위성통신 국가R&D과제 지식 분석과 기술 마이닝

2.1 저궤도 위성통신과 국가R&D 과제 데이터

지상 3만 6000km 높이에 위치하는 정지궤도(GEO, Geosynchronous Earth Orbit)에 비해 저궤도(LEO) 위성통신은 지상에서 고도가 낮기 때문에 지구 자원탐사, 해양 및 기상 관측뿐만 아니라 사진정찰 등 군사 및 첩보용으로도 이용되며 최근에는 세계 언제 어디서나 전화, 컴퓨터 통신 등을 가능하게 하는 6G 우주 인터넷 망으로도 사용된다. 이외에도 전파 왕복 시간이 짧아 손실도 적고, 통신 지연율이 낮아 통신 서비스로 이용하기 적합하다.

위성통신은 전용 단말기와 접시형 안테나만 갖추면 실시간으로 위성에 접속할 수 있고 자율주행, 도심항공교통(UAM)의 원활한 관제 및 통신을 위해 필수적인 기술로도 알려져 있다. 위성통신을 위해서는 위성, 사용자 단말, 게이트웨이 지구국이 필요하며, 위성 궤도와 통신을 위한 주파수도 요구된다. 오지나 재난지역, 해상, 항공기 등 지상망을 이용하기 어려운 지역에서 위성이 지상망을 대신해 통신서비스를 제공할 수 있다.

대표적인 사례로 미국 일론 머스크가 이끄는 저궤도 위성통신 ‘스페이스X’를 꼽을 수 있다. 스페이스 X는 우크라이나·이란 등에 스타링크를 제공해 비상한 관심을 모은다. 스타링크는 지상망이 있는 지역에서 지상망 무선국과 통신해 무선 백홀 혹은 멀티캐스트 하는 서비스를 가능케 한다.

저궤도 위성통신은 기존 위성과 비교해 소형 위성으로 개발 주기가 짧고 개발 팀이 작기 때문에 개발 및 위성 발사 비용이 적게 든다. 또한 비상 통신, 환경 모니터링 등 다양한 분야에 활용된다. 우크라이나와 러시아 등 현재 분쟁 중인 지역의 영상 등을 제공하고 기후 변화 및 날씨 추적 등을 위한 다양한 정보도 제공한다.

영토 규모가 작아 음영지역이 거의 없는 우리나라는 그동안 지상망 인프라가 잘 구축돼 통신보다는 관측 위성 위주의 위성체를 개발하는 방향으로 국가연구개발(R&D)과제가 진행되어 왔다.

국가R&D사업은 정부가 지원하는 연구개발(R&D) 활동으로 국가 과학기술 발전 및 경제 성장을 촉진하기 위해 실시되는 과학기술 분야의 연구개발 사업이다. 정부 부처의 R&D종합시행계획 내의 추진 사업은 국가R&D과제이며, 과학기술정보통신부 주관 하에 한국과학기술정보연구원에서 운영 중인 국가과학기술지식정보서비스(NTIS)에서 이용할 수 있다.

본 연구는 우리나라 국가R&D에서 위성통신 관련 연구 동향을 분석하기 위해 2011~2022년 NTIS 데이터 4,601건을 다운로드해 위성통신 관련 국가R&D과제 데이터 및 텍스트 마이닝을 수행, 분석한다.

2.2 기술 마이닝과 기대효과 분석

기술 마이닝(Technology mining)은 기술 분야 문서에 자동화를 통해 기존의 데이터 마이닝 기법은 물론이고 텍스트 마이닝 기법을 적용하는 것이다[10]. 기술마이닝은 기술 성숙도, 최다 특허 보유 기업, 연도별 성과 추이, 잠재 전문가, 기술 이슈의 네트워크 분석 등 정보 분석하여 제공한다.

국가R&D 과제의 연구과제 기대효과 문장은 수행된 연구와 그 연구의 중요성을 요약하는 영향 설명을 작성하는 데 사용하며, 대학 연구관리자, 과제관리자 또는 정부 정책 입안자와 같은 다양한 이해 관계자에게 정보를 제공하고 이해를 시키는 데 사용된다. 이 기대효과는 국가R&D 과제가 영향 평가에서 얼마나 잘 수행되었는지에 대한 통찰력을 제공하며 대상 분야의 발전 추세를 예측하는 질적 작업이다. 투자자와 공동연구자의 협력을 유도할 수 있고, 과제의 성과를 평가하는 기준이 될 수 있고, 과제를 추진하는 조직의 목표 설정과 전략 수립에 활용, 일반 대중과 과학기술 분야의 전문가들에게 과제의 중요성과 가치를 전달하는데 활용 할 수 있다.

기대효과 문장에서 추출할 수 있는 지식은 연구과제가 새로운 기술적인 진보를 이루거나 기존 기술을 개선하여 새로운 가능성, 연구 결과가 해당 분야의 학문적인 발전을 이루거나 새로운 지식을 발견할 수 있는 기회를 제공, 연구 결과가 산업 분야에서 적용될 수 있는 경제적인 파급효과, 연구 결과가 사회 문제를 해결하거나 사회적인 문제를 개선할 수 있는 긍정적인 영향 등을 제공하며 연구과제의 기대효과를 평가하고, 연구의 목표와 방향성을 결정하는 데 도움을 줄 수 중요한 정보의 하나로 꼽힌다.

2.3 신문기사 리뷰와 관련 연구

본 연구에서는 본격적인 위성통신 분야의 국가R&D과제 분석에 앞서 일반인들이 쉽게 접하는 신문기사를 먼저 분석하였다. 빅카인즈에서 2023년 4월 기준으로 ‘위성통신’으로 검색된 신문기사 229건을 가지고 워드클라우드를 그려보면 그림 1과 같다. 스페이스X, 삼성전자, 미래 모빌리티 시대 등의 단어들이 많이 나타나고 있다. 위성통신 분야와 연관된 국내 대기업들도 신문기사에서 자주 언급되는 특성이 있으며 뒤에 나올 국가R&D 과제에서는 대기업이 자주 언급되지 않는다.

Fig. 1.

Satellite communication word cloud from a newspaper articles

신문기사 229건을 ‘위성통신’ 검색어로 관계분석을 해 보면 그림 2와 같이 나타난다.

Fig. 2.

Analyzing satellite communication relationships in newspaper articles

인물로는 김민구, 이종호, 윤석열 등이 많이 나타나고, 장소로는 미국, 중국, 일본, 영국 등이, 기관으로는 삼성전자, 과학기술정보통신부, 한화시스템, 중소벤처기업부, 방위사업청, 국방과학연구소가, 키워드로는 스타링크, 엑시노스, 도플러 등이 많이 나타나고 있어 언론상에서 현 상황을 잘 보여준다.

인물, 장소, 기관, 키워드 구분해 보았으며, 기관으로 삼성전자, 과학기술정보통신부 등이 나타나고 있다. 기관은 국가R&D과제에서는 출연연구원이나 대학이 많으나, 신문기사에서는 민간R&D업체라 볼 수 있는 회사가 자주 출현하고 있다.

텍스트 마이닝을 활용한 국가R&D 관련 연구로이지연[11]은 그래핀 국가R&D과제를 가지고 텍스트 마이닝 및 연관규칙 기법을 적용하여 분석하였다.

3.1 데이터 수집과 전처리

본 연구에서는 NTIS에 등록된 국가R&D 과제 중 ‘위성통신’ 관련 연구과제를 분석대상으로 설정하였다. 데이터 수집은 NTIS에서 제공하는 데이터 다운로드 서비스를 이용하였으며, 자료 수집 기간은 2011년에서 2022년까지로 설정하였다. NTIS 검색에서 ‘위성통신’을 키워드로 입력하여 총 4,601건의 국가R&D과제 정보를 엑셀 파일 형태로 수집하였다.

본 연구에서는 이렇게 수집한 4,601건의 엑셀 파일 과제정보를 R언어를 이용하여 전처리 및 데이터 분석을 실시하였다. 한국어 분석을 위해 R언어의 형태소 분석 패키지인 NLP4kec를 사용하였으며 한글 코드 변환을 실시하였다. 이외에도 토픽모델링 패키지인 topicmodels, stm과 네트워크 분석 패키지 tidygraph, ggraph 등을 이용하였다. 수집한 과제의 내용 중 특수부호, 기호 등 불필요한 어구를 제외하는 데이터 전처리 과정을 거쳤다.

3.2 연구 방법

본 연구에서는 NTIS 국가R&D 과제 데이터를 활용하여 위성통신 국가R&D 동향을 분석한다. 위성통신의 과제 정보를 통해 연구분야를 탐색하고, 위성통신 관련 기술개발 지원정책을 바탕으로 우리나라 위성통신 산업의 발전 방향을 모색한다. 본 논문에서 수행하는 연구의 전체 흐름은 그림 3과 같다.

Fig. 3.

Overall procedure of the study

네트워크 분석(Network analysis)은 네트워크의 연결구조와 연결강도를 분석하는 기법으로 본 연구에서는 키워드간 연결 및 과제수행기관 중에서 공동연구기관을 파악하기 위해서 적용하였다. 텍스트 마이닝에서 토픽모델링(Topic modeling) 토픽모형에서는 식 (1)의 생성적 확률 모형을 따른다.

여기서, t는 토픽 수, P(Z_i = j)는 i번째 단어가 j번째 토픽에 포함될 확률, P(W_i|Z_i = j)는 j번째 토픽에서 i번째 단어가 선택될 확률이다.

4.1 위성통신 국가R&D과제 데이터 분석

우리나라 국가R&D사업으로 위성통신 분야와 관련된 2011∼2022년 과제는 다음 그림과 같다. 검색식으로는 한글제목과 요약, 키워드에 “위성통신”이 들어간 것을 대상으로 하였다. 해당기간의 과제의 총 건수는 4,061건, 총 연구비는 4.1조원이며, 기준년도 순으로 보면 과제건수가 지속적으로 상승하고 있으며, 2013년 나로호를 우주궤도에 성공 이후 관측위성 위주의 위성체 및 연료로켓 기술개발이 2017년까지 정부 투자연구비가 증가하였다.

Table 1.

Number of national R&D projects and research funds in satellite communications

이들 4,061건의 국가R&D과제는 연구개발단계 분류에서 보면 기초연구(40.4%), 개발연구(38.2%), 응용연구(13.8%) 순으로 나타나 아직은 기초 및 개발 연구에 집중되고 있는 것으로 나타나 국민들이 실감할 수 있는 응용연구는 비중이 높지 않은 것으로 나타나 위성통신 산업 생태계를 구축하는 데는 예산과 시간이 다소 소요될 것으로 보인다.

과제수행기관 상위 5개를 보면, 한국전자통신연구원(304개), 한국과학기술원(170개), 한국항공우주연구원(138개), 국립전파연구원(64개), 서울대학교(62개)로 순으로 나타났다. 신문이나 방송에서 언급되는 민간R&D에 속하는 대기업은 국가R&D의 과제수행기관에서는 나타나지 않고 있다.

과제를 수행한 기관의 공동연구 현황을 파악하기 위해 공동연구네트워크 분석을 그림 4와 같이 실시하였다. 위성통신 분야 국가R&D과제를 수행한 기관에서 공동연구를 실시한 2,915건의 과제를 대상으로 시각화하였다. 한국전자통신연구원이 대학 및 중소기업들과 공동연구를 가장 많이 하고 있는 것으로 나타나고 있으며, 다음으로 한국항공우주연구원, 서울대학교, 한국과학기술원도 중심성이 높은 것으로 나타났다.

Fig. 4.

Collaborative research network

위성통신 국가R&D과제정보에 존재하는 키워드를 가지고 단어 클라우드로 그림 5와 같이 시각화를 실시하였다.

Fig. 5.

Project keywords wordcloud

위성통신 과제에서 ‘안테나’, ‘위성항법’, ‘무선전력전송’, ‘밀리미터파’, ‘메타물질’, ‘인공위성’, ‘우주환경’, ‘무인수상선’, ‘원격해양조사’ 등의 키워드는 ICT 통신 분야와 직접 관련이 있는 단어들이다. 이외에도 ‘인공지능’, ‘딥러닝’, ‘빅데이터’, ‘사물인터넷’ 등의 키워드는 IT 데이터 산업과 관련이 있는 단어들로 기술사업화를 통해 데이터 서비스 산업으로 발전할 수 있는 분야로 나타나고 있다.

4.2 기대효과 토픽모델링

기대효과 문장에서 알 수 있는 지식은 연구과제가 새로운 기술적인 진보를 이루거나 기존 기술을 개선하여 새로운 가능성, 연구 결과가 해당 분야의 학문적인 발전을 이루거나 새로운 지식을 발견할 수 있는 기회를 제공, 연구 결과가 산업 분야에서 어떻게 적용할 지를 분석할 수 있다.

본 연구에서는 토픽모델링 기법 중에서 STM(Structural Topic Modeling)을 이용하여 위성통신 분야의 과제의 기대효과 문장을 가지고 그림 6과 같은 결과를 얻었다.

Fig. 6.

4 topics derived from STM topic modeling

토픽 모델링에서 겹쳐지는 영역이 없도록 클래스 수를 낮추어 겹침이 없는 4개로 분류하였다. 토픽1은 위성통신, 토픽2는 우주항법, 토픽3은 데이터, 토픽4는 사업화로 나타났다. 토픽3과 토픽4는 위성 데이터와 사업화로 IT 기반의 데이터 서비스 사업화를 중요하게 생각하고 있음을 알 수 있다.

4.3 결과 종합 및 토의

우리나라 위성통신 분야의 국가R&D과제 2011∼2022년 4,601건에서 데이터 결과로 도출된 것은 다음과 같다. 첫째 위성 통신 관련 기초연구과제가 40.4%를 차지했고, 기술개발과제가 38.2%로 뒤를 이었다. 향후에는 기술개발에서 한 걸음 나아가 기술사업화를 통해 위성통신과 위성 데이터 서비스 산업 생태계를 구축하고 수익을 낼 수 있는 분야로 발전해 기술가치, 사업가치, 기업가치 순으로 이어지는 민간기업 발전으로 이루어지길 기대한다. 특히 위성통신과 지상망 6G 이동통신간 연동과 표준화, 음성과 영상을 포함한 위성 인터넷 데이터 등 위성통신 산업 확대에 대비한 국내 산업체 경쟁력을 확보하고, 글로벌 시장 및 산업 생태계 혁신을 이끌어 나가야 한다.

둘째, 국가R&D과제의 공동연구네트워크를 분석한 결과 한국전자통신연구원이나 한국항공우주연구원과 같은 정부출연연구원과 서울대, 한국과학기술원(KAIST) 등이 위성통신 연구 분야를 주도 한 것으로 파악됐다. 향후에는 기술사업화를 통해 상용화 및 위성 데이터 서비스 산업으로 발전시켜 나가야 할 것이다.

셋째, 국가R&D과제의 키워드를 이용한 단어 클라우드를 분석한 결과 IT 데이터 산업과 관련이 있는 단어의 존재로 알 수 있듯이 최근 인공지능과 빅데이터 기술에 따른 기술사업화를 통해 IT 데이터 서비스 산업으로 발전시켜 나가야 할 것이다. 위성통신 산업은 통신 및 데이터 기술을 활용해 다양한 데이터를 수집, 분석, 활용하는 것으로 빅데이터 및 소프트웨어, 플랫폼 등 기술력 중심으로 디지털 전환이 요구되며, 위성체 개발이나 인프라 구축을 넘어서 향후 위성통신 산업 또는 비즈니스가 활성화되기 위해서는 위성 통신 및 데이터 서비스 산업의 도입과 이들 분야의 경제성 확보가 가능해져야 한다.

넷째, 국가R&D과제의 기대효과 요약문에서 토픽 모델링을 추출한 결과 ‘위성통신’, ‘우주항법’, ‘데이터’, ‘사업화’ 등 총 4개의 토픽으로 분류되었다. 특히 위성통신에서 ‘데이터’와 ‘사업화’는 IT 기반의 데이터 서비스 사업화를 중요하게 생각하고 있음을 알 수 있다.

2장에서 일반인이 자주 접하는 신문기사 리뷰의 결과와 연구원이 실제 연구현장에서 수행하는 국가R&D과제는 보는 관점이 다름에 따라 신문기사에서는 위성통신 분야와 연관된 국내 대기업들도 신문기사에서 자주 언급되는 특성이 있으나 국가R&D과제에서는 민간 대기업이 자주 언급되지 않았다. 향후 우리나라가 우주산업 시대에서 위성통신 분야의 국내 위성 산업 및 데이터 서비스 기술로 기술사업화 및 상용화를 활발하게 전개해 국내 민간기업이 글로벌 위성통신 산업 선도국으로 도약하기를 기대한다.