전자통신동향분석제 23 권제 3 호 2008 년 6 월 위성방송수신가용도개선을위한디지털위성방송전송기술동향 Trends of Digital Satellite Broadcasting Transmission Technology for Satellite Broadcasting Reception Availability Improvement 이동통신과방송기술개발현황특집 김승철 (S.C. Kim) 최은아 (E.A. Choi) 장대익 (D.I. Chang) 광역방통융합기술연구팀선임연구원광역방통융합기술연구팀선임연구원광역방통융합기술연구팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 위성수신가용도개선 Ⅲ. VCM 기반위성방송전송시스템 Ⅳ. 결론 최근위성방송기술은고선명 / 고음질을실현하고, 다양한부가서비스를제공하는고품질의디지털전송방식으로변화하고있다. 이러한위성방송의수요확대에다채널데이터전송및 HD급고품질의영상을전송할수있는 시스템개발에한창이다. 본논문에서는 전송방식을적용하기위한 Ku/Ka 대역의강우감쇠등을효과적으로보상하여보다나은위성방송수신가용도를높이기위한방안에대해논한다. 130
김승철외 / 위성방송수신가용도개선을위한디지털위성방송전송기술동향 I. 서론 아날로그방송의디지털전환과방송통신융합의흐름은방송시장의구조와지형에서근본적인변화를초래하고있고, 통신망을포함한매체들간의치열한경쟁구도가형성될전망이다. 특히, HD급고화질중심의디지털방송전환추세는위성방송의위상과입지에커다란영향을미칠것으로보인다. 이러한방송환경의변화에따라, 국내외위성방송분야에서도서비스품질향상을통해경쟁력을확보하고자하는노력이활발하게이루어지고있으며, 고효율의위성전송기술인 와획기적인성능의 H.264 비디오압축기술을적용한고품질의위성방송서비스가출현하고있다. 또한, 600MHz 의폭넓은대역을갖는 21GHz Ka 주파수대역이제 1, 3지역에서 2007년부터방송우선업무용으로사용이가능해지면서다채널고품질 HDTV 서비스제공을위한위성방송의진화는한층더탄력을받을전망이다. 그러나, 기존위성방송서비스대역으로널리이용되어온 Ku 대역과달리, Ka 대역은광활한주파수자원에도불구하고강우영향에매우취약한특성을지니고있어, 강우감쇠영향을극복하고적정수준의서비스가용도를보장할수있는기술의개발이선행되어야한다. 본논문에서는 21GHz Ka 대역에서의위성방송서비스를위한효과적인강우감쇠극복방안으로, 스케일러블비디오코딩기술과다중대역계층전송기술또는가변부호 / 변조기술을접목한서비스가용도개선방법에대하여살펴보고자한다. Ⅱ. 위성수신가용도개선 1. 강우감쇠보상기술 Ka 대역이상의고주파대역은폭넓은대역의주파수자원을제공하면서도스폿빔을형성하여주파수재사용성을높일수있는등의장점이있으나, 강 Attenuation(dB) 60 52.1 50 40 35 30 27.7 20 20.7 18.1 14.6 14.9 11.7 10 10.3 11 9.4 7.1 5.7 5.7 6.87 5.2 2.7 1.96 2.78 2.51 3.54 3.73 0 0.280 0.36 1 0.27 0.39 1.4 4.2 10.5 13.6 19.7 38.5 60 Rain Rata(mm/hr) 20GHz 30GHz 12GHz 14.25GHz ( 그림 1) 강우율에따른신호감쇠분포우영향에매우치명적인단점이있다. ( 그림 1) 은무궁화위성 3호의중계기를기준으로주파수에따른강우감쇠특성분포를보인것이다. 그림에따르면, 강우의집중도에따라감쇠의폭이커지고, 20GHz 대역의감쇠특성이 12GHz Ku 대역에비해 3배에가까움을알수있다. 이러한신호감쇠를보상하기위한방안으로링크전력제어, 다이버시티기법, 빔성형기술, 계층전송기법, 적응형부호 / 변조기술등이연구되어왔다. 최근에는, 일본에서는 NHK 기술연구소를중심으로, 위상배열 (phased array) 급전반사경안테나를이용하여격렬한국지성강우가발생한지역에만부분적으로송신전력을증가하여감쇠를보상하는가변빔패턴방송위성시스템에관한연구가진행되고있다 (( 그림 2) 참조 )[1],[2]. 송출전력이나빔을제어하는방식은위성중계기나중심국의시스템에적지않은변화를주어야하므로기술실현을위한비용부담이매우큰반면, 계층전송기법이나적응형부호 / 변조기술은부호 / 변조부와복조 / 복호부에국한되어적용될수있어상대적으로실현가능성이높다. 또한, 전송채널의특성과수신상태의변화에따라단계적인품질의서비스를제공받을수있도록함으로써서비스수 131
전자통신동향분석제 23 권제 3 호 2008 년 6 월 Original Video SVC Encoding Scalable Extraction PDA Boosted Beams; 100km Diameter PC Minimum Radiation Power in Clear Sky Condition Fukuoka Osaka Whole-area Beam ( 그림 2) 위상배열안테나를이용한 21GHz 위성방송개념도 [2] 신중단비율을낮출수있으며, 스케일러블비디오코딩기술과같은방송데이터계층화기술과접목될경우, 보다효율적인서비스가용도개선방안으로활용될수있다. Tokyo Sapporo One Common Bitstream Digital TV ( 그림 3) H.264 SVC 기술활용개념 [3] QCIF CIF 30fps 15fps 4CIF (a) temporal scalability (b) spatial scalability 2. 스케일러블비디오코딩기술 코딩기술은 1990년대초반 MPEG 기술의출현이후꾸준히연구되고표준화도이루어져왔으나, 부호화효율저하및복잡성등의한계와산업에서의수요부재로, 현재까지의상용화사례는극소수에불과하다. 근래에들어 H.264 AVC를기반으로하는새로운개념이제안되면서 H.264(MPEG-4 Part 10) AVC 규격의확장형태로표준화 (H.264 SVC) 가진행되어왔으며, 표준화작업의완료를목전에두고있다. H.264 SVC 표준은 H.264 AVC를기반으로함으로써, 기존의유사기술표준들이지녔던부호화효율저하의치명적인단점들을상당부분보완하여개발되었다. 또한, ( 그림 3) 에서와같이전송경로와용량, 특성, 단말의성능과형태등에서다양성이존재하는 heterogeneous 네트워크상에서단일소스를이용하여다양한품질의멀티미디어서비스가제공될수있도록함으로써방송과통신이융합되는차세대네트워크 (NGN) 의핵심기술요소로 (c) SNR(quality) scalability ( 그림 4) H.264 SVC 스케일러빌러티부상하고있다 [4]. H.264 SVC의주요한특징으로는 ( 그림 4) 에보인바와같이공간, 시간, 화질스케일러빌러티를제공하고, 복합적인조합도가능하다. 본논문에서는 SD급해상도의기저계층과 HD급향상계층의 2계층공간스케일러빌러티를적용하였다. 향상계층은 HD급복호를위한추가적인부호화정보를싣고있어서시간당비트율이높고기저계층없이단독복호가불가능한특징이있다. 기저계층은향상계층에비하여시간당발생되는비트양이작고, 향상계층스트림이없어도 SD급의영상으로복호될수있다. 따라서, 기저계층의전송은전송용량보다는수신가용률이높도록하고, 향상계층의전송은전송용량과효율을중시하여야한다. 132
김승철외 / 위성방송수신가용도개선을위한디지털위성방송전송기술동향 3. 다중대역을통한계층전송기술높은가용도가요구되는기저계층스트림은 Ku 대역을통해전송하고, Ka 대역으로고화질재생이가능하기위한향상계층스트림을전송하게된다. 이기법은한국과같이강우분포가특정시기에집중되고대부분의기간동안맑은날씨가지속되는곳에적합하다. 그러나대역들간의채널환경과 RF 소자등의차이로인해각계층별수신단성능이달라질수있고, 데이터전송시간차에따른계층간동기의문제가나타날수있다. 또한 LNB, 튜너등과같은부품들이사용자단말에각대역별로별도로필요하므로비용이증가하게된다. 각계층별수신단을통해수신된기저계층과향상계층스트림은복호되기에앞서, 원래의단일한스트림으로재결합되어야하며, 이때계층간동기가이루어지게된다. ( 그 림 5) 는다중대역을이용한계층적전송시스템의개념을도시한것이다. Ku/Ka 다중대역계층전송시스템을통한위성방송서비스의가용도는 Ku 대역을통한 SD급기저계층전송에대한링크가용도로표현될수있으며, 전송규격을적용할경우 45cm 크기의안테나로 99.97% 의높은수치의링크설계가가능하게된다. ( 그림 6) 에무궁화위성 3호위성의 Ku, Ka 중계기제원을기준으로현행 Ku 위성방송서비스대역과 21GHz Ka 대역에대하여 ITU-R P.618-8 의강우율을바탕으로한링크마진분석결과를도시하였다. 다중대역계층전송시스템은기저계층스트림전송규격으로종래의 DVB-S 규격을적용하게되면, 기존위성방송서비스와의호환성을확보할수있는부가적인장점이있다. 다중대역위성방송전송장치 프로그램구성정보 Ku 대역송신부 방송프로그램제공자 다운샘플러 HD 비디오 SD 비디오 H.264 스케일러블비디오인코더 다중화기 계층분할기 1.1 변조 / 송신부 #1 Ka 대역송신부 Ku 대역안테나 오디오 오디오인코더 1.2 변조 / 송신부 #2 Ka 대역안테나 프로그램구성정보 다중대역위성방송수신장치 Ku 대역수신부 위성 디스플레이장치 H.264 스케일러블비디오디코더 1.1 수신 / 복조부 #1 Ku 대역 LNB 역다중화기 계층결합기 Ka 대역수신부 스피커 오디오디코더 1.2 수신 / 복조부 #2 Ka 대역 LNB ( 그림 5) 기반다중대역계층전송시스템 133
전자통신동향분석제 23 권제 3 호 2008 년 6 월 3 2.5 2.54 7 6 5.71 2 1.5 1.63 1.53 5 4 4.4 4.24 Link Margin 1 0.5 0-0.5-1 -0.54 0.62-0.91-0.01 0.8 Link Margin 3 2 1 0-1 -0.24 0.91-0.58 1.91 0.44 2.84 1.35 2.92-0.35 0.52-1.5-2 -1.92-2 -3-1.73-2.83-1.92-2.5 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 (m) Antenna Size -4 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 (m) Antenna Size 99.9%(Ku-band) 99%(Ka-band) 99.70% 99.80% 99.90% ( 그림 6) Ku/Ka 다중대역계층전송링크마진 (a) 기저계층링크마진 4. VCM 전송기술 규격에따르면, 전송하고자하는입력데이터는에러정정부호화를거쳐일정길이의전송프레임으로블록화된후변조과정을거쳐전송된다. 매전송프레임에는해당프레임에적용된부호율과변조방식에대한정보가포함되어있다. 따라서, 수신단의복조기는프레임의헤더로부터부호및변조정보를읽어그프레임의복조 / 복호에적용한다 [5]. 이는전송프레임의단위로입력데이터스트림의특성과채널환경의변화에대한적응적대처가가능함을의미한다. 즉, 수신단말의성능이나전형적인링크환경에기반한카테고리를정의하고, 입력스트림들을각카테고리에맞게분리하며, 각카테고리별로다른부호율과변조방식을적용한후적절한시간순서에따라전송함으로써 VCM을구성할수있다. VCM 기술은전체적인전송효율의상당한개선효과를기대할수있을뿐만아니라, 대역폭과전송성능을유지하면서수신안테나사이즈를감소시키는것에적용될수있다. 또한스케일러블부호화기술을통해계층화된방송데이터의전송에적용할경우서비스가용도개선효과도기대해볼수있다. 그러나, 프레임단위의변조방식의변화는수신단말에서의동기화처리에어려움을가중시켜전송된 Link Margin 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -0.8-5.85 0.25-1.64-4.7 1.25-0.63-3.68 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 (m) Antenna Size 99.70% 99% 2.14 0.27-2.77 1.81 1.21 95% (b) 향상계층링크마진 ( 그림 7) VCM 전송기술적용에대한링크마진 프레임의손실을유발할수있을뿐아니라, 전체적으로신축성있는시스템을구현하기위해비용이증가하게된다. ( 그림 7) 에 VCM 전송기술을적용한위성방송에대한링크분석결과를도시하였다. 그림에따르면, QPSK 1/2 기저계층과 QPSK 8/9 또는 8PSK 2/3의향상계층구성의경우, 50cm 안테나를이용하여 99.8% 의가용도로 SD급화질의방송수신이가능하며, HD급화질수신가용도는 99% 인것으로분석된다. 3.1 0.1 134
김승철외 / 위성방송수신가용도개선을위한디지털위성방송전송기술동향 프로그램구성정보 계층적전송장치 방송프로그램제공자 다운샘플러 HD 비디오 SD 비디오 오디오 H.264 스케일러블비디오인코더 오디오인코더 다중화기 계층분할기 1.1 1.2 변조 / 송신기 프로그램구성정보 계층적수신장치 위성 디스플레이장치 스피커 H.264 스케일러블비디오디코더 오디오디코더 역다중화기 계층결합기 1.1 1.2 수신 / 복조기 ( 그림 8) VCM 기반위성방송전송시스템 본고의 III장에 기반 VCM 전송시스템에대하여보다자세히기술하였다. QPSK 1/2 (L1) QPSK 8/9 QPSK 8/9 QPSK 1/2 (L1) QPSK 8/9 QPSK 8/9 Ⅲ. VCM 기반위성방송전송시스템 ( 그림 8) 은 VCM 전송기법과 H.264 SVC 부호화기술을적용한위성방송전송시스템을보인것이다. 스케일러블부호화된비디오스트림은오디오스트림과함께패킷화및다중화되고, 기저계층과향상계층의패킷스트림으로분리되어별도의포트를통해 시스템에입력된다. VCM 기법에서는동일한변조방식에부호율만달리함으로써물리계층프레임 (PLFRAME) 의길이를일정하게하여전송하는방법과, 변조방식과부호율또는변조방식만을달리함으로써 PLFRAME 의길이를다르게하여전송하는방법이있다. 1. 가변부호율 VCM 동일한변조방식에다른부호율을적용하여전송하는 VCM의경우프레임동기에어려움이없다. 따 frame(plframe) ( 그림 9) VCM 모드프레임전송예 - 계층간동일한변조방식 라서, PLFRAME의헤더로부터추출된부호율에따라데이터를출력시키면된다. 단, QPSK 1/2과 QPSK 8/9의 spectral efficiency와심볼률에따라서 ( 그림 9) 에예시된바와같이, 각계층별데이터율요구사항에맞게각각의프레임개수를할당해야하며, 수신단말에서의계층간동기처리를위해적절한조합으로전송하여야한다. 이와같은방식은기본적인 CCM 전송방식의경우프레임동기확률이동일하므로구현상유리할수있으나, 기저계층과향상계층의데이터율에따라적절한조합을구성하기어려울수있다. 2. 가변부호율 / 변조 VCM 계층전송방식을적용한일본의디지털위성방송 135
전자통신동향분석제 23 권제 3 호 2008 년 6 월 QPSK 1/2 (L1) 8PSK 2/3 frame(plframe) 8PSK 2/3 QPSK 1/2 (L1) 8PSK 2/3 ( 그림 10) VCM 모드프레임전송예 - 계층간다른변조방식 8PSK 2/3 시스템인 ISDB-S의경우는변조방식과부호율에관계없이일정한길이의데이터심볼열이전송되는데반해 [6], 의경우특히변조방식, FEC 프레임길이, 파일럿존재유무에따라물리계층프레임데이터길이가달라진다. 따라서, 의경우 VCM 기법의적용에있어간단히해결되는사항은아니다. 프레임별로다른변조방식이적용되어전송되므로매프레임마다변조방식에대한확인이요구된다. 우선적으로, 송신과수신측에미리알려진프레임전송순서에따라서프레임동기전략을수행할수있다. 가령 ( 그림 10) 에예시된바와같이 QPSK 1/2, 8PSK 2/3이반복적또는주기적으로전송된다는사전정보에따라프레임동기를수행함으로써프레임동기확률을높일수있다. 그러나완전한의미의 VCM이되기위해서는불가피하게버스트로가정한복조기설계형태로수정이요구된다. 특히, 초기동기시에타이밍오차및주파수동기수행후위상동기와 PLS 디코딩은 feedforward 형태로수행되어야한다. 이때, 일정시간의초기포착시간이필요하게된다. 또는 PLS 디코딩은위상오차에영향을받지않으므로주파수동기후에바로수행하는방법도가능하다. 게다가이기법의경우에는변조방식별로포착시간이달라지므로수신단말내다른기능요소들과의조율이필요하다. 특히, 포착시간에가장영향을미치는프레임동기시간에서변조방식별로 PLFRAME의길이가다르고, 그에대한 mean acquisition time이달라지므로이를맞추기위한프레임동기오율을맞출필요가있다. 수신단말의동기부에서 VCM을적용하기위한 end-to-end 지연은타이밍동기, 프레임동기, 주 파수동기, 위상동기등이있다. 시간동기는변조방식보다 SNR 값으로대변되는채널요소 ( 주파수오차포함 ) 에영향을받는다. 따라서고정된 SNR 값의경우타이밍조정이가능하다. FEC부에서 VCM 을적용하기위한 end-to-end 지연은채널값과반복횟수에영향을받는다. 그러나운용중에변조방식별로반복횟수를제어하는적응형기법을적용하기는어렵다. 따라서변조방식별로반복횟수를고정하여지연시간을고려하며, 변조방식및부호율에영향을받지않는형태로간주한다. Ⅳ. 결론 21GHz 대역위성방송서비스를위해서는 Ka 대역에서발생할수있는강우감쇠를극복하는것이가장중요하다. 따라서, 본고에서는 Ku/Ka 대역의강우감쇠를효과적으로보상하여보다나은위성방송수신가용도를높이기위한방안에대해살펴보았다. 이러한방안들중에서도보다현실성있고, 다양한환경의서비스사용자들의만족감을충족시키기위하여 SVC 기술과 VCM 기술을접목한기술개발에매진할예정이다. 스케일러블코딩기술 : 영상또는음성데이터를부호화함에있어서, 동일한미디어소스로부터여러수준의비트율과품질을갖는스트림으로추출하여전송또는복호할수있도록하는계층부호화기술 FEC GBS NGN PLFRAME SNR SVC VCM 용어해설 약어정리 Forward Error Correction Global Broadcast Service Next Generation Network Physical Layer Frame Signal Noise Ratio Scalable Video Coding Variable Coded Modulation 136
김승철외 / 위성방송수신가용도개선을위한디지털위성방송전송기술동향 참고문헌 [1] 전한얼외 3인, 방송통신기술동향연구, 방송위원회정책연구 2006-5호, 2006. 5. [2] Parimal Majithiya, A.K. Sisodia, V. Muralidhar, and V.K. Garg, Novel Down Link Rain Fade Mitigation Technique for Ka-band Multibeam Systems, International Journal of Satellite Communications and Networking, Vol.25, 2007, pp.45-51. [3] Cheon-Seog Kim, Dongjun-Suh, Tae-Meon Bae, and Yong-Man Ro, Quality Metric for H.264/AVC Scalable Video Coding with Full Scalability, Proc. of the SPIE, Vol.6492, Mars, 2007, p.64921p. [4] Heiko Schwarz, Detlev Marpe, and Thomas Wie- gand, Overview of the Scalable H.264/MPEG-AVC Extension, IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, Vol.17, No.9, Sep. 2007, pp. 1103-1120. [5] ETSI EN 302 307 v1.1.2, Digital Video Broadcasting(DVB); Second Generation Framing Structure, Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and Other Broadband Satellite Applications, June 2006. [6] H. Kaoth, A. Hashimoto, H. Matsumura, S. Yamazaki, and O. Yamada, A Flexible Transmission Technique for the Satellite ISDB System, IEEE Trans. on Broadcasting, Vol.42, No.3, Sep. 1996, pp.159-166. 137