 0.6을 가정할 때 약 30 m²의 안테나가 필요하다.

표의 고도·경사각은 아마존 공개값이고 나머지는 계산값이다. 다섯 셸은 고도 차가 70 km에 불과해 경로손실은 1 dB 남짓밖에 다르지 않지만, 경사각이 55.7°에서 84°까지 벌어져 있어 서비스 위도대와 β각 계절이 셸마다 다르다. 즉 전력 설계의 차이는 거리보다 궤도면이 태양을 보는 방식에서 난다.

지상 기지국에서 궤도 기지국으로

지상 현황. 지상 기지국은 전력망에 연결돼 있고, 트래픽이 몰리는 저녁 시간에도 전력 공급은 변하지 않는다. 셀 반경을 줄이고 기지국을 촘촘히 세우는 방식으로 용량을 늘린다.

우주 적용 시 변화. 궤도 기지국의 발전원은 태양전지뿐이고, 경사 궤도에서는 β각이 0° 근처로 내려가는 시기에 95분 궤도 중 약 36분이 지구 그림자다. 그런데 D2D 트래픽은 지상 사용자의 생활 시간표를 따른다. 위성이 그림자에 있는 동안 발밑 지역이 저녁 사용 시간대라면, 송신 부하는 오히려 커진다. 지구관측 위성처럼 “밤에는 쉬는” 운용이 불가능하다.

연결 원리. 지상망의 용량은 기지국 수로 늘리지만, 궤도망의 용량은 위성 한 기가 식 구간에 배터리로 감당할 수 있는 송신 에너지로 제한된다. D2D 성좌의 셀 설계는 곧 배터리 설계다.

전력·에너지 관점

Point. D2D 위성은 휴대폰이 올리지 못하는 수만 배의 링크 격차를 개구 면적과 전력으로 대신 지는 궤도 기지국이다. 그리고 그 부하는 태양이 아니라 사용자의 시계에 맞춰 움직인다.

Reason. 상향 링크는 위성의 수신 이득, 즉 개구 면적으로만 개선된다. 하향 링크는 개구 면적과 송신 전력의 곱으로 개선된다. 개구를 키우면 필요한 송신 전력은 줄지만, 넓은 안테나를 지지하는 구조·전개 기구·열제어 질량이 늘고, 510~580 km 고도에서는 넓은 면이 곧 항력 면적이 된다. 개구를 줄이면 송신 전력이 늘어 태양전지와 방열판이 커진다. 어느 쪽이든 “링크 격차 → 개구 또는 송신 전력 증가 → 태양전지·방열 면적 증가 → 질량 증가 → 발사 질량 증가”라는 순환을 벗어날 수 없다.

Example. 개구 30 m²짜리 위성이 540 km에서 받는 항력을 가정값으로 가늠해 보자. 대기 밀도 5×10^-13 kg/m³, 항력계수 2.2, 속도 약 7.6 km/s로 두면 항력은 약 0.95 mN이다. 전기추진의 추력 대 전력비를 60 mN/kW로 가정하면 이를 상쇄하는 데 평균 약 16 W가 든다. 태양 극대기처럼 밀도가 2×10^-12 kg/m³로 오르면 약 3.8 mN, 약 63 W로 네 배가 된다. RF 송신 전력에 비하면 작은 몫이지만, 태양 주기라는 우주 날씨가 전력 예산의 한 줄을 네 배로 흔든다는 점이 중요하다. 여기에 β각 0° 시기 식 약 36분 동안 송신 부하를 유지하려면 배터리가 궤도마다 그만큼의 에너지를 내야 한다.

Point. 그래서 5,105기라는 숫자는 통신 용량이 아니라 전력 분산의 해법으로 읽는 편이 정확하다. 위성 한 기가 식 구간에 감당할 수 있는 송신 에너지에 한계가 있으니, 같은 지역을 더 많은 위성이 나눠 비추도록 셸을 늘리는 것이다. D2D 성좌의 규모는 결국 위성당 배터리 에너지가 정한다.

반론과 제약. 위성의 실제 개구와 출력이 공개되지 않았으므로 위 계산은 물리적 크기를 가늠하는 수준에 그친다. 저속 메시지 서비스라면 대역폭을 줄여 필요한 신호 대 잡음비를 낮출 수 있고, 그만큼 개구와 전력 요구는 작아진다. 그러나 Worst-case로 보면, 음성·데이터급 서비스를 목표로 할 때 필요 전력은 대역폭에 비례해 커지고, 태양 극대기의 항력 증가와 저녁 시간대 트래픽 피크가 식 계절에 겹치는 날이 설계 기준점이 된다. 또한 5,105기는 신청 상한이며 실제 배치 규모는 확인되지 않았다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 지상 전파 무반향실에서 측정한 안테나 이득과 빔 패턴은 궤도에서 대형 배열이 전개된 뒤의 평면도 오차, 열 변형, 궤도상 온도 사이클을 반영하지 못한다. 수십 m²급 배열은 햇빛과 그림자를 오갈 때마다 수십 K의 온도 변화를 겪고, 그 변형이 빔 지향과 이득을 흔든다. 지상에서 닫힌 링크가 궤도에서 같은 여유로 닫힌다고 확언할 수 없는 이유다.

정리하면 아마존의 D2D 신청서는 궤도 셸 목록처럼 보이지만, 그 밑에는 휴대폰이 내지 못하는 에너지를 우주에서 대신 내겠다는 전력 설계도가 깔려 있다.