1만 미터 상공, 비행기에서 어떻게 와이파이를 쓸 수 있을까?

1만 미터 상공에서 인터넷 쇼핑을 하는 일이 가능할까요? 2018 글로벌 여행사 연구(2018 Global Traveler Study)에 의하면 지구촌에 여행객들 중 94%가 비행 중에 인터넷 이용이 자신들의 여행 경험을 향상시켜 줄 것이라고 생각하고 있으며, 이 중 30%는 비행기 표를 예약할 때 이 옵션이 있는지를 중요하게 생각한다고 합니다.

출처: 2018 Global Traveler Study

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현재, 항공사들은 기내식 음료 및 면세품 판매 등을 통해서 승객 1명당 17달러(2만 원) 정도의 수입을 올리고 있습니다. 기내 와이파이가 서비스된다면 4달러(5천 원)의 부가 수익이 더 발생할 것으로 예상되며, 2035년까지 모두 300억 달러 36조 원의 추가 수익이 발생할 것으로 추정됩니다. 이러한 통계로 볼 때, 전 세계의 항공사들이 다들 기내 와이파이 서비스를 추가하기 위해 애쓰는 것이 당연해 보이는데요. 그렇다면 해발 10Km가 넘는 고도를 시속 900킬로미터에 가까운 속도로 날아가는 비행기 안에서 와이파이가 작동하는 것이 어떻게 가능한 것일까요?

비행기에서 인터넷을 이용할 수 있는 방법에는 두 가지가 있습니다. 바로 지상 기지국을 사용하는 공대지(ATG) 방식과 인공위성을 사용하는 방식입니다.

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공대지 (ATG, Air to ground) 시스템

지상의 기지국에서 신호를 위로 쏘아 올리는 모습

최초로 개발된 방식으로 여러분이 지상에서 휴대폰 전화를 사용하는 것과 비슷하게 기지국을 기반으로 작동합니다. 휴대전화 네트워크는 기지국이 아래쪽으로 신호를 보내는데 비해, 이 시스템의 기지국들에서는 비행기들이 인터넷을 이용할 수 있게 하기 위해 위쪽으로 신호를 쏘아 올립니다. 그러면 비행기 동체의 아래쪽에 장착된 안테나에서 이 신호를 수신하고, 기내에 있는 서버로 전송하는데요. 이서버에는 무선 주파수 신호를 컴퓨터 신호로 바꿔 주고 또 그 반대도 처리하는 모뎀이 부착되어 있습니다. 그래서 승객들은 기내에 설치된 와이파이 중계기를 통해서 인터넷에 접속할 수 있습니다.

​위에 있는 그림은 현재 미국의 항공사들 사이에서 가장 많이 설치된 ATG 시스템인 고고(GOGO)사의 ATG- 4 시스템을 보여 주고 있습니다. 고고(GOGO)는 미국 전역에 모두 200개가 넘는 기지국을 설치해서 서비스를 제공하고 있습니다. 고고(GOGO)의 ATG 시스템은 비행기 동체 아래쪽에 두 개의 메인 안테나와 동체 옆쪽에 두 개의 안테나가 부착되어 있고, 기내는 서버 여러 대의 와이파이 중계기가 설치되어 있습니다.

ATG 시스템에는 두 가지의 단점이 있습니다.

이 시스템은 800MHz의 저주파 대역을 사용하는데 이 주파수로는 비행기 한대 당 이용할 수 있는 데이터 속도가 최대 10Mbps를 넘지 못합니다. 반면에 지상에 설치된 인터넷에서는 거의 100Mbps에 가까운 속도를 낼 수 있습니다. 비행기 한 대에서 여러 명의 사용자가 중계기에 접속하기라도 하면 속도가 더 느려집니다.

또한, 거대하게 사막이 펼쳐진 지역과 같은 곳에는 기지국이 거의 설치되지 않는 경우도 많으며, 바다 수면 위에서는 당연히 기지국이 존재하지 않습니다. 그래서 해외로 비행하는 항공기들에서는 이런 ATG 시스템을 많이 사용하지 않습니다.

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인공위성 시스템

인공위성을 이용해서 기내 와이파이를 사용하는 방식은 조금 더 복잡하긴 하지만 더 빠르고 안정적입니다. 이 방식에서는 항공기 동체의 아래쪽이 아니라 기체의 위쪽에 안테나가 설치됩니다. 이 안테나에서는 지구 궤도를 도는 인공위성으로부터 신호를 받습니다. 하지만 인공위성과 비행기가 모두 엄청나게 빠른 속도로 움직이고 있고, 또 둘 사이의 거리가 약 3만 5천 킬로 미터가 떨어져 있기 때문에 비행기는 안테나는 위성 신호를 받기 위해서 계속해서 방향을 조정해야 합니다. 이 방식에서도 기내에 서버와 와이파이 중계기를 두고 있으며 여기에 더해서 비행기 위치와 속도에 따라서 안테나의 움직임을 조절하기 위한 별도의 장치도 갖추고 있습니다. 인공위성은 서비스 제공 업체가 설치한 지상의 운영 센터에 연결되고 일동에서 인터넷에 연결되는 방식입니다.

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고고(GOGO)사의 인공위성 기반 시스템은 위성 안테나 한 개인데 서버 안테나의 움직임을 관리하는 칸두(Kandu), 위성 신호를 변화해 주는 모뎀인 모드맨(Modman), 그리고 여러대의 기내 와이파이 중계기로 구성되어 있습니다.

인공위성 기반의 기내 인터넷은 두 가지의 중요한 장점이 있습니다. 하나는 북극과 남극을 제외하고 어디에서나 이용할 수 있다는 것입니다. 장거리를 운영하는 경우에는 안테나가 위치를 아예 바꿔서 다른 인공 위성에 접촉하는 경우도 있기는 하지만 일반적으로는 한 번 이상 바꾸지 않습니다. 그래서 국제선 항공사들에서는 이런 인공위성 기반의 방식을 선호합니다.

두번째는 이 시스템이 고주파 대역을 사용하기 때문에 대역폭도 넓고 속도가 빠르다는 것입니다. 인공위성 인터넷을 하기 위해서 할당된 주파수는 두 가지가 있는데 하나는 12-18GHz의 큐밴드(Kuband)이며, 다른 하나는 26-40GHz의 카밴드(Ka band)입니다. 이 두가지 대역에서는 항공기 한대 당 최대 30에서 100Mbps의 속도를 낼 수 있기 때문에 ATG 시스템에서 제공하는 10Mbps에 비하면 훨씬 더 빠른 편입니다.

단점도 존재합니다. 비교적 간단한 ATG 시스템에 비해서 인공위성 시스템은 설비, 유지, 대역폭 이용료 등 모든 면에서 더 비쌉니다. 그래서 소규모 항공사나 국내선 항공기들에서는 이 시스템을 잘 이용하지 않는 편입니다.

또한 데이터가 오고 가는 거리가 엄청나게 길기 때문에 지연 시간(latency)이 증가하게 됩니다. 지연 시간이라는 것은 데이터가 전송된 곳에서 도착하는 곳까지 걸리는 시간을 말하며 밀리 초(ms) 단위로 측정됩니다. 전반적으로 ATG 시스템에 비해 속도가 더 빠르긴 하지만 한번 클릭하면 페이지가 로딩을 시작할 때까지 적잖은 지연 시간이 발생합니다.

장비를 구입하고 설치하고 유지하는 비용에 대해서도 다른 비용이 숨겨져 있는데 그건 바로 기내 와이파이 시스템 때문에 증가하는 연료 비용입니다. 비행기 외부에 안테나가 설치되면서 기체 형태가 바뀌기 때문에, 공기 역학적 측면에서는 효율성이 줄어든다고 할 수 있습니다. 이 때문에 공기 저항이 커지게 되고 연료 소비량이 증가하게 됩니다. 현재는 이런 비용을 줄이기 위해서 안테나의 크기를 작게 만드는 기술이 끊임없이 연구되고 있습니다.

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앞으로도 기내 와이파이는 더 빠르고 안정적이 될 것으로 보입니다. 처리해야 할 데이터가 많은 대용량 인공위성(HTS)들에서는 이 서비스에 할당된 주파수를 보다 효율적으로 사용하고, 새로운 안테나 기술이 적용되면 와이드빔(wide beam)이 아닌 스폿빔(spot beam) 전파 방식을 사용할 수 있을 것입니다. 기존의 인공위성들은 하나의 전파 범위 만으로도 나라 전체를 커버할 수 있을 만큼 넓은 전파 방식인 와이드빔을 사용하고 있습니다. 이 방식은 같은 전파 범위 안에 있는 모든 항공기들이 같은 대역폭을 공유해야 하는 단점이 있습니다.

스폿빔 방식을 사용하는 대용량 위성(HTS)들에서는 한 대의 항공기에만 집중해서 전파를 전송할 수 있고, 한 대의 위성에서도 그러한 스폿빔을 여러 개 사용할 수 있기 때문에, 항공기 한 대가 이용할 수 있는 대역폭이 훨씬 더 증가하게 됩니다. 그리고 고고(GoGo)에서는 2021년까지 미국과 캐나다에서 운행되는 ATG 시스템을 장착한 항공기들에서 5G 서비스를 이용할 수 있게 하기 위해서 현재 작업을 진행하고 있습니다.

이번 시간, 비행기 와이파이 기술에 대해 알아보았습니다. 앞으로도 기내 와이파이 사업의 전망은 좋아질 것으로 기대되는데요. 오늘 알려드린 내용을 바탕으로 IT 시장에 대한 새로운 인사이트를 얻으셨길 바랍니다.

> 이 글은 'The Magical Science of Wi-Fi on Airplanes'를 각색하여 제작되었습니다.