제3부 전파·통신
3.17 광·유선 링크: 레이저 통신(FSO)·광섬유 FPV·계류 링크
3.17.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
앞의 장들은 전파가 거리·가림·간섭 속에서 어떻게 약해지는지를 다루었다. 이 장은 전파를 사용하지 않는 링크로 간다. 선(광섬유·계류 케이블)이나 빛의 빔이 전파를 대신할 때 무엇을 얻고 무엇을 치르는지를 계산으로 보인다. 전파 링크는 어디서나 닿는 대신 방출하고, 공유하고, 방해받는다. 광 링크는 그 셋을 내려놓는 대신 길을 가져야 한다. 선은 길이와 질량으로, 빔은 날씨와 정밀한 지향으로 그 값을 치른다.
배우는 것:
- 광섬유 링크의 물리 — 손실(dB/km)·전파 지연(약 4.9 µs/km)·분산, 그리고 감도로 짜는 광 링크 버짓.
- 풀려나가는 광섬유 링크의 원리와 한계 — 전파 재밍과 방출 탐지에 면역인 이유, 스풀의 질량과 부피, 끊어지는 힘과 굽힘 한계, 공개 보도의 거리를 읽는 법.
- 계류 링크 — 구리 이더넷·광섬유·전력선 통신의 거리 한계와, 케이블 질량 속에서 광섬유가 차지하는 몫.
- 자유공간 광통신(FSO) — 기하 손실·대기 감쇠(안개)·난류·포인팅이 만드는 손실과 공개된 시연 현황.
- 전파 링크와의 비교 — 무엇이 면역이고 무엇이 아닌지, 어느 요구에서 광 링크가 이기는지.
선수 지식: 데시벨과 링크 버짓의 형식은 3.1.6·3.1.8, 자유공간 전파 손실은 3.2.3이다. 계류 케이블 안의 광섬유와 선 링크의 보안성은 1.14.3.2·1.14.7이 먼저 다루었고, 이 장은 그 표를 반복하지 않고 그 표가 묻지 않은 길이·질량·손실의 계산을 더한다. 영상 조종의 지연 버짓은 2.11.6이다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.17.3~3.17.6을 읽는다. 정책·법무 담당자는 3.17.7의 비교표와 3.17.12가 먼저다. 사업 담당자는 3.17.7·3.17.9만 읽어도 어느 요구에서 어느 링크가 맞는지 알 수 있다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 원리 장이며 지식은 2026년 중반까지다. 광섬유의 손실·분산·강도는 제조사 데이터시트와 표준의 통상값이고(
(공개 주장치)또는(2차 확인)로 표시), 질량·부피·버짓은 이 장이 가정을 표로 밝히고 계산한 값이다. 광섬유 기반 소형 기체의 비행 거리 보도는 언론이 전한 제조사·기관의 주장이어서 모두(공개 주장치)다. 이 장은 링크의 원리와 한계만 다룬다. 무장·개조·공격 효과는 작성하지 않으며, 전장 사용의 사례는 10.8·13.3이 맡는다.
3.17.2 개념·직관 — 방출과 공유를 내려놓고 길을 얻는다
전파 링크는 방출하는 링크다. 방출하므로 멀리서 탐지될 수 있고(5.4), 같은 대역을 다른 송신기와 공유하므로 간섭과 재밍에 노출된다(3.19·5.2). 광 링크는 신호를 정해진 길에 가둔다. 유리 안으로 가두면 광섬유, 공기 중의 좁은 빔으로 가두면 자유공간 광통신이다. 길이 정해져 있으니 방출과 공유가 사라지고, 대신 길이 끊기거나 막히는 문제가 생긴다.
| 링크 | 신호가 가는 길 | 얻는 것 | 치르는 것 |
|---|---|---|---|
| 전파 | 공간 전체(안테나 패턴) | 이동 자유·가림 너머 회절·넓은 서비스 | 방출·간섭·재밍·면허 |
| 광섬유(풀림·계류) | 유리 가닥 | 방출 없음·큰 대역·낮은 손실 | 길이·질량·단선·기동 제약 |
| 자유공간 광 | 공기 중 좁은 빔 | 큰 대역·좁은 방출·면허 불필요 | 안개·난류·포인팅·가시선 |
세 축에서 이 교환은 다르게 평가된다.
- 군용 드론은 전자전 환경(5.1)에서 전파 재밍에 무관한 조종 수단이 필요할 때 광섬유를 고려한다. 거리와 기동이 대가다. 위성·고고도 플랫폼 사이의 광 링크는 연구와 시연 단계다.
- 민간 UAS는 전파가 닿지 않거나 허용되지 않는 곳(터널·관로·플랜트 내부)과 장시간 고정 체공의 계류에서 선 링크를 사용한다. 전파 면허가 필요 없다는 점도 이점이다.
- AAM은 기체와 지상의 링크가 전파다. 광 링크는 버티포트와 지상 설비의 백본, 기체 내부 버스(9.4)에서 사용되는 것이 일반적이다
(일반 설명, 기체별 확인 필요).
3.17.3 광섬유 링크의 물리
3.17.3.1 손실 — 거리에 비례하고 파장이 정한다
결론부터: 광섬유의 손실은 거리에 비례($\alpha L$)해서 1 km에서 10 km로 늘 때 수 dB만 늘지만, 자유공간 전파는 거리의 로그($20\log_{10}d$)로 늘어 같은 구간에서 20 dB가 는다. 그래서 먼 거리에서 광섬유가 압도적으로 유리하다.
$$L_{\mathrm{fiber}}=\alpha\,L+L_{\mathrm{fix}}\ \ [\mathrm{dB}]$$
| 기호 | 뜻 |
|---|---|
| $\alpha$ | 감쇠 계수 [dB/km] — 파장과 섬유가 정한다 |
| $L$ | 광섬유 길이 [km] |
| $L_{\mathrm{fix}}$ | 접속기·융착 접속·감김 손실의 합 [dB] |
단일모드 광섬유(ITU-T G.652 계열)의 손실은 두 창에서 낮다. 제조사 데이터시트는 케이블 상태에서 1310 nm 약 0.35~0.40 dB/km 이하, 1550 nm 약 0.22~0.30 dB/km 이하를 싣고 (공개 주장치, 데이터시트 2차 확인), 피복 전 섬유는 1550 nm에서 0.18 dB/km 이하까지 내려간다 (Corning SMF-28 Ultra 제품 정보, 2024-02판 2차 확인). 이 장은 1310 nm에서 0.35, 1550 nm에서 0.20 dB/km를 사용한다(통상값 가정). 1550 nm가 낮은 이유는 유리 속 레일리 산란이 파장의 4제곱에 반비례해 줄기 때문이다. G.652 본문은 원문을 열람하지 못해 확인하지 못했다 (확인 필요).
손실에는 거리와 무관한 몫이 붙는다. 접속기 한 쌍이 0.3~0.5 dB, 융착 접속이 0.1 dB 안팎이다 (경험 범위). 그리고 스풀의 감김이 굽힘 손실을 만든다. 굽힘 반지름이 작을수록 빛이 코어 밖으로 새므로 ITU-T G.657은 굽힘에 둔감한 섬유의 최소 반지름을 A1 10 mm, A2 7.5 mm, B3 5 mm로 구분한다(2차 확인). 일반 G.652.D 섬유는 이보다 큰 반지름을 요구한다. 작은 보빈에 감아야 하는 소형 기체의 스풀은 굽힘에 둔감한 섬유가 사실상 전제다.
3.17.3.2 지연 — 킬로미터당 약 4.9 µs
빛은 유리 안에서 진공보다 느리다. 섬유의 군 굴절률 $n_g$가 속도를 $c/n_g$로 깎는다.
$$t=\frac{n_g\,L}{c},\qquad \frac{t}{L}=\frac{1.468}{299{,}792\ \mathrm{km/s}}=4.90\ \mu\mathrm{s/km}$$
$n_g=1.468$은 SMF-28 계열의 통상값으로 가정했다 (확인 필요). 10 km는 49 µs, 20 km는 98 µs, 40 km는 196 µs다. 같은 거리의 자유공간 전파(3.34 µs/km)보다 47 % 느리다. 그러나 2.11.6의 지연 버짓이 수십~수백 ms이므로 이 값은 어느 경우에도 0.1 % 안팎에 그친다. 광섬유 링크의 지연은 전파 시간이 아니라 그 앞뒤의 부호화·버퍼·표시가 정한다(3.17.4.5).
3.17.3.3 분산과 대역 — 긴 거리에서 속도를 깎는 것
파장마다 빛의 속도가 달라서 펄스가 퍼진다(색분산). 퍼짐은 다음과 같다.
$$\Delta\tau=\lvert D\rvert\,L\,\Delta\lambda$$
$D$는 분산 계수 [ps/(nm·km)], $\Delta\lambda$는 광원의 스펙트럼 폭 [nm]이다. 1310 nm 부근은 분산이 거의 0이고, 1550 nm는 약 17 ps/(nm·km)다 (통상값, 제조사 규격 상한은 약 18). 1.25 Gbit/s의 한 비트는 800 ps다.
| 광원 | 스펙트럼 폭 | 10 km의 퍼짐 | 40 km의 퍼짐 | 비트 시간 800 ps 대비(40 km) |
|---|---|---|---|---|
| 좁은 선폭 레이저(분포 궤환형) | 0.1 nm | 17 ps | 68 ps | 9 % |
| 값싼 패브리–페로 레이저 | 2 nm | 340 ps | 1,360 ps | 170 %(비트가 중첩된다) |
1550 nm에서 값싼 광원으로 먼 거리를 가면 분산이 속도를 막는다. 소형 기체에서 광원·수신기는 SFP 같은 상용 모듈을 사용하는 경우가 많고, 모듈의 등급(10 km급·40 km급)이 이 한계를 이미 반영한다.
3.17.3.4 광 링크 버짓 — 감도로 짠다
광 수신기는 전파 수신기처럼 $kTB$ 잡음 바닥과 SNR로 규정하지 않고, 최소 수신 광 전력(감도)으로 규정한다. 그래서 버짓은 송신 광 전력에서 손실을 빼고 감도와 견주는 한 줄이다(3.1.8과 같은 구조).
$$M=P_t-L_{\mathrm{fiber}}-L_{\mathrm{margin}}-S,\qquad L_{\mathrm{reach}}=\frac{P_t-S-L_{\mathrm{fix}}-L_{\mathrm{margin}}}{\alpha}$$
10 km급 상용 광 이더넷 모듈(1000BASE-LX10 계열)의 송신 광 전력은 $-9.5\sim-3$ dBm, 수신 감도는 약 $-20$ dBm이다 (벤더 데이터시트 값, IEEE 802.3 조항 원문 미확인). 이 장은 두 단말 등급을 가정한다.
| 단말 등급(가정) | 송신 $P_t$ | 감도 $S$ | 버짓 | 통달거리(1310 nm, 0.35) | 통달거리(1550 nm, 0.20) |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 km급 모듈 | $-5$ dBm | $-20$ dBm | 15 dB | 31 km | 55 km |
| 확장 등급 | 0 dBm | $-28$ dBm | 28 dB | 69 km | 120 km |
($L_{\mathrm{fix}}=1$ dB, $L_{\mathrm{margin}}=3$ dB 가정, 계산값.) 요점은 손실이 거리를 막는 일은 드물다는 것이다. 10 km급 모듈로도 20 km는 여유 7~10 dB로 닿는다(3.17.8). 소형 기체에서 거리를 막는 것은 손실이 아니라 스풀의 질량이다.
3.17.4 풀려나가는 광섬유 링크 — 원리와 한계
한쪽 끝이 지상 단말에 고정된 광섬유를 기체의 스풀이 풀어내며 나는 방식을 이 장은 풀림(payout) 링크라 부른다. 영상·명령·원격측정이 한 가닥(두 파장을 나눠 사용하는 양방향 구성이 흔하다 (통상 구성))으로 오간다. 지상 쪽에 스풀이 있고 감김장치가 장력을 맞추는 1.14의 계류와 달리, 기체가 스풀을 싣고 섬유를 남기며 가는 소모형이다.
3.17.4.1 왜 전파 재밍과 방출 탐지에 면역인가
링크에 전파가 없기 때문이다. 재밍은 수신기 입력에 전파 에너지를 가해 SNR을 깎는 것(원리는 5.2)인데, 광섬유의 광 수신기는 전파를 받지 않는다. 방출이 없으므로 링크 전파로 위치를 찾는 방식(5.4)도 이 링크에는 사용할 수 없다. 이 논리는 1.14.7의 표(재밍·도청·하이재킹·방출 탐지·노획)와 같다.
면역은 링크에 한정된다. 기체에는 다른 전파 수신기가 남는다. 위성 항법 수신기가 대표적이어서 GNSS 교란은 풀림 링크로도 막지 못한다(4.5). 영상·음향·열 시그니처도 그대로다(5.6). 그리고 길 자체가 약점이다. 끊기면 링크 상실이고, 이후 기체는 2.6의 절차를 따른다. 면역의 대가는 가용도 위험이 전파 재밍에서 단선으로 옮겨 간다는 것이다.
3.17.4.2 스풀의 질량과 부피가 거리를 정한다
결론부터: 광섬유는 가볍지만 길어질수록 선형으로 무거워지고, 같은 길이라도 피복을 굵게 하면 열 배 이상 무거워진다. 거리 한계는 손실이 아니라 실을 수 있는 스풀이 정한다.
섬유의 선밀도는 유리 단면과 피복 단면에 밀도를 곱해 구한다($\rho_g=2{,}200$ kg/m³).
$$\lambda_f=\tfrac{\pi}{4}\left[d_g^{2}\rho_g+(d_o^{2}-d_g^{2})\rho_c\right],\qquad m_{\mathrm{spool}}=\lambda_f L\,(1+0.30)+15\ \mathrm{g}$$
$d_g=125$ µm는 클래딩 지름, $d_o$는 피복 바깥지름, $\rho_c$는 피복 밀도, 보빈은 고정 15 g과 섬유 질량의 30 %로 가정했다. 부피는 $V=L\,\tfrac{\pi}{4}d_o^2/\phi$(충전율 $\phi=0.70$ 가정)다.
| 섬유(가정) | 바깥지름 | 피복 밀도 | 선밀도 | 10 km 스풀 | 20 km 스풀 | 40 km 스풀 | 10 km 부피 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 얇은 피복 | 0.25 mm | 1,100 kg/m³ | 67 g/km | 0.89 kg | 1.8 kg | 3.5 kg | 0.70 L |
| 밀착 피복 | 0.9 mm | 1,150 kg/m³ | 0.74 kg/km | 9.7 kg | 19 kg | 39 kg | 9.1 L |
| 보강 단심 코드 | 2.0 mm | 1,300 kg/m³ | 4.1 kg/km | 53 kg | 106 kg | 213 kg | 45 L |
읽을 것은 셋이다. 첫째, 유리만으로는 27 g/km이고 나머지는 피복이다. 소형 기체용 스풀은 0.25 mm급 얇은 피복을 사용할 수밖에 없고, 그 대가가 약한 강도다(3.17.4.3). 둘째, 20 km에 1.8 kg, 40 km에 3.5 kg이므로 소형 기체에서는 거리가 곧 비행 가능 중량의 몫이다. 같은 기체가 스풀 3.5 kg을 싣고도 추력 여유를 남기려면 호버 동력이 그만큼 늘고(1.7·1.14.5의 되먹임과 같은 논리), 풀림 방식은 섬유를 풀어내며 가벼워지므로 비행 중 질량이 변한다는 점도 제어에 반영된다. 셋째, 부피도 작지 않다. 폭 5 cm·안쪽 반지름 2 cm의 보빈에 20 km를 감으면 바깥 반지름이 약 9.7 cm가 된다(계산). 공기저항과 무게중심 위치까지 영향을 준다.
공개 보도는 스풀이 "최대 수 kg"이라고 서술하는데 (2차, 원문 미확인), 위 계산의 40~50 km(3.5~4.4 kg)와 같은 자릿수다.
3.17.4.3 끊어지는 힘과 굽힘 — 기동 제약의 뿌리
광섬유 유리는 압축에는 강해도 당김과 흠집에 약하다. 통신용 섬유는 제조 때 증명 시험(proof test)을 거치는데 통상 응력이 0.69 GPa(100 kpsi)다 (ITU-T G.652와 IEC 60793 계열의 통상 요건, 2차 확인). 125 µm 유리의 단면에 이 응력을 곱하면 다음이다.
$$F=\sigma\,\tfrac{\pi}{4}d_g^{2}=0.69\times10^{9}\times1.227\times10^{-8}\ \mathrm{m^2}=8.5\ \mathrm{N}$$
0.25 mm 섬유 한 가닥이 견디는 당김의 통상 하한이 8.5 N 안팎이라는 뜻이다. 접속·피복 손상·미세 굽힘이 있으면 이보다 낮다. 비교하면 1 km의 섬유 무게는 0.66 N이어서 길이 자체는 문제가 아니다. 문제는 걸림이다. 풀려난 섬유가 지형·수목·구조물에 걸린 채 기체가 계속 가면 장력이 순간적으로 8.5 N을 넘을 수 있다. 스풀이 풀리는 속도는 기체의 대지속도와 같으므로(고정단 기준) 속도가 클수록 순간 장력의 여지도 커진다.
기동 제약은 여기서 나온다.
- 되돌아가는 경로는 풀려난 섬유와 만난다. 소모형이어서 섬유는 회수되지 않는다.
- 급선회·급상승은 섬유를 장애물 쪽으로 견인해 걸림 확률을 높인다.
- 바람이 섬유를 옆으로 밀면 실효 거리와 장력이 바뀐다(공개 보도도 바람이 거리를 줄인다고 서술한다
(2차)). - 스풀의 굽힘 반지름이 한계 아래로 감기면 손실이 늘어 광 버짓의 여유를 줄인다(3.17.3.1).
이 한계들은 링크의 물리에서 나오며 운용 요령이 아니다. 기체의 경로 계획이 이 제약을 반영해야 한다는 정도가 이 책의 서술 범위다(경로 계획은 7.2).
3.17.4.4 공개 보도의 거리를 읽는 법
| 보도된 거리 | 출처의 성격 | 시점 |
|---|---|---|
| 10 km 스풀(노획된 러시아 기체) | 언론 보도 (공개 주장치, 2차) | 2024~2025 (확인 필요) |
| 20 km 시험 코스 | 우크라이나 Brave1의 시험을 Militarnyi 경유로 전한 보도 (공개 주장치, 2차) | 2025-04 |
| 40 km "완전히 도달" 발언 | Brave1 책임자의 발언을 전한 보도 (공개 주장치, 2차) | 2025-10 |
| 50 km 스풀 시험 | 소셜 미디어 게시물 (미확인) | 2025-10 |
위 값은 TWZ(2025-10-06)와 Interesting Engineering(2025-04-23)의 보도를 확인한 것이며, 어느 것도 1차 자료가 아니다. 같은 보도에서 Brave1 책임자는 "거리"가 섬유 길이일 수도 있고 지상 단말에서 목적지까지의 직선거리일 수도 있어 "두 개의 다른 이야기"라고 말했다. 풀려난 섬유는 직선이 아니라 지형을 따르므로 섬유 길이는 직선거리보다 길다. 그리고 최대 길이에 도달할 수 있다는 것이 모든 비행에서 그만한 거리를 간다는 뜻은 아니라는 지적도 같은 보도에 있다. 이 장의 계산(40 km에서 3.5 kg)은 이 보도들이 그럴듯하다는 것만 말해 주며 검증이 아니다.
3.17.4.5 지연은 줄어드는가 — 2.11.6과 맞춘다
섬유 링크로 바꾸면 전파 링크의 부호화·재전송·간섭 회피가 사라지지만 영상 포착·인코딩·디코딩·표시는 그대로다. 2.11.6의 합 A(아날로그 FPV)와 B(디지털 FPV)의 항목에서 영상 링크와 명령 상향만 광섬유 20 km의 지연 0.1 ms로 바꾸면 다음이다(계산).
| 구성 | 영상 포착 | 인코딩 | 영상 링크 | 버퍼·디코딩 | 표시 | 명령 상향 | 합 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A 아날로그(2.11.6) | 16.7 | 0 | 1 | 0 | 16.7 | 10 | 44 ms |
| A′ 광섬유 | 16.7 | 0 | 0.1 | 0 | 16.7 | 0.1 | 34 ms |
| B 디지털(2.11.6) | 16.7 | 25 | 20 | 20 | 16.7 | 15 | 113 ms |
| B′ 광섬유 | 16.7 | 25 | 0.1 | 20 | 16.7 | 0.1 | 79 ms |
(단위 ms. A′는 영상 신호를 광으로 그대로 옮기는 구성의 가정이다.) 광섬유의 전파 지연 98 µs는 B 합계의 0.09 %다. B′가 B보다 34 ms 짧은 것은 섬유가 빨라서가 아니라 전파 링크의 처리(20+15 ms)가 사라져서다. 기체의 안쪽 루프를 넣으면 정밀 호버의 한계 지연이 0.026 s라는 2.11.6의 결론은 바뀌지 않는다. 광섬유는 지연을 줄이지만 직접 정밀 조종을 가능하게 만들지는 못한다.
3.17.5 계류 링크 — 선의 거리 한계
계류 시스템의 구조와 케이블 안의 광섬유는 1.14.3.2, 선 링크의 보안성은 1.14.7이 다뤘다. 여기서는 선 링크의 매체별 거리 한계만 비교한다.
| 매체 | 전형적 거리 한계 | 요점 |
|---|---|---|
| 구리 이더넷(UTP) | 100 m (IEEE 802.3의 100BASE-TX·1000BASE-T 통상 한계, 판 확인 필요) | 케이블이 굵고 무겁다. 전력 도체와 가까우면 전자기 간섭이 커진다 |
| 전력선 통신 | 제품·환경에 따라 다름 (확인 필요) | 고전압 직류 변환기의 잡음 속에서 속도와 거리가 줄어든다 |
| 광섬유 | 수 km 이상(3.17.3.4) | 케이블 안에서 질량이 거의 늘지 않는다 |
| 보조 무선 | 전파의 한계(3.2) | 켜 두면 방출이 생겨 1.14.7의 보안 이점이 사라진다 |
1.14.6의 케이블은 보강재·피복·광섬유를 합해 20 g/m로 가정했다. 0.25 mm 광섬유는 0.067 g/m이므로 전체의 0.34 %다. 계류 케이블의 질량은 전력 도체와 보강재가 정하고, 데이터를 광섬유로 보내는 대가는 질량이 아니라 슬립링·광 회전 접합부와 취급이다(1.14.3.1). 계류에서 광섬유가 거리를 제한하는 일은 없고, 한계는 고도·바람·케이블 질량(1.14.5)에서 온다.
3.17.6 자유공간 광통신(FSO)
좁은 레이저 빔으로 공기 중을 건너 신호를 보낸다. 근적외선(통상 1550 nm 근처)이 사용되고 면허가 필요한 전파 대역이 아니다. 아래 식은 손실이 네 가지 항의 합임을 보인다.
$$L_{\mathrm{FSO}}=L_{\mathrm{fix}}+L_{\mathrm{geo}}+\gamma(V)\,d+L_{\mathrm{scint}}+L_{\mathrm{point}}\ \ [\mathrm{dB}]$$
3.17.6.1 기하 손실 — 빔은 퍼진다
빔의 전각 발산 $\theta$이면 거리 $d$에서 풋프린트 지름이 $\theta d$다. 수신 개구 $D_r$이 이보다 작으면 면적비만큼 잃는다.
$$L_{\mathrm{geo}}=20\log_{10}\!\left(\frac{\theta d}{D_r}\right)\ [\mathrm{dB}]\quad(\theta d>D_r)$$
$\theta=1$ mrad, $D_r=0.1$ m이면 1 km에서 20 dB, 2 km에서 26 dB, 5 km에서 34 dB다(계산). 이 손실은 전파의 자유공간 손실과 같은 $20\log d$ 형식이지만 개구와 발산이 정한다. 렌즈 지름 0.1 m·1550 nm의 회절 한계 발산은 대략 38 µrad(전각)이므로 (2.44λ/D 근사, 계산), 1 mrad는 그보다 26배 넓다. 빔을 넓힌 것은 손실을 감수하고 포인팅을 쉽게 하려는 선택이다.
3.17.6.2 대기 — 안개가 지배한다
공기 중 감쇠는 시정 $V$ [km]로 어림한다(Kim 모형 형식, 교과서 식 (계수 확인 필요)).
$$\gamma=10\log_{10}e\cdot\frac{3.91}{V}\left(\frac{\lambda}{550\ \mathrm{nm}}\right)^{-q}\ \ [\mathrm{dB/km}]$$
지수 $q$는 시정이 짧을수록 0에 가까워진다(6~50 km에서 1.3, $V<0.5$ km에서 0). 1550 nm에서 계산하면 다음이다.
| 날씨 | 시정 $V$ | $q$ | 감쇠 $\gamma$ [dB/km] |
|---|---|---|---|
| 맑음 | 23 km | 1.3 | 0.19 |
| 박무 | 4 km | 0.98 | 1.5 |
| 옅은 안개 | 1 km | 0.50 | 10.1 |
| 안개 | 0.5 km | 0 | 34 |
| 짙은 안개 | 0.2 km | 0 | 85 |
핵심은 안개가 파장에 둔감하다는 것이다. 안개 입자가 파장보다 훨씬 커서 $q\to0$이므로 근적외선으로 바꿔도 안개 감쇠는 줄지 않는다. 전파는 2.4~5.8 GHz에서 안개를 사실상 무시하는 것(3.5)과 대조적이다. ITU-R P.1814(자유공간 광링크 예측)와 P.1817(전파 데이터)이 이 현상의 예측 방법을 싣는다(P.1814-1, 2025-09 현행으로 2차 확인).
3.17.6.3 난류와 포인팅
공기의 온도 불균일이 굴절률을 변동시켜 빔의 세기를 깜박이게 한다(신틸레이션). 약난류에서 세기의 로그 분산은 Rytov 분산으로 어림한다.
$$\sigma_R^{2}=1.23\,C_n^{2}\,k^{7/6}\,d^{11/6},\qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}$$
$C_n^2$는 굴절률 구조 상수 [m$^{-2/3}$]다. 지표 가까이 한낮에 $10^{-14}$, 약한 날에 $10^{-15}$ 안팎을 가정했다(경험 범위). 평균이 1인 로그정규 세기에서 확률 $10^{-3}$로 깊이 빠지는 손실(여유)을 계산하면 다음이다. $\sigma_R^2\ge1$이면 식의 가정(약난류)이 깨진다.
| $C_n^2$ | 1 km | 2 km | 5 km |
|---|---|---|---|
| $10^{-15}$ | 0.02 → 1.9 dB | 0.07 → 3.7 dB | 0.38 → 9.1 dB |
| $10^{-14}$ | 0.20 → 6.4 dB | 0.71 → 12.8 dB | 3.8 → 식이 깨짐 |
(칸은 $\sigma_R^2$ → 여유다. 점 수신기·수평 경로·일정한 $C_n^2$ 가정이며 수신 개구가 클수록 평균 효과로 줄어든다 (정량은 확인 필요).)
포인팅은 더 가혹하다. 가우시안 빔의 중심에서 $\theta_e$만큼 벗어난 손실은 다음이다($w=\theta/2$는 $1/e^2$ 반각).
$$L_{\mathrm{point}}=8.69\left(\frac{\theta_e}{w}\right)^{2}\ [\mathrm{dB}]$$
$\theta=1$ mrad($w=0.5$ mrad)에서 오차 0.2 mrad는 1.4 dB, 0.5 mrad는 8.7 dB, 1 mrad는 35 dB다. 그런데 기체가 1° 기울면 17.5 mrad다. 빔 반폭의 35배다. 그래서 소형 기체의 FSO는 빠른 조향 거울·짐벌(6.2)과 기체 자세 정보에 의한 지향·추적이 전제이고, 이 식은 3.7.4.1의 $\Delta G\approx12(\theta_e/\theta_{3\mathrm{dB}})^2$와 같다($\theta_{3\mathrm{dB}}=1.177\,w$로 바꾸면 계수 8.69가 12.04가 된다). 빔이 좁을수록 지향 요구가 엄격하다.
3.17.6.4 연구·운용 현황(확인한 범위)
- 위성 간·위성 대 지상: 미국 항공우주국(NASA)은 TBIRD 임무에서 6U 큐브샛이 200 Gbit/s를 지상으로 내려보냈고 한 번의 통과에 4.8 TB를 전송했다고 밝혔다. 궤도상의 폐루프 추적 오차는 축당 20~35 µrad(RMS)로 보고했다
(NASA 자료, 2차 확인). 유럽우주국의 유럽 데이터 중계 체계(EDRS)는 정지궤도 중계 노드가 저궤도 위성과 최대 1.8 Gbit/s로 레이저 교신하도록 설계됐다(ESA 설명, 2차 확인). 이 정밀도는 빔을 회절 한계 가까이(수십 µrad) 좁히는 운용이 가능하다는 뜻이다. 위 계산의 1 mrad 빔은 그보다 넓어 지향이 쉬운 대신 기하 손실이 크다. - 무인기: 공개 문헌은 대부분 모의 해석과 모형 연구다. 지상 팬틸트가 시선을 먼저 잡고 기체 쪽 미세 조향이 따르는 획득 방식의 모의가 있고, 계류 기구와 지상 사이 20 km 넘는 레이저 링크를 실험했다는 논문이 있다
(초록 확인, 원문 미확인). 소형 회전익·고정익 기체의 실비행 FSO 링크가 상용 수준에 이르렀다는 확인된 자료는 찾지 못했다(확인 필요). - 안전: 야외 레이저 발사는 눈 안전(IEC 60825-1과 자유공간 광통신용 IEC 60825-12)과 항공 안전(조종사 눈부심)의 규율을 받는다. 후자는 항공 당국의 조정 대상이다
(국가별 조항 확인 필요).
3.17.7 전파 링크와의 비교
| 항목 | 전파(3.8의 기준 링크) | 광섬유(풀림·계류) | 자유공간 광 |
|---|---|---|---|
| 방출·탐지 | 방출 있음 | 링크 방출 없음 | 좁은 빔이라 적다 |
| 전파 재밍 | 노출(3.18·5.2) | 면역 | 면역(빛은 전파가 아니다) |
| 다른 방해 | 같은 대역 간섭 | 단선 | 안개·햇빛·빔 차단 |
| 대역(통상) | 수 kbit/s~수십 Mbit/s(3.9·3.12) | Gbit/s급(SFP 1.25 Gbit/s) | Gbit/s급(위성 시연은 그 이상) |
| 거리 한계의 원인 | 출력·가시선·가림 | 스풀 질량·계류의 고도 | 기하·안개·난류 |
| 기동 제약 | 안테나 패턴·롤 | 경로·걸림·스풀 | 지향·추적 정밀도 |
| 지연 | 수 ms 이하(링크만) | 4.9 µs/km | 3.3 µs/km |
| 규제 | 주파수 면허·출력 한도(17.19·18.16) | 전파 규제 대상 아님 | 눈 안전·항공 안전 |
| 질량 부담 | 안테나·무전기 | 거리에 비례하는 스풀 | 조향 장치와 광학계 |
아래 그림은 네 링크의 구조와 성질을 한 장에 놓은 것이다.
3.17.8 수치 예시·워크스루 — 20 km 광섬유 링크와 2 km 자유공간 광 링크
A. 20 km 광섬유(0.25 mm 피복, 10 km급 모듈, 1550 nm 가정).
| 항목 | 값 | 계산 |
|---|---|---|
| 섬유 질량 · 스풀 질량 | 1.35 kg · 1.77 kg | $0.0675\times20$, 보빈 가정 포함 |
| 부피 · 바깥 반지름 | 1.4 L · 9.7 cm | 충전율 0.70, 폭 5 cm·안쪽 2 cm |
| 전파 지연 | 98 µs | $4.90\times20$ |
| 손실 1550 nm | 5.0 dB | $0.20\times20+1.0$ |
| 손실 1310 nm | 8.0 dB | $0.35\times20+1.0$ |
| 여유(버짓 15 dB) | 10 dB(1550) · 7 dB(1310) | 버짓 − 손실, 여유 3 dB 별도 |
| 증명 시험 하중 | 8.5 N | $0.69\ \mathrm{GPa}\times1.227\times10^{-8}\ \mathrm{m^2}$ |
손실은 넉넉하고 질량이 병목이다. 20 km의 손실 5~8 dB는 버짓 15 dB의 3분의 1~절반이다. 그러나 스풀 1.8 kg과 부피 1.4 L를 소형 기체가 싣는지가 설계 질문이다.
B. 2 km 자유공간 광(버짓 60 dB 가정 — 송신 20 dBm·감도 $-40$ dBm, 발산 1 mrad, 개구 0.1 m, 고정 손실 6 dB, $C_n^2=10^{-14}$, 포인팅 오차 0.2 mrad).
| 항목 | 맑음(23 km) | 박무(4 km) | 옅은 안개(1 km) |
|---|---|---|---|
| 고정 + 기하 | 32.0 dB | 32.0 dB | 32.0 dB |
| 대기 감쇠(2 km) | 0.4 dB | 3.1 dB | 20.2 dB |
| 신틸레이션 여유(Rytov 0.71) | 12.8 dB | 12.8 dB | 12.8 dB |
| 포인팅(0.2 mrad) | 1.4 dB | 1.4 dB | 1.4 dB |
| 합(반올림 전 값의 합) | 46.6 dB | 49.3 dB | 66.5 dB |
| 여유(버짓 60 dB) | 13.4 dB | 10.7 dB | $-6.5$ dB(끊김) |
같은 2 km에서 안개층 하나가 여유를 13 dB에서 $-6.5$ dB로 바꾼다. 광섬유 20 km는 날씨와 무관하게 닿고, FSO 2 km는 날씨가 정한다. 버짓에서 난류·포인팅 몫 14.2 dB를 뺀 45.8 dB가 닿는 거리는 맑음 8.2 km, 박무 4.4 km, 옅은 안개 1.6 km다(계산. 난류 여유를 2 km의 값으로 고정한 근사이며 거리가 멀수록 난류 몫이 커져 실제는 더 짧다).
3.17.9 설계 트레이드오프 — 방해받지 않는 링크를 어떻게 얻을 것인가
선택지는 셋이다.
① 전파 링크를 강화한다(암호·확산·도약·지향 안테나, 3.18). 기동이 자유롭고 거리가 길다. 재밍과 방출 탐지의 위험은 줄일 뿐 없애지 못한다. 위험을 받아들이고 방호 설계로 푸는 선택이다.
② 풀림 광섬유로 간다. 재밍과 방출 탐지의 면역을 얻는다. 거리가 스풀 질량에 묶이고(3.17.4.2), 단선이 새 가용도 위험이며, 경로 제약이 따른다.
③ 계류 또는 혼합. 광섬유 계류(1.14)는 거리 한계가 사라지지만 고도에 천장이 있다. 풀림 링크에 예비 무선을 같이 달면 가용도는 오르나 그 무선을 켜는 순간 면역과 은닉이 사라진다(1.14.7).
| 선택 | 얻는 것 | 잃는 것 | 어울리는 곳 |
|---|---|---|---|
| ① 전파 강화 | 거리·기동·회수 | 방해·탐지 위험 잔존 | 장거리·가림 너머·다수 기체 |
| ② 풀림 광섬유 | 전파 재밍·탐지에 면역 | 거리 대 질량, 단선, 경로 제약 | 짧은 거리(수 km~수십 km 이내)·전파 불가 환경 |
| ③ 계류·혼합 | 무한 체공 또는 다중화 | 고도 천장 또는 면역의 상실 | 고정 지점 감시·점검 |
견해: 링크 방호를 이유로 광섬유를 고를 때는 먼저 거리 요구에서 스풀 질량을 역산하는 편이 낫다고 본다. 근거는 둘이다. 첫째, 이 장의 계산에서 손실은 어느 거리에서도 병목이 아니고 질량이 병목이므로 요구 거리와 기체 중량의 곱이 실행 가능성을 결정한다. 둘째, 면역은 링크 한 곳에 한정되어 GNSS 같은 다른 수신기와 시그니처를 유지하지 못하므로(3.17.4.1), 링크만 바꾸고 전체 생존성이 달라지지 않는 경우가 많다. 반대로 거리 요구가 짧고 전파 사용이 아예 허용되지 않는 환경(터널·원자로 건물·관로 등)에서는 광섬유가 가장 단순한 해다. 이 판단은 이 책의 계산 가정에 근거하며 특정 체계의 평가가 아니다.
3.17.10 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 광 링크의 주된 이유 | 전파 재밍·탐지 환경에서 조종·영상 확보 | 전파 불가·허용 불가 환경, 계류 체공 | 지상 백본, 기체 내부 버스 |
| 사용 형태 | 풀림 광섬유(공개 보도), 위성·고고도 플랫폼의 레이저 링크는 연구·시연 | 계류 점검·행사 촬영, 관로·플랜트 내부 점검 | 기체 외부는 전파가 기본 |
| 거리 요구 | 수 km~수십 km(공개 주장치) | 계류는 수십~수백 m(1.14) | — |
| 병목 | 스풀 질량·단선·경로 제약 | 케이블 질량·고도·바람 | 인증·EMI 내성(8.10) |
| 관련 장 | 10.8·13.3·5.2 | 1.14·14.4 | 9.4·15.15 |
3.17.11 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| ITU-T G.652 | ITU-T | 단일모드 광섬유의 특성(손실·분산 등) (원문 미확인, 판 확인 필요) | 9.1 |
| ITU-T G.657 | ITU-T | 굽힘에 둔감한 단일모드 섬유(A1·A2·B3의 최소 굽힘 반지름) (2차 확인) | 9.1 |
| IEC 60793-1-30 | IEC | 광섬유 증명 시험 방법(2010판 (2차 확인)) | 9.1 |
| IEEE 802.3(1000BASE-LX10 등) | IEEE | 광 이더넷의 송신 전력·수신 감도·거리 (조항 원문 미확인) | 9.1·9.4 |
| ITU-R P.1814-1 · P.1817 | ITU-R | 자유공간 광링크의 대기 감쇠·신틸레이션 예측과 전파 데이터 (P.1814-1 2025-09, 2차 확인) | 3.5 |
| IEC 60825-1 · IEC 60825-12 | IEC | 레이저 제품의 안전 등급, 자유공간 광통신 시스템의 안전 (60825-12는 2022판 2차 확인) | 9.1 |
| CCSDS 광통신 계열(예: 141.0-B) | CCSDS | 우주 광통신 물리 계층 (번호·판 확인 필요) | 9.1 |
유료 표준의 본문은 옮기지 않았다. 규격의 지형은 9.1, 찾는 법은 0.9다.
3.17.12 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 이 장의 기술 | 일으키는 요구 | 연결 |
|---|---|---|
| 광섬유·계류 선 링크 | 전파 면허가 필요 없다. 대신 케이블 단선·낙하·잔류 섬유의 책임과 환경 문제는 국가별로 다르다 (확인 필요) | 18.16·18.22 |
| 자유공간 광 | 레이저 눈 안전과 항공 안전. 야외 발사는 항공 당국과 조정이 필요할 수 있다 | 17.2·9.1 |
| 선 링크의 보안성 | 방출이 없다는 사실은 사이버 위협(지상 장비·펌웨어)을 없애지 않는다 | 8.11·8.16 |
| 링크 상실 절차 | 단선도 링크 상실이다. 절차는 원인과 무관해야 한다 | 2.6·3.11 |
| 전파 교란의 법 | 광섬유는 전파 교란의 대상이 아니라서 교란 합법성 논의가 비켜 간다 | 18.9·19.10 |
3.17.13 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "광섬유 링크는 어떤 방해에도 면역이다" | 링크의 전파 재밍에 면역일 뿐 단선·GNSS 교란·시그니처는 남는다 | 3.17.4.1 |
| "광섬유는 가벼우니 거리가 얼마든 된다" | 20 km에 1.8 kg, 40 km에 3.5 kg이다. 거리 한계는 질량이다 | 3.17.4.2 |
| "손실이 병목이다" | 20 km의 손실은 5~8 dB로 버짓의 절반 이하이다 | 3.17.8 |
| "광섬유가 빠르니 조종이 정밀해진다" | 전파 지연은 0.1 %이고 B′가 줄이는 것은 링크 처리 34 ms다 | 3.17.4.5 |
| "보도된 40 km는 비행 거리다" | 섬유 길이와 직선거리를 구분하지 않은 보도가 많다 | 3.17.4.4 |
| "레이저 링크는 전파보다 항상 안전한 대안이다" | 안개층 하나와 1° 흔들림이 링크를 끊는다 | 3.17.6 |
| "광 링크는 규제가 없다" | 전파 면허만 없을 뿐 눈 안전·항공 안전 규율이 있다 | 3.17.12 |
이 장의 한계도 밝혀 둔다.
- 질량 모형의 가정이 크다. 피복 두께·밀도·보빈 질량·충전율은 가정이며 실제 제품은 다를 수 있다. 계산은 자릿수와 기울기를 보이려는 것이다.
- 광 버짓은 단일 가닥의 정상 상태다. 스풀 감김의 굽힘 손실·접속 열화·온도 변화는 넣지 않았다.
- FSO 식은 약난류·점 수신기·일정 시정의 교과서 형식이다. 해무·눈·햇빛은 다루지 않았고 대기 모형의 계수는 확인이 필요하다.
- 공개 보도는 2차 출처다. 거리와 질량의 주장은 1차 자료로 확인하지 못했다.
- 이 장은 링크의 원리와 한계만 다룬다. 전장 사용의 사례와 대응은 10.8·13.3, 재밍의 원리는 5.2이 맡는다.
3.17.14 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 광섬유 손실이 거리에 비례하고 자유공간 전파 손실이 $20\log d$로 늘어 달라지는 점을 계산으로 설명하라. 1 km에서 10 km로 갈 때 각각 몇 dB가 느는가?
- 0.25 mm 광섬유 20 km 스풀의 질량을 선밀도로 구하라. 가정 중 어느 것이 결과를 가장 크게 바꾸는가?
- 광섬유 링크가 전파 재밍에 면역인 이유와, 그래도 남는 취약점 세 가지를 말하라.
- 광섬유 20 km의 전파 지연은 2.11.6의 B 합계의 몇 %인가? B′가 B보다 짧은 이유는 무엇인가?
- FSO 링크에서 안개가 손실을 지배하는 이유를 파장과 입자 크기로 설명하고, 시정 1 km에서 2 km 손실을 구하라.
- 기체가 1° 흔들릴 때 발산 1 mrad의 빔에 어떤 일이 생기는가?
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 스풀의 질량·강도 최적화 — 굽힘에 둔감한 섬유와 얇은 보강 피복으로 같은 거리에서 스풀 질량과 단선 확률을 동시에 줄이는 설계는 가능한가? 공개된 파단 데이터는 어디까지 있는가?
- 소형 기체용 FSO의 실비행 데이터 — 수십 µrad급 지향을 소형 기체의 질량·진동 한계 안에서 달성한 공개 실험이 있는가? 안개·난류 속 가용도의 실측은?
- 혼합 링크의 가용도 논증 — 광섬유 주 링크와 예비 무선을 가진 기체에서 방출 은닉과 가용도의 교환을 어떻게 정량화하는가(3.11과 연결)?
- 보도 거리의 검증 — 섬유 길이와 직선거리를 구분한 공개 시험 자료는 어디까지 있는가? 어떻게 표준화된 시험으로 모을 수 있는가(3.20)?
1차 출처(이 장)
- ITU-T Recommendation G.652(단일모드 광섬유), G.657(굽힘 둔감 섬유)
(판 확인 필요). - IEC 60793-1-30(광섬유 증명 시험); IEC 60825-1·60825-12(레이저 안전).
- ITU-R Recommendation P.1814-1, P.1817-1(자유공간 광링크의 전파 예측과 데이터).
- IEEE Std 802.3 1000BASE-LX10 조항
(판 확인 필요). - Agrawal, G. P., Fiber-Optic Communication Systems, 4th ed., Wiley, 2010.
- Kim, I. I.; McArthur, B.; Korevaar, E., "Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications", Proc. SPIE 4214, 2001
(계수의 원문 확인 필요). - Andrews, L. C.; Phillips, R. L., Laser Beam Propagation through Random Media, 2nd ed., SPIE Press, 2005.
- Hemmati, H. (ed.), Near-Earth Laser Communications, CRC Press, 2009.
- NASA TBIRD 임무 자료, ESA EDRS 소개 자료(공개 자료, 2차 확인).
- 언론 보도(공개 주장치, 2차): TWZ, 2025-10-06; Interesting Engineering, 2025-04-23.
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 3.18에서 전파 링크로 돌아와 링크를 보호하는 법을 본다. 통신 보안의 세 요소와 링크 계층의 인증·암호를 개념 수준으로 정리하고, 대역확산의 처리 이득과 주파수 도약, 저피탐·저피요격(LPD·LPI)의 원리, 그리고 방호 설계의 지표인 재밍 마진을 계산한다. 재밍의 원리 자체는 5.2에 맡긴다.