Leaf Space: Google Cloud에서 차세대 인공위성 구현

* 본 아티클의 원문은 2021년 4월 10일 Google Cloud 블로그(영문)에 게재되었습니다.  

항공우주 산업에서 혁신이 이뤄지고 있습니다. 로켓 발사 비용 감소, 부품 소형화, 디지털화의 영향에 따라 과거 60년 동안 발사된 수보다 많은 15,000개 이상의 인공위성이 향후 10년 동안 발사되어 지구의 기후와 환경 연구, 원격 위치에서 사람과 사물 간의 통신, 중요한 인프라 모니터링, 무선 트래픽 백하울링, 기타 중요한 작업을 수행하는 데 활용될 예정입니다. 이 모든 것이 계획대로 진행된다면 Google Cloud에서 실행되는 Leaf Space의 '서비스로서의 그라운드 스테이션'이 많은 도움이 될 것입니다.

이러한 새로운 인공위성은 대부분 저궤도(LEO)로 발사될 예정입니다. 지표면에서 약 36,000km 떨어진 정지궤도(GEO)에서 작동하는 기존 방송용 TV 인공위성과 달리 LEO 인공위성은 일반적으로 고도 500~2,000km 정도로 지구에 훨씬 가깝습니다. 통신 측면에서 LEO는 대기 시간 즉, 신호가 지표면에서 인공위성으로 전달되고 다시 돌아올 때까지 걸리는 시간을 줄여주고, 용량 밀도 또는 인공위성이 전달할 수 있는 제곱킬로미터당 비트 수를 늘려줍니다. 지구 관측 인공위성의 측면에서 LEO는 인공위성이 수행하는 기타 관측 대상 또는 이미지 해상도를 늘려줍니다. LEO 인공위성은 또한 제조 및 발사에 필요한 비용이 더 저렴하고 속도도 더 빠릅니다.

하지만 LEO 사용 시 한 가지 단점이 있습니다. 하늘에 고정된 것처럼 보이는 GEO 인공위성과 달리 LEO 인공위성은 지표면을 따라 이동합니다. 따라서 일부 LEO 인공위성의 경우 해당 인공위성이 항상 신호 범위에 들어오는 하나의 지상 안테나가 존재할 수 없습니다. 지상과 인공위성 사이의 연결이 끊기지 않도록 전 세계 여러 곳에 안테나를 배치해야 합니다. 우주 공간과 지표면 사이에 일부 통신 중단이 허용된다면 안테나 수를 조금 줄일 수 있겠지만, 이 경우에도 여러 개의 사이트를 운영하는 것이 바람직합니다.

이러한 단점은 새로운 인공위성 운영자에게 문제가 될 수 있습니다. 인공위성을 하나만 발사하더라도 전 세계에 안테나 네트워크가 필요하고, 인공위성이 신호 범위에 없는 안테나는 대부분의 시간 동안 유휴 상태가 됩니다.

서비스로서의 그라운드 스테이션

Leaf Space와 같은 회사를 살펴보겠습니다. Leaf Space는 2014년 설립된 이후로 지금까지 안테나, 처리 기기, 인공위성 운영자에게 서비스로 제공되는 소프트웨어 등으로 구성된 글로벌 인프라를 통해 항공우주 분야에 들어서는 문턱을 낮추기 위해 노력하고 있습니다. 인공위성 운영자는 Leaf Space의 지상 네트워크를 시간 단위로 임대할 수 있어서, 인공위성이 신호 범위 내에 있을 때 Leaf Space의 안테나 및 기타 장비를 사용하여 인공위성과 지상 사이의 통신을 수행할 수 있습니다. 그리고 하루 동안 여러 팀이 회의실을 예약해 사용하는 것처럼 예약 시스템을 통해 여러 인공위성은 물론 인공위성 운영자 간에도 안테나를 공유할 수 있기 때문에 보다 효율적으로 리소스를 활용함으로써 운영 비용을 낮출 수 있습니다. 이 모델을 서비스로서의 그라운드 스테이션(GSaaS)이라고 부릅니다. 현재 Leaf Space는 유럽과 뉴질랜드에서 이러한 GSaaS 스테이션 8개가 포함된 네트워크를 운영하고 있으며 전 세계로 범위를 확대할 예정입니다.

Google Cloud에서 작동하는 Leaf Space 소프트웨어

Network Cloud Engine(NCE)은 Leaf Space에서 GSaaS 솔루션의 핵심입니다.

NCE는 관련 임무 제약조건을 수집하고, 인공위성과 안테나 사이의 접속 일정을 자동으로 최적화하고, 그라운드 스테이션에서의 신호 처리 장비를 자동 구성하여 네트워크 활동을 조정하고, 인공위성 임무 제어 센터 운영팀에게 제어 권한 및 가시성을 제공함으로써 여러 인공위성 임무를 관리합니다.

NCE가 전체적인 그라운드 스테이션 네트워크 작업을 조정하고, RF 신호에서 비트 및 바이트를 추출하는 데 필요한 프로세스인 기저대역 처리에는 에지 리소스가 활용됩니다. 아래 다이어그램에서는 인공위성에서 임무 제어 센터로 또는 그 반대로의 데이터 흐름을 확인할 수 있습니다.

NCE는 전적으로 Google Cloud에서 실행됩니다. Google Cloud의 스타트업 프로그램 회원사인 Leaf Space는 다양하고 완성도 높은 서비스, 전 세계 리전, 고속 네트워크 백본을 갖추고 있다는 이유로 Google Cloud를 선택했습니다. NCE는 네트워크 연결, 데이터 전송, 처리, 소프트웨어 제어 및 조정을 위해 Google Cloud 서비스를 사용합니다. Leaf Space의 엔지니어링팀은 Google Cloud 제품을 통해 이러한 서비스를 처음부터 구현할 때와 비교해서 개발 시간을 몇 개월 단축하고, 상업적인 운영을 시작하고, 주 단위로 업그레이드 및 새로운 기능을 지속적으로 출시할 수 있게 되었습니다.

핵심 솔루션 설계 의사결정 및 성능 측정항목

NCE를 설계할 때 Leaf Space는 일반적인 그라운드 스테이션 네트워크 백본의 주요 구성요소를 가상화하고 모든 인간 참여형(Human-In-The-Loop) 프로세스를 방지하여 안전하고, 안정적이며, 확장 가능하고, 쉽게 유지관리할 수 있는 효율적인 시스템을 구축하기 위해 Google Cloud 서비스를 활용했습니다.

NCE는 여러 구성요소로 이루어져 있습니다. 스케줄링, 그라운드 스테이션 제어, 데이터 전송, 라우팅, API와 같은 기본 구성요소는 Google Kubernetes Engine(GKE)을 기반으로 빌드됩니다. 추가적인 특정 작업은 Cloud Functions, Cloud Load Balancer, Compute Engine을 통해 처리됩니다.

Leaf Space는 Google Cloud에서 NCE를 빌드함으로써 다음과 같은 목적을 달성할 수 있었습니다.

• Cloud Build 및 소스 저장소를 통해 자동화된 지속적 배포를 활용합니다.
• 활성 상태 프로브를 지원하는 다중 서버 분산 시스템을 활용하여 제로 다운타임을 보장합니다.
• 높은 부하 발생 시 고속 자동 확장으로 트래픽을 부하 분산합니다.
• 낮은 부하 서비스에서는 컴퓨팅 리소스 낭비를 방지합니다.
• 운영체제 유지보수 작업이 필요하지 않으므로 개발에 더 집중할 수 있습니다.

또한 Leaf Space는 Google Cloud 서비스 덕분에 새로운 기능의 TTM(time-to-market)을 몇 주가 아닌 며칠로 줄일 수 있었고, 코드 관리에 모든 자동화 도구를 활용할 수 있었습니다. 새 태그가 푸시될 때마다 코드 검증이 수행되고, Docker 컨테이너가 빌드되어 GKE에서 프로덕션 모드로 설정되었습니다. 이 접근 방식의 중요 이점은 팀이 제로 다운타임으로 새 기능을 배포할 수 있다는 것이며 이것은 높은 SLA에 따라 운영되어야 하는 시스템에서 상당한 장점으로 작용합니다.

Leaf Space 솔루션에서는 Pub/Sub 및 Cloud Storage와 같은 기타 서비스와 긴밀하게 통합된 Google 제품인 Cloud 함수, Kubernetes Engine을 활용합니다. 이 솔루션은 로그 처리 시간을 줄여주고, GSaaS 네트워크를 모니터링하기 위한 알림을 생성하고, 인공위성에서 수신된 데이터에 대한 시각적인 분석을 제공합니다.

또한 기본적으로 확장성이 뛰어나기 때문에 Leaf Space에서 프로덕션 환경에 새 그라운드 스테이션 또는 신규 고객을 쉽게 추가하고 갑작스러운 수요 증가를 처리할 수 있도록 해줍니다.

클라우드로 지원되는 GSaaS를 사용하는 사용자 환경

GKE, Scheduler, Redis Cloud Memory Store, Pub/Sub, CloudSQL과 같은 Google Cloud 서비스를 통해 Leaf Space는 고객이 쉽고 직관적으로 사용할 수 있다고 말하는 GSaaS 솔루션을 만들 수 있었습니다.

사용자는 시스템에 액세스하기 위해 단순히 궤도 매개변수, 발사 일자, 기저대역 구성과 같은 우주선 세부정보를 제공하면 됩니다. 그러면 NCE는 사용자 계정을 만들고 사용자의 스펙트럼 라이선스와 같은 해당하는 규제 요건을 고려하여 GSaaS 네트워크를 구성합니다. 자동 스케줄링 서비스에 필요한 임무 제약조건이 API를 통해 설정되면 NCE는 인공위성과 안테나 네트워크 간의 통신에 최적화된 일정을 세웁니다. 

인공위성과 지상 사이의 연결을 설정할 때는 NCE가 에지 기저대역 처리 체인을 구성하고 활성 그라운드 스테이션과 사용자 인터페이스 사이에 데이터 라우팅을 사용 설정합니다. 수신, 복조, 복호화되는 모든 패킷은 사용자 또는 인공위성에 실시간으로 직접 전달됩니다.

다운링크된 데이터는 어떻게 되나요?

데이터가 사용자에게 전달된 다음에는 고객이 추가 처리를 수행하고, GPS 엄폐 센서로부터 기후 관측을 수행하거나, SAR(Synthetic Aperture Radar) 획득으로부터 선박 감지를 수행하거나, 광학 이미지로부터 삼림파괴 추세 분석을 수행하는 등 유용한 정보를 추출할 수 있습니다. 이러한 모든 분석은 사용자가 Google Cloud 데이터 분석, 인공지능, 머신러닝 서비스를 사용하여 클라우드 환경에서 직접 수행할 수 있습니다. 그런 후 최종 결과물을 쉽게 저장하고 최종 고객에게 배포할 수 있습니다.

간단히 말해서 Google Cloud는 Leaf Space가 GSaaS 서비스를 항공우주 생태계에 제공할 효율적인 방법을 마련하고, 항공우주 경제 개발을 위한 문을 열어 준 셈입니다. GSaaS를 통해 획득 단계부터 데이터 분석 및 배포까지 전체 프로세스 체인을 클라우드에서 처리함으로써 제공 지연 시간을 단축하고 데이터를 효율적으로 배포할 수 있습니다. Leaf Space는 Google Cloud와 함께 차세대 LEO 인공위성을 구현할 수 있기를 기대합니다.  

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^{이 솔루션을 만들고 이 블로그 게시물을 작성하는 데 도움을 주신 Leaf Space 수석 비즈니스 개발자인 제이 다이알라니와 전체 Leaf Space팀원에게 감사의 인사를 전합니다.}