As satellites are widely used in various fields such as meteorological observation, remote sensing, and Internet of Things (IoT), the demand for high-speed and broadband communication systems to transmit a large amount of data acquired from satellites to the ground is growing rapidly. Free-space optical (FSO) technology has recently gained considerable popularity as an alternative transport technology to the traditional radio-frequency (RF) counterpart. Compared with RF communication, FSO communication requires no spectrum licensing, provides high data rates and enhances security. However, the laser communications between the ground station and satellite suffer from weather effects and atmospheric turbulence. For example, laser signals experience power loss induced by absorption and scattering which originates from various atmospheric particles such as gas molecules, cloud droplets, and aerosols. The signals also experience scintillation and beam wandering induced by atmospheric turbulence. This atmospheric loss leads to link outage, which in turn limits the link availability and reliability. In order to determine the network configuration (e.g., single-hop or multi-hop) that is needed to satisfy the required system performance, it is important to estimate the link availability and reliability of a specific area where the optical ground station is to be installed. But, to the best of our knowledge, there’s no existing research that analyzed the link availability and reliability of a satellite-to-ground FSO communication systems in South Korea.
We analyze the link availability and reliability of the satellite-to-ground FSO communication systems in South Korea. Using the atmospheric loss model with the meteorological data from five major cities in South Korea (Seoul, Busan, Daegu, Daejeon, and Gwangju), we quantitatively evaluate the link availability and reliability. The link availability and reliability are also estimated by using the site diversity. First, we theoretically model the satellite-to-ground optical downlink. For cloud loss, a model based on the maximum value of cloud droplet concentration is proposed and validated. The scintillation and aerosol loss are also included by calculating peak values, respectively. Next, using the proposed atmospheric loss model, we analyze the ten-year meteorological data from the ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecast) and obtain a probability density function (PDF) of the cloud loss and of the duration of the time window, respectively. We then predict the link availability and the link reliability from the obtained PDFs. The results show that the link availability ranges from 35% to 65% when a single ground station is placed in a major city in South Korea and a 20-dB link budget is allocated for atmospheric loss. The link reliability for 3 hours of continuous operation ranges from 40% to 70%. When the site diversity is employed, the link availability improvement was relatively larger in spring than in summer, and regardless of the month, the link reliability was not enhanced by applying the site diversity. When the site diversity is applied to all five cities with a 20-dB link budget, excluding summer, the link availability of the satellite-to-ground FSO communication systems can be maintained over 90%. In this case, for 3-hours of link operation, the link reliability is expected to be 40% to 70%. We expect the results of this study to be utilized in determining the location and number of FSO ground stations in South Korea in the near future.
무선 광통신(free-space optical communication: FSOC) 시스템은 radio frequency(RF) 통신 시스템과 달리 넓은 대역의 주파수 자원을 별도의 규제와 승인 없이 사용할 수 있고, 더욱 빠른 전송 속도와 높은 보안성 등의 여러 장점을 제공하기 때문에 차세대 무선 통신 기술로서 활발히 논의되고 있다. 하지만 위성-지상 하향 무선 광통신 시스템의 경우는 신호가 대기권을 통과하며, 대기 손실(atmospheric loss)로 인한 전송 성능 열화가 크고 예측하기 어렵다는 이슈가 있다. 수신 광전력은 기체 분자나 구름의 수적(cloud droplet), 에어로졸(미세먼지, 매연) 등 다양한 대기 입자들에 의하여 흡수 및 산란되어 감쇠되고, 또한 신호 빔이 통과하는 경로상 공기의 온도, 압력이 시시각각 변하기 때문에 미세하게 바뀌는 굴절률에 의하여서도 변화하기 때문이다. 이러한 대기 손실은 위성-지상 하향 무선 광통신 링크의 단절(outage)를 일으켜 링크의 가용성과 신뢰도를 제한하게 된다. 무선 광통신 기지국을 설치할 특정 지역의 링크 가용성과 신뢰도를 미리 예상할 수 있어야 몇 개의 기지국을 다른 지역에 추가로 설치해야 할지 등을 판단할 수 있으나, 아직까지 우리나라에서 위성-지상 하향 무선 광통신 시스템의 링크 가용성과 신뢰도에 대한 연구는 전무하다.
본 논문에서는 우리나라에서 위성-지상 하향 무선 광통신 시스템의 링크 가용성과 신뢰도를 분석하였다. 분석을 위해 대기 손실을 계산하는 모델을 제안하며, 우리나라의 주요 5개의 도시(서울, 부산, 대구, 대전, 광주)에서의 기상 데이터를 활용해 각 도시에서의 월별 링크 가용성과 신뢰도를 장기적 관점에서 정량적으로 예측하였다. 그리고 위치 다이버시티의 적용에 따른 결과 변화도 함께 살펴보았다. 분석을 위해, 먼저 위성-지상 하향링크의 이론적 모델링을 논의한다. 대기 손실 중 구름 손실은 액체수함량별 최대 수적 개수밀도를 예상 및 활용하는 모델을 제안하고 이를 측정 데이터로 검증하였으며, 신틸레이션과 에어로졸에 의한 손실 또한 각각을 peak 값으로 계산하도록 모델링하였다. 이후에는 제안된 대기 손실 모델을 활용해 유럽중기예보센터(ECMWF)가 측정한 우리나라 주요 5개 도시에서의 최근 10년간의 기상 데이터를 분석하여, 구름 손실과 하향 링크 지속시간의 확률분포함수를 구하였다. 그리고 이를 통해 최종적으로 도시별ㆍ월별로 구분된 링크 가용성과 링크 신뢰도를 예측하였다. 지상 기지국이 주요 5개 도시 중 한 곳에 위치하며, 대기 손실에 20 dB의 링크 버짓을 할당했을 경우 우리나라 위상-지상 하향 무선 광통신 시스템의 링크 가용성은 35–65%의 수준으로 예상되었다. 이때 연속 3시간의 링크에 대한 링크 신뢰도 또한 40–70%의 수준으로 예측되었다. 위치 다이버시티를 적용했을 경우에 링크 가용성은 여름보다 봄이 개선 정도가 컸으며, 반면 링크 신뢰도는 유의미한 변화를 보이지 않았다. 5개 도시 위치 다이버시티의 경우 동일하게 대기 손실에 20 dB의 링크 버짓을 할당했을 때, 링크 가용성은 여름을 제외하고는 약 90% 이상의 수준으로 유지되었으며 이때 3시간의 하향 링크에 대한 링크 신뢰도는 50~70% 수준으로 예상되었다. 본 연구 결과는 차후 우리나라에 무선 광통신 기지국을 설치할 지역과 개수를 판단할 때 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
