Special Report_Special Theme UHDTV 방송망구축을위한 ATSC 3.0 전송기술 전성호 TTA 방송기술위원회 RF 정합테스트실무반 (WG 8027) 간사 KBS 미래기술연구소책임연구원경일수 TTA 방송기술위원회 RF 정합테스트실무반 (WG 8027) 의장 KBS 미래기술연구소수석연구원 26 l 2016 09/10
Studio Infrastructure System Manager Configuration Interface Quasi-static Configuration Delivery Configuration Content and Signaling Studio Entities Broadcast Gateway Single Transmitter or SFN of Transmitters Studio Interface Studio-to-Transmitter Link (STL) Interface Over-The-Air (OTA) Interface [ 그림 1] ATSC 3.0 기반시스템구성도 : 장치와그에따른인터페이스 출처 : A/324 Figure 1, A/322 Figure 4.1 < 표 1> ATSC3.0 전송기술표준문서 문서번호 A/321 A/322 A/324 A/325 문서이름과의미 System Discovery and Signaling ATSC3.0 전송프레임시작점정의 Physical Layer Protocol 입력된 BBP 스트림을 OFDM 방식으로송신하는 Exciter 동작규격정의 Scheduler/Studio to Transmitter Link 입력된 ALP 스트림을 BBP로가공하고, 다수개의 SFN 송신기를제어하기위한 Broadcast Gateway 동작규격정의 Recommended Practice: Lab Performance Test Plan 수신성능을실험실수준에서평가하기위한측정항목, 실험절차정의 정밀한시간기준사용 Broadcast Gateway 와 Transmitter 가동일한시간기준 (Timing Reference) 을가지기위해서 A/324 표준에서는, 누적오차가발생하지않으면서반송파주파수정밀도 (Carrier Frequency Accuracy) 가 ±0.5Hz 이내인 Timing Reference 를사용토록규정하고있다. 이를충족하기위해서는 GPS 와같은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 나 PTP(Precision Time Protocol) 와같은표준시간전송프로토콜을사용해야한다. 스트림무결성확보 Broadcast Gateway 에서는 SFN 내에존재하는다수개의 Transmitter 에반드시똑같은데이터를전달해야하는데, 이를위해서 Multicast 방식을사용하며, 전송로상에서발생할수있는오류로인한데이터왜곡을극복하기위해서 SMPTE 2022-1 기반 FEC(Forward Error Correction) 기법을사용한다. 시간일치 Broadcast Gateway 에서는물리계층프레임 (Physical Layer Frames) 의발사 (Emission) 시점제어를위해, Timing Data Packet을송신기에전달한다. 이를바탕으로개별 Transmitter 에서는자체적으로가지고있는정밀한시간기준과입력받은시간정보를비교하여신호발사시점을결정하고, 결과적으로동일한시간에신호발사가가능케된다. 이때, Timing Data Packet 은 Port 번호 30065번을사용한다. 전송파라미터일치모든물리계층파라미터는 Broadcast Gateway에서설정해야하며, Transmitter에서는별도의사용자조작없이 Broadcast Gateway로부터전달받은설정값그대로입력받은스트림을 TTA Journal Vol.167 l 27
System Manager Quasi-static Configuration Configuration Interface Quasi-static Configuration Studio Entities Functional Block of Input Formatting Broadcast Gateway MMTP/ROUTE Functional Block of Input Formatting ALP Encapsulation (and Compression) ALP ALP TP Sender (MUX) Delivery Metadata RTP/UDP/IP Scheduler ALP TP Receiver (DEMUX) STL Pre-Processor Timing Information Preamble Preamble Generator Schedule Information Per PLP Baseband ALP Formatting Buffer ALPs PLPs STL TP MUX BBP (STL TP) 전송파라미터설정 OK! SFN TP Sender RTP/UDP/IP Studio Interface Functional Block of Input Formatting SFN Interface Exciter for SFN 전송파라미터설정 NO! Timing Manager STL TP DEMUX Preamble Parser SFN TP Receiver PLPs Per PLP Buffer PLPs BICM PLPs Framing & Interleaving Waveform Generation Over-The-Air(OTA) Interface 출처 : A/324 Figure 4.1, Figure 5.1 [ 그림 2] SFN 동작상황에서의전체시스템세부기능별블록도 가공한뒤송신해야한다. Broadcast Gateway에설정된값은 L1-Basic Signaling과 L1-Detail Signaling으로구성되는 Preamble Data Packet 을통해서 Transmitter에전달되며, Transmitter에서는 Preamble Parser를통해서파라미터설정값을수신하고송신기각부분을설정하게된다. 이때, Preamble Data Packet 은 Port 번호 30064번을사용한다. 전송스트림일치 Broadcast Gateway에서는입력받은 PLP(Physical Layer Pipe) 별로 ALP 스트림을 BBP 형태로일괄가공한뒤 Transmitter에전달한다. 이때 Multicast IP Address는하나로사용하되각각의 PLP 번호에따라서 ATSC3.0에서는하나의서비스당최대 4개까지, 총 64개까지서로다른 PLP를지원하므로 Port 번호를 30000~30063 까지구분하여할당한다. 개별 Transmitter에서는 [ 그림 2] 와같이서로다른 Port 번호로수신한 PLP를각각별도의 Buffer에분리저장하는것으로 A/322 표준 Section 5에정의된 Input Formatting 과정을대체한다. 3.1 수신조건을고려한요구전송률설정 1) ATSC3.0 표준문서 S32-4-031r6-ATSC_3_0_Use_Case_Calculations.xlsm 를사용하여계산한결과임. 28 l 2016 09/10
< 표 2> 물리계층 BICM 과 Waveform Generation 기능별파라미터설정항목 기능파라미터항목선택가능파라미터 BICM Waveform Generation Outer Encoder Inner Encoder(LDPC) Bit Interleaver(BIL) Mapper Pilot Insertion IFFT(Carrier Spacing [Hz]) Guard Interval(GI) Insertion(Inter-Site Distance [km]) BCH, CRC, None Code Length 16200, 64800 Code Rate 2/15, 3/15, 4/15,..., 13/15 Parity, Group-Wise, Block Interleaver QPSK(Uniform) 16-/64-/256-QAM(2D-NUC) 1k-/4k-QAM(1D-NUC) Scattered Pilot Pattern 선택 : SP_Dx_Dy Dx: 주파수축상의파일럿간격 Dy: 시간축상의파일럿간격 Scattered Pilot Boost 선택 : 5단계 (000~100) 8k(843.7), 16k(421.8), 32k(210.9) GI1_192(8),..., GI6_1536(66), GI7_2048(88),...,, GI12_4864(211) < 표 3> 부호율과변조성상조합에따른유효전송률 [ 단위 : Mbps] Code Rate/ Constellation 2/15 3/15 4/15 5/15 6/15 7/15 8/15 9/15 10/15 11/15 12/15 13/15 4 1.314 1.985 2.657 3.329 4.000 4.672 5.344 6.015 7.359 16 5.314 6.657 9.344 10.687 12.031 14.718 64 5.956 7.971 9.986 12.001 14.016 16.031 18.046 20.061 22.076 256 10.628 13.315 18.688 21.375 24.062 26.748 29.435 32.122 34.809 1024 16.643 23.360 26.719 30.077 36.794 36.794 40.153 43.511 4096 28.032 36.092 44.153 48.183 52.213 (a) 32k-FFT, SP6_2, 64,800 LDPC / BCH 적용, GI7_2048, Frame Size 250ms 사용 Code Rate/ Constellation 2/15 3/15 4/15 5/15 6/15 7/15 8/15 9/15 10/15 11/15 12/15 13/15 4 0.910 1.410 1.910 2.409 2.909 3.409 3.908 4.408 16 4.819 5.819 6.818 7.817 10.816 64 7.229 8.728 10.227 11.726 13.226 14.725 16.224 256 9.639 13.637 15.635 17.634 19.633 21.632 23.631 25.630 (b) 8k-FFT, SP3_2, 16,200 LDPC / BCH 적용, GI7_2048, Frame Size 250ms 사용 3.2 서비스시나리오에따른전송프레임구성 3.2.1 Bootstrap TTA Journal Vol.167 l 29
Code Rate/ Constellation < 표 4> 부호율과변조성상조합에따른양시청신호대잡음비 (ToV C/N) 2/15 3/15 4/15 5/15 6/15 7/15 8/15 9/15 10/15 11/15 12/15 13/15 4-6.229-4.321-2.892-1.702-0.544 0.298 1.159 1.968 3.605 16 1.460 2.816 5.210 6.303 7.318 9.502 64 2.273 4.146 5.963 7.662 8.924 10.306 11.554 12.879 14.278 256 6.572 8.530 12.101 13.914 15.549 17.131 18.759 20.439 22.224 1024 11.074 15.301 17.458 19.446 21.355 23.426 25.520 27.623 4096 18.215 23.054 28.112 30.337 32.832 (a) 32k-FFT, SP6_2, 64,800 LDPC / GI7_2048, Frame Size 250ms 사용 [ 단위 : db] Code Rate/ Constellation 2/15 3/15 4/15 5/15 6/15 7/15 8/15 9/15 10/15 11/15 12/15 13/15 4-5.552-3.731-2.322-1.298-0.333 0.563 1.375 2.196 16 3.162 4.447 5.513 6.505 9.742 64 6.303 7.928 9.294 10.556 11.827 13.133 14.523 256 8.932 12.573 14.246 15.797 17.452 19.082 20.775 22.547 (b) 8k-FFT, SP3_2, 16,200 LDPC / GI7_2048, Frame Size 250ms 사용 < 표 5> 물리계층 Framing & Interleaving 기능별파라미터설정항목 기능파라미터항목선택가능파라미터 Framing & Interleaving Time Interleaving Framing Frequency Interleaving No Time Interleaving CTI(Convolutional Time Interleaver): 하나의 PLP 또는 LDM이사용되는경우 HTI(Hybrid Time Interleaver): 여러개의 PLP가사용되는경우 Cell Interleaver: 하나의 FEC Block 내에서수행 Twisted Block Interleaver(TBI): 하나의서브프레임내 (Intra-frame) 에서수행 Convolutional Delay Line(CDL): 서브프레임간 (Inter-frame) 수행 Bootstrap, Preamble, Subframes 순으로배치 ([ 그림 3] 참고 ) PLP Multiplexing: TDM, LDM, FDM, TFDM 하나의 OFDM Symbol 내에서만수행 (optional) Preamble Symbol에는반드시적용 Bootstrap Preamble Frame 5.832MHz 5.508MHz Minimum NoC(Number of Carriers) 4.5MHz 0 1 2 3 L1-Basic L1- Detail(Interleaved) L1-Detail(Interleaved) Subframe#0 Payload Subframe#N-1 Payload 출처 : A/322 Figure 7.10, Figure 7.11 [ 그림 3] 전송프레임의구성및순서 30 l 2016 09/10
Original UHD Video UHD for Fixed Reception = Two times down scaling + Audio & Data Base Layer HD Video Enhancement Layer ATSC 3.0 PHY Layer with LDM LDM Transmission High Robustness Video/Audio High Data Rate Core Layer Enhanced Layer Mobile/Portable Channel = + Mobile & Handheld Reception Scalable Video Encoding Process Stationary Channel Enhancement Layer 출처 : Yiyan Wu, Status and Timeline for ATSC 3.0, ATSC3.0 (LDM) 기술국제워크샵, 제주테크노파크, 2016 년 8 월. [ 그림 4] SHVC 영상코덱과 LDM 전송방식을결합한시나리오 3.2.3 Subframe 3.2.2 Preamble UHD 1 개채널전송 UHD 채널 1 개만전송하게될경우, 가장기본적인전송시나리오인 S-PLP/Subframe 형태, 즉하나의 PLP 를하나의 Subframe 으로전송하면된다. UHD 2 개채널동시전송 UHD 채널 2 개를다채널형태로전송하는경우에는, 채널별 PLP0 과 PLP1 을하나의 Subframe 에모두담아전송하는 M-PLP/ Subframe 형태나, Subframe 을 2 개만들어 Subframe 각각에 PLP 하나씩을전송하는 Multiple S-PLP/Subframe 형태를사용하면된다. 이때, UHD 채널간수신성능을일치시키기위해서는전송파라미터를모두동일하게설정해야한다. 모바일 HD 1 개채널과 UHD 1 개채널동시전송모바일수신을위한 HD 채널은 UHD 채널보다 FFT 크기를작게 TTA Journal Vol.167 l 31
선택함으로써, 고속이동수신에대한강인함을확보해야한다. 즉, HD 채널과 UHD 채널을서로다른 FFT 크기를가지도록전송하기위해서는반드시서로다른 Subframe 2 개가필요하며, 그결과 Multiple S-PLP/Subframe 형태를사용해야한다. 이때, FFT 크기가작은 Subframe 을앞부분에배치하는것이전송전력효율측면에서유리하다. 4.1 미국 ATSC3.0 Functional Verification and Validation(V&V) 활동 4.2 우리나라 TTA WG8027 RF 정합테스트실무반 32 l 2016 09/10
본연구는미래창조과학부국책과제지원사업의결과로수행되었음. [FTN 기반유무선방송시스템고도화기술개발 [B0101-15- 1362]] [ 참고문헌 ] [1] 이유석, 류관웅, 김영민, 서재현, 김흥묵, 지상파디지털방송전송기술동향, 전자통신동향분석, 제 31 권 3 호, 60-69, 2016 년 6 월. [2] 김호겸, 서재현, 김흥묵, 지상파 UHDTV 전송기술, 한국통신학회지정보와통신, 제 33 권 7 호, 3-9, 2016 년 7 월. 정보통신용어해설 : http://terms.tta.or.kr : http://terms.tta.or.kr/mobile/main.do : http://www.tta.or.kr 화면찢김 screen tearing 모니터화면이찢어지듯갈라지는현상. 일반적으로모니터는초당 60 프레임의화면재생률 (refresh rate) 를갖는데, 그래픽스카드의그래픽스처리장치 (GPU) 가모니터재생률에맞춰프레임을전송하지못해발생되는현상이다. 화면찢김현상은주로고화질의게임에서발생된다. 화면찢김현상을줄이기위해그래픽스카드의표시프레임을고정시키는수직동기 (V-Sync: vertical synchronization) 기능이나모니터화면재생률을가변시키는적응적동기 (Adaptive-Sync: adaptive synchronization) 기능등이사용된다. TTA Journal Vol.167 l 33