TTAR-07.xxxx 제정일 : 2015 년 12 월 xx 일 T T A Technical Report 광대역위성방송기술연구 ( 기술보고서 ) TTA Technical Report on Wideband Satellite Broadcasting Technologies
정보통신기술보고서 ( 국문 ) TTAR-07.xxxx 제정일 : 2015 년 12 월 xx 일 광대역위성방송기술연구 ( 기술보고서 ) TTA Technical Report on Wideband Satellite Broadcasting Technologies 본문서에대한저작권은 TTA 에있으며, TTA 와사전협의없이이문서의전체또는일부를 상업적목적으로복제또는배포해서는안됩니다. Copyrightc Telecommunications Technology Association 2015. All Rights Reserved.
서 문 1. 기술보고서의목적 본보고서에서는최근의방송환경변화에대처하기위해서여러분야에서추진되고 있는차세대방송기술개발현황을검토하고, 그중에서위성방송서비스분야에서활 용할수있는기술들에대해서보다상세히기술한다. 2. 주요내용요약 본보고서에서는디지털 HDTV 서비스이후초고화질방송서비스에대한관심이급증하는등다양한방송서비스환경에대응하기위해논의되고있는차세대방송서비스기술에대해서기술한다. 먼저, 지상파및위성방송서비스분야에서논의되고있는현황에대해기술하고, 최근 UHDTV 서비스제공을위해 DVB 에서진행하고있는표준화현황을정리하였다. 이와는별도로, DVB-S 그룹에서는미래위성방송분야에서활용가능한기술에대한연구를지속적으로수행하고있다. 이러한기술들은대부분서비스에활용하기위해보다많은검증이필요한상태이며, 차기위성방송분야에서새롭게표준화가이루어지는경우에고려될수있는가능성이높기때문에본보고서에서추가적으로소개하였다. 3. 기술보고서적용산업분야및산업에미치는영향 본보고서는디지털위성방송서비스의기술적발전을모색하기위한다양한기술들을소개하고있으며, 향후위성방송서비스의전송효율및가용도개선을위한방안을도출하기위한기초자료로활용될수있으며, 다양한상용화연구를통해차세대위성방송관련기술 / 정책의선진화및국내위성방송산업전반의보호 / 육성을위한근거로활용이가능할것으로판단된다. 4. 참조표준 ( 권고 ) 4.1. 국외표준 ( 권고 ) - 해당사항없음 4.2. 국내표준
- 해당사항없음 정보통신기술보고서 ( 국문 ) 5. 참조표준 ( 권고 ) 과의비교 5.1. 참조표준 ( 권고 ) 과의관련성 - 해당사항없음 5.2. 참조한표준 ( 권고 ) 과본표준의비교표 - 해당사항없음 6. 지적재산권관련사항 본기술보고서의 ' 지적재산권확약서 제출현황은 TTA 웹사이트에서확인할수있다. 본기술보고서를이용하는자는이용함에있어지적재산권이포함되어있을수있으므로, 확인후이용한다. 본기술보고서와관련하여접수된확약서이외에도지적재산권이존재할수있다. 7. 적합인증관련사항 7.1. 적합인증대상여부 - 해당사항없음 7.2. 시험표준제정여부 ( 해당시험표준번호 ) - 해당사항없음 8. 기술보고서의이력정보 8.1. 기술보고서의이력 판수제정 개정일제정 개정내역 제 1 판 2015.12.xx 제정 TTAR-xx.xxxx
8.2. 주요개정사항 정보통신기술보고서 ( 국문 ) - 해당사항없음
Preface 1. The Purpose of Technical Report The Technical Report is intended to present state of the art of development status for broadcasting technologies for future broadcasting industry in terrestrial and satellite broadcasting services. Among these improvements effort, more attention is paid for the technologies for satellite broadcasting services. 2. The Summary of Contents In this Technical Report, future broadcasting technologies to accommodate the various changes of broadcasting environments, e.g., radical increase of the demand for UHDTV, are described. First of all, technological efforts for terrestrial broadcasting is mentioned in the aspects of standardization such as ATSC and FOBTV, and satellite broadcasting technologies development is also presented which is conducted in DVB. As well as, European standardization for UHDTV has been carried out in DVB CM-UHDTV. The present situation of the work is added in the report. To focus more on the satellite broadcasting services, several technological studies which are currently accomplished in the DVB TM-S group are introduced. Even though these technologies are still to be paid more verification efforts for commercial services, they have enough potentials to be considered in the futue satellite broadcasting standardization. 3. The Applicable fields of industry and its effect Since this technical report presents several technological effort to improve current broadcasting services, it could be utilized to establish the way to improve transmission efficiency and service availability of current satellite broadcasting service, and find out a way to upgrade current transmission facilities and user equipment in the future. Moreover, this can help conducting diverse commercial experiment to support enhancement of current satellite broadcasting service in technical and political aspects. 4. Reference Standards (Recommendations) 4.1. International Standards (Recommendations)
- Not Applicable 정보통신기술보고서 ( 국문 ) 4.2. Domestic Standards - Not Applicable 5. The Relationship to Reference Standards (Recommendations) 5.1. The relationship of Reference Standards - Not Applicable 5.2. Differences between Reference Standard (recommendation) and this Technical Report - Not Applicable 6. The Statement of Intellectual Property Rights IPRs related to the present document may have been declared to TTA. The information pertaining to these IPRs, if any, is available on the TTA Website. No guarantee can be given as to the existence of other IPRs not referenced on the TTA website. And, please make sure to check before applying the technical report. 7. The Statement of Conformance Testing and Certification 7.1. The Object of Conformance Testing and Certification - Not Applicable 7.2. The Standards of Conformance Testing and Certification - Not Applicable 8. The History of Technical Report 8.1. The Change History
Edition Issued date Outline The 1st edition 2015.12.xx 정보통신기술보고서 ( 국문 ) Established TTAR-xx.xxxx 8.2. The Revisions - Not Applicable
목 차 1. 개요... 9 2. 기술보고서의구성및범위... 9 3. 참조표준 ( 권고 )... 10 4. 약어... 10 5. 차세대방송기술개요... 12 5.1. 지상파방송분야... 12 5.2. 위성방송분야... 14 5.3. DVB UHDTV 표준화분야... 15 6. 차세대위성방송전송기술... 17 6.1. 광대역위성방송전송효율개선기술... 17 6.1.1. DVB-S2X 기술 (small roll-off, 16/32APSK)... 17 6.1.2. 다중편파전송기술... 20 6.1.3. 위성 FTN 기술... 22 6.1.4. 채널본딩기술... 24 6.2. 위성방송서비스가용도개선기술... 26 6.2.1. MMT 기술... 26 6.2.2. 계층적전송기술 (Hierarchical Modulation)... 28 6.2.3. VCM 전송기술... 32 6.3. 방송통신융합서비스기술... 35 6.3.1. Sat-IoT 기술... 35 6.3.2. Sat > IP 기술... 38
Contents 1. Introducation... 9 2. Constitution and Scope... 9 3. Reference Standards (Recommendations)... 10 4. Abbreviations... 10 5. Future Broadcasting Technologies Overview... 12 5.1. Terrestrial Broadcasting Service... 12 5.2. Satellite Broadcasting Service... 14 5.3. DVB UHDTV Standardization... 15 6. Future Satellite Broadcasting Technologies... 17 6.1. Satellite Broadcasting Transmission Efficiency Improvement... 17 6.1.1. DVB-S2X technologies (small roll-off, 16/32APSK)... 17 6.1.2. Multi-Polarization Transmission technology... 20 6.1.3. Satellite FTN technology... 22 6.1.4. Channel Bonding technology... 24 6.2. Satellite Broadcasting Service Availability Improvement... 26 6.2.1. MMT technology... 26 6.2.2. Hierarchical Modulation technology... 28 6.2.3. VCM Transmission technology... 32 6.3. Broadcasting and Telecommunication Convergence... 35 6.3.1. Sat-IoT technology... 35 6.3.2. Sat > IP technology... 38
광대역위성방송기술연구 ( 기술보고서 ) (TTA Technical Report on Wideband Satellite Broadcasting Technologies) 1. 개요 오늘날방송시스템에서사용되고있는주요기술들은대부분 1990년대에개발되어현재까지방송프로그램의제작및전송의모든과정에서널리활용되고있다. 방송분야의특성상수신기가대량으로설치되어운용되고있는상황에서는방송방식을수정하는것은어려운문제이다. 더욱이, 최근아날로그 TV 시대에서디지털 TV 시대로전환되면서프로그램제작및송출, 수신장비들을모두교체한상태이기때문에또다른방송시장의변화를기대하기는쉽지않은상황이다. 하지만, 현재의방송기술이개발된이후로 20여년의시간이지났으며, 최근의방송시청환경이크게변화하고있기때문에새로운방송기술에대한연구가각국에서활발하게진행되고있다. 방송환경변화의주된원인은방송전송망의다양화와방송콘텐츠의대용량화로요약할수있다. 고전적인방송서비스환경에서는방송망 (Broadcasting channel) 이사용자에서콘텐츠를전달하는주요전송수단이었다. 하지만, 오늘날방송망과함께인터넷및이동통신망이발전하면서사용자들의방송수신환경은급변하게되었다. 여러가지전송채널및보다다양한수신기를이용하여방송서비스를제공받는사람들이증가하고있다. 아울러, 방송콘텐츠자체도방송전송망의다변화에맞추어다양한요구사항을수용할수있도록변화가필요하다. 최근서비스경쟁이활발히진행되고있는 UHDTV 서비스제공을위해서기존에비해대용량의데이터처리를위한기술이요구되고있으며, 여러가지방송전송망의특성에따라하나의콘텐츠를다양한품질로전송하기위한기술들도논의가되고있다. 본보고서에서는이러한환경변화에대처하기위해서여러분야에서추진되고있는차세대방송기술개발현황을검토하고, 그중에서위성방송서비스분야에서활용할수있는기술들에대해서보다상세히기술하도록한다. 2. 기술보고서의구성및범위 다채널의고화질 HDTV 나다중언어및다채널음향, 강력한데이터서비스제공등의
실감방송서비스에대한요구에의해 Ka 대역위성방송기술의필요성이제기되어왔다. 광대역의주파수확보가용이한 Ka 대역은 HD/UHD 급다채널위성방송서비스에적합하나, 물이나산소와같은대기요인이나강우감쇠에매우민감하여화질열화나서비스두절의원인이되어적절한대응방안이제공되어야한다. 이러한문제에대한해결방안의일환으로 PG805에서는몇건의기술보고서를통해 Ka 대역위성방송서비스를제공하기위한강우감쇠특성및강우감쇠대처기술사항들을소개하였으며추후정합표준및기술기준제개정등에활용할수있을것이다. 이러한기술보고서에서는 Ka 광대역주파수를사용하기위한채널적응형위성방송기술의필요성을제시하였고사용주파수에따른강우감쇠특성분석결과및 Ka 대역에서위성방송의전송방식에따른서비스가용도분석결과와강우감쇠극복을위한적절한방안을제시하였다. 상기한바와같이기존 Ka대역위성송수신기술보고서에서는 Ka대역위성방송망에서의강우감쇠극복에관한내용을주로기술하고있다. 따라서, 2015년신규과제로작성되는본보고서에는광대역위성방송을위한차세대위성전송기술만을위주로하여별도작성한다. 이와같은목적으로지상파 / 위성분야에서논의되고있는차세대방송서비스기술의개요및DVB-CM UHDTV 에서논의가계속되고있는 UHDTV Phase-2 에대한내용을 5 장에서기술하며, 이중위성분야에서활용가능한차세대기술들을중심으로 6장에서기술하였다. 위성분야에서의차세대방송기술은전송효율개선기술, 서비스가용도증대기술및방송통신융합형서비스기술로구분하여기술하였다. 3. 참조표준 ( 권고 ) - 해당사항없음 4. 약어 ATSC BSS DTH DTMB DVB ETSI FOBTV FTN MIMO Advanced Television Systems Committee) Broadband Satellite System Direct-To-Home Digital Terrestrial Multimedia Broadcast Digital Video Broadcasting European Telecommunication Standard Institute Future of Broadcast Television Initiative Faster than Nyquist Multi Input Multi-Output
MMT OFDM VCM VSB MPEG Media Transport Orthogonal Frequency Division Multiplexing Variable Coding and Modulation Vestigial Side Band 정보통신기술보고서 ( 국문 )
5. 차세대방송기술개요 정보통신기술보고서 ( 국문 ) 본절에서는지상파방송및위성방송서비스분야에서논의되고있는차세대방송 기술연구현황에대해서기술하고, 아울러 DVB CM-UHDTV 그룹에서진행중인방송신 호표준화현황에대해정리한다. 5.1. 지상파방송분야 지상파방송분야에서는아날로그방송과의차별화를위해고화질의다채널 HDTV 서비스와이동방송서비스를제공하는것을목적으로발전되어왔다. 미국주도로는 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 에서 ATSC1.0 과 ATSC2.0 을거치면서디지털 HD 방송과이동방송서비스제공을위한기술을개발해왔으며, 유럽에서는 DVB-T 와 DVB-T2 기술을통해다채널 HDTV 서비스및초고화질서비스를위한기술을개발해왔다. 최근에는 UHD 서비스의등장으로 ATSC3.0 표준화가 2015년말제정을목표로진행중에있다. ( 그림 5-1) 지상파디지털방송표준기술개발현황 ( 그림 5-1) 은지상파디지털방송관련표준기술의개발현황을보이고있다 [R10]. ATSC 에서는 DTV 서비스를위해 1995년 VSB(Vestigial Side Band) 기반의 ATSC1.0을제정하였으며, ATSC1.0과역방향호환성을가지면서이동방송서비스및양방향방송서비스기능을제공하는 ATSC2.0 을거쳐현재는 2015년말을목표로 ATSC3.0 표준개발을진행중에있다. ATSC3.0 표준은기존수신기와호환성을갖지않는전혀새로운표준기술로서 UHDTV 서비스를비롯한다양한서비스제공이가능한기술이다. 유럽에서는 1997년 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술을적용한 DVB-T 표준기술을제정하여다채널 HDTV 서비스제공의기반을마련했으며, 이보다전송효율을 30% 이상향상시킨 DVB-T2 기술을 2009년제정완료하였다. DVB-T2 기술은
6MHz 대역에 1개의 UHDTV 채널데이터전송이가능하여 2014년국내에서이루어진지상파 UHDTV 실험방송의규격으로활용된바있다. 그외에 1999년에는일본에서 ISDB-T 표준을제정하였으며, 중국에서는 2006년에 DTMB(Digital Terrestrial Multimedia Broadcast) 표준을제정하여사용중에있다. ATSC 나 DVB 와별도로미래지상파방송기술개발및글로벌단일방송표준화와산업진흥을목적으로 2012년 4월 FOBTV(Future of Broadcast Television Initiative) 가공식적으로출범되었다. 초기에는 13개회원사로출발하여현재는방송표준단체, 연구소, 방송연합체, 방송사등을포함하여 71개회원사가활동하고있다. FOBTV 에서는여러가지 use case 분석을통해미래의방송환경및서비스를예측 하고미래의방송시스템은 ( 그림 5-2) 에서보는바와같이현재의방송시스템과는다 른형태가될것으로관측하고있다 [R12]. 콘텐츠 : 현재의오디오 / 비디오뿐만아니라라이브콘텐츠, 스트리밍, 파일등다양 한멀티미디어소스가사용될것이다. 전송채널 : 현재의단방향이아니라셀룰라, Wi-Fi 등을이용한양방향하이브리드채 널이활용될것이다. 사용자기기 : 현재의고정형대형스크린뿐만아니라다양한모바일디바이스를통 한서비스수신이이루어질것이다. ( 그림 5-2) FOBTV 에서제안한차세대방송시스템개념도
FOBTV 에서는이러한관측에따라참조계층모델을정립하고각계층에서의기반기술검토를진행중에있다. 여기서논의되는주요기술로는클라우드전송기술, MIMO 기술, 리턴링크기술, 통신망연동기술등이있다. 5.2. 위성방송분야 위성방송분야에서는 DVB 기술표준이전세계 68% (2011년기준 ) 이상의점유율을차지하고있다. 이러한추세는 2014년완료된 DVB-S2X 표준기술의등장으로인해더욱강화될것으로예측된다. DVB-S2X 기술은 2005년에완료된 DVB-S2 기술보다 20~50% 의성능향상을목표로제정되었다. DVB-S2 기술이유럽에서 HDTV 서비스가본격화되기시작한 2005년에제정된이후에시장에서는보다효율적인기술들이등장하게되었고, 이러한시장변화를수용하기위해 DVB에서는 DVB-S2X 기술표준제정을승인하였다. DVB-S2X 기술표준은다양한응용분야에적용하기위한동작 Es/No 범위확대, 광대역중계기의효율적인활용, 스펙트럼효율및 link robustness 극대화등의요구사항을만족하기위해다음과같은기능이추가되었다. A finer gradation and extension of number of modulation and coding modes Smaller roll-off options of 5%, 10% and 15% (in addition to 20%, 25% and 35% in DVB-S2) New constellation options for linear and non-linear channels Additional scrambling options for critical co-channel interference situations Channel bonding of up to 3 channels Very Low SNR operation support down to -10 db SNR Super-frame option A high-efficiency BBFrame mode (GSE-HEM) to transport GSE/GSE-Lite packets 위와같은다양한기능들로인해 ( 그림 5-3) 에서보는바와같이 DVB-S2X 기술은 DVB-S2 기술에비해 DTH 분야에서 43% 정도많은 TV 채널을전송할수있는것으로 분석되었다 [R13]. DVB-S2x 기술표준화에대한요구가제기되었던 2012년당시에도 DVB-S2 기술의성능을향상시킬수있는보다혁신적인방안들이확인되었다. 따라서, 표준화작업초기에는새로운변조방식이나채널코딩방식등을포함한보다진보된기술들도논의가되었으나, CM-BSS 에서는이러한기술들을표준에적용하기는아직이르다는판단과최근의기술향상요구의시급성을고려하여표준화완료시기를 2013년말까지로규정하였다. 당시에논의되었던 FTN 기술을포함해서 SC-OFDM과같이보다혁신적인기술들이 DVB-S2x 표준과별도로계속해서논의가진행중이며, DVB-S3 로명명될수있을정도의기술적진보가산업적측면에서가능한시점에서신규표준화가재개될것으로예상된다.
( 그림 5-3) DVB-S2 기술과 DVB-S2X 기술의 DTH 분야성능비교결과 5.3. DVB UHDTV 표준화분야 DVB에서는지상파및위성방송전송표준기술개발외에도 UHDTV 서비스를위한별도의기술개발을진행중이다. UHDTV 방송서비스규격제정을위해 2012년 12월 CM-UHDTV 활동이시작되었으며, 2014~2015년경서비스가가능한기술수준을바탕으로 UHD-1 Phase 1에대한 Commercial Requirement 작업을완료하였고, 현재 2017~2018년서비스가가능한기술수준을바탕으로 UHD-1 Phase 2에대한 Commercial Requirement 작업을진행중에있다. ( 그림 5-4) DVB UHDTV 규격제정계획
( 그림 5-4) 에서와같이 DVB UHD-1 Phase-1 기술은 2015년경서비스가가능한수준의기술을바탕으로규정이되었기때문에기존 HDTV 서비스에서해상도만 4K 급으로향상된형태이다. 이러한 DVB UHD-1 Phase-1 에대한 commercial requirements 는 2013년 11월에완료되고이에대한표준규격이 2014년 7월에 DVB SB(Steering Board) 의승인을거쳐최종적으로 2015년 3월 ETSI 표준으로공포되었다 [R11]. 현재는 DVB CM-UHDTV에서 UHD-1 Phase-2 에대한 Commercial requirements 작업을진행중에있다. UHD-1 Phase-2 는 2017/2018년경서비스가가능한기술수준으로규격작성하는것을목표로하기때문에 2016년 3분기까지는규격완료를계획하고있다. 하지만, 최근 100~120 fps 의 frame rate 을지원하는 HFR(High Frame Rate) 시스템의기술성숙도에대한논의가계속되고있다. HFR 에대한다양한의견을수용하기위해 UHD-1 Phase-2 규격준비를 Phase-2a 와 Phase-2b 로분리하여진행하고있다. Phase-2a 시스템에대해서는기존의계획대로 2016년 3분기완료를목표로하고있지만, Phase-2b 시스템에대해서는정확한완료시점을정하지못하고있는상태이다. 이와같은현재의상황을고려하여 DVB CM-UHDTV 에서진행되고있는규격작업현 황은다음표와같다. 아래내용은표준화진행상황에따라변경될수도있다. < 표 5-1> UHDTV 규격진행현황 Resolution Aspect ratio Frame rate Bit depth Color space specification timeline HD 1920x1080 16x9 up to 60 8, 10 BT 709 UHD-1 Phase-1 3840x2160 16x9 up to 60 8, 10 BT 709 1Q 2014 (Completed) UHD-1 Phase-2a UHD-1 Phase-2b UHD-2 3840x2160 16x9 3840x2160 16x9 7680x4320 16x9 up to 60 8, 10 BT 2020 3Q 2016 up to 120 10, 12 BT 2020 3Q 2017 up to 120 10, 12 BT 2020
6. 차세대위성방송전송기술 정보통신기술보고서 ( 국문 ) 본절에서는위성방송분야에서차세대방송기술로서연구되고있는항목들에대해서보다상세히기술한다. 위성방송분야에서도마찬가지로방송콘텐츠의대용량및방송전송망의다양화로인한환경변화에능동적으로대처하기위한기술개발들이진행되고있다. 이러한기술들은방송주파수대역의효율적인사용을통해대용량의데이터를전송하기위한전송효율개선기술과 Ka대역등을고려한서비스가용도개선기술, 방송통신망융합을통한새로운형태의방송서비스를제공하기위한기술들로구분할수있다. 6.1. 광대역위성방송전송효율개선기술 한정된위성주파수의효율적인사용을위한연구는꾸준히지속되어왔다. 여기에는최근표준화가완료된 DVB-S2x 기술에서채택된 small roll-off 사용과고차변조기술, 다중편파전송기술및위성 FTN 기술이해당된다. 이와아울러멀티미디어데이터의고용량화와위성중계기의광대역화추세에따라기존의 27/36MHz 대역의중계기를효과적으로사용하기위한채널본딩기술등이제안되고있다. 6.1.1. DVB-S2X 기술 (small roll-off, 16/32APSK) DVB-S2 기술은 2005년에제정된이래 10년가까이지난기술이며 DTH 서비스에중점을두고개발된규격이다. 이로인해최근응용분야에따라보다향상된기술수요가제기되었으며, 새로제정된 DVB-S2x 에서는 video contribution 이나 IP Trunk 와같은 professional application에서요구되는높은스펙트럼효율을지원함과동시에 -10dB 이하의낮은 C/N 에서도동작할수있도록개발되었다. 아래 (( 그림 6-1) 에서보는바와같이 DVB-S2x 기술은위의여러가지기술항목들로인해이론적전송용량한계인 Shannon-limit 에보다부드러운곡선으로근접하게되었으며, 15~20dB 의높은 SNR 구간과 -3~-10dB 의낮은 SNR 구간에서도동작할수있어보다다양한응용분야에서활용이가능하게되었다. 이러한결과로 DVB-S2x 기술은기존의 DVB-S2 기술에비해 DTH 분야에서는 20% 정도, professional application 에서는 51% 정도의시스템성능을향상시킬수있다.
( 그림 6-1) DVB-S2x(RO=5%) 와 DVB-S2(RO=20%) 의성능비교 [R3] DVB-S2x 규격에서도 DVB-S2 규격과마찬가지로응용분야에따라서로다른기술조합들을사용할것을규정하고있다. DVB-S2x 규격에서정의된모든항목들은 DVB-S2 규격을따르는모든송수신장비들에있어서선택조항 (Optional) 이지만, DVB-S2x 규격에호환하는장비들은해당응용분야에따라강제조항 (Normative) 표시된항목들은최소한지원되어야한다. DVB-S2X 기술에서전송효율개선을위해추가된항목은고차변조기술및다양한코드레이트추가를통한신규 MODCOD 도입과 roll-off factor 의확장이다. 기존 DVB-S2 기술에서는 QPSK/8PSK/16APSK/32APSK까지지원이되었으나, DVB- S2x 기술에서는 Normal frame에대해 256APSK까지확장되었으며, 방송분야에서는 32APSK까지만강제조항으로규정되어있지만, Professional services인경우에는 256APSK까지모두강제조항으로포함하고있다. 또한, 코드레이트도 granularity 를높이기위해기존의 11개에서 27개로대폭확장하였다 (Normal Frame 기준 ). Roll-off factor 도대역폭사용효율을증대시키기위해추가되었다. DVB-S2 기술에서는 20/25/30% 값을사용하도록규정되었으나, DVB-S2x 기술에서는이보다낮은 5/10/15% 값을추가하여대역폭효율을증가시키도록하였으며, 모든응용분야에서강제조항으로구현하도록규정하고있다. 하지만, 더작은 roll-off factor 를적용하기위해서는고성능등화기 (Equalizer) 등을수신기에서구현해야하기때문에 roll-off factor 값변경으로인한직접적인이득에비해실질적인이득은다소감소하는경향이있다. n 신규 MODCOD 도입 기존의 DVB-S2 규격에서는 QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK 의 4 가지변조방식을지원
하였으나, DVB-S2x 규격에서는이에추가적으로 64APSK, 128APSK, 256APSK 가포함되었다. 신규로추가된변조방식의경우 Broadcast service 에대해서 64APSK는선택조항 (O;Optional), 128/265APSK는비적용조항 (NA; Not Applicable) 으로정의되어있어새로운고차변조방식지원에따른성능향상은반영되지않는다. 하지만, DVB-S2 규격에서는선택조항으로규정되었던 QPSK 낮은코드레이트 (1/4, 1/3, 2/5) 와 16/32APSK 가 DVB-S2x 규격에서는강제조항으로규정되어보다낮은 SNR 영역과높은 SNR 영역으로서비스범위가확장되었다. 이러한고차변조방식의지원과아울러다양한코드레이트가추가됨으로써이론적한계 성능에더욱부드럽게근접하는성능을제공하게되었다. 이에따라채널이가변하는환 경에서보다섬세한시스템운용이가능하기때문에 ACM 이득을높일수있게되었다. 고차변조방식과다양한코드레이트추가로인한새로운 MODCOD 의도입으로방송분야에서는전송속도증가를예상할수있다. 5.5~6.5dB 의 SNR 구간에대해서 DVB-S2 기술을사용하는경우에는 QPSK 의높은코드레이트를사용해야했으나, DVB-S2x 기술에서는 8PSK 의낮은코드레이트를사용할수있기때문에전송효율을증가시킬수있다. 예를들어, ( 그림 6-2과같이유사한환경에서 (BW=33MHz, SNR 7dB) DVB-S2 기술로는 8PSK 3/4 MODCOD를사용하여 62Mbps 를전송할수있으나, DVB-S2x 기술로는 16APSK 18/30(=3/5) MODCOD 를사용하여 72Mbps 를전송함으로써 16% 이상의전송이득을얻을수있게된다. ( 그림 6-2) DVB-S2 와 DVB-S2x 변조방식의성능비교 [R4] n Small roll-off 도입 DVB-S2x 규격에서는 DVB-S2 규격에서정의하는 roll-off factor(30%, 25%, 20%) 외에 15%, 10%, 5% 의 3 가지낮은 roll-off factor 를추가하였다. 일반적으로위성사업자들은 인접채널간간섭을고려하여 (1+roll-off) 방식을적용하여대역폭을운용한다. 예를들
어, 27MHz 대역에서 20% roll-off factor 를사용한다면전송할수있는데이터심볼레이 트는 27MHz/(1+0.2) = 22.5Mbaud 로맞춰진다. 이러한기준을사용하는경우, 낮은 roll-off factor 를사용하는경우의전송이득은 roll-off factor 차이에비례하게된다. 하지만, 전송심볼율이증가함으로써잡음대역폭이증가하기때문에실제로발생하는전송이득은아래표와같이 roll-off 차이의절반정도가된다. < 표 6-1> small roll-off 적용시전송이득 (BW=36MHz) [R5] roll-off Max allowed symbol rate(mbaud) Best case Gain Typical Gain 20% 30 baseline baseline 15% 31.3 4.3% 2.4% 10% 32.7 9.1% 5.0% 5% 34.3 14.3% 7.7% 6.1.2. 다중편파전송기술 기존의위성방송은단일편파 ( 수직 (Vertical) 또는수평 (Horizontal) 편파 ) 를이용하여위성방송서비스를제공중에있으나, 향후 4K 및 8K UHD 등고화질의위성방송서비스제공을위해서는현재사용되고있는위성중계기전송량의증대가필요하다. 일반적으로위성전송기술의개념으로는전송량을 2배향상하기위해서는두배의전송대역폭이필요하다. 하지만전송용량증대를동일주파수대역에서수직과수평편파를동시에사용하면대역폭의증가없이전송량의향상이가능하다. 또한, ( 그림 6-3 (a) 와같이두편파면사이에새로운편파면을추가하여신호를전송하면전송효율은더향상이가능하고이기술은다편파다중전송기술이라고한다. 즉, 기존의위성방송에서는하나의편파면에 QPSK 변조신호를전송하였다면, 다편파다중전송기술은 3면 (V, H, P 면 ) 에각각 QPSK 변조신호를전송하는것이다. (a) 다편파전송개념
(b) 다편파다중전송기술을적용한위성전송시스템개념도 ( 그림 6-3) 다편파다중전송기술개념도 ( 그림 6-3 (b) 는다편파다중전송기술을적용한위성전송시스템개념도로추가된편파면 P의성분은수직및수평편파에사영 (Projection) 되어된다. M 개의입력스트림이라가정하고임의의편파면에할당전송하는것을수식으로표현하면식 (1) 과같이쓸수있다. ( ) ( ) = (1) cos sin ( ) 이때, M 은다중화된편파면개수, m 은편파면이고,,, 은각각진폭, 편파각 및 m 번째가상편파면이다. 식 (1) 을일반화하면식 (2) 와같이표현할수있다. ( ) ( ) = (2) ( ) 여기서 과 은복소계수이다. 이와같이송신된신호는최대우도검출법 (Maximum Likelihood Detection) 에의해신호를복원할수있으며, 이를식으로표현하면 식 (3) 과같다. ( ) = arg min ( ) ( ) + ( ) ( ) (3)
이때, 기준식은식 (4) 와같다. 정보통신기술보고서 ( 국문 ) ( ) ( ) = (4) ( ) 여기서 n 은수직및수평편파면의성좌점, N 은심볼당전송 bit 개수이고, 은삽입 된편파면성좌점이다. 다편파다중전송기술이적용된송수신기의구성도는 ( 그림 6-4 과같다. (a) 송신기구조 (b) 수신기구조 ( 그림 6-4) 다편파다중전송송수신기구성도 6.1.3. 위성 FTN 기술 인접심볼간섭 (Inter-symbol Interference, ISI) 은송신되는심볼이부분적으로혹은전체적으로인접한심볼에간섭을주는현상을의미한다. 이는수신기의수신성능의열화를일으키는원인이된다. 이런인접심볼간섭현상을피하고자 Nyquist 이론에따르면아래수식과같이심볼을송신해야한다. 즉자기심볼의위치에서만 1이되어야하며, 심볼주기의배수가되는위치에서는 0이되어심볼들간의직교성이유지되어야한다. x(nt) = 1 = 0 0 0 여기서신호 x(t) 의샘플값을 x(nt) 라고하고, 1/T 은 symbol rate 를의미한다.
(a) Nyquist 심볼율에따른신호 (b) FTN 에따른신호 ( 그림 6-5) 전송기법에따른시간영역에서의신호파형 FTN(Faster than Nyquist) 기술은이러한 Nyquist 심볼율보다빠른심볼율를가지는것을의미한다. 이는전송효율의증대효과를가져오지만 zero ISI가깨어져인접심볼간섭 (ISI) 가발생하게된다. 따라서인접심볼간섭을제거할수있는기술이수신기에필요하게된다. FTN기술은송신단에서 Nyquist 심볼율보다빠르게전송하는부분과수신단에서발생된인접심볼간섭을제거하는등화기법을포함한다. 등화기법으로는일반적으로 BCJR(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv) 알고리즘을기반으로한터보등화기법이사용되는데 FTN 전송에의한 ISI의길이가긴경우등화기내부연산량이지수적으로증가한다. 따라서이들복잡도를줄이는것이구현측면에서주요이슈분야이며, 한방법으로 M-알고리즘기반의 M-BCJR이제안되었다. M-BCJR은 BCJR 의복잡도를낮추기위해순방향 (Forward) 과역방향 (Backward) Path metric 중주요한 M 개성분만골라서계산하는방식을사용한다. FTN기술에따른대역효율은아래수식과같이정의할수있다. η = log (1 + ) 여기서 τ는 FTN 기술에서의심볼율증가지수이며, Rc는채널코딩레이트, M은변조방식의알파벳 (ex. QPSK=4, 8PSK=8), α는 roll off factor이다. 아래그림은위성방송표준전송기술에따른전송속도그래프이다. 동일한 C/N에대하여 DVB-S2X는 S2보다 10% 향상된대역효율을보이며, 위성 FTN 기술은 DVB-S2X에비해 6% 전송효율을높일수있을것으로예상된다. 이를위해서 FTN과연접했을때최적의성능을내는부호기법에대한연구가있어야한다.
( 그림 6-6) 위성방송표준기술에따른전송속도 6.1.4. 채널본딩기술 DVB-S2 규격에서는하나또는여러개의입력스트림을하나의위성중계기를통해전송하도록설계되었다. DVB-S2 규격의제정당시의방송분야의주요관심사항은 H.264 AVC 를이용한다채널 HDTV 서비스를제공하는것이었다. 다채널서비스를중요시하는것은통계적다중화 (SM; Statistical Multiplexing) 를통한전송효율을얻을수있기때문이다. CBR(Constant Bit Rate) 방식을사용하는경우에는채널당고정대역폭을할당하여야한다. 하지만, 통계적다중화방식에서는뉴스프로그램과같이움직임이적은비디오에는낮은비트율을할당하고, 스포츠화면과같은비디오에는높은비트율을할당하게된다. 따라서, 통계적다중화이득은최대데이터율과최저데이터율의차이가클수록커지게된다. 통계적다중화이득은실제사용되는영상에따라달라지지만일반적으로아래 (( 그림 6-7) 과같이채널수와비례하여증가한다. 이와같은이유로보다많은채널을하나의중계기로다중화하여전송하는것이중요하다. ( 그림 6-7) 채널수에따른통계적다중화 (Statistical Multiplexing) 이득
H.264 AVC 를이용하여 HDTV 한채널을전송하는데 CBR(Constant Bit Rate) 기준으로 10Mbps가요구된다. 일반적으로 36MHz 위성중계기하나로 60Mbps 정도전송하기때문에 DVB-S2 규격제정당시의다채널 HDTV 서비스를고려했을때, CBR 방식을사용하는경우중계기하나로 6개의 HDTV 채널을전송할수있다. 하지만, 20% 의통계적다중화이득을고려한다면, 중계기하나로 7개이상의 HDTV 채널을전송할수있게된다. 하지만, 2013년도에 HEVC 비디오코덱표준이제정되고 DVB 에서 UHDTV-1 표준이제정됨에따라대용량데이터전송이요구되는 UHDTV 서비스가부각이되기시작했다. 단순히 HDTV 의 4배해상도를갖는 UHDTV-1 서비스와 HEVC 코덱사용을가정하는경우, 하나의 UHDTV 채널은 20Mbps 의데이터율이필요하다 (10Mbps * 4배해상도 / 2 배압축성능 = 20Mbps). 이경우 CBR 기준으로하나의중계기를통해 UHDTV 3 채널밖에는전송하지못하기때문에통계적다중화이득은 12% 로감소하여통계적다중화를하더라도채널수를늘리지못한다. DVB-S2x 규격에서는위와같은이유로인해통계적다중화이득을증가시키기위해최대 3개의중계기용량을묶어서사용하는채널본딩기능을도입하였다. << 표 6-2> 에서보는바와같이 2개의중계기를본딩하는경우, 8% 정도의다중화이득이증가하며, 3개의중계기를본딩하는경우에는 12% 정도의이득이증가하여각각 1.5개와 2.8개의 UHDTV 채널을추가적으로전송할수있게된다. < 표 6-2> 채널본딩을통한통계적다중화이득비교 중계기 대역폭 총전송가능 데이터율 [Mbps] 채널 비디오 코덱 채널당 데이터율 [Mbps] 전송가능 채널수 (without SM) SM 이득 전송가능 채널수 (with SM) 36MHz 60 HD AVC 10 6 20% 7.5 36MHz 60 UHD HEVC 20 3 12% 3.4 72MHz 120 UHD HEVC 20 6 20% 7.5 108MHz 180 UHD HEVC 20 9 24% 11.8 아래 ( 그림 6-8) 은채널본딩기능을구현하기위한송신기의구조를보이고있다. 본딩된중계기용량에맞는 big Transport Stream(TS) 가송신기에입력된다. SPLITTER 에서는입력된 big TS 스트림을각각의채널용량에맞도록분리한다. 동일한대역폭을갖는 2개의중계기가본딩된경우의예로들자면, TS 패킷별로 1번채널에한번, 2번채널에한번씩교대로 TS 패킷이입력된다. 1번채널에 TS 패킷이입력될때 2번채널에는 Null 패킷이대신채워진다. 2번채널로입력 TS 패킷이입력되는경우도마찬가지로 1번채널에는 Null 패킷이채워진다. 이렇게각각의채널로분리된스트림들은각각의 DVB- S2x 변조기에입력된다. DVB-S2x 변조기의모드적응부에서는동기화된클럭에의해입력타임스탬프가붙여지고 (ISSY 기능 ), SPLITTER 에서채워진 Null 패킷은 Null Packet
Deletion(NPD) 블록에서제거되기때문에실제로는각각의채널용량에맞는스트림이출력된다. 수신기구조는이와반대순서로구현되며, 타임스탬프정보를이용하여정상적으로 bit TS 스트림을복원할수있게된다. 다. 이러한채널본딩기능은다중튜너기능이내장된수신기를통해서만지원이가능하 ( 그림 6-8) 채널본딩기능의송신기구현개념도 (TS 패킷전송시 ) [R2] 6.2. 위성방송서비스가용도개선기술 위성방송서비스에있어서서비스가용도개선은가장중요한문제중의하나이다. 최근 Ka 대역주파수사용에대한요구가증가함에따라서비스가용도이슈는더욱중요해지고있다. 이러한위성방송서비스가용도개선을위한기술로는최근 MPEG-H 표준에서다양한방송환경에서의적응성을극대화하기위한방안으로추가된 MMT(MPEG Media Transport) 기술과계층적전송기술 (Hierarchical Modulation), DVB-S2 표준에서적용된 VCM(Variable Coding and Modulation) 기술등을고려할수있다. 6.2.1. MMT 기술 기존의방송시장은고정형 TV 를통한시청환경이대부분을차지해왔으며, 이러한방송시청환경에서지상파및위성, IPTV 등의다양한매체에서 MPEG-2 TS 패킷구조를이용한방송데이터전송방식이수십년이상사용되어왔다. 하지만, 최근의방송시청환경은기존의 TV 는물론컴퓨터나모바일디바이스를통한시청이급증하고있으
며, 지상파및위성방송등의무선방송망및 IPTV 등의광대역유선망이외에 LTE 및 Wi-Fi 등의통신망을통해멀티미디어방송컨텐츠를사용하는계층이늘어가고있다. 이와같이인터넷기반의다양한서비스환경에서방송서비스를제공하기위해서는기존의 MPEG-2 TS 패킷구조를사용하는전송방식의순서적이고통합적인다중화방식의한계가드러나게되었다. 새로운환경에적응하기위해서는개별멀티미디어데이터구성요소들에보다쉽게접근할수있어야하며, 멀티미디어데이터의저장및전송포맷간의전환이용이해야한다는새로운요구사항이등장하게되었다. 이러한요구사항을만족하기위해 2009년부터표준화작업이진행되어, 2014년 6월에 ( 그림 6-9) MMT 프로토콜구조 ISO/IEC 23008-1 규격으로 MMT 표준이제정되었다 [R6]. MMT 규격에서는다양한멀티미디어데이터구성요소들을효과적으로패킷화하기위한여러가지구조적인툴을제공하고있으며 (Encapsulation Function), 이러한멀티미디어데이터패킷을다양한전송네트워크에맞추어전달하기위한기능 (Delivery Function) 과이러한다양한툴들간의구성정보를제공하기위한기능 (Signaling Function) 이제공된다. ( 그림 6-9) 에서는이러한 MMT 의프로토콜구조를보이고있다. 이러한 MMT 기술은콘텐츠의여러가지구성요소들을개별적으로처리하여전송이가능하기때문에기존의방송서비스에서이를활용한보다유연한방송서비스를제공하기위한시도가이루어지고있다. 국내에서도지상파방송에서 MMT 기술을이용한개방형하이브리드 TV 서비스에대한표준화를 2010년 12월에완료하였으며, 일본의 NHK 에서도 SHV(Super High Vision; 8K UHD) 위성방송서비스의가용도개선을위해사용하
고자하는계획을발표한바있다. 정보통신기술보고서 ( 국문 ) ( 그림 6-10) MMT 기술의위성방송적용예 [R8] ( 그림 6-10) 에서는 MMT 기술을지상망과의하이브리드전송을통해위성방송서비스의가용도를개선할수있는적용예를보이고있다. 이러한개념은여러가지멀티미디어구성요소들을분할전송함으로써위성망전송부담을줄이기위한목적으로사용도가능하다. (( 그림 6-11) 에서는보다다양한 MMT 기술의응용개념을보이고있다. 상기예에서와같이보다신뢰성있는방송서비스를위해이종망을통한방송데이터전송방식이고려될수있다. 이러한경우, 서로다른방송망을통한데이터간의동기화문제는 UTC(Universal Time Coordination) 을사용함으로써해결한다. 또한, MMT 기술을이용하여고화질방송화면상에위젯 (widgets) 이나 CG (Computer Graphics) 등을브로드밴드망을통해추가적으로수신함으로써보다다양한화면구성이가능할것이다. ( 그림 6-11) 다양한 MMT 응용개념도 [R9] 6.2.2. 계층적전송기술 (Hierarchical Modulation) 계층적변조방식은 DVB-S2X 표준의요소기술로논의되었던전송기술로써, 여러개의데이터스트림을하나의심볼스트림으로다중화및신호변조하여동시전송하기위한신호처리기술이다. 계층적변조방식은크게 Layered modulation과 Cluster mapping modulation 이라고하는 2개의방식으로나뉘어진다. 먼저 Layered modulation은 Fraunhofer Institute에서제안한계층적변조방식으로변조과정중에최악의채널상태를견뎌야하는스트림데이터에는가장큰파워를할당하여복조과정시 high priority (HP) 를주고, 최상의채널상태에서만복원되는스트림데이
터에나머지파워를할당하여복조과정시 low priority (LP) 를부여한다. 파워할당후에는이들데이터를더하여전송을수행하며, 이때 DVB-S2 표준을완전히준수함으로써기존송신기구조에거의변화를주지않는다는장점이있다. 이를수식으로표현하면아래와같으며, 파워할당 factor인 β가성능에영향을줄수있다. 1 b x t x t x t TX 1+ b HP 1+ b LP ( ) = ( ) + ( ), ( b : power scaling factor) 아래 ( 그림 6-12은 Layered modulation 방식을적용한송수신기의구조도를나타낸다. 송신기는앞서기술한바와같이데이터스트림들의파워할당을조절한뒤이를더한후전송신호를내보내며, 수신기는수신된신호중파워가강한 HP 신호를먼저복조및복호과정을수행하여복원한다. 그런후, 이를재부호및재변조하여수신신호에서빼줌으로써파워가약한 LP 신호를구분한뒤이를복조및복호하면 LP 신호를복원할수있다. ( 그림 6-12) Layered modulation 송수신기구조도 Layered modulation 방식으로구성된신호의성좌도는아래 ( 그림 6-13) 과같이 uniform하게나타낼수있으며, 빨간색심볼은 HP 데이터를나타내며, 파란색심볼은 LP 데이터를각각의미한다. 아래예시는 64APSK 변조방식으로써 HP는 16APSK 변조방식이, LP에는 QPSK 변조방식이각각적용되었다. HP를복조할때에는그주위에있는 LP 심볼들이 HP 심볼덩어리로인식이되며, 따라서 HP 성분을제거한뒤부터 LP의복조가가능하게된다. 아래그림의왼쪽성좌도는 LP에할당된파워가오른쪽성좌도보다큰경우를의미하며, 이로인해 LP 심볼이 HP 심볼에서좀더떨어져있음을확인할수있다.
(a) β= 12dB (b) β= 14dB ( 그림 6-13) Layered modulation 성좌도 : 64APSK (HP: 16APSK, LP:QPSK) 다음으로 Cluster mapping modulation은 Mitsubishi Institute 에서제안한방식으로 Layered modulation과달리 non-uniform한성좌도를기반으로스트림데이터를매핑한다. 송수신기구조도는아래 ( 그림 6-14) 과같으며, 다중스트림데이터를각각부호화한뒤동시에 cluster mapping을하여변조한다. 수신기에서도이를함께복조한뒤, 이를나누어부호화과정을수행한다. 이방식은기존성좌도 mapping을변경해야하므로 DVB-S2 송신기구조의변화가필요하다. ( 그림 6-14) Cluster mapping modulation 송수신기구조도 x( k, n) 이를대략적인수식으로표현하면아래와같으며, 기존의 APSK 성좌도수식을 기반으로파워할당 factor b 를이용한신호처리를통해새로운 cluster mapping 성좌 ' c (, ) 도수식 x k n 로변경하고있다. 이러한방식으로표현되는성좌도는아래 (( 그림 6-15) 과같다. 아래예시는 32APSK 변조방식으로써 HP는 QPSK 변조방식이, LP는 8PSK 변조방식이적용되었으며, non-uniform 하게성좌도가분포하는것을확인할수있다.
' c 정보통신기술보고서 ( 국문 ) æ æ 2p n öö x( k, n) = Rk exp ç j ç + fk : x-apsk constellation N è è k øø ( ( ) ( ( ( )))) ( ) ( ) b ( ( )) x k, n = x k, n + sign Re x k, n + j sign Im x k, n ( 그림 6-15) Cluster mapping modulation 성좌도 : 32APSK (HP: QPSK, LP: 8PSK) 계층적변조방식의효율성을증명하는그래프가아래 (( 그림 6-16) 와같이표현된다. 이를위해 cluster mapping modulation이적용되었으며 time sharing하는두개의수신기에서각각스펙트럼효율성을측정하여비교하였다. 비교대상이되는 classical time sharing 에서는송신기에서 8PSK와 16APSK를조합하여송신하며, time sharing을조절함에따라스펙트럼효율결과는점선커브로나타내고있다. 반면 cluster mapping modulation은 16APSK 변조방식을사용하였으며, 마찬가지로 time sharing을조절함으로써빨간색실선으로스펙트럼효율결과가나타난다. 결론적으로효율성이기존에비해향상하는것을확인할수있다.
( 그림 6-16) 스펙트럼효율성비교 6.2.3. VCM 전송기술 강우에의한방송서비스중단을방지하기위한방안으로서서비스의중단확률을줄이기위한목적으로 VCM (Variable Coding and Modulation) 전송기술을활용할수있다. VCM 전송방법은송신전력이나대역폭의증가없이데이터의중요도에따라차등적으로채널의신뢰도를다르게할당하여전송하는방법이며, 강우에의해신호품질이급격히악화될때서비스품질을희생 ( 낮은데이터율 ) 하는대가로서비스중단확률을낮추도록제안된전송기법이다. 따라서가변부호, 변조전송기법에서는영상신호의화질및데이터율에따라데이터의중요도를서로다르게배치하여신호의감쇠를보상하도록한다. VCM 전송기술은 DVB-S2 표준에서방송서비스분야에서강제조항으로지원되어야하는기술로서, 서로다른전송방식 (Coding and Modulation 방식 ) 을하나의캐리어를통해전송할수있는방식이다. DVB-S2 표준은프레임단위로특정한전송방식을적용할수있기때문에, 서로다른품질의방송스트림을프레임단위로구분하여각각다른전송방식을적용함으로써개별방송스트림에대해채널특성이다른서비스를하나의전송신호 (carrier) 로전송할수있게된다.
( 그림 6-17) DVB-S2 VCM 전송개념도 이러한 VCM 방식을방송서비스의가용도개선을위해서다음과같은시나리오가사 용될수있다. n VCM + SVC 전송방법 HD 급의영상소스를계층적으로부호화 (SVC, scalable video coding) 하여표준화질의기저계층 (base layer) 영상데이터는강우환경에강한 MODCOD 로전송하고, HD 급의화질을제공하기위한고화질의확장계층 (enhancement layer) 영상데이터는높은전송효율을갖는 MODCOD 로전송한다. 수신기는강우시엔기저계층영상을수신하여 SD 급의화면을제공하고, 맑은날은기저계층과확장계층의영상을동시에수신하여 HD 급의화면을제공하도록한다. 이시나리오를위해서는 SVC 인코더 / 디코더가내장된장비가요구되지만, 고화질영상에대한 SVC 코덱개발이활발하지않아실용화에는한계가있는방식이다. n VCM + 동시전송 (simulcasting) 전송방법 HD 급및 SD 급과같이화질이다른영상신호를시간다중화하며, 요구 CNR 이다른두개이상의부호 변조방식을사용하여시간다중화된영상을전송하는방법이다. 예를들면 SD 급의화질은강우환경에강한 MODCOD 로전송하고, HD 급의화질은높은전송효율을갖는 MODCOD 로전송하는방식으로 HD 급및 SD 급영상을동시전송 (simulcasting) 하도록하도록하여수신지역의채널환경에따라 STB 에서최적의방송이선택되도록한다. n Ku+Ka 대역 Dual 채널전송방법 현재방송중인 Ku 대역위성과새로운 Ka 대역위성을상호결합하여방송서비스가용도를개선하기위한방안으로 SVC 및 Simulcasting 방식과연계하여운용이가능하다. 표준화질의 SVC 기저계층 (base layer) 영상데이터또는 Simulcasting 방식의 SD 급영상데이터는강우환경에강한 Ku 대역위성으로전송하고, HD 급의화질을보기
위한고화질의확장계층 (enhancement layer) 영상데이터또는 Simulcasting 방식의 HD 급영상데이터는 Ka 대역위성으로전송한다. 수신기는이중튜너를활용하여 Ku 대역과 Ka 대역의신호를동시에수신하며, 강우시 Ka 대역튜너의입력신호가열악하여복원이안되어도 Ku 대역튜너는기저계층의원신호를복원하기때문에 SD 급의화면을제공할수있다. 또한맑은날은 Ka 대역과 Ku 대역의신호가복원되기때문에복원된기저계층과확장계층의영상을이용하여 HD 급의화면을제공하도록한다. 본방식은현재방송되는 Ku 대역방송과역방향호환되는특징을갖는다. ( 그림 6-18) VCM 전송기술서비스개념도 VCM 전송기술은 SVC/Simulcasting 방식및 Dual band 방식과아울러서기존의 AVC 코덱과최근차세대비디오압축기술로활발하게개발되고있는 HEVC 코덱방식을혼용하는시나리오와도함께적용될수있다. 아래표는이와같은여러가지기술요소들과 VCM 전송방식을결합하여적용가능한시나리오들을정리하고있다.
< 표 6-3> VCM 전송기술적용시나리오 정보통신기술보고서 ( 국문 ) 6.3. 방송통신융합서비스기술 최근의방송서비스환경변화의주된흐름은통신망또는통신서비스를방송서비스와연계하고자하는것이다. 모바일디바이스등다양한방송시청플랫폼이등장하게되었고, 여기에사용되는콘텐츠를방송환경에서도동일하게이용하기위해 All IP 기반의데이터포맷을지원하기위한기술들이고려되고있다. 이러한환경변화에따라다양한형태의방송통신융합서비스가연구되고있으며, 본절에서는위성방송분야에서통신서비스기능과연계된서비스확장기술로서 Sat-IoT 기술과 SAT>IP 기술에대해설명한다. 6.3.1. Sat-IoT 기술 지구상에는아직도물리적인이유로인터넷연결서비스를지원하지못하거나다수의섬들과인구밀집도가높지않아경제적인타당성이맞지않아인터넷연결서비스가이뤄지지않는곳이여전히많다. 또한선박, 비행기, 고속전철등도역시지상망을통해서는원활한인터넷연결서비스가제공이어려우며, 이러한곳들에대해가장손쉽게연결성 (connectivity) 을제공할수있는방법이위성을이용하는것이다. 최근디바이스들간의상호연결성 (Inter-connection) 을통해새로운서비스와가치를만드는 Internet of Things (IoT) 기술이주목받고있다. IoT 는수많은디바이스들이인터넷인터페이스를통해연결성 (Connectivity) 를갖게되고, 이러한연결성을바탕으로모든사물이인터넷에연결되어기계와기계간 (Machine to Machine) 간또는사람과기계간연결이자유롭게이뤄지는서비스를말한다. 이러한 IoT 서비스에대해서시스코에서는향후 2020년에는전세계적으로 500억개의디바이스 (ex: 컴퓨터, 스마트폰, 테블릿, M2M unit, SCADA unit 포함 ) 가인터넷으로통해연결될것으로예상하고있다 [R14]. 이때각디바이스들의연결성이위성을통해제공되는형태를 Satellite IoT (Sat IoT) 서 비스라고하며, 위성망을통한 IoT 서비스는지상망과비교하여다음과같은장점을가 질수있다.
넓은서비스커버리지 위성은넓은무선커버리지제공함으로써유선망이도달하기힘들섬, 오지, 선박, 항 공기등에대해서도 IoT 를위한연결성을제공할수있다. 안정적인연결성급증하는통신데이터와높은수준의서비스안정성은효율적인 IoT 서비스를제공하는핵심요구사항이다. 헬스케어서비스나, SCADA, 원거리모니터링등과같은서비스는안정적인연결성 (always-on connectivity) 이매우중요하며, 위성망이넓은서비스지역을갖기때문에지상무선망과달리이동시에도셀 (Cell) 간빈번한핸드오버가필요없기때문에지상무선망에비해링크연결이단순하며, 서비스단절이적어높은연결안정성을제공할수있다. 적은설치비용지상유선망의경우광케이블이서비스지역까지포설이되어야하므로실재서비스가제공되기까지매우많은망구축비용이든다. 이러한이유로지상임에도불구하고인구밀도가낮은지역에대해서는투자대비획득할수있는이득 (Return of Investment) 이낮다고판단되면서비스제공이어렵다. 이에반해위성망은산간 / 도서및사용인구가적은서비스필요지역에대해서도간단한위성단말장비설치를통해적은비용으로 IoT 서비스를위한연결성을제공할수있다. 사실위성 IoT 서비스로써가장적합한주파수대역은 L-band 대역이며, 이는해당대역이낮은데이터속도, 값싼단말장비, 그리고작은단말사이즈가가능하기때문에수많은디바이스에연결성이필요한 M2M 기반 IoT 서비스를제공하는데적합하기때문이다. 한편 Ku/Ka 대역을이용한 IoT 서비스는 L-band 대역의서비스방법과달리빠른전송속도와높은하드웨어성능이제공되기때문에 M2M/IoT 데이터를모아전송하는백홀서비스또는포워드링크로멀티미디어서비스를제공하면서리턴링크로는원격모니터링등이가능한 Direct To Home (DTH) 서비스, 선박위치정보전송서비스등의응용 IoT 서비스에활용이가능하다. 다음 (( 그림 6-19) 은대표적인응용 Sat-IoT 서비스로서 Eutelsat에서제공하는 IoT 서비스시나리오이다. 먼저서비스지역에위성안테나와이더넷인터페이스까지갖는 Smart LNB 장비가설치되면포워드링크로는방송및인터넷서비스를위한광대역전송서비스가수신되며리턴링크를통해서는여러가지디바이스에서생성된데이터가모아져서인터넷망으로전송된다. Eutelsat 의 Sat IoT 서비스구조
서비스장비명 : Smart LNB 사용주파수대역 : Ka 대역 (Ku 대역에서도사용가능 ) 최대 Return Link Throughput: up to 160Kbps/terminal 적용가능서비스 : M2M, IoT, Data gathering, SCADA 등 ( 그림 6-19) Eutelsat 의 Sat-IoT 서비스구조 [R15] (( 그림 6-20) 는위성방송인프라기반 Sat-IoT 기술을적용한서비스시나리오이다, 첫째시나리오는가정을대상으로서비스하는경우로서, 포워드링크 (Ku) 로는멀티미디어방송서비스를수신 (DTH : Direct To Home) 하고리턴링크로는가정내의가스, 수도등의디바이스로부터검침정보를수신하여리턴링크를통해송신하는 Sat IoT 기반응용서비스이다. 두번째시나리오는해상선박에대한서비스로써포워드링크를통해서는주기적인날씨및뉴스정보를수신하고리턴링크를통해서는선박의고유식별정보와위치정보를전송하는해양선박용 IoT 서비스시나리오이다.
Ka 대역을활용한 Sat IoT 응용서비스 ( 그림 6-20) Ka 대역을활용한 Sat-IoT 응용서비스향후위성을이용한 M2M/IoT 서비스장비시장은연평균 9.4% 정도로지속적인증가가이뤄질것으로예상되며, 향후 10년후에는지금보다약 2배가량시장이확대될것으로예상된다. Total Market 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 CAGR Revenues ($millions) 1142.9 1226.8 1337.1 1473.0 1625.9 1782.1 1936.8 2075.5 2220.4 2346.3 2471.3 8.0% Units (millions) 2.4 2.7 3.0 3.3 3.7 4.0 4.4 4.7 5.1 5.5 5.8 9.4% Source: NSR ( 그림 6-21) 위성기반 M2M/IoT 시장전망 (NSR, M2M and IoT via Satellite, 5 th Ed.) 6.3.2. Sat > IP 기술
SAT > IP 기술은 Satellite Signal Distribution via IP 라는의미를가지며, 세계적규모의위성사업자인유럽의 SES 사의주도로개발된서비스표준이다. SAT > IP 기술은위성방송의단점으로지적되는단방향성을보완하고 All-IP 시대에적합한다양한응용분야를지원함으로써위성방송시장의활성화를이루고자하는것이목적이다. SAT > IP 기술의표준화는 SES 사를비롯하여 BSkyB, Craftwork, Broadcom 등을포함하여 40 여개이상의기관들이 Supporters 로서참여하고있으며, 국내기업으로는휴맥스 (Humax) 와아이두잇 (Selfsat) 이참여하고있다 [R16]. SAT > IP 기술의기본개념은고화질의위성방송신호를댁내에서수신하여 IP 패킷으로변환한후이를댁내의다양한 IP 기반기기로전송하는것이다. 따라서, 유선또는무선인터넷연결이가능하고 SAT > IP 소프트웨어가설치된스마트폰, 태블릿PC, 스마트TV, 게임콘솔, OTT STB, IP STB 등에서위성방송프로그램의시청이가능하다. 또한추가위성안테나설치없이도멀티룸 (Multi-Room) 서비스를제공할수있고, 추가네트워크비용없이도품질이우수한고화질의멀티스크린 (Multi-Screen) 서비스구현이가능하다. ( 그림 6-22) SAT > IP 기술의운용개념도 (www.satip.info) 기존위성방송이각각의셋탑박스가위성방송프로그램수신을위하여 RF튜너 (Tuner) 와복조기 (Demodulator) 를내장하는것과달리, SAT > IP 환경에서 SAT > IP 클라이언트들은 SAT > IP 서버들과동일한인터넷망으로연결되어 SAT > IP 프로토콜로통신하게된다.
( 그림 6-23) SAT > IP 기술개념도 (http://www.satip.info) SAT > IP는현존하는대부분의인터넷프로토콜들 (IP, UPnP, RTSP, HTTP) 에기반한원격튜너프로토콜이며 DLNA (Digital Living Network Aliance) 환경에서다양한기기에쉽게호환되도록설계되었다. SAT > IP 프로토콜은 Media Plane과 Control Plane으로구분되며 Media Plane은위성미디어스트림을유니캐스트 (unicast), 멀티캐스트 (multicast RTP/UDP), HTTP 등표준규격으로전송하고, 클라이언트에서전송규격을서버에요청하는규약이고, Control Plane은표준 UPnP (Universal Plug and Play) 메커니즘을이용하여 IP 네트워크에서 SAT > IP 서버를정의하고, RTSP (Real Time Streaming Protocol) 나 HTTP를이용하여스트림을제어하며클라이언트에서는필요한위성중계기나 MPEG PID를요청하는규약이다 [R17]. ( 그림 6-24) SAT > IP 프로토콜구조도 (SAT > IP Specification 1.2) 이미시장에는 SAT > IP 기술을적용한다양한서버 (Server) 와클라이언트 (Client) 제품들이출시되어있다. 서버제품들은위성안테나의 LNB(Low Noise Block downconverter) 또는위성평면안테나내부에 SAT > IP 기능을적용하거나, 셋탑박스 (Set-Top Box) 모양의서버, TV나 DVR(Digital Video Recorder) 에 SAT > IP 기능을내장을하기도한다.
( 그림 6-25) SAT > IP 서버제품들 (www.satip.info) 클라이언트제품들로는 PC, 스마트폰, 태블릿, OTT 기기, 스마트 TV 등대부분의비디 오관련기기에서실행되는소프트웨어들이개발되어있는상태이다. ( 그림 6-26) SAT > IP 클라이언트제품들 (www.satip.info) SAT > IP 기술의또다른응용분야는아파트, 다가구 / 다세대주택, 리조트 / 호텔 / 병원등에서개별안테나설치없이인터넷망으로위성방송시청과양방향서비스이용환경을제공할수있는 SAT > IP 수신설비분야이다. ( 그림 6-27) IP based SMATV / Multi-Dwelling Units (SAT > IP Specification 1.2) IPTV 기술이발전함에따라미디어관련서비스도풍부해지고진화하고있으나, 위성방송은위성네트워크이가지고있는단방향성의한계로외면받고, 점점도태될가능성도있다. 이런위기에대한자구노력으로 SAT > IP 기술이개발되었으며위성의광대역성과광역성, 인터넷프로토콜의양방향성이결합되어효율적인수신환경뿐아니라 N스크린, IoT 등새로운융합서비스에대한접근도가능해진다. 한편, SAT > IP 기술은 2012년국내의 케이티스카이라이프에서상용화한 DCS (Dish Convergence Solution) 기술과유사하다. DCS 기술은케이티스카이라이프에서제공하는위성방송신호를통신국사인 KT 전화국에설치된대형위성안테나에서수신한후인터
넷망을통해개별가입자에게전송하는기술이다. 이러한서비스개념은각가정또는공청수신시설에별도의위성수신안테나를설치할필요가없기때문에, 설치및유지보수가용이하고, 설치장소 / 기상조건등에영향을받지않기때문에난시청해소를기대할수있다. 하지만, DCS 기술은유료방송사업자간의이해관계와관련법령의미비로인해현재서비스가중단된상태이다.
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