위성 데이터 전송 시뮬레이션 (Satellite Downlink/Uplink Simulation)

이 레포지토리는 MATLAB의 satelliteScenario를 활용하여 X-band(다운링크)와 S-band(업링크)를 동시에 고려한 위성-지상국 간 데이터 전송 시뮬레이션 코드 예시입니다.

위성을 기준으로 AWS 의 GS 에서 지원하는 실제 지상국 여러 곳 중 가장 높은 링크 용량을 갖는 지상국을 골라 최대 성능으로 데이터를 다운링크한다는 시나리오를 시각화합니다.

(2023-02 부산대학교 조동현 교수님의 우주시스템공학 연구 프로젝트였습니다.)

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주요 기능

1. 위성 궤도 설정

   • 준궤원, 경사 98도 등의 파라미터로 Sun-Synchronous Orbit 유사 환경 구성
   • 24시간 동안 궤도를 추적하며 연결 가능 구간(interval)을 확인

2. 지상국 배치 & 안테나 설정

   • 11개 지상국(위경도) 정보를 토대로 groundStation 객체 생성
   • S-band(업링크), X-band(다운링크)를 각각 송수신기(transmitter/receiver)로 세팅
   • link 객체를 통해 각 지상국과 위성 간 연결 구간 계산

3. 데이터 전송 시뮬레이션

   • 다운링크 속도(50Mbps) 를 예시로 삼아, 각 시간 스텝에서 가장 좋은 링크를 선택
   • 전송된 데이터량, 남은 데이터량, 총 전송 시간을 누적 계산
   • 지상국 스위칭 시에 별도의 연결 비용(딜레이)도 고려 가능

4. 시각화

   • Link States: 시간에 따른 각 지상국 링크 오픈/클로즈 상태
   • Link Capacity: 시간축상 링크 용량 변화
   • Data Transferred: 샘플링 타임 간격으로 전송된 비트량 그래프

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코드 구조

1) 핵심 스크립트

main_satellite_scenario.m (통합된 형태)

• 위성 시뮬레이션 객체 생성
• 위성 궤도 파라미터 지정
• 지상국 생성, 링크 세팅, 포인팅
• 데이터 전송 로직 (남은 데이터, 링크 용량 추적)
• 결과 시각화 (그래프 3종 + 텍스트 출력)

2) 주요 변수 설명

• startTime, stopTime: 시뮬레이션 시작·종료 시간 (여기서는 2023-12-14 10:00 UTC ~ +24h)
• sampleTime: 시뮬레이션 샘플링 간격(초 단위)
• sat1Tx, sat1Rx: 위성의 X-band 송신기, S-band 수신기
• gsTx, gsRx: 각 지상국의 S-band 송신기, X-band 수신기
• timeArray, numTimeSteps: 시간 배열 및 타임스텝 개수
• linkCapacities, linkStates: [지상국 수, 시간 스텝 수] 형태로 각 지상국의 링크 상태/용량을 저장
• remainingData: 전송해야 하는 데이터의 남은 양 (초기 100MB)
• usedGroundStations: 실제로 전송에 사용된 지상국 인덱스 추적

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실행 방법

1. MATLAB 환경 준비
   • Satellite Toolbox (R2023a 이상 권장)
2. 스크립트 열기

   % MATLAB 커맨드 윈도우에서
   main_satellite_scenario

   • 혹은 스크립트 이름을 직접 열어 실행(F5)
3. 시뮬레이션 결과 확인
   • 콘솔 출력:
     • 전송 완료 시간 (초 단위)
     • 사용된 지상국 순서
     • 각 지상국별 통신 가능 시간대
   • 그래프 3종:
     1. 링크 상태(Heatmap)
     2. 시간에 따른 링크 용량
     3. 전송된 비트량(Bar Chart)

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시뮬레이션 시나리오 개요

• 위성
  • Sun-Synchronous 궤도(고도 ~6900km, 경사각 98도)
  • 24시간 동안 지상국과 접속 가능성 탐색
• 지상국
  • 서울, 싱가포르, 시드니 등 전 세계 11곳
  • S-band(업) / X-band(다운) 설정, 접시 안테나(gaussianAntenna) 사용
• 데이터 전송
  • 100MB 정도의 파일을 50Mbps 다운링크로 전송한다 가정
  • 샘플링 타임(10초)마다 가장 높은 링크 용량이 열려있는 지상국을 선택
• 추가 딜레이
  • 가령 스위칭 시점마다 20초 지연(connectionDelay) 고려

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주요 결과

• Total data transfer time
  • 24시간 이내에 전송 가능 여부 및 총 소요 시간
• Used Ground Station
  • 전송 과정에서 실제로 선택된 지상국 목록
• Link States & Capacities
  • 각 지상국이 특정 시간대에 어떤 링크 용량을 가지는지 2D 플롯

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개선 / 확장 아이디어

1. 더 세밀한 SNR 모델
   • 지상국-위성 간 거리, 시선각, 기상 조건을 반영해 동적 SNR 계산
2. Orbit Propagator 고도화
   • 실제 TLE(orbital elements) 입력 후 정밀 궤도 예측
3. Switching 비용/전략
   • 단순 20초 고정이 아니라, 가령 각 지상국 별 위치·컴퓨팅 환경에 따라 스위칭 시간 상이하게 설정
4. 업링크 속도 동적 활용
   • 업링크가 병목일 경우를 고려하여 Full-Duplex/ Half-Duplex 전송 모델링

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라이센스 / 문의

• 본 예시 코드는 제한 없이 참고 용도로 사용해도 좋습니다.
• 문의나 개선 제안은 Issue를 남겨주세요.

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요약

• satelliteScenario 객체로 24시간 시뮬레이션
• X-band 다운링크(50Mbps), S-band 업링크(32kbps) 설정
• 여러 지상국 중 최적 링크(가장 높은 용량)로 데이터 전송
• 그래프·콘솔 로그를 통해 전송 현황을 직관적으로 파악 가능