17 특집 차세대방송표준기술 ATSC 3.0 물리계층표준기술 권선형, 박성익, 이재영, 임보미, 김흥묵 / 한국전자통신연구원 요약최근 UHD 방송에대한관심이높아지면서, 지상파 UHD 방송을위한전송표준에대한관심도자연스레높아지고있다. 국내에서도이러한흐름에맞추어, 2009년 9월제정된유럽방식인 DVB-T2를기반으로 HEVC(High Efficiency Video Coding) 비디오코덱을적용한실험방송이진행되고있다. 한편, 미국의 ATSC 1) 에서는 2013년부터 HEVC 비디오코덱을적용하여고정수신 UHD 방송과이동수신 HD 방송의동시서비스를고려한 ATSC 3.0 표준화를현재까지진행하고있다. 특히, ATSC 3.0 표준화에서는국내가전사와 ETRI가주도적으로참여하고있으며, 유럽의 DVB 2) 와중국의 NERC-DTV 3), 일본의 NHK, Sony 등전세계의여러방송관련기관들도참여하고있다. 본고에서는최신지상파방송표준인 ATSC 3.0 의표준화동향과물리계층요소기술에대해서살펴보고자한다. 1. 서론 ATSC 3.0은미국의차세대방송표준으로기존 ATSC 표준들과의역호환성을제공하지않는새로운방송표준이다. ATSC 3.0은물리계층, 제어및프로토콜, 응용계층에관한내용을모두담고있으나, 본고에서는 ATSC 3.0의여러계층중에서물리계층에관한기술들을설명하고자한다. ATSC에서는 2013년 3월 Call for Proposals 를발행하였으며, 2013 년 10월총 12개의제안서를접수받았다. 12개의제안서가운데는물리계층전체를포함하는제안서뿐아니라, 특정기술분야만을포함하는제안서도제출되었다. ATSC 3.0 물리계 본연구는미래창조과학부및정보통신기술진흥센터의정보통신 방송연구개발사업의일환으로수행하였음. [R0101-15-294, 융합형실감방송서비스및전송기술개발 ] 1) Advanced Television Systems Committee(atsc.org) 2) Digital Video Broadcasting(www.dvb.org) 3) National Engineering Research Center(www.nercdtv.org) 2015 년 10 월 17
402 특집 : 차세대방송표준기술 층표준은 2015 년 9월 Candidate Standard(CS) 로승인되었으며, 2016 년말까지표준절차를마무리할예정이다. 기존의 1세대디지털방송표준인 ATSC A/53 디지털지상파방송표준 [1] 과비교하여, ATSC 3.0은최소 30% 증대된전송용량을제공한다. ATSC 3.0 은 1세대디지털방송표준을능가하는성능을제공하는것에그치지않고, 2세대디지털방송표준인유럽의 DVB-T2[2]/NGH[3] 보다개선된성능, 기능, 유연한서비스및효율성을제공하는것을목표로표준화가진행되었다. 특히, ATSC 3.0 물리계층의경우, UHD TV 서비스를전송하기위해향상된시스템전송용량을제공하고, 강인한실내수신을제공하기위한기술들을포함하고있다. 또한, 급격히증가하고있는무선통신서비스의수요증가로인해충분한방송주파수대역확보가어려운상황에서, 효율적인스펙트럼사용을비롯하여수신강인성및유연한서비스제공이중요한요소로고려되었다. ATSC 3.0 물리계층은보다향상된성능과유연한서비스를위하여, 많은최신의기술들을포함하고있으며넓은동작 SNR 영역을제공하는장점을가지고있다. 방송사들은넓은동작 SNR 영역중필요한 SNR 영역에서작동하는 mode 를적절히선택하여사용할수있다. 각방송사들이선택하여사용하는 mode 는각방송사들이서비스를하고자하는대상에따라달라질수있다. ATSC 3.0 물리계층은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 을기반으로, 우수한성능의 LDPC(Low-Density Parity Check) 코드를사용하는것을특징으로한다. 또한, QPSK 부터 4096QAM 에이르는총 6개의변조기법을제공하고있다. 다중화기법으로는일반적으로널리사용되는 TDM, FDM 뿐만아니라송신전력을나 누어사용하는 LDM(Layered Division Multiplexing) 기법이새롭게채택되었다. 한개의서비스는최대 4개의 PLP로구성될수있으며, 예를들어비디오, 오디오, 메타데이터가하나의서비스로묶일수있다. 또한, 하나의 RF 채널에존재할수있는최대 PLP 개수는 64개로제한되어있다. 6MHz 채널기준으로제공될수있는전송용량은최소 1Mbps 부터최대 57Mbps 수준이며, 이에대응되는작동 SNR 영역은 AWGN 채널기준으로최소 -6.2dB 부터최대 32dB 이다. 본고에서는 ATSC 3.0 의표준화동향에대해살펴보고물리계층의요소기술에대해설명하고자한다. Ⅱ. ATSC 3.0 표준화동향 ATSC 에서는 2016 년말까지표준완료를목표로 ATSC 3.0 표준화작업이진행중이다. ATSC 3.0 의주요요구사항으로는고정수신을위한 UHD방송과이동수신을위한 HD방송의동시서비스, 하이브리드방송, 개인화및양방향서비스, 스펙트럼의유연한사용등이있다. 2011년 11월부터 TG3(Technology Group on ATSC 3.0) 에서표준화논의가시작되었으며, ATSC 3.0 물리계층의경우 2015 년 9월에후보표준 (CS)[4] 으로승인되었고, 2016 년 4월까지 CS 검토기간을가진다. 이와동시에 ATSC 3.0 물리계층표준기술의검증을위한 Validation & Verification 이진행중이다. 물리계층전송표준에국한된유럽의 DVB-T2 와는다르게 ATSC 3.0 은물리계층뿐만아니라, 매니지먼트및프로토콜계층, 애플리케이션및서비스표현계층표준을모두포함하고있다. ATSC 표준조직 18 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC 3.0 물리계층표준기술 403 < 그림 1> ATSC 3.0 표준그룹조직도 [9] 은 < 그림 1> 과같이전체총괄역할을수행하는 TG3 산하에 6개의전문가그룹 (Specialist Group) 과 13개의임시그룹 (Ad Hoc Group) 으로구성되어있다. 1. 물리계층표준전문가그룹활동 6개의전문가그룹중 S32에서물리계층관련표준화를담당한다. S32는 S32-1 부터 S32-4 까지총 4개의 AHG를두고있다. S32-1 에서는공통시스템요소인 RF 앰프및 noise figure, 주파수변환, RF gain 컨트롤, 아날로그필터등아날로그튜너설계에관련된사항들에대해정의한다. 물리계층표준대상은디지털영역에관한것이므로, S21-1 에서논의하는내용이물리계층표준과직접적으로관련이있는영역은아니지만, 후보표준의하드웨어검증이나수신기제작가이드라인을제시할때도움을줄것으로보인다. S32-2 에서는변조및코딩과관련된기술들을 < 그림 2> ATSC 3.0 물리계층블록도 2015 년 10 월 19
404 특집 : 차세대방송표준기술 정의한다. 입력포맷을시작으로 FEC 코드, 신호성상, 인터리버, MISO/MIMO, 시그널링등에관한것을정의한다. S32-3 에서는 Waveform 에관한것들을정의한다. Waveform 생성과관련된기술은크게 Pilot, MISO, OFDM, PAPR, Bootstrap 및 Preamble 이있다. 다중화기법중하나인 LDM의경우표준화진행과정에서는 S32-3 에서논의가이루어졌으나, 채택후에는 S32-2 에서다루는변조및코딩부분에반영되었다. S32-4는핵심방송서비스 (Core Broadcast Service) 에관한 AHG으로송신기의송출전력, 송출타워높이, 송수신기의수를고려하여다양한방송환경에서방송망내의고정및실내수신 / 이동방송수신등을위한데이터전송률및요구 SNR을정의한다. Ⅲ. ATSC 3.0 물리계층요소기술 ATSC 3.0 시스템의물리계층은 < 그림 2> 와같이 4개의주요부분인 Input formatting, BICM(Bit- Interleaved and Coded Modulation), Framing 및 Interleaving, Waveform 생성부로구성되어있다. 입력데이터는 Input formatting 모듈에서포매팅되어 BICM 모듈로전달된다. BICM 모듈에서는 FEC(Forward Error Correction) 를이용하여부호화한후성상신호로매핑하는과정을수행한다. Framing 및 Interleaving 블록에서는시간과주파수영역에서인터리빙을수행하며, 마지막으로송신을위한파형이 Waveform 생성부에서만들어진다. 1. Input Formatting Input formatting 은 < 그림 3> 과같이캡슐화및압축, Baseband framing, 스케줄러블록으로구성되어있다. 1) 캡슐화 IP packet, Transport stream packet, 또는 generic data 를비롯한다양한형태의데이터를입력받을수있다. 캡슐화과정을거치면서다양한형태의데이터들은 generic packet 형태로가공되며, 이때 generic packet 의길이는최소 4 bytes 부터최대 64k bytes 의길이를가질수있다. < 그림 3> Input Formatting 블록도 [4] 20 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC 3.0 물리계층표준기술 405 2) 스케줄러스케줄러는캡슐화된 generic packet 을물리계층자원에어떻게할당할지를알려주는블록이다. 이때, 스케줄러는시스템버퍼모델과정의된 PLP (Physical Layer Pipes), 그리고가용주파수대역을고려하여작동한다. 또한, 입력데이터가가지고있는 QoS(Quality of Service) 요구사항과기타컨트롤정보들도고려해주어야한다. 최종적으로스케줄러의출력은전송하고자하는데이터를언제그리고어떤자원을이용하여보낼지에대한것이다. 3) Baseband framing Baseband framing 은 Baseband packet 생성부, Baseband packet 헤더생성부, Baseband packet 스크램블링으로구성되어있다. Baseband packet 은 < 그림 4> 와같이헤더와페이로드로구성된다. 이때, Baseband packet 길이는해당 PLP에서사용되는 FEC 코드와코드의길이에의해결정되는값을가진다. 2. Bit Interleaved and Coded Modulation (BICM) BICM 은방송시스템의성능에핵심적인역할을수행하는블록이다. BICM 은 < 그림 5> 와같이 3가지부분으로구성되어있다. Forward Error Correction (FEC) 블록은 inner code 와 outer code 로구성되어있으며, FEC 블록은 baseband packet 을입력받아 FEC frame 을생성한다. FEC frame 은 baseband packet 의페이로드와 FEC 패 Generic Packet Generic Packet Generic Packet Generic Packet Generic Packet Base Field Optional Field Extension Field < 그림 4> Baseband packet 구조 [4] < 그림 5> BICM 구성도 [4] 2015 년 10 월 21
406 특집 : 차세대방송표준기술 러티가순차적으로연접되어있는 systematic 형태로구성되어있다. 1) Forward Error Correction Inner code 는 BICM 의에러정정능력을주로담당하는부분으로 LDPC(Low-Density Parity Check) 코드가사용된다. 16200 bit 길이와 64800 bit 길이를가지는 2가지길이의 LDPC 코드가사용되며, 부호율은 2/15 부터 13/15 까지총 12개의부호율이사용된다. 이때, LDPC 코드는부호율에따라서 A타입과 B타입을사용하도록되어있다. 일반적으로 A타입은낮은부호율에서좋은성능을보이며, B타입은중간과높은부호율에서좋은성능을보인다. Outer code 로는총 3가지옵션이존재한다. 첫번째는 BCH(Bose, Ray-Chaudhuri and Hocquenghem) 코드를사용하는것이고, 두번째는 CRC(Cyclic Redundancy Check) 를사용하는것이며, 마지막으로는아무것도사용하지않을수도있다. 일반적으로오류정정효과는 Inner code 에서대부분얻으며, Outer code 는 Inner code 의오류마루를제거하는등부수적인역할을수행한다고볼수있다. BCH 코드의경우 16200 bit LDPC 를위해서는 168 bit, 64800 bit LDPC 를위해서는 192 bit 길이를사용한다. CRC는 LDPC 코드길이에관 계없이 32 bit 길이를사용한다. 2) Bit Interleaver 비트인터리버는열악한채널환경에서군집오류가발생하였을때도 BICM 이최적의성능을갖도록 LDPC 부호어를적절히섞어주는역할을수행한다. 비트인터리버는 < 그림 6> 과같이패리티인터리버 (Parity Interleaver), 그룹단위인터리버 (Groupwise Interleaver), 블록인터리버 (Block Interleaver) 로구성된다. 그룹단위인터리버는 LDPC 부호어를 360bit 단위의비트그룹으로구분지은후비트그룹단위로섞어주는역할을수행한다. 그룹단위인터리버는 3가지인터리버중에서시스템성능을결정짓는가장중요한역할을수행한다. 3) Modulation 성상매핑에서는균등성상인 QPSK 와 5종류의비균등성상 (NUC:Non-Uniform Constellation) 이사용된다. 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM 은 2차원비균등성상으로설계되었으며, 1024-QAM 과 4096-QAM 은낮은복호복잡도를위해 1차원비균등성상으로설계되었다. 비균등성상은 < 그림 7> 과같이성상을의도적으로왜곡하여송신신호의 amplitude 분포가 < 그림 6> 비트인터리버구성도 [4] 22 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC 3.0 물리계층표준기술 407 (a) 부호율 4/15 를위한 1 차원 1024-NUC (b) 부호율 5/15 을위한 2 차원 64-NUC < 그림 7> 비균등성상도예시 Gaussian 분포에가깝도록한다 [5]. 비균등성상은각부호율과성상차수의조합에따라고유한값을가지도록설계되어있다. 3. Layered Division Multiplexing LDM 기술은여러개의방송스트림을한 RF 채널 에보내기위한멀티플렉싱기술의한종류로, ASTC 3.0 물리계층에최초로반영된기술이다. LDM 은시간이나주파수자원을각방송스트림별로나누어사용하는기존의 TDM, FDM 과는달리전송신호의전력만을나누어사용하는것을특징으로한다 [6]. ATSC 3.0 물리계층에반영된 LDM에서는최대 2개의서로다른방송스트림을고려하고있다. 상 < 그림 8> LDM 2 계층전송스펙트럼개념도 [7] 2015 년 10 월 23
408 특집 : 차세대방송표준기술 위에위치한방송스트림을 core layer 라고명명하고, 하위에위치한방송스트림을 enhanced layer 라고명명하고있다. 일반적으로 core layer 는 enhanced layer보다더강인한 ModCod(Modulation and Coding) 조합을사용한다. 두개의 layer 를결합할때에는 < 그림 8> 과같이계층간의삽입레벨 (injection level) 에따라, core layer 아래에 enhanced layer 를위치시킨다. 수신기에서는 core layer 를우선적으로복조하며, 이때 enhanced layer 는간섭으로간주한다. Core layer 의성공적인복조가이루어지면, 수신신호로부터 core layer 신호를제거하여 enhanced layer 신호만을남겨놓은후 enhanced layer 신호의복조를수행한다. < 표 1> 은 LDM 방식이 TDM 방식대비요구 SNR 측면에서상당한이득이있음을보여준다. LDM은서로다른서비스가공통된 OFDM 부를사용하므로, 결과적으로단일 OFDM 파라미터값이서로다른서비스에공통적으로적용된다. 본실험 에서는 LDM의경우에는 16K FFT와 1/16 GI가사용되는것을가정하였다. 반면, TDM의경우에는 core layer 에대응되는모바일서비스에는 8K FFT 와 1/8 GI가사용되고 enhanced layer 에대응되는고정수신서비스에는 32K FFT와 1/32 GI이사용되는것을가정하였다. LDM core layer 의전송률이 4.1Mbps 인경우에는 TDM의 Mobile 40% 상황에서 4.0Mbps 경우와비교하여약 3.7dB 의 SNR 이득을가지며, 이때, en-hanced layer의측면에서도전송률이 24.6Mbps 인경우를고려하면 TDM의 Fixed 60% 보다약 2.3dB 의 SNR 이득을가진다. DVB에서도이러한 LDM의장점에주목하여, 2014 년 9월차세대유럽지상파방송전송표준을위한 Study Mission Report 에 LDM 을소개하였다 [8]. 4. 전송 Frame 구조 ATSC 3.0 프레임은 < 그림 9> 와같이총 3개의 < 표 1> LDM vs. TDM 요구 SNR 비교 [7] LDM TDM Mobile 55% Mobile 40% Mobile 30% Data rate SNR Data rate SNR Data rate SNR Data rate SNR 2.7 Mbps 2.7 Mbps 2.7 Mbps 2.6 Mbps -0.3 db 1.3 db 3.7 db Core Layer QPSK 4/15 QPSK 8/15 QPSK 11/15 16Q 7/15 5.3 db 4.1 Mbps 4.1 Mbps 4.0 Mbps 3.7 Mbps 2.7 db 4.3 db 6.4 db 16Q 3/15 16Q 6/15 16Q 8/15 16Q 10/15 8.5 db 4 db injection level Fixed (TDM) 45% Fixed (TDM) 60% Fixed (TDM) 70% 14.3 Mbps 14.4 Mbps 14.4 Mbps 15.3 Mbps 14.6 db 18.9 db 14.4 db 64Q 7/15 256Q 11/15 64Q 11/15 64Q 10/15 13.0 db Enhanced 24.6 Mbps 24.0 Mbps 24.4 Mbps 21.2 db - N/A 23.5 db Layer 256Q 9/15 1 KQ 11/15 256Q 12/15 20.7 db 30.1 Mbps 30.6 Mbps 24.4 db - N/A - N/A 256Q 11/15 1 KQ 12/15 25.6 db 24 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC 3.0 물리계층표준기술 409 < 그림 9> ATSC 3.0 전송프레임구조 [4] 큰요소로구성되어있다. 첫번째로프레임의가장처음에등장하는 bootstrap, 이어서등장하는 preamble, 그리고나머지부분에데이터페이로드를위치시킨다. Bootstrap 신호는가장기본적인정보를담고있다. Bootstrap 신호는가장강인하게설계되어, 열악한환경에서도수신기가 bootstrap 신호를수신할수있도록설계되었다. 다음으로 preamble 은 bootstrap 신호보다는덜강인하지만, 데이터페이로드신호보다는더강인하도록설계되었다. Preamble 은 Layer 1(L1) 컨트롤시그널링정보와데이터페이로드의프레임구성에대한정보를담고있다. 한편, 한개의프레임은여러개의서브프레임으로구성될수있다. 이때, 각서브프레임은동일한 FFT 수, GI 길이, scattered pilot 패턴및유효 subcarriers 수를가지는것을특징으로한다. ATSC 3.0 프레임은최소 50 ms부터최대 5초의길이를가진다. Ⅳ. 결론 본논문에서는표준화가마무리단계에있는 ATSC 3.0 표준과관련하여각전문가그룹의활동내역과물리계층요소기술에대해간략히소개하였다. 특히, 새롭게채택된 LDM의개념과 TDM 대비성능이득에대해서도살펴보았다. LDM 기술은이동 HD방송과고정 UHD방송을동시에서비스하기위한기술로주목받고있으며, TDM 대비우수한실내수신성능을기대하고있다. 전반적으로 ATSC 3.0이 DVB-T2 와비교하여우수한성능을제공하고있어, 국내의지상파 UHD 전송방식결정에있어많은영향을끼칠것으로예상된다. 2015 년 10 월 25
410 특집 : 차세대방송표준기술 참고문헌 참고문헌 [1] ATSC A/53, ATSC Digital Television Standard, Parts 1-6, Jan. 2007. [2] DVB-T2, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure, channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2), ETSI EN 302 755 v.1.3.1, Apr. 2012. [3] DVB-NGH, Digital Video Broadcasting (DVB); Next Generation broadcasting system to Handheld, physical layer specification (DVB-NGH), Draft ETSI EN 303 105 v.1.1.1, Nov. 2012. [4] ATSC A/322, ATSC Candidate Standard S32 Physical Layer Standard, Oct. 2015 [5] C. Fragouli, R. D. Wesel, D. Sommer, and G. P. Fettweis, Turbo codes with nonuniform constellations, IEEE ICC, Jun. 2001. [6] Y. Wu, B. Rong, K. Salehian, and G. Gagnon, Cloud transmission: A new spectrum-reuse friendly digital terrestrial broadcasting transmission system, IEEE Trans. on Broadcasting, 58(3), pp. 329-337, Sep. 2012. [7] 이재영, 권선형, 박성익, 김흥묵, ATSC 3.0 기술및표준화현황, 한국전자파학회지, 제 25권, 제 5호, pp. 33-41, 2014년 9월. [8] DVB TM-T, DVB Technical Module MIMO Study Mission Report, Rev. 20, DVB TM-T0016r3, Sep. 2014. [9] 음호민, 서재현, 김흥묵, 허남호, 실감지상파디지털방송기술, 한국통신학회지 ( 정보와통신 ), 32(2), 2015.1, 63-72 (10 pages). 필자소개 권선형 - 2008 년 : KAIST 전자전공공학사 - 2010 년 : KAIST 전기및전자공학석사 - 2010 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원연구원 - 주관심분야 : 디지털방송시스템, 디지털통신신호처리 박성익 - 2000 년 : 한양대학교전자전기공학부공학사 - 2002 년 : 포항공과대학교전자전기공학과공학석사 - 2011 년 : 충남대학교정보통신공학과공학박사 - 2002 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원선임연구원 - 주관심분야 : 오류정정부호, 디지털방송시스템, 디지털신호처리 이재영 - 2013 년 : Simon Fraser 대학교공학박사 - 2003 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원선임연구원 - 주관심분야 : 디지털신호처리, 디지털방송시스템 26 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC 3.0 물리계층표준기술 411 필자소개 임보미 - 2008 년 : 아주대학교전자공학부공학사 - 2010 년 : KAIST 정보통신공학과공학석사 - 2010 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원연구원 - 주관심분야 : 디지털방송시스템, 디지털통신신호처리 김흥묵 - 1993 년 : 포항공대전자전기공학과공학사 - 1995 년 : 포항공대전자전기공학과공학석사 - 2013 년 : KAIST 정보통신공학과공학박사 - 1993 년 ~ 2001 년 : POSCO 기술연구소연구원 - 2002 년 ~ 2003 년 : 맥스웨이브연구개발팀장 - 2004 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원지상파방송연구실장 - 주관심분야 : RF 신호처리, 디지털방송 / 통신신호처리 2015 년 10 월 27