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1 창간호 2011 제1권 1호 KBS기술연구소 창간호 2011 제1권 1호 방송기술 동향 스마트 환경과 N스크린 동향 모바일/DTV 방송 국내외 기술동향 실감방송 기술동향 논문 DVB-T2 16K LDPC 부호가 적용된 MIMOOFDM 시스템에서의 성분 맞교환 기술이득 AT-DMB 계층변조 심볼에 대한 정규화 인수의 유도 테이프리스 방송환경에서의 자동화된 콘텐츠 품질검사 시스템 기술 분석 세계 최초 3DTV 실험방송, KBS는 어떻게 했나? 지상파 OHTV 서비스 플랫폼

2 창간호 2011 제1권 1호 권두언 3 발간사 KBS한국방송사장 김인규 발행일 2011년 3월 31일 발행처 KBS한국방송 ( 서울특별시 영등포구 여의도동 18번지) 발행인 김인규 편집인 김태환 온라인 디자인 인쇄 동아기획 동아종합인쇄( ) 4 축사 한국방송공학회장 박재홍 차세대방송표준포럼의장 정제창 6 창간호를 내면서... KBS뉴미디어 테크놀로지본부장 김선권 KBS기술연구소장 김태환 방송기술 8 스마트 환경과 N스크린 동향 박성춘 팀장 동향 11 모바일/DTV 방송 국내외 기술동향 박근수 팀장 13 실감방송 기술동향 이근식 팀장 논문 15 DVB-T2 16K LDPC 부호가 적용된 MIMO-OFDM 시스템에서의 성분 맞교환 기술이득 (전성호, 임중곤, 경일수, 김만식) 21 AT-DMB 계층변조 심볼에 대한 정규화 인수의 유도 (임중곤, 전성호) 28 테이프리스 방송환경에서의 자동화된 콘텐츠 품질검사 시스템 (이문식, 하명환, 김윤창, 박성춘, 안기옥, 김민기, 이정헌) 기술 분석 35 세계 최초 3DTV 실험방송, KBS는 어떻게 했나? (김병선, 조인준, 함상진, 강진모, 이근식) 40 지상파 OHTV(Open Hybrid TV) 서비스 플랫폼 (이동준, 이만규, 박성춘) 특허 50 부가데이터가 삽입된 방송신호 송수신 방법과 장치 및 방송망 원격 모니터링 시스템 53 계층적 방송 장치 및 방법 2

3 권두언 KBS R&D 창간호 존경하는 시청자 여러분 안녕하십니까? 지금 우리나라의 방송환경은 가히 혁명적이라 할 정도로 눈부신 변화의 시대를 맞고 있습니다. 발간사 2012년 말로 아날로그 방송이 끝나고 본격적인 디지털 시대가 열리면 방 송환경은 지난 80년 흑백에서 컬러 TV로 바뀌었을 때와는 비교되지 않을 정 도로 커다란 변화를 맞게 될 것입니다. 이런 상황에서 방송기술은 그야말로 방송혁명을 주도하는 견인차 역할을 하게 될 것입니다. 방송의 발전은 어쩌 면 방송기술의 발전에 달려있다고 볼 수 있습니다. 그런 점에서 우리나라의 방송기술을 선도하고 있는 KBS 기술연구소가 방 송기술 연구지인 <KBS R&D>를 펴내는 것은 매우 의미가 있는 일이라고 평 가합니다. 올해로 창설 30주년을 맞는 KBS 기술연구소는 그동안 방송용 문자발생기 와 DTV 엑사이터, 그리고 3DTV 카메라 등 국산 방송장비를 개발하는데 앞 장서 왔을 뿐 아니라 TV음성 문자 다중방송, 지상파DTV 실험방송, DMB 실험방송 등을 수행하며 우리나라의 방송기술을 획기적으로 발전시켜 왔습 니다. 특히 세계 최초로 2005년 DMB와 2010년 3DTV 실험방송에 성공함으 로써 세계인의 주목을 받았습니다. 김인규 KBS 한국방송 사장 <KBS R&D>는 이 같은 역량을 보여줬던 KBS 기술연구소가 그동안 축적 된 노하우를 공유하기 위해 펴내는 야심작인 만큼 방송현장에서 매우 소중 하고 유용하게 쓰일 것으로 확신합니다. 방송기술인은 물론이고 미디어에 관심이 있는 일반 시청자들까지 활발하 게 참여할 수 있는 폭넓은 소통의 장이 될 수 있기를 기대합니다

4 권두언 축사 KBS 기술연구소가 창립 30년 주년을 기념하며 창간하게 되는 연구 논문 집 KBS R&D 출간을 진심으로 축하드립니다. 그동안 KBS 기술연구소는 우 리나라 방송기술의 대표 연구기관으로서 방송의 디지털화, 방송장비 국산 화, 서비스 표준화 등 국내 방송 기술과 산업의 발전에 많은 기여를 해왔습 니다. 특별히 KBS가 한국방송공학회의 특별회원사로서 임원 및 편집위원 활동, 각종 행사 지원 및 논문 기고 등 폭넓은 참여로 학회의 발전에도 크게 공헌하고 있음을 감사드리는 바입니다. 지상파 방송의 디지털 전환이 이제 2년도 채 남지 않았으며, 이미 다양한 매체들이 출현하고 정착하는데 그치지 않고 최근에는 스마트 TV가 크게 대 두되면서 방송환경의 가치사슬에 더 큰 변혁을 예고하는 등, 방송생태계 전 체가 그야말로 격변의 시기를 맞고 있습니다. KBS 기술연구소는 이러한 환 경변화에 적극적으로 대응하고 지상파 방송이 시청자 중심의 방송환경을 계 속 발전시키기 위한 기술개발에 최선을 다하고 있다고 확신합니다. 박재홍 한국방송공학회장 KBS R&D의 출간은 공영방송 KBS가 지상파 방송으로서 필요한 기술 및 정보들을 많은 방송관계자들에게 알리고 우리나라의 방송산업을 발전시키 는데 일익을 담당할 것을 확신하며, 더 나아가 방송기술과 산업의 생태계 구 축과 활성화에 기여할 것을 크게 기대합니다. 한국방송공학회는 공영방송 KBS와 밀접한 관계를 맺고 우리나라의 방송 기술과 산업발전에 기여하기 위한 노력에 항상 함께 할 것이며 지상파 방송 의 서비스 발전, 수신료 현실화 등 KBS의 정책적 이슈에도 항상 깊은 관심 을 갖고 측면에서 지원할 것입니다. 또한 학회지나 논문지 등을 통해 KBS 기술연구소의 연구결과를 게재하며, 각종 학술행사를 통해 KBS의 연구결과 를 널리 알리기 위한 노력을 계속할 것입니다. 끝으로 KBS와 KBS 기술연구소의 무궁한 발전을 기원합니다. 4

5 KBS R&D 창간호 공영방송 KBS 기술연구소가 창립 30주년을 맞는 올해부터 방송기술 동향 및 연구내용을 담는 KBS R&D를 창간하게 된 것을 기쁘게 생각하며 진심으 로 축하드립니다. 1982년 KBS 연구소의 창립멤버로서 입사할 당시에는 연 구원 수도 적었고 규모도 작아 가족 같은 분위기였는데 지금은 명실상부한 공영방송 연구소로 자리매김을 하고 국내 방송기술을 선도하고 있는 것에 대해 무한한 자긍심을 느낍니다. 축사 개인적으로 KBS 기술연구소는 정말 보람있고 재미있는 추억으로 가득한 잊지 못할 곳입니다. KAIST에서 영상신호처리 분야의 석사 학위를 받은 후, 처음으로 방송과 인연을 맺은 직장이며, 유학을 떠나기 전까지 방송기술을 체험하며 관련 지식의 영역을 넓혀갔던 의미 깊은 곳입니다. NHK 연수를 통해 HDTV, Teletext 등 최첨단 방송기술에 눈을 뜨고 우물안 개구리를 벗 어나게 되었던 것은 귀중한 체험이었습니다. KBS 기술연구소에서의 경험을 바탕으로 후에 가전사에서 HDTV와 MPEG 관련 기술을 수월하게 연구할 수 있었습니다. 지금도 대학교수로서 방송기술 분야의 강의와 연구를 계속하면 서 3DTV 실험방송추진 공동단장, 차세대방송표준포럼 의장, 한국방송공학 회 부회장 등 다양한 방송관련 활동을 하고 있습니다. 2012년 말이 되면 우리나라는 지상파방송의 완전한 디지털 전환이 이루어 지고, 방송환경은 온에어 채널만 이용하는 일방향 방송에서 인터넷 등이 결 합되는 실질적인 양방향 지상파 방송시대가 도래할 것입니다. 방송사업자는 일방적으로 콘텐츠를 공급하는 방식에서 벗어나 시청자가 원하는 콘텐츠를 원할 때 원하는 장치를 통해 보는 시청자 중심의 방송환경이 될 것입니다. 정제창 차세대방송표준포럼의장 국내외 동향을 보면 스마트TV가 제조업체와 비방송 사업자를 중심으로 출현하고 있지만, 지상파방송의 대표 공영방송인 BBC와 NHK도 다양한 방 법으로 방송통신융합 서비스를 준비하고 있습니다. BBC는 인터넷과 결합 하여 각종 콘텐츠를 시청자에게 제공할 수 있는 YouView 서비스를 올해 시 작할 계획이며 NHK도 Hybridcast를 준비하고 있습니다. 세계 3대 공영방송 의 하나인 KBS도 가전사와 연합하여 지상파의 개방형 하이브리드 방송인 OHTV 서비스를 준비해 오고 있습니다. 새로운 미디어에 대한 표준을 만들 때마다 차세대방송표준포럼 의장으로서 긍지와 보람을 느낍니다. 이제 성인이 된 KBS 기술연구소가 방송패러다임의 급격한 변화의 환경에 서 KBS R&D를 창간함으로써 뉴미디어시대의 첨단 방송기술 동향, 방송기 술 연구개발 내용 등, 중요한 정보들을 관련 전문가들에게 제공하는 것은 공 영방송 연구소의 기본 책무 중 하나라 할 수 있습니다. 아무쪼록 KBS 기술 연구소의 무궁한 발전을 기원합니다. 5

6 권두언 창간호를 내면서... 창의적 연구개발 성과를 널리 알립시다 먼저, KBS기술연구소의 KBS R&D 창간을 축하합니다. 더욱이 기술연구 소가 올해로 설립 30주년을 맞기 때문에 대단히 뜻깊은 일이라 생각합니다. 급속한 기술발전에 따라 새로운 연구 결과와 개발성과를 보여주는 것이 결 코 쉬운 일이 아닐 것입니다. 특히 방송기술은 많은 기술이 어우러져야 하는 응용 분야이며, 방송통신 융합시대에 더욱더 그 난이도가 높아지기 때문에, 창의적 연구결과를 내놓기 위해 더욱 많은 노력이 기울여져야 할 것입니다. 그런 측면에서 기술연구소가 추진하고 있는 연구개발 상황과 괄목할 연구 성과를 묶어 정기적으로 KBS R&D 를 발간하게 된 것은 그런 노력을 대내 외에 명확히 보여주는 중요한 계기가 될 것이며, KBS기술연구소를 널리 알 리면서 연구 성과도 확산되어 우리 연구원들의 자부심과 긍지, 그리고 미래 를 향한 다짐도 더욱 높아지리라 생각합니다. 김선권 KBS뉴미디어 테크놀로지본부장 세계적인 공영방송사인 NHK나 BBC가 유사한 연구논문집을 발간하고 있 음에 비춰볼 때 늦은 감은 있지만, 이제 첫발은 디뎠으니 더욱 잰 걸음으로 달려가 종국에는 앞서나갈 수 있기를 기대합니다. 물론 그렇게 하기 위해서 는 그에 걸맞는 지원과 격려가 필요할 것입니다. 저는 본부장으로서 최대한 적극 지원할 것이며, 기술연구소 연구원들께서 도 창의적 연구개발 성과로 KBS의 미래를 견인하는데 앞장서 주시기를 바 랍니다. KBS기술연구소 파이팅! 감사합니다. 6

7 KBS R&D 창간호 최근 방송기술 분야는 그 어느 때 보다도 눈부신 발전을 거듭하고 있습니 다. 디지털 방송기술은 아날로그 방송기술시대에 상상하지 못했던 다양한 서비스와 고품질 고화질의 서비스를 가능하게 하였고 스마트미디어시대의 도래에 따라 바야흐로 방송 콘텐츠는 방송플랫폼은 물론이고 인터넷, 모바 일 영역으로까지 확산되게 되었습니다. 또한, 3DTV와 UHDTV는 앞으로 방 송기술의 발전이 지금보다도 더 한층 진화될 것을 예고하고 있습니다. 창간호를 내면서... KBS는 디지털방송기술의 장점을 최대한 살려 다채널서비스인 KoreaView 서비스를 준비하고 있고 듀얼 스트림방식의 3DTV 실험방송도 2010년에 세 계 최초로 지상파에서 실현하는 성과를 거두었습니다. 앞으로 더 다양하고 새로운 서비스를 하기 위해서는 무엇보다도 방송기술연구에 보다 더 많은 투자와 지원이 필요합니다. 올해는 KBS기술연구소가 설립된지 30주년이 되는 해입니다. 영국의 BBC 와 일본의 NHK 기술연구소가 지난 1930년에 창립되어 80여년의 역사를 가 지고 있는 것에 비하면 규모나 예산, 연구인력 등 여러모로 부족한 면이 많 이 있습니다. 그러나, 출발은 늦었지만 디지털방송, 디지털방송 제작 분야, 3DTV 등 방송기술 분야에서 KBS기술연구소가 한국의 방송기술을 선도하 여 왔으며, 방송 산업 발전에 큰 공헌을 해 왔습니다. 김태환 KBS기술연구소장 KBS기술연구소는 설립 30주년인 올해를 시작으로 방송기술연구 분야에 서 한 단계 더욱 도약할 수 있는 기틀을 마련하기 위해 최선의 노력을 다하 고 있습니다. 그 첫걸음으로 매 분기 마다의 연구 성과와 방송기술연구 분야 의 다양한 정보를 담아 KBS R&D 를 발간하게 되었습니다. 작지만 첫걸음을 내딛은 만큼 한발 한발 나아가겠습니다. 책자의 내용이 보다 더욱 더 알차게 꾸며지도록 연구에 최선의 노력을 경주하여 한국의 방 송기술을 한 단계 더 높이는데 이바지하도록 하겠습니다. KBS기술연구소에 대한 많은 관심과 지도편달을 부탁드립니다. 감사합니다. 7

8 방송기술 동향 스마트 환경과 N스크린 동향 KBS 기술연구소 박성춘 팀장 프롤로그 - N스크린 올해 들어 신문 등 언론을 통해 N스크린 이란 용어가 자주 등장하고 있다. N스크린 이란 PC, 스마트폰, 스마 트패드(태블릿기기), TV 등 스크린을 기반으로 하는 다 양한 미디어 기기를 통해 영상, 음악, 게임 등의 콘텐츠 를 끊김없이 이용할 수 있는 환경 또는 서비스를 지칭 한다. 이런 현상은 작년에 본격화된 스마트 기기 열풍 이 올해에는 N스크린 으로 대변되는 미디어 생태계로 확산되고 있음을 보여준다. 스마트 기기와 N스크린 스마트 기기의 열풍은 스마트폰으로부터 시작되었다. 애플의 아이폰 출시를 계기로 촉발된 스마트폰 열풍은 삼성의 갤럭시S 와 같이 구글 진영의 안드로이드 플랫 폼을 탑재한 스마트폰들이 곧 이어 출시되면서 관련 시 장이 급격히 팽창하였고, 관련 산업도 재편되기 시작했 다. 스마트폰 열풍은 애플의 아이패드 출시를 기점으 로 다시 태블릿 형태의 휴대기기인 스마트패드로 옮겨 가고 있으며, 삼성의 갤럭시탭 등 다양한 스마트패드 가 출시되면서 관련 시장이 뜨겁게 달구어지고 있다. 으로 아직 사업적으로 부진한 상황이지만, 구글TV는 구 글의 검색 기능, 크롬 웹브라우저, 안드로이드 마켓 을 탑재하고, VOD와 프로그램 검색, 웹서핑과 같은 인터 넷 기능을 제공하고 있다. 국내에서도 삼성, LG 등이 커 넥티드TV에 이어 스마트TV 모델을 출시하고, 삼성앱 스 와 같은 TV용 앱스토어도 제공하고 있다. 이러한 스마트 기기의 열풍은 작년에 이어 올해 에도 지속되고 있다. 올해 1월과 2월에 개최되었던 CES2011 과 MWC2011 에서 가장 눈에 띄었던 이슈도 바로 스마트패드와 같은 스마트 단말이었고, 이제는 단 말과 플랫폼 경쟁을 뛰어 넘어 미디어 생태계 경쟁으로 향하는 양상을 띠고 있으며, 이는 N스크린 서비스의 본 격화를 예고하는 서막으로 볼 수 있다. N스크린 서비스는 미국의 통신사업자인 AT&T의 시도 가 시초라고 볼 수 있다. AT&T는 2007년 기존 서비스 가 입자 기반을 확대하기 위해 TV, PC, 휴대폰을 대상으로 3 스크린 플레이 라는 이름으로 서비스를 시도한 바 있으 나, 단말기 사양, 콘텐츠 확보, 데이터 저장 공간 부족 등 으로 사업측면에서 성공하지는 못했다. 하지만 최근에 미 디어 환경이 급변함에 따라 N스크린 서비스를 구현할 수 기반이 마련되면서 관련 시장이 형성되고 있다. 작년에는 스마트폰, 스마트패드의 열풍과 함께 스마 트TV라는 또 하나의 스마트 바람이 일기 시작했다. 구 글이 소니, 인텔, 로지텍 등과 제휴하여 구글TV 라는 스마트TV 모델을 발표한 것이다. 콘텐츠 수급의 어려움 N스크린 서비스를 가능하게 한 동인으로는 크게 기 술적인 환경 변화와 소비자의 미디어 이용 행태 변화를 들 수 있다. 기술적인 환경 변화의 대표 주자로는 스마 트폰, 스마트TV, 클라우드 컴퓨팅의 출현과 무선인터넷 8

9 KBS R&D 창간호 범용화를 들 수 있다. 개방형 운영체제를 탑재하고 다양 한 애플리케이션을 설치할 수 있는 PC 같은 스마트폰이 등장하고 무선인터넷 사용이 활성화 되면서 기존의 모 바일 단말기에서 불편했던 동영상 시청이나 인터넷 이 용이 편리해졌고, 운영체제가 탑재된 스마트TV의 등장 은 실시간 방송 시청에만 이용하던 TV를 인터넷과 애플 리케이션 이용이 가능한 스마트한 스크린으로 거듭나 게 하였다. 이와 함께 클라우드 컴퓨팅은 다수의 스크린 간 콘텐츠 공유를 위한 저장 공간 문제를 해결해주는 기술로 부각되고 있다. 이러한 기술적 성숙과 함께 소비 자들이 다양한 미디어 기기를 소유하고 상황에 맞는 적 합한 기기를 이용하고자 하며, 미디어 기기 간에 콘텐츠 를 동시에 또는 교차적으로 끊김없이 이용하고자 하는 콘텐츠 이동성 요구가 증가하고 있다는 점도 N스크린 서비스의 등장에 중요한 요소로 작용하고 있다. N스크린 전략과 서비스 동향 이미 전 세계 IT업계는 N스크린으로 대변되는 미디어 생태계에서 주도권을 잡기 위해 치열한 각축전을 벌이 고 있다. 통신사업자, 방송사업자, 인터넷서비스사업자, 플랫폼사업자, 단말사업자 등 다양한 분야의 글로벌 사 업자들이 시장 선점을 위한 전략을 모색하고 관련 기술 과 서비스들을 출시하고 있다. 국내에서도 통신사업자, 유료방송사업자, TV가전사, 포털업체 등이 N스크린 전 략과 관련 서비스를 선보이기 시작했다. N스크린 서비스는 사업자들마다 자신들이 보유한 강 점을 기반으로 접근하는 양상을 보이고 있다. 먼저 N스 크린에 가장 적극적인 행보를 보이고 있는 통신사업자 의 경우 이미 보유하고 있는 네트워크의 강점을 활용 해 개별 기기와의 연계에 중점을 두고 추진하고 있으며, IPTV 플랫폼과 모바일 서비스의 연계 강화를 모색하고 있다. 국내에서는 SK텔레콤이 스마트폰을 중심으로 PC, TV에서 동영상 이어보기 등이 가능한 호핀(hoppin) 서비스를 선보였고, 유클라우드홈 서비스를 출시 한 바 있는 KT는 조만간 IPTV인 올레TV 를 기반으로 한 올레TV앱 과 같은 N스크린 서비스를 추진할 계획이며, LG유플러스도 클라우드 기반의 유플러스박스 와 유플 러스TV 스마트7 서비스를 제공하고 있다. 방송사업자 중 케이블방송사업자나 위성방송사업자 등과 같은 유료방송사업자들은 기존 사업 모델을 기반 으로 TV와 PC 모바일 간 연계를 강화하고 결합 서비 스 제공을 통해 고객 이탈 방지에 활용하고 있는 모습 이다. 미국의 케이블 사업자인 컴캐스트(Comcast)는 최 근 엑스피니티TV(Xfinity TV) 를 통해 태블릿 기기에 서 선택한 영화 등을 IPTV 또는 스마트TV로 시청하는 N스크린 서비스를 선보였고, 국내 케이블 사업자인 CJ 헬로비전은 PC, 스마트폰, 태블릿 등을 통해 실시간 방 송을 시청할 수 있는 티빙(TVing) 서비스를 선보인 바 있다. 국내 위성방송사업자인 스카이라이프는 슬링박 스(slingbox) 를 활용한 N스크린 서비스를 준비 중인데, 실시간 방송채널을 PC, 스마트폰, 태블릿기기 등에서 이용할 수 있게 지원할 예정이다. 지상파 방송사업자는 차별화된 콘텐츠를 활용해 온라 인 유통 채널 확대에 주력하는 한편, 지상파 경쟁력 강 화를 위해 지상파TV와 인터넷을 결합한 하이브리드 방 송 플랫폼도 추진하고 있다. NBC, ABC, Fox 등 미국의 주요 방송사들은 풍부한 양질의 콘텐츠를 바탕으로 상 호 연합하여 훌루(Hulu) 라는 광고 기반의 인터넷 동 영상 서비스를 제공하고 있었는데, 최근에 유료 서비 스인 훌루플러스 를 출시하면서 PC 이외의 다양한 단 말에 동영상 서비스를 제공하고 있다. 영국의 공영방송 인 BBC는 2007년 말에 시작한 무료 온라인 콘텐츠 서 비스인 아이플레이어(iPlayer) 에 대해 지속적으로 제 공 단말을 확대해가고 있으며, 무료 지상파 다채널 플 랫폼 프리뷰(Freeview) 에 인터넷을 결합한 하이브리 드 플랫폼인 유뷰(YouView) 서비스를 ITV, 채널4, 채 널5, BT 등과 함께 추진하고 있다. 국내 지상파 방송사 업자들도 PC, 스마트폰, 스마트패드 등을 통한 콘텐츠 서비스 확대를 추진하고 있으며, 하이브리드 플랫폼인 OHTV 를 지상파 4사가 공동으로 추진하고 있다. 기존의 방송통신시장에서 주요 플레이어가 아니었 던 애플과 구글 같은 글로벌 IT업체들과 삼성전자 같은 가전업체들도 스마트 미디어 환경이 도래하면서 방송 통신시장 및 N스크린 서비스에서 독특한 위치를 차지 하며 커다란 영향력을 가지게 되었다. 애플은 아이팟, 아이폰, 아이패드, 아이맥, 맥북, 애플TV 등 애플 의 운영체제가 탑재된 다양한 스크린을 갖추고, 아이튠 9

10 방송기술 동향 즈(iTunes), 앱스토어 등의 유통체계와 클라우드 서비 스를 활용하는 N스크린 전략을 펼치고 있다. 구글은 구 글 검색, 유튜브, 크롬 웹브라우저 등 웹 기반 서비스 의 강점을 가지고 안드로이드 플랫폼을 기반으로 모바 일과 TV영역으로 확대해 나가는 N스크린 전략을 구사 하고 있다. 삼성전자도 스마트TV, 스마트폰 등 단말 경 쟁력을 기반으로 바다 운영체제와 삼성앱스 등을 통 해 N스크린 전략을 추진하려 하고 있다. 미국의 콘텐츠 애그리게이터인 넷플릭스(Netflix)는 DVD 대여와 함께 다양한 미디어 기기를 통한 온라인 스트리밍 서비스를 결합함으로써 사업적인 성공을 거 두고 있다. NHN(네이버), 다음 등의 포털업체는 인터넷 콘텐츠와 검색서비스 등 PC에서 보유하고 있는 플랫폼 경쟁력을 바탕으로 모바일과 TV영역에 진출하고 있고, 포털업체인 KTH도 콘텐츠 사업을 기반으로 영상을 확 보하여 플레이(Playy) 라는 N스크린 동영상 서비스를 선보였다. 또한, 플랫폼사업자는 플랫폼으로서의 사업 환경 조성과 타 업체와의 연계를 모색하는 경향을 보이 고 있으며, 기기제조업체는 하드웨어 중심에서 서비스 플랫폼으로 비즈니스 모델을 확장하여 다양한 하드웨 어를 포함하는 N스크린 전략을 추진하고 있다. 시스코 는 CES2011에서 클라우드 기반의 N스크린 기술인 비 디오스케이프(Videoscape) 를 선보이기도 했다. 에필로그 - 미디어 생태계 스마트 빅뱅으로 대변되는 요즘의 미디어 환경에서 는 콘텐츠-플랫폼-네트워크-단말 로 이어지는 이른바 C-P-N-T 라는 전통적인 미디어 산업의 가치사슬 체계 와 사업자 구분이 사라져가고 있다. 과거에 콘텐츠는 콘 텐츠끼리, 플랫폼은 플랫폼끼리, 네트워크는 네트워크 끼리, 단말은 단말끼리 경쟁하던 구도는 이미 옛 이야기 가 되어버렸다. 현재의 시장 구도는 가치사슬을 포괄적 으로 아우르는 이른바 미디어 생태계 경쟁이 확산되는 추세이고, 미래에도 콘텐츠와 플랫폼을 중심으로 하는 미디어 생태계 경쟁이 더욱 치열하게 진행될 될 것으로 보인다. 스마트 단말과 N스크린으로 이어지는 미디어 생태계 경쟁에서 과연 누가 승자가 될 것인지 자못 궁금하다. 각 사업자나 사업진영에 따라 유리한 환경과 불리한 환경 이 공존하고 있기 때문에 현 시점에서 승자를 예측하기 는 아직 이르다. 다만, 한 가지 확실한 점은 동서고금을 막론하고 모든 경쟁에서의 승리와 생존은 항상 변화를 예측하고 꾸준히 준비해 온 이들의 몫이었다는 것이다. 애플은 아이팟, 아이폰, 아이패드, 아이맥, 맥북, 애플TV 등 애플의 운영체제가 탑재된 다양한 스크린을 갖추고, 아이튠즈(iTunes), 앱스토어 등의 유통체계와 클라우드 서비스를 활용하는 N스크린 전략을 펼치고 있다. 10

11 KBS R&D 창간호 모바일/DTV 방송 국내외 기술동향 KBS 기술연구소 박근수 팀장 세계의 지상파 DTV 방식은 한국과 북미 대륙의 ATSC 방식과 유럽의 DVB-T 방식이 양대 산맥을 이루 고, 일본과 남미가 ISDB-T 방식, 중국이 자국의 내수 시장을 바탕으로 DTMB(Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) 방식을 채택하고 있다. 각국별로 2000년 을 전후로 도입되기 시작한 DTV 방식은 모바일과 고효 율 전송대역폭을 지원하기 위해 2세대 기술에 대한 표 준화가 활발히 진행 중에 있다. DVB 진영에서는 휴대 수신을 겨냥한 DVB-H, 위성 서비스를 위한 DVB-S2, 지상파 TV를 위한 DVB-T2 등 이 개발되어 상용화 되었으며, DVB-H의 차세대 표준인 DVB-NGH(Next Generation Handheld)의 표준화가 진 행 중이다. 그러나 DVB-NGH의 경우 획기적인 성능개 선을 위해 기존 시스템과의 호환성을 포기하고 만들어 진 규격이라 도입을 위해서는 기존 시스템의 전면 교체 가 필요한 실정이다. 인터넷과 연동되는 대화형 서비스, DRM(Digital Right Management) 등이다. 또한 기존 표준에 대한 호환성으 로 인한 제약을 벗어나 DVB-NGH 처럼, 새로운 기술을 전면적으로 적용하는 차세대 개념의 ATSC 3.0이 2017 년까지 표준화 과정에 있다. 초고해상도 영상(UHDTV) 등 고품질 차세대 방송 서 비스의 전송규격으로 진행 중인 ATSC 3.0 및 DVB-NGH 등에서도 4세대 이동통신 규격으로 표준화 중인 IMT- Advanced에 채택될 후보 기술들의 채택이 유력하다. 통 신의 경우 디지털 변복조 방식은 이미 OFDM으로 굳혀 졌고, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나를 결합하여 전송용량을 크게 높인 MIMO-OFDM 기술이 IEEE WiFi, 3GPP LTE, IEEE WiMAX와 같 은 통신 표준에서는 이미 보편화 되었으며, 방송 표준에 서는 DVB-NGH에서 표준화 중이다. 추후에는 광대역폭 을 지원하는 기술들과 결합될 것으로 예측된다. ATSC에서도 이동수신 서비스를 위해 모바일 DTV 표준인 ATSC-M/H (Mobile/Handheld)를 제정하였으 며, 미국 800여 방송사가 참여한 OMVC(Open Mobile Video Coalition)를 중심으로 2011년 하반기에 상용화 를 추진 중이다. 한편으로는 기존 디지털 방송 주파수 를 그대로 활용하면서 H.264 부호화 기술과 같이 좀 더 고효율의 소스 및 채널 부호화 방식을 적용하여 새로운 서비스를 지향하는 ATSC 2.0 도입의 움직임도 있다. 현 재 ATSC 2.0에서 검토 중인 서비스는 비실시간(Non- Real Time, NRT)서비스, 코덱(Codec) 고도화, 그리고 MIMO 기술은 크게 전송 안정성을 높이는 공간 다이 버시티 기술과 전송 용량을 높이는 공간 다중화 기술로 분류할 수 있는데, 오류정정부호의 성능이 높아져 요즘 은 공간 다중화 기술을 선호하는 추세이다. DVB-NGH 에서도 두 개의 전송 신호를 동시에 보내는 Precoded 2 2 MIMO가 포함될 예정이고, 최근 NHK에서도 슈퍼하 이비전(SHV) 전송을 위해서 2 2 편파 MIMO 기술 테 스트를 진행 중이다. 변복조 방식은 OFDM 방식을 기본으로 한 번에 11

12 방송기술 동향 2/4/6 Bit를 전송하는 4/16/ 64-QAM 변조방식이 널리 사용되고 있고, 256-QAM 이상의 변조방식은 아직까지 무선 환경에서 적용하기 쉽지 않으나, 최근 NHK에서는 SHV 전송을 위해서 한 번에 10 Bit를 전송하는 QAM 변조방식 연구에 집중하고 있는 것으로 알려져 있 다. 오류정정부호는 LDPC 코드나 Turbo 코드 방식이 널리 쓰이고 있다. 최근에 주목할 만한 기술은 DVB-T2 에서 선보인 회전성상도(Rotated Constellation)와 성분 인터리빙 기술이 결합된 Signal Space Diversity 라는 기 술인데, 단일 주파수 방송망(SFN)에서 성능 이득이 있 는 것으로 밝혀졌다. 대역폭 확장 기술은 전송용량을 높이는 가장 확실한 방법으로 할당된 대역폭을 유연하게 가변(Scalable)하 여 사용하거나, 일정 크기로 분할된 복수개의 대역폭 을 뭉쳐서(Bonding) 광대역 전송을 지원하는 기술이다. IEEE 에서는 Channel Bonding 기술, 3GPP LTE 에서는 Carrier Aggregation 기술로 정의하고 있고, 최 근 제정된 DVB-T2에서도 TV용 기본 대역폭 8MHz(유 럽기준)를 최대 6개까지 묶어서 활용할 수 있는 Time- Frequency Slicing 기술을 표준화한 바 있다. 을 결정하여 중계하는 지능형 중계기의 도움을 받을 것 으로 판단된다. 이미, IEEE WiFi 표준에서는 중 계기들 간에 그물망 네트워크를 생성하여 송수신 효율 을 높이는 Wireless Mesh Network 기술을 정의하고 있 고, 중계기들이 협력하여 신호를 전송하는 협력형 다중 전송 (CoMP; Co-ordinated Multi-Point Tx/Rx) 기술이 3GPP LTE에서 표준화 되었으며, IEEE WiMAX 에서는 Mobile Multi-hop Relay라는 용어로 중계기들이 지능적으로 송신 신호를 다시 중계함으로서 하나의 고 출력 송신의 부족한 부분들, 예를 들어 음영지역 해소나 중계기 설치 위치 제약 등을 보완할 수 있도록 관련 연 구가 진행되고 있다. KBS 기술연구소의 모바일/DTV방송 연구 에서는, 단 기 과제로는 성공적인 디지털방송으로의 전환은 물론 향후 효율적인 망구축과 관리에 필요한 시스템/장비의 국산화 개발을, 중기 과제로는 현 DTV/DMB 방송의 전 송고도화 관련 연구를, 장기 과제로는 실감방송(3DTV/ UHDTV)과 모바일 HD방송 등 예상되는 차세대 디지털 방송의 전송 관련 핵심기술의 개발을 자체연구/공동연 구/국책과제 등으로 추진하고 있다. 앞으로 전송률 향상을 위해서는 단순히 신호를 중 계하는 것이 아니라, 현재의 상황에 최적의 전송 방식 12

13 KBS R&D 창간호 실감방송 기술동향 KBS 기술연구소 이근식 팀장 과거의 아날로그TV 방송은 2012년에 전면적으로 종 료되어 디지털TV 방송으로 전환될 예정이며, 현재의 HDTV(High Definition TV) 이후의 TV 발전 방향에 있 어서 여러가지가 예측되고 있으나, 많은 전문가들은 실 감형 콘텐츠 서비스, 즉 실감방송이 HDTV 이후의 차 세대 방송 발전 방향이라고 입을 모으고 있다. 실감방 송의 대표적인 서비스로는 3DTV와 UHDTV(Ultra High Definition TV)가 꼽히고 있다. 3DTV는 기존의 평면 2차 원 영상 서비스의 한계를 벗어나 3차원 입체감을 제공 하며, UHDTV는 HDTV 보다 더 향상된 해상도를 제공 함으로써 시청자에게 현장감과 사실감을 제공하는 서 비스를 의미한다. 3D 영화 아바타 의 성공 이전인 2006년부터 이미 미 국, 일본, 영국에서는 3DTV에 대한 다양한 시도가 있어 왔다. 현재 영국의 경우, 영국 SKY 방송사가 2010년 초 부터 BSkyB 유료 3DTV 채널 서비스를 개시하여, 3D 영 화, 오락, 스포츠를 side-by-side 방식으로 서비스하고 있고, 국가적으로 2012년 런던 올림픽을 3DTV로 중계 하고자 계획하고 있다. 일본의 경우 위성방송인 BS11에 서 2007년 12월 3DTV 방송을 시작하였고, 하루에 1시 간 이상씩 3DTV 프로그램을 side-by-side 방식으로 서 비스 중에 있다. 미국의 경우 다양한 방송사에서 이벤트 성 3DTV 콘텐츠(스포츠 중계, 드라마 시리즈 물 중 일 부, 영화 예고편 등)를 제작 및 서비스 하고 있다. 우리 나라의 경우 KBS에서 2010년 5월, 대구국제육상대회 를 세계 최초로 3DTV 지상파 생중계하였고, 2010년 10 월부터 고화질 3DTV 실험방송(지상파, 위성, 케이블)을 한정된 가구를 대상으로 실시하고 있으며, 위성 방송사 Skylife에서는 2010년 1월부터 1개의 채널에서 24시간 3DTV 서비스를 side-by-side 방식으로 제공하고 있다. 3DTV 서비스를 위해서는 3DTV 콘텐츠 획득 및 처 리, 부호화 및 전송, 휴먼 팩터 등 여러 분야에서 연구 및 개발이 필요한 상황이다. 3DTV 콘텐츠 획득 기술 개 발은 방송 제작 환경에서 사용하기 편리하면서도 정교 한 3DTV 카메라 개발을 의미한다. 기존의 3DTV 카메 라들은 영화 제작 환경에 맞추어져 있어, 방송 콘텐츠 제작 환경에서는 사용하기 어렵다. 방송 장비 제조업체 에서도 많은 제품들이 나오고는 있지만, 아직은 초기 단 계로 더 많은 개발이 필요한 상태이다. 3DTV 콘텐츠는 스테레오 영상 간 컬러 차이 보정, 렌즈 왜곡 보정, 영상 정렬, 깊이 정보 보정 등 고도의 영상 처리 기술이 필요 하며, 방송 제작 환경에 맞게 실시간으로 처리하는 기술 도 필요하다. 부호화 및 전송 기술은 3DTV 콘텐츠를 전 송하기 위한 영상 압축 기술 및 전송 기술을 의미하며, 기존의 2D 콘텐츠에 비해 상대적으로 데이터 량이 많 아, 그만큼의 전송 대역폭이 더 필요한 상황이라, 3DTV 콘텐츠의 특성인 좌, 우 영상 간 중복성이 고려된 압축 기술과 한정된 주파수 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있는 변복조, 채널 왜곡 보상 및 오류 정정 기술이 필요 하다. 3DTV 콘텐츠는 인위적으로 생성하는 입체감을 이용하기 때문에 피로감이 발생될 가능성이 높아 안전 한 시청을 위한 휴먼 팩터 연구 또한 선행되어야 한다. UHDTV는 현재의 HDTV보다 4배에서 16배로 해상도 13

14 방송기술 동향 를 증가시켜 가정에서 70mm 영화 수준의 초고선명 비 디오와 기존의 5.1 채널보다 더 증가된 최대 22.2 채널 까지 제공되는 오디오를 감상할 수 있도록 하는 실감방 송기술이다. 따라서, 비약적으로 방대해진 비디오/오디 오 데이터의 안정적인 서비스를 제공하기 위해선, 고효 율 부호화, 영상 처리, 영상 편집 및 대용량 데이터 전송 기술과 디스플레이까지 모든 분야의 기술 개발이 필요 한 상황이다. UHDTV 기술 개발은 HDTV 시작 때와 마찬가지로 일본이 주도하고 있는 상황이다. 1995년 일본 NHK에 서 SHV(Super High Vision)이란 이름으로 차세대 TV 방송 기술 개발을 목적으로 UHDTV 기술 개발이 시 작되어, 2015년 시험방송과 2020년 상용방송을 목표 로 기술개발 및 표준화를 주도하고 있다. NHK에서 는 8K(7,680x4,320) UHDTV 카메라, 8K UHDTV 미 디어 저장장치, 16개의 H.264/AVC 인코더를 병렬 로 조합한 8K UHDTV 인코더와 4K(3,840x2,160) UHDTV 디스플레이 등을 자체 개발 완료하였으며, 여 러 차례 NAB(National Association of Broadcaster)와 IBC(International Broadcasting Convention)와 같은 방 송장비 전시회에서 광케이블 전송 및 위성 전송 기술을 이용하여 UHDTV 실시간 전송 시연을 하였다. 또한, 일 본은 SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)와 ITU-R(International Telecommunication Union-Radiocommunication)에서 주도적으로 UHDTV 비디오 및 오디오 신호 규격 표준화를 진행하고 있다. 미국에서는 아직 UHDTV 기술 개발 및 적용이 방송 분 야에서는 활발히 이루어지고 있지 않지만, 디지털 시네 마 부분에서는 4K급 이상의 디지털 시네마 표준을 수립 하고, 4K 시네마 제작의 활성화와 더불어 디지털 4K 시 네마관의 보급을 가속화하고 있는 상황이다. 우리나라에서는 UHDTV에 대한 기술개발은 초기단 계이나 UHDTV 국내 기술 표준화는 차세대 방송포럼 내의 UHDTV 워킹 그룹이 기술개발 논의 및 국내 표준 화를 진행하고 있다. 국내 UHDTV 관련 장비 개발은 디 스플레이 부분에서만 앞서가고 있는 상황이다. 국내 디 스플레이 업체들에선 다양한 4K 디스플레이를 개발 완 료하여 전시회 등에서 선보이고 있으며, 전문가용으로 만 일부 판매하고 있다. UHDTV용 콘텐츠는 KBS에서 2010년에 드라마 추노 를 4K UHDTV 카메라를 이용하 여 제작한 사례가 있다. UHDTV의 대용량 데이터를 전송하기 위해선 고효 율 부호화 기술이 필요하며, 이러한 요구 사항에 따 라 2010년부터 ISO/IEC(International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission)의 MPEG(Moving Picture Expert Group) 과 ITU-T(International Telecommunication Union- Telecommunication)의 VCEG(Video Coding Expert Group)이 공동으로 H.264/AVC 이후의 차세대 고효율 부호화 기술의 국제 표준 제정을 위하여 JCT-VC(Joint Collaborative Team for Video Coding)라는 표준화 기 구를 설립하고, HEVC(High Efficiency Video Coding)라 는 명칭으로 H.264/AVC 대비 두 배의 압축 효율을 갖 는 부호화 기술 표준화를 추진하고 있어, 향후 UHDTV 의 유력한 부호화 기술이 될 것으로 기대된다. 14

15 논문 KBS R&D 창간호 DVB-T2 16K LDPC 부호가 적용된 MIMO- OFDM 시스템에서의 성분 맞교환 기술이득 전성호 임중곤 경일수 김만식 요약 신호 공간 다이버시티 기술은 차세대 모바일 방송의 핵심 전송 기술로 주목받고 있는 기술 중 하나이다. 기존의 DVB-T2에 사용되 는 Cyclic Q-delay 방식을 MIMO 시스템에 사용할 경우에는 심볼 간 상호 의존성이 증가하여 수신기 복잡도가 크게 증가하는 반면, 이러한 문제를 해결하기 위해서 제안된 성분 맞교환(Component-Swapping) 기술을 적용할 경우 상호 의존성이 제한되어 수신기 복잡도가 크게 줄어든다. 본 논문에서는 DVB-T2 16K LDPC 부호를 적용한 경우에 제안된 성분 맞교환 기술을 컴퓨터 시뮬레이션 을 통해서 분석하고, 기존 기술 대비 BER 성능 및 복잡도 면에서 이득을 가짐을 확인하였다. I. 서 론 나날이 증대되는 모바일방송에 대한 기대에 부응하고 자 각 표준단체에서는 2세대 모바일방송 시스템 개발 에 착수하였다. 특히, DVB (Digital Video Broadcasting) 표준그룹 산하 차세대 모바일 방송 표준 제정을 위한 조직인 DVB-NGH(Next Generation Handheld)의 활동 이 가장 활발한데, 물리계층 요소 기술로써 다중 안테나 (MIMO; Multiple Input Multiple Output) 기술을 방송 시 스템에 처음 도입하고자 관련 논의가 활발하게 이루어 지고 있다. MIMO 기술은 통신시스템에서는 이미 상용 화되어 보편적으로 활용되고 있으나, 방송 표준에 적용 은 아직 이루어진 바 없으며 최근에서야 UHF 방송 대 역에서의 MIMO 채널이 BBC에 의해서 모델링되었다. 신호 공간 다이버시티[1]는 2008년도에 개발된 고정 형 디지털 지상파 시스템 인 DVB-T2 표준[2]에 포함된 기술로서, 추가적인 전력이나 대역폭의 희생 없이 검파 에 있어 성능 이득을 얻을 수 있어 DVB-T2의 핵심적인 기술 중 하나로 평가받으며, 후속 표준인 DVB-NGH에 도 적용 가능성이 높은 기술이다. 실제적인 MIMO 전송 환경으로의 확장과 그 성능평가는 논문 [3][4]에서 이루 어졌다. [3]에서는 SIMO (Single Input Multiple Output) 환경에서 수신 MRC (Maximal Ratio Combining) 검파에 신호 공간 다이버시티를 적용하는 경우에도 기존 MRC 로부터 획득 가능한 NR (수신 안테나 개수) 만큼의 다 이버시티 이득에 대해 손실 없이 신호 공간 다이버시티 이득이 곱해져 2N R 로 증가함을 이론적으로 증명하였 다. 이를 확장하여, 송신단에 개루프 (Open-Loop) 다 이버시티 기술인 Alamouti Code [4] 를 적용한 경우에 도 각각의 다이버시티 이득 간의 손실 없이 결합되어 총 4NR 만큼의 다이버시티 이득 획득이 가능함을 이론 적으로 증명하였다. 하지만, [3][4]의 이론적인 분석은 MIMO 다이버시티 전송 기법에 한정되었고, 실제 DVB- NGH 등에서 요구되는 전송용량 증대를 위해서는 MIMO 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 기법에서의 성능 평가 가 필수적으로 요구된다. 본 논문에서는 신호 공간 다이버시티 기술을 MIMO 시스템으로 확장 적용함에 있어서 공간 다중화 방식 으로 전송 시 발생하는 문제점에 대해서 분석한 뒤, 이 를 해결하기 위해 제안된 성분 맞교환(Component- Swapping) 기술[6]-[8]을 현재 논의 중에 있는 DVB- NGH 시스템에 적용하여 그 이득을 실험적으로 분석하 였다. 본 논문은 DVB-T2 표준에 정의된 16K (16800) 크 기 LDPC (Low Density Parity Check) 부호가 적용되어도 성분 맞교환 기술의 이득이 존재함을 실험적으로 확인 함으로서 향후 표준화 논의에 있어서 객관적 성능 비교 자료로서 활용 가능하다는 데 의의가 있고, UHF 방송 대 역에서 정의된 DVB-NGH MIMO 채널을 처음으로 적용 하여 MIMO- OFDM 방송 시스템 성능을 객관적으로 평 가하였다는 데 큰 의의가 있다. 15

16 논문 Source Bits Generation FEC Encoder Bit Interleaver QAM Symbol Mapper MIMO Encoder Component Swapping OFDM Modulation DVB-NGH MIMO Channel BER Calculation FEC Decoder Bit De-Interleaver Component De-swapping Exact LLR MMSE Decoding OFDM Demod. data (Cubic) Interpolation Pilot-Aided Channel Estimation channel [그림 1] 제안 기술 성능 평가를 위한 시뮬레이터 구조 [Fig. 1] Simulation chain to evaluate the performance of a proposed technique 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서는 시스템 모델 및 성능 평가를 위한 시뮬레이터 구현의 구체적인 내 용을 알아본다. Ⅲ장에서는 기존 기술의 문제점에 대해 서 논의한 뒤, 성분 맞교환 기술의 필요성과 제안하는 기법의 구체적인 내용을 설명하고, Ⅳ장에서 LDPC 부 호가 적용된 MIMO- OFDM 환경에서의 BER (Bit Error Ratio) 성능에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 실험결과를 분석 한다. Ⅴ장에서는 결과에 대해서 정리한 뒤, 추후 연구 진행 방향에 대해서 언급한다. II. 시스템 모델과 방송 대역에서의 MIMO 채널 모델 으로 긴 안테나 크기가 요구되는 VHF/UHF 특성과 모 바일 수신기 크기를 고려할 때 최대 2개의 수신 안테나 를 고려하는 것이 타당하다고 판단되어, 2 2 MIMO를 기본으로 4 2 MIMO도 고려할 수 있다. 채널 부호화로 는 DVB-T2에 정의된 LDPC 부호를 사용하나, 그 중에 서도 모바일의 수신기 복잡도를 고려하여 16K 크기의 LDPC 부호만 적용하였다. 또한, DVB-T2 파일럿 구조 를 기반으로 MIMO 환경에 맞도록 확장 변형하여 구 현하였으며, 파일럿을 통해 추정된 채널은 3차 보간법 (Cubic Interpolation)에 의해 데이터 심볼 검파에 적용 된다. LDPC 복호를 위해서는 근사화 되지 않은 Exact LLR (Log-Likelihood Ratio) 값을 계산한다. 2. UHF 방송 대역에서의 MIMO 채널 모델 1. 성능 평가를 위한 시스템 모델 그림 1은 현재 DVB-NGH 분과위원회에서 논의 중인 기본 시스템 골격을 바탕으로 구현된 시뮬레이터의 구 조를 나타낸다. 방송 시스템에 MIMO 기술을 적용하고 자 하는 시도는 현재 DVB-NGH가 유일하기 때문에 이 를 바탕으로 하였다. DVB-T2 시스템을 근간으로 하고 MIMO 기술이 확장 적용된 형태이다. 낮은 주파수 대역 MIMO 다중화 기술은 현재까지 방송 시스템에 아직 까지 적용된 바가 없다. 더불어 기존 통신 모델을 바탕 으로 예측 적용할 수 있는 방송 주파수 대역에서 MIMO 채널 모델은 존재할 수 있으나, 실측에 기반을 둔 검증 된 MIMO 채널 모델은 존재하지 않았다. DVB-NGH에 서는 MIMO 기술의 도입과 객관적인 시뮬레이션 성능 평가를 위해서 기준 채널모델이 필수적이라고 판단하 고, 영국의 공영방송사 BBC를 포함한 10여 개의 회원 16

17 KBS R&D 창간호 사들이 참여하여 500MHz~1000MHz UHF 대역에서의 MIMO 채널 실측을 핀란드 헬싱키 일원에서 실시하였 다. 획득한 실측 데이터를 바탕으로 표 1과 같은 채널 프로파일을 정의[9]하였다. [표 1] 실측에 기반을 둔 UHF 대역에서의 MIMO 채널 모델 [Table 1] MIMO channel model based on the measurement campaign in UHF band Tap number Excess Delay Power Gain [db] [μs] 해서는 전송되는 모든 심볼을 고려해야 하기 때문에 복 잡도가 크게 증가한다. 첫째, MIMO 채널에는 SISO 채널 에서와 달리 안테나 간 간섭이 필연적으로 발생하고, 둘 째, 하나씩 밀어서 인터리빙하기 때문에 S11심볼 검파를 위해서는 S11심볼의 허수부 성분 Q11을 가지고 있는 S22 심볼 검파가 필요하며, S22심볼 검파를 위해서는 안테 나 1에서 전송되는 S 12 심볼의 검파가 필요하다. 이는 결 국 S 12 심볼의 허수부 성분인 Q12을 가지고 있는 S23심볼 의 검파가 필요하게 된다. 결과적으로 모든 이웃하는 안 테나-부반송파 간 상호 의존성을 가지게 되어 한 OFDM 심볼을 구성하는 모든 부반송파에 실린 전송 심볼을 동 시에 고려해야 원하는 최종 LLR 값을 계산해 낼 수 있다. 이는 수신기에서 실시간 처리가 어려울 정도의 복잡도 가 요구된다. III. 신호 공간 다이버시티를 위한 성분 맞교환 기술 1. SISO 시스템에 적용된 성분 인터리빙 기술 을 MIMO 시스템에 그대로 적용했을 때 문제점 신호 공간 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 신호점 의 실수부와 허수부 성분의 직교화를 위해 성분 인터리 빙 이 필수적으로 요구된다. 즉, 실수부와 허수부 성분이 서로 다른 독립된 채널 상황을 겪어야 한다. SISO(Single Input Single Output)에 기반을 둔 DVB-T2에서는 허수 부 성분을 하나씩 지연시키는 형태의 Cyclic-Q Delay 기법 을 성분 인터리빙으로 채택하였는데 간단하게 성 분의 직교화를 얻을 수 있는 좋은 방법이다. 이를 MIMO 기술이 적용된 시스템에 그대로 적용하면 그림 2(a)와 같다. 단, 그림 2에서는 두 개의 안테나에 4개의 부반송 파를 전송하는 상황을 가정하고, 심볼은 Sij = Iij + jqij로 구성되었다고 가정한다. Cyclic-Q Delay 기법은 기존의 방식을 간단히 확장, 적 용되어 송신단에서 늘어난 공간 자원을 충분히 활용할 수 있는 것처럼 보인다. 하지만, 수신단에서는 V-BLAST 적용을 위해 필요한 검파 순서(Detection Ordering) 를 계산하거나 ML(Maximum Likelihood) 등의 검파 방식을 적용한 후 채널 복호기 입력으로 LLR 값을 계산하기 위 [그림 2] 성분 인터리빙 기술로서 (a) Cyclic Q Delay를 적용한 경 우 (b) 성분 맞교환 기술이 적용된 경우 [Fig. 2] The case when (a) cyclic-q delay (b) componentswapping is applied as a component-interleaver 2. 성분 맞교환 기술 (Ⅲ-1)에서 논의된 수신 복잡도를 해결하면서 다이 버시티 이득을 유지하는 방안으로서 성분 맞교환 기술 이 제안되었다. 수신기 복잡도 증가의 원인인 Cyclic-Q Delay로 인한 상호 의존성을 끊는 방법으로 본 논문에 서는 맞교환 이라는 개념을 도입하여 간단하게 문제를 해결하였다. 그림 2(b)에서와 같이 먼저 송신 안테나 심 볼 간에 일정 규칙을 기반으로 맞교환의 대상이 되는 심볼쌍을 결정한 후 그 대응되는 심볼들도 역시 동일 심볼쌍으로 구성한다. 그리고 결정된 심볼쌍 내에서만 17

18 논문 허수부성분을 맞교환 한다. 따라서, S11심볼 검파를 위해서는 S23심볼 검파가 필 요하게 되고, S23심볼 검파를 위해서는 S13심볼, S13심 볼 검파를 위해서는 결국 S11심볼 검파가 필요하게 되 어 상호 의존성이 단절되게 된다. 즉, 두 심볼 간에 허수 부를 맞교환하기 때문에 심볼 상호 간 의존성은 두 심 볼로 제한되며, 안테나 간 간섭 성분을 고려한다면 결 국 상호 의존성은 최대 네 심볼로 한정된다. 따라서, 낮은 수신기 복잡도를 기반으로 회전 성상도(Rotated Constellation)가 결합된 MIMO 환경에서 신호 공간 다 이버시티 이득 획득을 가능하게 해준다. 파라미터 [표 2] 주요 시뮬레이션 파라미터 [Table 2] Major parameters used for a simulation FFT size (유효 부반송파 수) 채널대역폭 (elementary period) 설정값 4K mode (3409) 8 MHz (T=7/64μs) Guard Interval Cyclic Prefix, 1/4 FEC 16K LDPC (16200) 채널 부호율 1/4( ), 1/3( ), 2/5(*), 1/2(-) 변조방식 Bit Interleaving 방식 도플러 주파수 (이동체속도) 4-QAM, 16-QAM Random within Codeword 33.3 Hz (60km/h@600MHz) IV. 모의실험 결과 1. 시뮬레이션 환경 주요 시뮬레이션 환경은 2 2 MIMO-OFDM을 기본으 로 하고, (Ⅱ-2)에 정의된 DVB-NGH MIMO 채널 모델 을 적용하였다. 주요 파라미터 설정값은 표 2와 같이 모 바일 방송 시스템에 적합한 파라미터를 선정하여 사용 하였다. 성능 평가 지점은 LDPC 복호 후 BER을 기준으 로 10-5 지점이다. 그림 3과 그림 4의 그래프 상에서 빨간색 선은 제안된 성분 맞교환 기술이 적용된 경우, 파란색 선은 기존의 심볼 단위 인터리빙이 적용된 경우, 검정색 선은 인터리 빙을 적용하지 않은 경우를 나타낸다. 채널 부호율은 표 2의 나타낸 표시자(Marker)로 구분하여 나타내었다. 2. C/N에 따른 LDPC-Coded BER 성능 그림 3은 4-QAM 변조가 사용된 경우, 그림 4는 16- QAM 변조가 사용된 경우 C/N에 따른 BER 성능을 나타 내는 그래프이다. 제안된 성분 맞교환 기술의 이득 검 증을 위해서 주파수 인터리빙을 적용하지 않은 경우와 OFDM 한 심볼 내에서 변조 심볼 단위로 인터리빙을 적 용했을 때의 BER 성능을 비교하였다. 동일한 수신기 복 잡도를 적용하기 위해서 MMSE 수신 등화 기법을 사용 하였으며, 그 때의 수신 복잡도는 (안테나 수) (총 성 상점 개수) 로 동일하다. BER QAM w/ component-swapping (1/4) w/ component-swapping (1/3) w/ component-swapping (2/5) w/ component-swapping (1/2) w/ symbol-based (1/4) w/ symbol-based (1/3) w/ symbol-based (2/5) w/ symbol-based (1/2) w/ o interleaving (1/4) w/ o interleaving (1/3) w/ o interleaving (2/5) w/ o interleaving (1/2) C/N [db] [그림 3] LDPC가 적용된 2 2 MIMO-OFDM 시스템에서 DVB- NGH 채널 적용 시 C/N 값에 따른 BER 성능 (4-QAM) [Fig. 3] LDPC coded BER performance of 2x2 MIMO-OFDM systems in DVB-NGH channel (4-QAM) 그림 3와 그림 4에서 공통적으로 LDPC와 같은 우수 한 오류 정정 부호가 적용된 경우에도 모든 부호율에서 이득을 나타낸다. 변조방식에 따라 이득의 차는 있지만, 기존 인터리빙 대비 4-QAM의 경우는 0.9~1.1dB 가량, 16-QAM의 경우는 2.2~3.0dB 정도의 이득을 갖는다. 성분 맞교환 기술이 적용된 BER 그래프 기울기가 대조 군에 비해 급격해졌다는 점에서 성분 맞교환이 공간 인 터리빙로써 작용하여 다이버시티 이득을 가져다줌을 알 수 있다. 즉, [4][5]에서 분석된 바와 같이 공간 다중 화 전송 방식에서도 성분 맞교환 기술을 적용하면 추가 된 안테나(공간) 자원을 충분히 활용하여 수신 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 18

19 KBS R&D 창간호 변조 심볼 단위로 주파수 인터리빙을 적용한 경우와 비교하였을 때에도 성분 맞교환 기술이 이득을 가진다 는 점은 실수부 성분과 허수부 성분이 서로 독립적인 페이딩을 겪게 됨으로써 SNR (또는 MER) 측면에서 이 득이 발생함을 알 수 있다. 여기서 주목할 점은, OFDM 한 심볼 내에서 변조 심볼 단위로 주파수 인터리빙을 실시하면, 인터리빙을 적용하지 않았을 때와 성능이 동 일하다는 것을 알 수 있는데, 변조 심볼 단위의 인터리 빙은 OFDM 두 심볼 이상을 대상으로 고루 섞어주거나 시간 인터리빙과 결합되어 사용되어야 SNR 측면에서 이득이 발생한다는 점을 알 수 있다. 16-QAM 10 0 w/ component-swapping (1/4) w/ component-swapping (1/3) w/ component-swapping (2/5) w/ component-swapping (1/2) 10-1 w/ symbol-based (1/4) w/ symbol-based (1/3) w/ symbol-based (2/5) w/ symbol-based (1/2) w/ o interleaving (1/4) w/ o interleaving (1/3) 10-2 w/ o interleaving (2/5) w/ o interleaving (1/2) QAM의 경우는 2.2~3.0dB 가량의 이득을 가짐을 확인 하였다. 이러한 실험적 결과 검증을 바탕으로 후속 연구를 통 해 수학적으로 성능 이득을 분석한다면 보다 객관적인 성능 평가 및 검증이 이루어 질 것으로 기대되며, 추가 적으로 최적 각도만큼 회전된 성상도가 함께 적용될 경 우 그 이득은 더 커질 것으로 판단된다. 알리는 말 본 연구는 방송통신위원회, 지식경제부 및 한국산업 기술평가관리원의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수 행한 연구로부터 도출된 것이며[2009-F , 방통 융합형 차세대 모바일방송 핵심기술 개발], 본 논문은 방송공학회논문지 2010년 제15권 제6호(2010년 11/12 월호)에 게재되었습니다. BER C/N [db] [그림 4] LDPC가 적용된 2 2 MIMO-OFDM 시스템에서 DVB- NGH 채널 적용 시 C/N 값에 따른 BER 성능 (16-QAM) [Fig. 4] LDPC coded BER performance of 2x2 MIMO-OFDM systems in DVB-NGH channel (16-QAM) V. 결 론 본 논문에서는 MIMO 시스템에서 낮은 복잡도로 신호 공간 다이버시티 이득을 얻을 수 있도록 고안된 심볼 맞교환 기술의 이득을 분석하였다. 우선 기존 DVB-T2 에 포함된 성분 맞교환 기술을 MIMO 시스템으로 단순 확장 적용하였을 때는 심볼 검파 시 복잡도가 크게 증 가하는 문제가 발생하는 반면, 제안된 성분 맞교환 기 술을 적용하면 심볼의 상호 의존성을 줄여 심볼의 복잡 도가 크게 줄어드는 것을 확인하였다. 컴퓨터 시뮬레이 션을 통해서 DVB-T2 표준에 정의된 16K LDPC 부호 가 적용된 경우에도 4-QAM의 경우는 0.9~1.1dB, 16-19

20 논문 참고문헌 [1] DVB Document A122, Framing Structure, Channel Coding and Modulation for a Second Generation Digital Terrestrial Television Broadcasting System (DVB-T2), June [2] J. Boutros and E. Viterbo, Signal Space Diversity: A Power- and Bandwidth-Efficient Diversity Technique for the Rayleigh Fading Channel, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44, no. 4, pp , July [3] S. Jeon, I. Kyung and M.-S. Kim, Component-Interleaved Receive MRC with Rotated Constellation for Signal Space Diversity, in the 70th IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference (IEEE VTC 2009-Fall), Anchorage, Alaska, USA, September [4] S. Jeon, J. Lee, I. Kyung and M.-S. Kim, Component-Interleaved Alamouti Coding with Rotated Constellations for Signal Space Diversity, in 2010 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (IEEE BMSB 2010), Shanghai, March [6] S. U. Hwang, J.-Y. Choi, S. Jeon, H. J. Ryu and J.-S. Seo, Performance Evaluation of MIMO-OFDM with Signal Space Diversity over Frequency Selective Channels, in IEEE International Symposium on Broadband Multimedia System and Broadcasting (IEEE BMSB 2009), Bilbao, Spain, May [7] S. Hong, J.-Y. Choi, S. U. Hwang, S. Jeon and J.-S. Seo, Spatial Diversity Transmission Technique with Rotated Constellation for MIMO-OFDM Systems, in The 20th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (IEEE PIMRC2009), Tokyo, Japan, September [8] S. Hong, J.-Y. Choi, S. U. Hwang, S. Jeon and J.-S. Seo, Interleaved Spatial Diversity Transmission with Coordinate Interleaver for MIMO-OFDM Systems, in IEEE 69th Vehicular Technology Conference (IEEE VTC Spring 2009), Barcelona, Spain, April [9] DVB-NGH Technical Document, DVB-NGH Channel Models, TM-NGH063, [5] S. M. Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE Journal on Select Areas in Communications, vol. 16, no. 8, pp , October 전성호 임중곤 경일수 김만식 20

21 KBS R&D 창간호 AT-DMB 계층변조 심볼에 대한 정규화 인수의 유도 Normalization Factor of Hierarchically Modulated Symbol for Advanced T-DMB System 임중곤 전성호 요약 AT-DMB는 기존의 T-DMB 시스템에 계층변조 및 터보코드를 적용하여, T-DMB와의 역호환성을 유지하면서 전송용량 증대가 가 능하도록 개발되었다. 그러나 기존의 AT-DMB에는 송신심볼 정규화에 대한 규정이 없어 평균 심볼에너지가 1을 초과할 수 있다. 본 논문에서는 AT-DMB의 정규화인수를 제안하고, 이를 적용하여 모드 및 성상비에 관계없이 일정한 송신전력을 유지할 수 있는 방안 을 제시한다. 본 논문에서는 성상비의 함수로서 정규화인수를 유도하고 정규화된 계층 변조 심볼 생성을 위한 블록도를 새롭게 제안 하였다. Abstract AT-DMB was developed to raise the transmission rate of existing T-DMB with backward compatability imposing the hierarchical modulation method and additional turbo-coding technology over existing T-DMB. However AT-DMB system does not employing the normalization for transmission symbol that the average symbol energy can be exceed 1. In this paper, we propose a set of normalization factors the AT-DMB to keep the constant average transmission power regardless of both modes of hierarchical modulation and constellation ratios. We derived the normalization factors for AT-DMB as a function of the constellation ratios and proposed the modified block diagram for generating the hierarchically modulated and normalized symbols. Keywords: AT-DMB, T-DMB, Hierarchical Modulation, Normalization Factor, Constellation Ratio I. 서 론 고전송율 지상파 디지털멀티미디어방송(AT-DMB)은 전송용량 증대를 통하여 기존의 지상파 디지털멀티미 디어방송(T-DMB) 보다 고화질 및 다채널 서비스가 가 능하도록 하는 목적으로 개발되었고, 한국정보통신기술 협회(TTA)의 단체표준으로 제정되었다[1][2]. 기존의 수신기와 호환성을 유지하면서 전송효율을 높이기 위 해 계층변조(Hierarchical Modulation)[3][4]가 적용된 점이 큰 특징이다. AT-DMB 계층변조는 기본계층(BL; Base Layer)과 향상계층(EL; Enhanced Layer)으로 구분되며, 기본계 층에서는 기존의 T-DMB 스트림을 전송하게 되고 향 상계층에서는 추가된 스트림을 전송하게 된다. 이 때, AT-DMB 계층변조는 2가지의 계층변조 모드, 즉 B- 모드와 Q-모드를 제공하고 있다. B-모드는 향상계층 에 추가되는 스트림을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 를 적용하여 변조하는 방법이고, Q-모드는 향상계층에 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)를 적용하여 변조 하는 방법이다. 일반적으로 향상계층을 적용하면 전송 용량은 증가되지만 전송채널의 잡음에 대한 강건성에 영향을 받게 된다[5]. 기존의 T-DMB 수신기는 향상계 층의 변조가 잡음으로 작용을 하고, AT-DMB 수신기는 전반적으로 성상비에 비례하는 잡음영향을 받게 된다. 따라서, AT-DMB에서는 채널 강건성과 전송이득 사이 의 Trade-Off를 적절히 조절하기 위하여 두 계층의 성 상비를 제어한다. 성상비는 기본계층과 향상계층의 에 너지 비에 해당한다. 일반적으로 계층부호화를 적용하는 시스템에서는 성상비에 따른 심볼 에너지 변화를 정규화하기 위해 21

22 논문 서 각 성상비에 대응되는 정규화인수들을 정의해 놓 는다. 예를 들어, DVB-T 시스템에서는 표준문서[6] [표 6]에, MeidaFLO 시스템에서는 표준문서[7] [[표 5] ]에 정규화인수를 명시하고 있다. 하지 만 AT-DMB는 이 정규화인수에 대한 정의가 누락되어 있어 결과적으로 심볼의 에너지가 정규화되지 않는 문 제점이 발생된다. AT-DMB 계층변조 심볼 정규화와 관련된 문제는 KBS 가 최초로 차세대방송표준포럼 DMB분과위원회에 기 고문[8]을 제출함으로서 제기되었고, 분과위원회에 참 여하는 위원들이 기존 표준의 결함에 대해서 인지하는 계기가 되었다. 현재는 TTA PG801 모바일방송PG에서 KBS와 ETRI가 주도하여 심볼의 정규화 방안을 도출하 였으며, 표준 개정 과정을 진행하고 있다. 본 논문에서는 KBS의 문제 제기 내용과 ETRI의 검증 내용[9], 결과적으 로 이를 해결하기 위해 KBS와 ETRI가 공동으로 제시한 방안[10][11]을 중심으로 그 내용을 공유하고자 한다. 시스템의 성능의 열화를 초래한다. 기본계층과 향상계층 성능 사이의 Trade-Off는 전적으로 계층변조의 성상비에 의하여 영향을 받으며, 그 정의는 다음과 같다.[1] [그림 1] 계층변조 B-모드에서 계층변조된 심볼의 성상도 [Fig. 1] Odd and Even Order Symbols for B-mode of hierarchically modulated symbol II. AT-DMB의 계층변조 방법 계층변조에서 각 심볼은 기본계층과 향상계층의 조 합으로 나타낸다. AT-DMB 시스템에서 기본계층은 기 존의 T-DMB 심볼 데이터에 해당하고, 향상계층은 기 본계층의 성상을 BPSK 또는 QPSK 형태로 생성한 심볼 데이터에 해당한다. 즉, 계층화된 변조방식 덕분에 AT- DMB는 기존의 T-DMB와 비교하여 증가된 전송비트율 성능을 얻을 수 있다. [그림 1]과 [그림 2]에서 AT-DMB의 B-모드와 Q-모드 로 계층변조된 성상도를 각각 나타내고 있다. [그림 1]의 (a)와 (b)에서는 계층변조 B-모드의 홀수번째 심볼과 짝 수번째 심볼의 성상도를 각각 나타내고 있다. [그림 2]의 (a)와 (b)에서는 계층변조 Q-모드의 홀수번째 심볼과 짝 수번째 심볼의 성상도를 각각 나타내고 있다. AT-DMB 수신기는 기본계층과 향상계층의 심볼을 모두 복조할 수 있지만 기존의 T-DMB 수신기는 기본 계층의 심볼만 복조할 수 있고 이 때 향상계층의 심볼 은 T-DMB 수신기에 대하여 잡음으로 작용한다. 기존의 T-DMB 수신기에 대한 계층변조잡음의 영향을 최소화하 기 위해서는 [그림 1]과 [그림 2]의 향상계층 심볼 거리 의 크기가 작아져야 한다. 그러나 이는 반대로 AT-DMB a = [그림 2] 계층변조 Q-모드에서 계층변조된 심볼의 성상도 [Fig. 2] Odd and Even Order Symbols for Q-mode of hierarchically modulated symbol a b (1) 여기서 a는 마주보는 사분면의 최소 에너지를 갖는 두 심볼 사이의 거리이고, b는 한 사분면 내에서 최소에너지 를 갖는 심볼과 최대에너지를 갖는 심볼 사이의 거리를 나타낸다. 여기서 a " 3로 성상비가 무한 값을 취하면, 이는 T-DMB 시스템의 DQPSK에 해당한다. AT-DMB 표 준에서 성상비 a는 1.5, 2.0, 2.5, 3.0의 4가지 값을 갖는다. B-모드로 계층변조된 심볼은 다음과 같이 나타낼 수 있다[1]. s z 1 1 (2) EL = + + a qb z B : 22

23 KBS R&D 창간호 여기서 z는 기본계층의 r/4-dqpsk 심볼이고, q B EL 은 향상계층의 BPSK 심볼이며, z와 q B EL 모두 에너지는 1이 다. 이와 유사하게 Q-모드로 계층변조된 심볼은 다음과 같이 나타낼 수 있다. s z 1 1 q EL Q z e j r - 4 Q = + + a : : (3) 여기서 q EL Q 은 향상계층의 QPSK 심볼이며, q EL Q 도 에너 지는 1과 같다. III. AT-DMB의 계층변조의 문제점: 심볼 에너지에 대한 고찰 기존의 T-DMB 시스템은 π/4-dqpsk 심볼매핑 방식 을 사용하여 QPSK에 대한 정규화인수 2로 나누어 모 든 서브캐리어는 단위 상수의 에너지를 갖는다[8]. 현 재의 AT-DMB 표준[1]을 따르면 이 정규화인수는 AT- DMB의 B-모드와 Q-모드에 대하여 동일하게 적용된 다. 따라서 계층변조를 고려하지 않는 기존과 동일한 정 규화인수가 2적용되면, AT-DMB 심볼의 평균에너지 는 불가피하게 단위 에너지를 초과하게 된다. 기고문 [8]에 따르면, 결과적으로 [표 1]에서와 같이 a = 15. 에서 초과되는 에너지의 값이 최대 16%, a = 30. 에서 는 초과에너지의 값이 최소 6.25%를 나타낸다. [표 1] s 의 평균 심볼 에너지, E6 s [Table 1] Average Symbol Energy of s, E6 s 의 판독값보다 높은 전압과 피크 전력을 출력하게 될 수 있고, 이러한 값들을 표현하기 위해서 할당되는 비 트수가 늘어나야 한다. 비교실험 관점에서 보면, 동일한 채널환경을 겪고 동일한 양의 노이즈가 첨가되었다는 가정 하에서 성능 평가 시에 AT-DMB 심볼은 타 방송 시스템과 비교해 상대적으로 많은 에너지를 가지고 있 음으로 오류율이 더 낮게 관찰되는 등 성능이 원래보다 과대평가되고 비교 성능 평가에서 상대적으로 좋은 성 능으로 오인될 가능성이 크다. 따라서, 다른 방송 시스 템 표준에서와 마찬가지로, AT-DMB 시스템에서도 계 층변조 심볼에 대한 정규화인수가 명확하고 구체적인 정의되어야 한다. IV. 계층변조 심볼의 정규화인수 1. 모드에 따른 심볼 정규화인수 계층변조된 심볼 s를 정규화하기 위하여 본 논문에 서는 정규화인수 N과 성상비 a의 함수로서 평균 심볼 에너지를 수식으로 유도하였다. 모든 심볼의 발생 기대 치는 동일하며 1사분면부터 4사분면까지 대칭으로 동 일하다. 따라서 [그림 3]에서는 식(3)에 의하여 Q-모드 계층변조된 심볼 좌표를 실수부와 허수부로 구성되는 복소평면 1사분면만 나타내었다. 또한, 1사분면의 심볼 당 평균에너지는 모든 심볼 에너지의 합을 사분면당 전 체 심볼 수로 나눈 값과 같다. 성상비 α 평균 에너지 초과 에너지[%] QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 같은 고 차변조가 적용되면 일반적으로 성상 매핑 동작과 관련 한 정규화인수를 도출하여 평균에너지를 1로 정규화 한 다. 즉 정규화인수는 E = 6 s = 1을 얻기 위하여 적용되며, 여기서 E = 6 기대치 연산자이며, : 는 절대치 연산자이다. 심볼의 정규화가 이루어지지 않으면, 수신기에서는 자동이득제어(AGC; Automatic Gain Control) 캘리브레 이션이 영향을 받아 디지털변조 시스템이 전력측정기 [그림 3] Q-모드 계층변조 심볼맵의 제1사분면 [Fig. 3] First-quadrant Q-mode hierarchically modulated symbol map 23

24 논문 심볼 에너지의 레벨은 성상도의 기하학적 계산으로 도출되는데, 각 심볼 에너지는 자기 좌표의 제곱과 비례 한다. 각 심볼 A, B, C, D는 피타고라스 정리[12]에 의 하여 다음과 같이 계산된다. 단, 식(5)에서 심볼 B의 에 너지는 심볼 D의 에너지와 같다. 식(7)과 (8)의 결과로부터 B-모드와 Q-모드로 계층 변조된 두 가지 심볼에 대한 정규화인수는 공통으로 다 음과 같이 주어진다. N = a (9) 2 1+ ( 1+ a) A 2 1 = 2N a1- k a = 2N c ^ ah + a m 2 2 (4) 2. 정규화인수 값 2 2 B = D 2 1 = N 1 N c + + a - ^ + ah m + a k 2 1 = 2N c1+ 2 ^1 + ah m C 2N = a + + a k = 2N c ^ ah + a m 2 2 1) B-모드에 대한 정규화 (5) (6) [그림 1]과 같이, B-모드 성상은 심볼 A와 심 볼 C를 포함한다. 그러므로 식(4)와 (6)으로부터 평 균 심볼 에너지가 1과 같아지는 정규화인수 조건은 2 E6 s = 1로 다음과 같이 나타낼 수 있다 = ^ A + C h 2 1 = 2N c1+ 2 ( 1 + a) m 2) Q-모드에 대한 정규화 (7) [그림 2]와 같이, Q-모드 성상은 심볼 A, 심볼 B, 심 볼 C와 심볼 D를 포함한다. 그러므로 식(4)-(6)으로부 터 평균 심볼 에너지가 1과 같아지는 정규화인수 조건 2 E6 = 1은 다음과 같이 나타낼 수 있다 = 4^ A + B + C + D 2 1 = 2N c1 + 2 ^1 + ah m h (8) 유도된 식(9)로부터 AT-DMB 표준에 정의된 성상비 a = 15., 20., 25., 30. 의 4가지 값에 해당하는 정규화인 수 N은 [표 2]에 나타내었다. 여기서 a가 무한값을 취 하면, N은 1/ 2 와 같아지고, 이는 계층변조가 적용되 지 않은 기존의 T-DMB의 정규화인수에 해당한다. 성상비 α [표 2] 정규화인수 N [Table 2] Normalization Factor N 정규화인수 N 유도된 값 소수값 1.5 1/ / / / (T-DMB) 1/ 정규화가 적용된 계층변조 생성 블록도 유도된 정규화인수를 적용하여 최종적인 계층변조 심 볼을 나타내기 위한 공식은 아래와 같이 식(10)과 식 (11)로 정의할 수 있다. 기존 표준[1]에 정의된 계층변 조 식(2)와 식(3)에 식(9)에서 유도된 공식 중 1/ 2 를 제외한 부분을 곱함으로서 정규화된 계층변조 심볼을 획득할 수 있다. 왜냐하면, 기본계층과 향상계층으로 입 력되는 심볼에 이미 정규화인수 2 가 이미 적용되어 있어 심볼 각각은 이미 단위 에너지를 가지기 때문이다. 1 + a s z q z 1 ( 1 ) 1 1 EL B = 2 B : + + a a C 1 + a s z q z e 1 ( 1 ) 1 1 r EL -j Q = B : : + + a + a C (10) (11) 식(10)과 식(11)에 분배법칙을 적용할 경우, 기본 계 24

25 KBS R&D 창간호 층에만 정규화인수가 곱해지게 되는데, 이를 바탕으로 정규화된 AT-DMB 계층변조 심볼을 생성하기 위한 수 정된 블록도는 [그림 4]와 같다. 관련 내용은 기고문 [10]으로 제출되어 표준안 개정에 반영될 예정이다. [표 3] B-모드와 Q-모드에 대한 최소 유클리드 거리 BL d min 값 [Table 3] Minimum Euclidean Distance BL d min for both B-mode and Q-mode 성상비 α 정규화 전 정규화 후 차이[lin] 차이[dB] [그림 4] 정규화가 적용된 계층변조 심볼의 구성도 (a) B-모드 (b) Q-모드 [Fig. 4] Block diagram for modulating a normalization hierarchical symbol (a) B-mode (b) Q-mode 4. 최소 유클리드 거리의 변화 BL 기본계층 심볼의 최소 유클리드 거리 d min 는 다음과 같이 얻어진다. d BL min = 2a a kn (12) 하지만 향상계층 B-모드 심볼의 최소 유클리드 거리 d min, B EL min Q EL 와 Q-모드 심볼의 최소 유클리드 거리 d, 다음과 같이 얻어진다. d d EL min, B EL min, Q 는 (13) = + a N 1 2 (14) = + a N 식(10)으로부터 표준에서 정의된 4개의 성상비 a에 BL 대한 d min 값들을 도출하여 [표 3]에 나타내었다. 또한 식(11)과 식(12)에 의하여 도출된 EL d, 와 EL B d, 값들 을 도출하여 [표 4]와 [표 5]에 각각 나타내었다. min min Q E L [표 4] B-모드에 대한 최소 유클리드 거리 d min 값 E L [Table 4] Minimum Euclidean Distance d min for both B-mode 성상비 α 정규화 전 정규화 후 차이[lin] 차이[dB] E L [표 5] Q-모드에 대한 최소 유클리드 거리 d min 값 E L [Table 3] Minimum Euclidean Distance d min for both Q-mode 성상비 α 정규화 전 정규화 후 차이[lin] 차이[dB] [표 3-5]로부터 정규화 적용 후 최소 유클리드 거리가 감소되었음을 알 수 있다. 또한 성상비 a가 작은값을 취 하면 정규화 후, 최소 유클리드 거리가 증가함을 알 수 있다. 위 표에서 음의 값은 정규화 이후의 최소 유클리드 거리가 정규화 이전보다 감소되었음을 의미한다. BL EL EL 선형 스케일의 d min 값이 선형 스케일의 d min, B 와 d min, Q와 비교하여 정규화에 의한 영향을 더 받는다. 이와 대조적 BL 으로 db 스케일의 차이는 모든 최소 유클리드 거리 d min, E EL 와 d min, Q 의 차이에 대하여 동일하다. 이는 선형 스케 L d min, B 일의 차이는 감산에 의해 계산되고 db 스케일의 차이는 최소 유클리드 거리의 비 또는 심볼 에너지의 비를 반 영하기 때문이다. 최소 유클리드 거리의 감소가 신호대잡음전력비 (SNR)의 감소를 초래하였지만, 이로 인한 성능의 열화 는 크게 변화가 없는 것으로 판단된다. 예를 들면 성상 비 a = 15. 인 경우 성능은 0.32 db 열화가 발생하고, a = 30. 인 경우 성능은 0.13 db 열화가 발생한다. 25

26 논문 V. 모의실험 결과 본 논문에서는 AT-DMB 심볼에 대한 정규화를 적용 한 후 부호화되지 않은 비트오류율 성능을 검증하기 위 하여 몬테카를로 모의실험을 수행하였다. 모의실험 파 라미터는 AT-DMB 표준을 준용하였다. 가산백색정규화 잡음(AWGN) 채널이 가정되었다. 정규화 적용 후 부호 화되지 않은 비트오류율 성능을 [그림 5-8]과 같이 정 규화 전의 성능과 비교하였다. 설정된 신호대잡음비에 따른 잡음량의 변화를 계산하기 위하여 입력신호는 통 계적으로 정규화되었다고 가정하여 동일한 잡음의 양 이 양쪽 조건에 부가되도록 하였다. [그림 5-8]에서 실선은 정규화를 적용한 비트오류율 성능을 의미하고, 점선은 정규화를 적용하지 않은 경우 의 성능을 의미한다. [그림 7] CN비에 대한 BER 성능 (성상비 a = 25. ) [Fig. 7] Uncoded BER with respect to C/N for a = 25. [그림 8] CN비에 대한 BER 성능 (성상비 a = 30. ) [Fig. 8] Uncoded BER with respect to C/N for a = 30. [그림 5] CN비에 대한 BER 성능 (성상비 a = 15. ) [Fig. 5] Uncoded BER with respect to C/N for a = 15. [그림 6] CN비에 대한 BER 성능 (성상비 a = 20. ) [Fig. 6] Uncoded BER with respect to C/N for a = 20. 각각의 성상비 a값에 대하여 B-모드에 대한 기본계 층의 비트오류율 성능은 Q-모드의 비트오류율 성능과 같음을 알 수 있다. [그림 5]에서 비트오류율 10-3 을 기 준으로 성상비 a = 15. 인 경우 정규화를 적용한 경우의 성능은 정규화를 적용하지 않은 경우와 비교하여 B-모 드 및 Q-모드 공히, 기본계층에 대하여 약 0.8 db, 향상 계층에 대하여 약 0.6 db의 성능열화가 있음을 알 수 있 다. 이와 유사하게 [그림 8]에서 비트오류율 10-2 을 기준 으로 성상비 a = 30. 인 경우 정규화를 적용한 경우의 성능은 정규화를 적용하지 않은 경우와 비교하여 B-모 드 및 Q-모드 공히, 약 0.25 db의 성능열화가 있음을 알 수 있다. IV-4절에서 언급되었듯이 가산백색정규화잡음 (AWGN) 채널에서 부호화를 적용하지 않은 비트오류율 26

27 KBS R&D 창간호 성능의 열화가 있었다. 그리고 성상비 a값이 상대적으 로 작으면 성능의 열화는 상대적으로 커진다. 결과적으 로 본 모의실험의 결과는 AT-DMB 시스템에 대한 기존 의 비트오류율 성능이 정규화를 적용한 AT-DMB 시스 템에서 재평가되어야 함을 나타낸다[4]. VI. 결론 본 논문에서는 기존 AT-DMB의 B-모드 및 Q-모드 계층변조된 심볼의 에너지가 정규화되지 않는 문제점 에 대해서 지적하고, 문제를 해결하기 위한 정규화인수 를 도출하였다. 정규화인수는 AT-DMB 송신시스템의 평균 심볼에너지를 1로 하기 위하여 필수적인 값이며, 이를 위해, 수식적으로 성상비에 따른 정규화인수 공식 을 유도하였다. 더불어 유도된 정규화 공식으로부터 정 규화된 AT-DMB 계층변조 심볼 생성 블록을 수정 제 안하였다. 향후 AT-DMB 정확한 성능 평가를 위해서는 본 논문의 내용에 제시된 정규화 방안이 적용되어야 할 것으로 판단된다. 참고문헌 [1] 고전송률 지상파 디지털멀티미디어방송(AT-DMB) 송수신 정 합, TTAK.KO /R1, [2] J. H. Lee, J.-S. Lim, S. W. Lee and S. Choi, Development of Advanced Terrestrial DMB System, IEEE trans. Broadcast., vol. 56, no. 1, pp , March [3] S. O Leary, Hierarchical Transmission and COFDM Systems, IEEE trans. Broadcast., vol. 43, no. 2, pp , June [4] H. Jiang and P. A. Wilford, A Hierarchical Modulation for Upgrading Digital Broadcast Systems, IEEE trans. Broadcast., vol. 51, no. 2, pp , June [5] P. K. Vitthaladevuni and M.-S. Alouini, BER Comp utation of M-QAM Hierarchical Constellations, IEEE trans. Broadcast., vol. 47, no. 3, pp , September [6] ETSI EN V1.6.1, Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television (DVB-T), January [7] TIA-1099, Forward Link Only Air Interface Specification for Terrestrial Mobile Multimedia Multicast (MeidaFLO), September [8] 차세대방송표준포럼 DMB분과위원회 15차회의(AT-DMB실무 반20차 회의) KBS 기고문 AT-DMB송신신호 정규화 필요성 등 록번호 2010-AT-DMB-021, [9] 차세대방송표준포럼 DMB분과위원회 16차회의(AT-DMB실 무반21차 회의) ETRI 기고문 AT-DMB전력정규화 등록번호 2010-AT-DMB-027, [10] 한국정보통신기술협회(TTA) 프로젝트그룹 801 모바일방송 PG 제36차 회의 KBS-ETRI 공동기고문 TTAK_KO_ _R1 에 절 계층변조신호의 정규화 신규 제안 등록번호 2011 PG , [11] 임중곤, 김영수, 송윤정, 이상운, AT-DMB 전송 신호 정규화 방안 방송공학회 논문지, 2010년 제15권 제6호 [12] E. Maor, The Pythagorean Theorem: A 4,000-Year History. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 임중곤 전성호 27

28 논문 테이프리스 방송환경에서의 자동화된 콘텐츠 품질검사 시스템 Automated Content Quality Check System For Tapeless Broadcasting Environments 이문식 1 하명환 1 김윤창 1 박성춘 1 안기옥 2 김민기 2 이정헌 2 1 KBS 2 미디어코러스 요약 방송사에는 수십만 시간에 이르는 아카이브 콘텐츠가 있으며, 매일매일 수십 시간의 콘텐츠가 생산되고 있다. 이러한 콘텐츠를 고품 질로 빠르고 다양하게 서비스하기 위하여 방송환경은 파일 기반의 테이프리스 환경으로 전환되고 있다. 이러한 방송환경의 변화는 전통적인 콘텐츠 품질 관리에 새로운 이슈를 제기하고 있다. 테이프를 사용하는 전통적인 방송 제작 환경에서의 품질 검사 방식은 대량의 콘텐츠, 빠른 서비스 그리고 파일 기반의 환경에는 적합하지 않기 때문이다. 이를 해결하기 위하여 더욱 빠르고, 일관성 있게 파일 기반의 콘텐츠 오류를 검사할 수 있는 자동화된 콘텐츠 품질 검사 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 방송환경에서 발생할 수 있는 다양한 A/V 오류의 유형에 대하여 정리하였고, 컨테이너와 A/V 에센스를 검사할 수 있 는 자동화된 콘텐츠 품질 검사 시스템의 구현에 대하여 기술하고자 한다. I. 서론 최근 10여 년 동안 방송환경은 아날로그에서 디지털 방식으로, SD에서 HD로 변화하고 있다. 방송 시스템도 파일 기반의 테이프리스 시스템으로 변화하고 있다. 즉, 파일 기반으로 촬영, 편집, 저장, 송출, 서비스 등이 이루 어지고 있다. 이러한 방송환경 변화의 이유는 시청자들 에게 더 나은 품질의 콘텐츠를 더 빠르고, 다양하게 서 비스하고자 함에 있을 것이다. 파일 기반 시스템에서의 콘텐츠는 다른 시스템에서도 쉽게 재사용되고 서비스 (인터넷 VOD 등)될 수 있다. 그런데, 방송 제작 프로세스 상에서 VCR이나 인코더 장비 등의 오동작 등에 의해 콘텐츠를 생성하거나 변환 할 때 예기치 않은 A/V 오류가 발생할 수 있다. 콘텐츠 에 포함된 오류로 인해 품질에 대한 시청자들의 불만족 이 발생하거나, 오류를 가진 채 아카이브 되어 재활용될 수도 있다. 따라서, 가능한 한 빠르게 오류를 찾아서 복 구해야할 필요가 있다. 이러한 오류를 찾기 위한 가장 단순한 방법으로는 사 람이 눈으로 직접 검사를 하는 것이다. 하지만, 기존의 방대한 자료를 아카이브할 경우 오류를 찾기 위한 시간 과 비용이 막대하게 들 것이다. 또한, 사람의 눈으로 찾 지 못하는 경우도 많을 것이고, 일관성을 보장할 수도 없다. 따라서, 콘텐츠 품질을 검사하고 유지하기 위해 쉽고 용이한 자동화된 방법이 필요하다. 파일 기반의 제 작 환경에서는 이러한 오류들이 발생하기도 쉽지만, 반 대로 이를 찾기에도 용이한 구조를 가지고 있다. 파일 로 제작되고 활용되기에 저장장치에 대한 접근이 가능 하다면 언제 어디서든 품질 검사를 일관성 있고 빠르게 수행할 수 있다. [그림 1]의 방송 워크플로우에서 보면 콘텐츠의 변 화는 어느 단계에서든 일어날 수 있기에 콘텐츠 오류 는 어디에서든 발생 가능하다. 각각의 시스템 별로 검사 를 해서 문제를 바로 복구할 수 있으면 가장 좋지만, 시 간과 비용의 소모가 많다. 방송 워크플로우 상에서 가장 중요한 송출과 아카이브 위주로 검사를 한다면 효율적 으로 구성할 수 있을 것이다. II. 콘텐츠 오류 유형 현재 방송 제작에는 카메라, VCR, 스위처 같은 전통적 인 장비들과 비디오 서버, NLE, 인코더, 트랜스코더 등 의 파일 기반 IT 장비들이 혼용되어 사용되고 있다. VCR 28

29 KBS R&D 창간호 [그림 1] 방송 제작 워크플로우에서의 품질 검사 과 테이프는 오래도록 사용되어왔는데 24시간 이상 사 용되거나 열악한 환경에서 사용되는 경우가 많으며 이 러한 환경에서 유발되는 열, 진동, 먼지 등에 의해 다양 한 오류가 발생한다. IT 장비들은 하드웨어나 소프트웨 어의 불안정성에 의해 장시간 사용시 성능이 저하될 수 가 있기에, 압축이나 변환, 전송이 원활히 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 원인에 의해 다양한 오류 형태가 나타나게 된다. VCR과 테이프 등의 전통적인 장비에서 는 블록, 낮은 크로마 레벨, 노이즈 등의 오류가 많이 발 생하고, IT 장비들에 의해서는 블록 스트라이프 오류, 인터레이스, 픽셀레이션 등의 새로운 타입의 오류가 추 가적으로 발생하고 있다. 비디오는 기본적으로 블록 기 반의 압축을 사용하므로 블록 관련된 오류 형태가 가장 많이 발생하고, 오디오는 노이즈나 싱크의 어긋남, 렌더 링/변환 과정에서의 문제로 인한 오류가 많이 발생한다 [그림 2]. [표 1] 비디오 오류 유형 분류 기준 신호 인터레이스 프레임 분류 변형 노이즈 기준 신호 신호 레벨 비디오 오류 유형 Color bars level/position error Interlace artifacts error, Field dominance error Freeze frame, Black/Single color frame, White noise, Blurriness, Boundary blow error, Elementary stream error [표 2] 오디오 오류 유형 오디오 오류 유형 Attack noise, Phase mismatch, Clipping, Wow and Flutter High frequency noise, Transient noise, Background noise Test tone level/frequency error, Loudness Min/Max/Average signal level, Mute, Silence, Level mismatch, Volume dropdown III. 방송환경에서의 품질검사 분류 블록 스트라이프 신호 레벨 비디오 오류 유형 Block error, Blockiness, Pixelation Block stripe error, Stripe error, Boundary movement error, Letter box detection Min/Max/Average signal level, Brightness/ Contrast/ Chroma level 1. 테이프 기반 시스템에서의 품질검사 테이프 기반 시스템에서는 콘텐츠가 테이프에 존재 29

30 논문 [그림 2] A/V 오류의 예 하게 된다. 이에 대한 품질검사 방법은 일반적으로 다음 과 같이 이루어진다. 비디오 분석기를 이용하여 525라 인, 29.97Hz 등의 비디오 설정값을 검사하고, 설정값과 다를 경우 알려주기도 한다[1]. 테이프의 제일 앞부분 에는 레퍼런스 신호인 컬러바/테스트톤이 들어있으며, 이를 웨이브폼 모니터, 벡터스코프 등의 분석 장비를 이 용하여 테이프의 상태를 검사한다. 이를 통해 테이프 상 태가 정상적이며, 콘텐츠가 규격에 맞게 잘 들어 있다는 것을 간접적으로 확인하였다. 컬러바 이후의 프로그램 내용에서는 신호 레벨이 정상 범위에 포함되어 있는지 를 검사하였다. 그러나, 신호 레벨 상에서는 이상이 없 [그림 3] 테이프 기반 시스템에서의 품질검사 고 내용상의 오류가 포함된 경우에는 검출하기 어렵다 는 단점이 있었다. 따라서, 실제 방송될 때 비디오 센터 2. 파일 기반 시스템에서의 품질검사 에서 사람이 직접 비디오를 보면서 확인하기도 한다. 이 와같이 콘텐츠 품질에 대한 관리는 기술적/주관적 측면 이 복합되어 수행되었다.[2] 파일 기반의 방송 시스템에서는 콘텐츠가 미디어 파 일로 존재하게 된다. 콘텐츠는 에센스인 비디오, 오디오 와 이에 대한 메타데이터로 이루어져 있다. 콘텐츠 규격 에는 A/V 에센스의 용량이 크기 때문에 이를 줄이기 위 한 압축 포맷과 이러한 에센스와 메타데이터를 규격화 하여 담기 위한 컨테이너(래퍼 또는 파일) 포맷이 있다. 미디어 파일에서 가장 중요한 사항은 오류 없이 재생 이 가능한가를 확인하는 것이다. 파일의 헤더 정보를 분 석하여 포맷 규격이 정확한지 검사하고, 비디오/오디오 30

31 KBS R&D 창간호 에센스의 압축 규격과 레벨이 정상적이면 재생이 가능 하다고 판단할 수 있다. 내용의 오류 여부는 에센스를 디코딩하여 비디오/오디오 신호 처리를 통해서 내용을 직접 검사하는 방법을 사용해야 한다. IV. 시스템 디자인 및 구현 품질검사 시스템은 대량의 콘텐츠 검사에 용이하도록 검사 서버와 이를 관리하는 관리 서버로 나누어 개발하 였다. 검사 서버는 각각의 검사 알고리듬을 컴포넌트화 하여 각각의 기능 개선과 새로운 오류 패턴 발생시 검 사 기능 추가가 빠르게 이루어질 수 있도록 하였다. 관 리서버는 다수의 검사 서버에 대한 작업 관리와 검사 결과, 작업 흐름을 관리한다. 관리 서버는 와치 폴더 기 능을 통해 자동으로 작업 대상 파일이 등록될 수 있으 며, 작업 우선순위와 검사 프로파일을 설정할 수 있다. 방송 워크플로에 통합되기 위해서는 다른 시스템과의 연동 API가 필요하다. 본 시스템은 기본적으로 검사서버 와 관리서버 간의 통신을 모두 API화 하여 모든 정보를 관리 시스템에 통합할 수 있는 구조로 개발하였다. API 는 HTTP URL 방식을 이용하며, 새로운 작업, 작업 현황, 검사서버 현황, 검사 결과의 4개의 요청과 응답으로 시 스템간 연계를 수행할 수 있다. 라고도 불린다. SMPTE의 표준 래퍼 포맷인 MXF가 제 작, 송출, 아카이브 등 방송 전반에서 가장 많이 사용되 고 있다. MOV 포맷은 애플의 FCP편집기를 사용하는 제 작 시스템에서 주로 사용된다. 압축 포맷은 MPEG-2와 DVCPRO 포맷이 기본적으로 사용되며, DMB 나 인터넷 서비스 등을 위해서는 H.264 또는 WMV를 사용하기도 한다. 오디오는 PCM, WAV, AES-3를 기본으로 하고 있 으며, MP3가 보조적으로 활용되고 있다. 지원되는 포맷 들은 [표 3]에 정리하였으며, 향후 방송 시스템에 더욱 효율이 좋은 새로운 코덱이 사용되면 해당 코덱을 지원 하도록 기능이 확장될 것이다. 미디어 유형 Wrapper Video Audio [표 3] 지원되는 포맷 지원 포맷 MXF / MOV / MP4 / WMV, WAV / MP3 Uncompressed / MPEG2 / DVCPRO / H.264 / WMV PCM / AES-3 / WMA / MP3 오류 검출 기능은 방송 워크플로에서 많이 발생하는 오류 위주로 개발되었으며, 지원되는 오류 유형은 다음 의 표에 정리하였다. 에센스 유형 Video Audio [표 4] 지원되는 오류 유형 오류 유형 Block error, Blockiness, Color bars, Interlace errors, Freeze frame, Black/ Single color frame, Block stripe error Mute, Test tone, High frequency noise, Volume level, Volume dropdown 빠른 검사 속도 [그림 4] 품질 검사 시스템의 구성도 지원 포맷과 오류 유형 미디어 파일 포맷은 에센스와 메타데이터를 파일로 저장할 수 있는 포맷으로 컨테이너 또는 래퍼 포맷이 아카이브에서의 대용량 콘텐츠 검사와 송출에서의 긴 급성 등을 위해서는 빠른 검사 속도가 필요하다. 이러한 요구를 만족시켜주기 위하여 쓰레드(thread) 방식으로 개발하여 멀티 코어를 지원하도록 하였다. 검사 서버들 도 풀(pool)로 관리함으로써 검사 서버의 수가 늘어날 수록 검사 속도도 비례하여 늘어날 수 있도록 하였다. 품질검사 시스템은 각각의 검사 알고리듬을 컴포넌 트화하여 개별 알고리듬 개선과 새로운 검사 기능 추가 가 빠르고 용이하게 이루어지도록 개발하였다. 검사 알 고리듬에서는 빠른 검사 속도를 위하여 인터레이스 오 31

32 논문 [그림 5] 오류 리포트 UI 및 재생 UI 류 검출에 있어서 연산이 간단하면서도 성능이 좋은 LBP(Local Binary Pattern) 연산자를 적용하였다. 다음 장에서 자세히 기술하도록 하겠다. 결과 리포트와 재생 기능 각 검사 서버에서 전송되어온 검사 결과는 관리서버 의 DB에 저장된다. 사용자가 검사 결과를 쉽게 확인할 수 있도록 웹브라우저 기반으로 해당 파일에 대한 포맷 정보를 알려주는 요약 화면과 오류 종류, 위치, 썸네일 등을 보여주는 오류 리포트를 제공한다. 썸네일만으로 오류를 판단하기 어려운 경우에 도움이 될 수 있도록 오류 위치에서의 재생과 프레임 단위 재생이 가능한 동 영상 재생기를 구현하였다. 7 P P P 1, x $ i LBPc = / s( Pi- Pc) # 2, s( x) = ) i = 0 P3PC P 0, x , x 2 0 i P5 P6P7 LBPc = / sl ( Pi- Pc) # 2, s( x) = ) i = 0 0, x # 0 [그림 6] 3x3 마스크에서의 Pc 화소 LBP 수식 3x3 블록에서의 Pc 픽셀에 대한 LBP 값은 [그림 6]의 수식과 같이 Pc 픽셀과 주변 값과의 차이를 이진 코드 열로 만든 것이다. LBP 은 Pc픽셀과 주변값이 같을 경우 에 0으로 만드는 보정된 LBP 값이다 LBPlc = [그림 7] 3x3 블록에서의 LBP 계산 예 V. 빠른 검사 알고리듬 오디오/비디오 검사 알고리듬은 속도향상을 위해 공 통 사용 알고리듬과 개별 알고리듬으로 구분하였는데, 공통 사용 특성인 히스토그램, 블록, 에지 등의 검출 알 고리듬에 대하여 집중적으로 코드 최적화를 시도하였 다. 개별 알고리듬에서는 하나의 예로서 인터레이스 오 류 검출에 LBP(Local Binary Pattern) 연산자를 적용하였 다. LBP 연산자는 지역적 화소 비교를 통해 지역 패턴을 이진 코드화하여 단순화시킴으로서 처리 결과를 빠르 게 얻어낼 수 있다.[3,4] [그림 7]과 유사한 패턴의 3x3 블록에서의 LBP 값은 가 되는데, 이러한 코드값이 연속해서 나오게 된다면 인터레이스 오류가 있다고 판단할 수 있을 것이 다. 그러나, 일반적으로 이러한 방법은 노이즈에 민감하 게 반응하여, 약간의 노이즈가 있을 경우 오류를 검출하 지 못할 수도 있다. 또한 사람 눈으로 판단하기 어려운 미세한 변화에도 오류로 인식하게 될 수 있다. 이를 해 결하기 위하여 화소값의 차이가 사람이 인지하기 힘든 범위의 변화는 LBP 값에 영향이 없도록 문턱 개념을 도 입하였다. 7 1, x 2 T i LBPlC _ barrier = / slb( Pi- Pc) # 2, Sl b( x) = ) i = 0 0, x # T 32

33 KBS R&D 창간호 T 문턱값을 30으로 설정하여 인터레이스 오류를 가 진 24개 영상을 대상으로 실험한 결과는 다음과 같다. Method [표 5] LBP 적용시의 인터레이스 오류 검출률 No. of Errors No. of Correct Detections LBP' T 문턱치 LBP (T=30) No. of False Detections T 문턱값 LBP방식은 인터레이스 오류의 검출률에서 상당한 성능 향상을 나타내었다. 전체 오류의 수는 사람이 직접 콘텐츠를 검사하여 결 과를 얻었으며, 이를 품질검사 시스템의 검사 결과와 개 별적으로 비교하였다. 오류 검출률은 잘 찾아진 오류 개 수를 전체 오류 개수로 나누어서 계산하였으며, 오검출 률은 잘못 찾은 오류 개수를 전체 검출수로 나누어 계 산하였다. 사람의 눈으로 쉽게 찾을 수 있는 오류 또는 신호 레 벨 등과 관련된 단순한 오류들은 검사 알고리듬과 계산 의 단순함으로 인해 검출률이 높았다. 그러나 블록 관련 된 오류 등 복잡한 형태의 오류들은 오검출률이 높았으 며, 이는 개선이 필요하다. VI. 결과 VII. 결론 개발된 품질검사 시스템을 이용하여 검사 속도를 측 정하였다. SD/HD 콘텐츠에 대하여 아래의 표와 같은 결과를 얻었는데, SD 콘텐츠는 실시간의 2배 이상 빠른 검사 속도를 보였으며, HD 콘텐츠는 실시간 대비 3.6배 정도 더 검사 시간이 소요되었다. 검사에 사용된 시스템 은 인텔 제온 2.66GHz 쿼드 코어 두 개와 4GB 메모리 에 윈도우즈 서버 2003이 사용되었다. [표 6] 검사 속도 해상도 재생시간(초) 검사 시간(초) 평균 검사 속도 (x 실시간) SD 1396 / / HD 720 / / 오류 검출률은 다양한 오류가 포함된 50개의 콘텐츠 를 대상으로 측정하였는데, 모든 오류 유형이 포함된 실 험은 아니었지만 기본적인 검출률을 측정한 참조 모델 로 활용할 수 있을 것이다. 방송사에서는 시청자에게 최상의 품질로 콘텐츠를 서 비스해야 한다. 이를 위하여 제작 과정에서 발생할 수 있는 세부적인 A/V 오류들에 대한 검출이 필요하다. 현 재 파일 기반의 방송환경에서 발생 가능한 오류에 대하 여 조사/분석 하였으며, 빈번히 발생하는 오류를 자동 적으로 검출할 수 있는 품질 검사 시스템을 개발하였다. 검출 속도를 빠르게 하기 위하여 공통적으로 사용하는 알고리듬에 대한 최적화를 하였으며, 개별 알고리듬인 인터레이스 오류에는 LBP 연산자를 적용하였다. SD 콘 텐츠의 검사 속도는 실시간의 2배정도로 빠르게 수행되 며, A/V 오류들에 대한 검출률은 만족할만한 수준이다. 향후 아카이브된 대용량의 미디어 파일에 대응할 수 있도록 속도 향상과 검출률을 높이기 위한 노력이 계속 될 것이고, 오류 복원 기술까지 확장할 계획이다. Error type [표 7] 오류 검출률 No. of Errors No. of Correct Detection (rate) No. of False Detection (rate) Blockiness (99%) 158 (57%) Block stripe error (100%) 101 (65%) Black frame (92%) 10 (11%) Interlace error 5 5 (100%) 0 (0%) Mute (100%) 0 (0%) Volume dropdown 8 8 (100%) 0 (0%) 33