■ PS-LTE 개요
국가 재난안전통신망 PS-LTE(Public Safety-Long Term Evolution)는 3GPP Release 12~13 표준에 따라 4G LTE 상용 이동통신 기술을 기반으로 한 재난안전통신망이다. 우리나라의 국가 재난안전통신망(PS-LTE)은 지난 대구지하철 화재 참사를 계기로 TETRA 무선망 기반의 ‘국가통합지휘무선통신망’을 구축할 계획이었으나, 경제성과 기술자립도 등의 문제로 2007년 감사원 감사로 중단되었다. 그러나 2014년 세월호 침몰사건 등을 계기로 전국단위 통합 재난통신망에 대한 구축 필요성이 다시 제기되었다.
이를 계기로 행정안전부에서는 KT와 SKT를 통해 2015년부터 세계 최초로 4G 이동통신 LTE 상용 기술을 기반으로 자가망 구축사업을 시작하여, 2018년 평창동계올림픽 지원용 재난안전통신망 시범사업을 거쳐 2021년 5월까지 약 1.5조원을 투자하여, 1차 중부권(5개 시·도), 2차 남부권(9개 시·도)과 3차 수도권(3개 시·도) 지역을 대상으로 단계적으로 구축하였다. PS-LTE 사업 종료시점을 기준으로 지상 고정식 기지국(RU, Radio Unit) 5647개소와 긴급복구용 이동식 기지국(차량형 20식, 휴대용 40식)을 이용하여 전국단위 자가통신망을 구축하고 이중화·이원화된 3개 운영센터(주센터: 서울과 대구센터 / 예비센터: 제주센터)를 중심으로 행정안전부, 군·경·소방 및 지자체 등 333개 관계기관을 대상으로 365일 24시간 재난안전통신 서비스를 제공하고 있다.
우리나라를 비롯하여 미국, 호주, 일본, 유럽 등 대부분의 나라에서 운용중인 PS-LTE 시스템은 3GPP Release 12~13 표준에 따라 기존 디지털 라디오 방식에서 LTE 상용 이동통신 기술에 D2D(Device to Device), GCSE(Group Communication System Enablers), MCPTT(Mission Critical Push To Talk) 및 IoPS(Isolated E-UTRAN operation for Public Safety) 등 재난통신에 필수적인 기능을 추가한 재난안전통신망이다.
우리나라의 경우 그림-2와 같이 PS-LTE는 700 MHz 주파수 대역에서 20 MHz 대역폭을 할당 받아, 철도통신망(LTE-M) 및 해양통신망(LTE-M)과 각각 RAN Sharing기술로 연동하고 있으며, 농어촌과 산악지역 등에서는 상용 이동통신망(3G 또는 LTE)과 로밍(Roaming)하여 연동하고 있다. 재난안전요원이 현장에서 사용하는 무선단말기는 각 기관별 스마트폰형, 무전기형과 복합형으로 다양한 전용단말기를 사용하고 있으며, 현재 전국에 약 19만 8000대의 단말기가 보급돼 있다.
또한 「재난 및 안전관리 기본법」 제34조의8에 따라 재난관리책임기관·긴급구조기관 및 긴급구조지원기관이 공동으로 사용하는 재난안전통신망의 구축, 운영 및 사용 등에 관한 사항을 정함으로써 신속하고 정확한 의사소통을 지원하고 재난의 예방·대비·대응·복구와 안전관리가 효과적·체계적으로 이루어지도록 하기 위하여, 2020년 6월 「재난안전통신망법」을 제정하고 12월부터 시행하고 있다.
■ LEO Satellite 시대
최근 미국의 스타링크(Starlink), 아마존(Amazon), 영국의 원웹(OneWeb) 등 글로벌 위성통신 선두사업자들은 민간주도로 상용 저궤도 위성(LEO Satellite) 기반 위성 인터넷 서비스를 제공하기 위해, 표-1과 같이 고도 300 km에서 1500 km 상공에서 ku/ka 밴드의 주파수를 할당 받아 저궤도 군집위성망을 구축하고 있다.
글로벌 저궤도 위성통신 사업자들은 위성간 애드혹(Ad-hoc) 개념의 군집망을 구성하여 위성제어 능력 향상과 서비스 지역 확대 및 링크 또는 중계기능(Relay) 향상을 위해 위성간 ISL(Inter Satellite Link) 기능을 구현 중이다. ISL 방식은 크게 ‘고출력 RF를 이용한 방식’과 ‘Laser를 이용한 Optical 방식’으로 구분된다. 현재 대부분의 저궤도 위성통신 사업자 및 이동통신 사업자들은 Laser 방식으로 ISL를 구현하고자 실증 시험 중이며, 곧 저궤도 위성간에 ISL 서비스는 적용될 것으로 기대되고 있다.
5G Advanced와 6G 이동통신에서는 스마트폰으로 저궤도 위성과 직접 통신하는 D2C(Direct to Cell) 서비스가 구현될 것이다. 이를 위해 저궤도 위성은 군집위성망을 구축하고 그림-3과 같이 위성간 ISL을 통해 재생 페이로드 방식으로 이동통신 기지국 역할을 수행하게 된다. 고도 750 ㎞를 기준으로 저궤도 위성의 평균 공전속도는 약 7.56 ㎞/s로 궤도 비행을 하게 된다.
또한 통신시스템 지연을 제외한 전송경로상의 전송시간만을 고려한다면, 지상에서 300 ㎞~1500 ㎞에서 낮은 궤도로 비행하는 저궤도 위성은 전파왕복시간(RTT)이 짧아(RTT≒10 ms, h=1500 ㎞ 기준) 손실이 적고 통신지연율이 정지궤도 위성(GEO, 35,786 ㎞)의 0.27 sec에 비해 크게 개선되고, Ethernet 광통신의 평균 지연(25ms~35ms) 보다도 적어 대용량 멀티미디어 데이터 실시간 처리에도 큰 지장 없이 통신할 수 있다.
또한 이동통신시장은 최근 스마트폰의 급속한 보급과 SNS, YouTube, Netflix 등 대용량 멀티미디어 매체 이용 증가 등으로 4G LTE 서비스는 이미 포화상태가 되었으며, 전세계 4G 가입자 현황도 2023년 12월을 기점으로 약 52억명을 정점으로 점차 감소하는 추세에 있다. 반면 5G 가입자수는 2023년 약 16억명에서 증가하는 추세로 2030년에는 약 54억명에 도달할 것으로 예상되고 있다. 한편 3GPP에서는 저궤도 군집위성망을 이용한 6G 서비스 모델을 준비하고 있으며, 기존 지상영역(TN, Terrestrial Network)과 산악, 사막지역 및 해상, 공중영역 등 비지상영역(NTN, Non TN)을 융합하는 3D 토폴로지(Topology)를 구축한다는 계획을 가지고 있다.
스타링크는 북미지역에서 iPhone Version 14이상 모델을 대상으로 저궤도 위성기반 긴급문자서비스를 2024년 1월부터 제공하고 있으며, 애플은 ‘애플워치 울트라 3’ 모델에 위성통신 기능과 혈압측정 기능을 탑재하여, 셀룰러 통신이나 와이파이가 연결되지 않아도 저궤도 위성통신을 통해 문자 메시지를 송수신할 수 있는 신제품 출시를 준비하고 있다.
삼성전자는 Galaxy S25 모델이 ‘스냅드래곤8 Gen4’ AP를 적용하여 저궤도 위성과 D2C(Direct to Cell) 링크를 통해 저궤도 위성 이동통신 시대를 준비하고 있다. ITU-에서는 WRC-27을 통해 6G 주파수를 확정하고, 3GPP에서는 Release 27을 통해 6G의 기술표준을 완성한다는 계획을 가지고 있다. 그림-4와 같이 계획대로 진행된다면 2028년 상반기에는 저궤도 위성통신 기반의 6G 상용 시범 서비스가 가능할 것으로 전망된다.
■ PS-LTE 문제점
현 시점에서 PS-LTE에 대한 몇 가지 기술적, 운용적, 환경적인 문제점을 살펴볼 필요가 있다.
① 우선 기술진부화 측면에서 2019년 4월 5G 상용화 서비스 이후 이동통신 시스템의 급속한 발전으로 저궤도 위성통신기술을 기반으로 하는 5G Advanced와 6G 상용화 시대가 곧 도래하고, LTE 중계장비 수급문제 등으로 PS-LTE에 대한 OPEX(유지보수비용, 운영비용 등) 비용 상승이 불가피 하게 될 것이다.
② 무엇보다도 점차 고도화되고 있는 스마트 시티의 재해, 재난 모니터링용 IoT(Internet of Things), Digital CCTV, 고화질 영상 센서 Drone 등으로부터 수집되는 대용량 영상 데이터를 실시간 수집·분석·전파하기 위해서는 표-2와 같이 초고속, 초저지연, 초대용량 처리가 가능한 차세대 이동통신 서비스를 이용해야 한다.
③ 또한 각 재난관련 기관별 다양한 전용 무선단말기와 평상시 경찰과 소방은 각각 PS-LTE와 UHF 등 무선통신망을 이용하고 있어 호환성 및 상호운용성 문제와 단말기 공동 구매 제한 등으로 단말기 가격과 유지보수 비용상승 문제가 있으며, 신규 단말기에 대한 시험평가 인증을 위한 조직과 운영예산이 증가하고 있다. 따라서 범용성 있는 스마트폰을 이용하는 방안을 고려할 필요성이 있다.
④ PS-LTE는 서비스 커버리지 확보를 위해 대도시와 같은 인구밀집 지역에서는 지상 고정식 기지국을 구축·운영하고, 외각 또는 산악지역 등 오지지역에서는 필요시 이동식 기지국을 구축하여 운영하는 개념이다. 이로 인해 2021년도 강릉지역 대형 산불 등 재해, 재난 발생 때처럼 지역별 시간대별 전파음영(Shadow)이 발생할 수 있어 현장 구조활동에 투입된 재난안전요원(safety works)간 통신 또는 상황공유 곤란 등으로 구조활동에 지장을 초래할 수 있다.
⑤ PS-LTE 주요기능 중 IoPS는 대형 재해, 재난 등으로 PS-LTE 기지국이 백홀망(Backhaul Network)과 단절 시에도 기지국 단독 모드로 서비스 커버리지 내에서 재난안전통신 서비스를 제공해 주는 핵심기능이다. 하지만 대형 산불이나 지진 등으로 기지국 전원공급에 문제가 발생하게 된다면 IoPS는 가동될 수 없다. 이경우 이동식 기지국이나 휴대용 기지국 구축전까지는 해당 지역에서의 재난통신망은 불능상태가 되며, 설상가상 이동식 기지국 차량 진입이 곤란한 상황에서는 통신망 복구에는 많은 시간이 소요되게 된다. 지난 2022년 2월 러-우 전쟁 초기에 우크라이나는 레이더 시설 및 기지국 등 통신인프라가 공격받아 파괴되어 국가 공공통신망이 단절되었다. 전쟁, 테러 등으로 기지국이 파괴되어 통신망이 붕괴된다면 사회적 혼란이 가중될 것이다.
⑥ PS-LTE 주파수 대역은 718 MHz~728 MHz 상향링크와 773 MHz~783 MHz 하향링크를 사용하고 있으며, 대한민국 주파수 분배표(과기정통부 고시 제2019-87호)에 따르면 같은 700 MHz 대역에서 고출력 TV방송용 K86, 통합 공공망용 K31, 이동통신용 K86A가 분배되어 있다. 특히 인근 대역에 고출력 방송주파수가 분배되어 있으며 PS-LTE와 LTE-R/M이 대역을 사용하고 있어 지역적으로 전파간섭 문제가 발생할 수가 있다.
■ 재해재난 이슈
최근 들어 기후변화와 지구온난화 현상 등으로 대형산불, 지진, 홍수, 침수피해 등 자연재해, 재난 발생빈도와 피해규모가 점점 증가하고 있다. 2024년 11월경 필리핀 인근해역에서는 한달동안 태풍 6개가 발생하여 큰 피해를 주었다. 특히 2019년 9월 발생한 호주의 초대형산불은 이듬해 1월에 진화되었으며, 산불피해면적이 한반도의 약 80%에 해당한다고 한다.
대형산불, 침수와 같은 재해재난 등으로 지상 고정식 기지국이 파괴되거나 가동에 문제가 발생할 경우에는 모든 무선 통신망이 마비되거나, 해당지역에 긴급재난방송 전파가 불가능하게 되어 제2차, 3차 피해로 이어질 수 있다. 또한 침수, 붕괴 등으로 긴급복구용 이동식 기지국 차량 진입이 어려울 경우에는 통신망 복구에는 상당한 시간이 소요된다.
호주는 2016년에 모토롤라솔루션을 통해 PS-LTE를 구축·운용하고 있었으나, 당시 대형 산불진화 현장에 투입된 군·경·소방 대원간 재난통신이 원활하지 않았던 것으로 알려졌다. 또한 러-우 전쟁에서 보듯이 지상 기지국 등 통신시설이 파괴된 우크라이나에서는 스타링크가 제공하는 위성 인터넷 서비스를 이용하여 국가행정망과 군 작전에 활용하고 있는 것으로 알려지고 있다. 이와 같이 지상 고정식 기지국 운용환경은 대형 재해, 재난과 전쟁, 테러 등으로 언제든지 통신서비스가 중단될 수 있어 그에 대한 대책마련이 시급하다.
2024년 6월 우리나라의 주)인텔리안테크롤로지스는 호주 통신사와 기지국 차량을 대상으로 호주 현지 외각지역에서 이동간 원웹 저궤도 위성통신망을 이용하여 D2C(Direct to Cell) 위성통신 중계시험을 성공적으로 시연하고 전자식평판안테나(ESA, Electronically Steerable Antenna) 공급계약을 체결하였다. 한편 우리 군과 방위사업청에서는 상용 저궤도 위성통신망을 이용한 차세대 군 전술통신망 구축을 위해 신속연구개발사업으로 ‘상용 저궤도 위성통신 기반 차세대 전술통신망’ 구축사업을 진행하고 있다.
시제업체인 한화시스템은 소형전술차량에 ESA 안테나 기반으로 저궤도 위성과 D2C로 연결한 5G Tactical Private Network 구축 및 지상 RF 링크와 위성 링크 서비스를 제공하여, 산간벽지에서도 언제, 어디서나 위성통신이 가능한 모뎀과 양자암호화가 적용되는 S24 스마트폰형 전술용 휴대용 무선단말기와 군 전용 게이트웨이를 개발하고 있다. 이를 통해 우리 군은 지형적인 제약을 극복하고 기동 간 대용량 정보 송·수신이 가능한 차세대 전술통신체계(NG TCN)를 운용할 예정이다.
미군은 JADC2(Joint All Domain Command and Control) 체계를 2035년까지 성능 개량하여 저궤도 위성과 고고도 무인기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle) 등으로 다계층 데이터 링크(Multi-layered Datalink)를 구축하고 육해공군 무기체계 실시간 지휘통제체계를 Multi-domain으로 한층 더 발전시킨다는 계획이다, 호주군도 LAND 4140 프로젝트 등을 통해 기존 고정식 전술망 운용개념을 상용 저궤도 위성통신 기반 이동식 전술망 운용개념으로 발전시키기 위하여 획득사업을 단계적으로 추진하고 있는 것으로 알려지고 있다.
■ (가칭) NG PS-Satcomm 시대 도래
러-우 전쟁 사례와 이동통신 시장의 변화 등에 따라 스타링크, 원웹 등 글로벌 위성통신 사업자가 중심이 되어 상용 저궤도 군집위성망 시대를 촉진하고 있으며, 우리나라에서는 SKT와 한화시스템이 각각 스타링크와 원웹과 협력하여 과기정통부에 위성통신사업자 등록신청을 하였다. 이르면 2025년도부터 한반도 및 인근 해역에서 위성인터넷 서비스가 제공될 것으로 기대되고 있다.
저궤도 위성 중심의 뉴스페이스 시대에서는 스마트폰으로 직접 위성과 통신하는 새로운 통신환경이 제공된다. 2023년 10월부터 한국형 위성항법 보정시스템(KASS, Korea Augmentation Satellite System)의 서비스가 개시되어 위치 정확도(수평 ≤ 1 m, 수직 ≤ 1.6 m)가 크게 개선되고 있으며, 6G 이동통신 3D 네트워크는 실내에서도 10 ㎝ 범위정도의 오차를 제공한다는 계획이다. 이와 같이 저궤도 위성통신 시대에서는 초저지연, 초정밀, 초고속, 초대용량 서비스를 재난안전통신망에 적용한다면 재난구조현장에서의 생존성과 가용성이 크게 향상될 것이다. 현재 PS-LTE의 한계수명은 아마도 2030년 전후로 예상되며 기술적, 운용적 한계로 성능개선이 필요할 것으로 전망된다.
■ 차세대 PS-LTE를 상용 저궤도 위성통신 기술과 범용 스마트폰을 기반으로 재구축 한다면
재난통신단말기는 저궤도 위성통신이 가능한 상용 스마트폰을 기반으로 재난안전통신에 필요한 암호모듈을 밧데리 팩과 일체형으로 개발하여 적용할 수 있다. 재난통신 암호화는 양자암호(양자키 분배 또는 양자내성암호 등)를 적용하고, 재난구조 시간을 고려하여 보조 밧데리와 암호모듈을 결합한 전용 팩을 사용하게 된다면, 관련 산업발전과 범용성 있는 상용 단말로 재난통신단말기의 CAPEX/OPEX를 검증할 수 있을 것이다. 또한 유사한 PS-LTE 체계를 운용하고 있는 다른 국가의 재난통신망 성능개량 사업에 참여하거나, 구축 예정인 국가를 대상으로 정부간 협력을 통해 수출할 수도 있을 것이다.
재난관련 법령 중에 「재난 및 안전관리 기본법」 제34조의2(재난현장 긴급통신수단의 마련)에서는 “재난관리책임기관의 장은 재난의 발생으로 인하여 통신이 끊기는 상황에 대비하여, 미리 유선이나 무선 또는 위성통신망을 활용할 수 있도록 긴급통신수단을 마련하여야 한다.” 라고 명시하고 있으며, 「재난안전통신망법」에서는 재난안전통신망의 사용 및 사용절차와 상호운용성 확보, 보호조치 등을 마련하고 재난안전통신망을 통해, 재난관련 모든 종류의 부호·문언·음향 또는 영상을 송·수신하도록 규정하고 있다.
하지만 지상 고정식 기지국 중심의 유·무선 통신망에 대한 상용전원 공급이 제한되는 상황에서는 재난통신 기능을 유지한다는 것은 사실상 불가능하다. 현재 지상 고정식 기지국 중심의 PS-LTE를 5G Advanced와 6G의 저궤도 군집위성망을 기지국으로 사용하는 가칭 PS-Satcomm망으로 대체하고, 다양한 재난통신단말기를 위성통신이 가능한 상용 5G 또는 6G 스마트폰으로 교체하고, 위성통신 기반 네트워크 슬라이싱 기술과 D2C 기술을 활용하게 된다면, 어떠한 재해·재난상황에서도 생존성과 가용성이 증대된 재난방송과 재난통신망을 원활하게 운용할 수 있으며 끊김 없는 통신서비스 제공으로 국가 재난관리·복구 능력을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
이를 위해, 행정안전부, 과기정통부 중심으로 관련 협회와 학회, 출연연구소 및 이동통신사 등이 참여하는 K-TF (ROK Task Force for Next Generation Public Safety Communications)를 구성하여, PS-LTE 시스템의 기술적·운용적·환경적 실태와 문제점을 진단하고, 본 기고문에서 제안하는 상용 저궤도 군집위성망 기반 차세대 재난통신망(가칭, PS-Satcomm)에 대한 기술적 검토와 구체적인 운용개념이 발전되기를 바란다. 또한 K-TF 활동 결과를 기반으로 차세대 재난안전통신망 국제기술표준 마련을 위해 3GPP에 Working Group 구성을 공식 제안하여, K-TF가 차세대 재난안전통신망 국제기술표준 마련을 선도할 수 있게 되길 기대한다.
