한국전자통신연구원

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Ⅰ. 서론최근 Ultra HD(UHD) 와같은대용량콘텐츠에대한관심이높아지면서대용량콘텐츠를한정된주파수자원을이용하여효율적으로전송하기위한방안이대두되고있다. 미국의디지털 TV 방송규격을제정하는표준화기구인 Advance Television Systems Committee (ATSC)[1] 에서는이러한요구를충족시키기위하여 2013 년부터차세대방송표준인 ATSC 3.0[2] 을위한표준화를시작하였으며, 2016 년표준화완료를목표로막바지작업을진행중이다. 본고에서는미국의차세대지상파방송표준인 ATSC 3.0 의물리계층표준화동향과 ATSC 3.0 물리계층의 baseline 기술로채택된프레임동기및제어신호를전달하기위한부트스트랩과 Constellation 및 Layered Division Multiplexing(LDM) 기술에대해살펴보고대용량콘텐츠를전송하기위한방안으로대두되고있는 Multiple Input Multiple Output(MIMO) 기술에대해서살펴보고자한다. Ⅱ. ATSC 3.0 물리계층표준화동향미국의지상파방송표준화단체인 ATSC 에서는지상파 UHD 및모바일 High Definition(HD) 이가능한새로운표준인 ATSC 3.0 을 2016 년제정을목표로논의중이다. ATSC 3.0 은동일한조건에서 ATSC 1.0 보다전송용량은 30% 이상향상, 4K UHD 방송과이동 HD 방송의동시서비스제공, 재난방송지원등을목표로하고있다. ATSC 3.0 표준화는현재물리계층, 프로토콜계층, 애플리케이션계층을포함하여 3개그룹으로구분하여진행중이다. 물리계층에대한논의는 Technology Group on ATSC 3.0(TG3) 산하 Specialist Group on Physical Layer(S32) 에서진행하고있으며 2016 년상반기중하드웨어랩테스트및필드테스트수행을목표로하고있다. 물리계층그룹인 S32 에서는 System discovery & signaling 과 Physical layer standard 2 가지표준문서로나누어표준화를진행하였으며 2015 년 5월 System discovery and signaling 문서 (A/321) 를후보표준 (candidate standard, CS) 으로승인되었고, 약 9 개월간의 CS 기간이후제안표준 (proposed standard, PS) 으로승인될계획이다 [3]. System discovery and signaling 문서 (A/321) 는현재 PS로승인하기위한 ballot 이진행중이다. Physical layer standard 문서 (A/322) 는 2015 년 9월 CS로승인되었고, 올해 4월 PS 승인을목표로표준문서및하드웨어검증작업 (Validation & Verification Test) 이진행중이다. 검증이완료되면 2016 년이내에 ATSC 3.0 표준문서가완성될것으로예상된다. Ⅲ. Bootstrap 부트스트랩 (Bootstrap) 은기존의 DVB-T2 시스템과구분되는프리앰블 (preamble) 신호의형태로매전송프레임의앞부분에위치한다. DVB-T2 시스템에서제공하는 Future Extension Frame(FEF) 의경우전송프레임내에일정구간에한정하여새로운서비스를제공하는데비해부트스트랩은전송프레임전체의버저닝 (versioning) 이가능하므로미래새로운서비스에대한높은확장성을제공할수있다. ATSC 3.0 표준에서부트스트랩은각프레임의시작위치를검출하기위해프레임의가장앞부분에삽입되는신호이다 [4]. 여러심볼로구성되는부트스트랩신호의첫번째심볼은타이밍동기, 주파수옵셋추정및채널추정에이용되며나머지심볼은후속전송프레임에대한컨트롤신호를전달하는데이용된다. 부트스트랩신호는 ( 그림 1) 과같이주파수영역에서 Zadoff-Chu(ZC) 수열과 PN 수열을곱한후 IFFT 를이용하여시간영역신호로변환되어송신된다. 부트스트랩신호는다양한버전정보를가지는데이버전정보는 이유석외 / 지상파디지털방송전송기술동향 61

주버전 (Major version) 과부버전 (Minor version) 으로구성되어있다. 부트스트랩신호를생성하는 ZC 수열의 q 값이주버전을결정하며 PN 수열의 Seed 값 ( 초기값 ) 으로부버전을구분한다. 현재 ATSC 3.0 표준에서 ZC의 q값은 137 로고정되어있으며, 이는주버전이 0 임을의미한다. 부버전은 0에서 7까지 8개로구분되어있다. 부버전에대한 PN 수열의초기값을 < 표 1> 에나타내었다 [4]. 부트스트랩은현재후속전송프레임의컨트롤을위해서시그널링정보를전달하는데첫번째심볼은앞서설명한바와같이전송프레임의시간동기에이용되기때문에별도로전달하는정보는없으며, 이후세심볼을이용하여총 24비트의시그널링정보를전달하게된다. 부트스트랩심볼수는향후사용여부에따라증가할수있다. 부트스트랩각심볼의시그널링필드를 < 표 2>, < 표 3>, < 표 4> 에나타내었다 [4]. 부트스트랩심볼은재난이발생했을때 TV의상태를제어하기위한신호를전달하는데두번째와세번째부트스트랩심볼을이용하여각각 1비트씩총 2비트의정보를전달한다. 부트스트랩이후신호의대역폭과같은버전정보를가지는다음프레임이나타날때까지의최소시간은두번째심볼을이용하여전달한다. 물리계층전송프레임의샘플율은세번째심볼을이용하여전달하며네번째심볼은마지막부트스트랩심볼다음에위치하는하나또는그이상의프리앰블심볼에대한파라미터를전달하는데이용된다. 이파라미터는각각 FFT 크기와보호구간길이그리고프리앰블에이용되는파일럿 (Pilot) 구조와 L1-Basic 의 Forward Error Correction(FEC) 모드에대한것이며 0에서 159까지총 160 가지의경우에대해정의되어있다 [4]. 62 전자통신동향분석제 31 권제 3 호 2016 년 6 월

Ⅳ. Constellation ATSC 3.0에이용되는변조방식은변조차수에따라서 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM 등으로구분된다. 각변조방식의성상도는성상위치의분포도에따라균일하게분포되어있는균일성상 (uniform constellation) 과비균일하게분포되어있는비균일성상 (Non-Uniform Constellation: NUC) 으로나눈다. 균일성상은단순하고구현복잡도가낮아방송과통신에서오랫동안사용되어왔으나근본적으로전송용량이제한되는문제점이있다. 그에비해비균일성상은공간상에서 QAM 성상들을최적화시키면균일성상에비해전송용량의이론적인한계치에더욱근접시킬수있는장점이있다. ( 그림 2) 는 Additive White Gaussian Noise(AWGN) 채널에서그레이 (Gray) 매핑된균일 QAM 성상의 Bit Interleaved Coded Modulation(BICM) 전송용량을보여준다. 균일 QAM 심볼을 k 비트로구성하면 2 k 개의성상을가진다. ( 그림 2) 에서와같이어떤특정균일 QAM 성상에서 FEC를사용하지않고에러가없는무한대의 Signal to Noise Ratio(SNR) 에서심볼당달성할수있는최대전송용량은 k 비트로제한된다. 즉균일성상을이용하여높은 SNR 에서전송용량을증가시키기위해서는변조차수를증가시켜서하나의심볼을구성하는 k 비트를증가시켜야한다. 비균일성상은균일성상에비해더높은 BICM 전송용량을획득할수있는방법으로성상도의성상위치를균일하게분포시키지않고성상도의성상위치를변화시키는방법이다. 즉비균일성상은설계하기를원하는 SNR 과채널형태에따라성상도의성상위치를다르게변화시켜전송용량을최적화한다. ( 그림 3) 은 AWGN 채널에서최적화된비균일 QAM 이균일 QAM에비해 Shannon Limit 로부터심볼당비트부족량 (shortfall) 을얼마나줄일수있는지를보여준다. ( 그림 3) 의균일 QAM은점선으로표시하며 SNR 에따른최적의균일 QAM의종류와 Shannon Limit 에비해심볼당비트부족량을보여준다. 비균일 QAM 은실선으로표시하며원하는 SNR 에서균일 QAM에비해더우수한전송용량을보여준다. 또한, 모든 SNR 에서높은변조차수를가진비균일 QAM 이낮은변조차수를가진비균일 QAM 에비해더우수한전송용량을보여준다. ( 그림 3) 에서예로든 AWGN 채널과다르게지상파채널은일반적으로다중경로 (multipath) 를가진라이시 이유석외 / 지상파디지털방송전송기술동향 63

안 (Rician) 이나레일레이 (Rayleigh) 분포를가진다. 따라서 AWGN 에서 BICM 용량최적화대신에르고딕페이딩채널에대해서 BICM 용량최적화과정이필요하다 [5]. ATSC 3.0 의변조차수는총 6가지를제공하고있으며, 균일 QPSK 변조와 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM 변조의 5가지비균일성상으로구분되어있다. 각각의비균일변조차수와부호율의조합에따라다른성상을제공하지만, 부호의길이에따라서는성상이변하지않는다. 이는부호율과변조차수가일정하게유지되면부호의길이가 64800 과 16200 에대해같은성상이사용되는것을의미한다. QPSK 신호의성상은 1차원 (1-dimensional, 1D) QAM 형태로서모든부호율에대해같은성상이사용된다. 16QAM, 64QAM 및 256QAM 신호의비균일성상은 2차원 (2D) quadrantsymmetric QAM 성상이며단일사분면으로부터의대칭을이용하여만들어진다. 수신단에서 QAM 복조의복잡도를줄이기위해서 1024QAM 과 4096QAM 신호의성상은 I(In-phase) 성분과 Q(Quadrature) 성분에대하여각각비균일 1차원 PAM 성상으로부터유도된다. Ⅴ. LDM 기술 ATSC 3.0 의전체전송시스템은 ( 그림 4) 와같이입력데이터형식이구성되는 Input Formatting 블록, 순방향오류정정기법이적용되고신호의성상에따라매핑되는 BICM 블록, 시간및주파수인터리빙과전송프레임이생성되는 Framing and Interleaving 블록, 그리고출력파형이결정되는 Waveform Generation 의총 4 블록으로구성되어있다 [2]. 또한, 점선은 LDM 블록, 쇄선은 MIMO 블록을의미하며실선은 LDM 과 MIMO 에공통적으로사용되는블록을나타낸다. LDM 은서로다른수신강인성을제공하기위한전 64 전자통신동향분석제 31 권제 3 호 2016 년 6 월

송다중화기술의한예로서 Cloud-Txn[6] 의개념을응용하여기존의 Time Division Multiplexing(TDM) 또는 Frequency Division Multiplexing(FDM) 과비교하여높은전송효율을제공하기위한목적으로개발되었다. LDM 은기존의 TDM 이나 FDM 과는달리신호의전력수준 (power level) 과오류정정기법그리고변조방식이각각다른여러개의신호를중첩시켜서하나의신호형태로전송한다. ( 그림 5) 에서는전력수준이다른 2계층 LDM 신호의주파수스펙트럼개념을나타내었다. 2계층 LDM 시스템은 2개혹은그이상의 Physical Layer Pipe(PLP) 를결합하여신호를전송하는데 ( 그림 5) 에서전력수준이높은신호를제 1계층또는핵심계층 (core layer) 으로나타내며전력수준이상대적으로낮은신호를제 2계층또는향상계층 (enhanced layer) 으로나타낸다. 핵심계층은향상계층과같거나더강건한변조방식과오류정정기법을사용한다. 2계층을적용하는경우일반적으로부호의길이는같지만부호율과성상은다르게적용한다. 예를들어핵심계층이부호의길이가 64800 이며부호율이 4/15 그리고변조방식으로 QPSK 를사용할때, 향상계층은부호의길이가 64800 을가지며부호율이 10/15 인부호를사용하고변조방식으로는 64QAM 을사용할수있다. 2계층은 ( 그림 6) 과같은 LDM 시스템구조로결합된다. ( 그림 6) 에서향상계층의전력수준은핵심계층보다 0~25dB 낮게변환된상태에서핵심계층과결합되며power normalizer 블록에서신호의최종전력을정규화하여전송하게된다. QPSK 변조방식을사용한핵심계층신호의성상과비균일 64QAM 변조방식을사용한향상계층의성상그리고, 2개의계층이결합된신호성상의한예를 ( 그림 7) 에나타내었다. ( 그림 7) 에서향상계층은핵심계층보다 4dB 낮은파워로삽입되었으며, 전력수준조절을위한설정값은 0.6309573 이며최종출력신호의전력을조절하기위한정규화값은 0.845762 이다 [2]. 수신기에서는 LDM 신호를복조하기위해서가장강건한신호인핵심계층신호를우선적으로복조하며수신신호로부터복조된신호를제거한후향상계층신호를복조한다. LDM 시스템은기존의 TDM 시스템보다 이유석외 / 지상파디지털방송전송기술동향 65

3~6dB 정도의높은시스템이득을제공할수있다 [7]. Ⅵ. MIMO 기술 지상파를이용하여대용량방송콘텐츠를보내기위해서는넓은대역폭을사용하거나변조차수를증가시키는방법이있으나한정적인방송주파수와방송망커버리지를고려하면전송용량증대에한계가있다. 이론적으로 Single Input Single Output(SISO) 시스템에서는 Shannon limit 이상을전송할수없기때문에추가적인주파수할당없이전송용량증대가가능한 MIMO 시스템이대용량전송에유력한기술후보로대두되었다. MIMO 기술을사용하기위해서는안테나간의상관값을고려하여야하며이상관값이작아질수록 MIMO 시스템의이득은커지게된다. 상관값을줄이기위해서는안테나간의거리를충분히띄어주는방법이있지만, 현재방송송출환경에서는어려운일이기때문에수평편파와수직편파를이용한 cross-polar MIMO 시스템을고려하고있다. ( 그림 8) 은 10m 높이에 rooftop 수신환경을고려한 cross polar channel 의 2 2 MIMO 시스템의채널용량을나타낸다. ( 그림 8) 과같이 SNR 이증가함에따라 SISO 대비 MIMO 의채널용량이크게증가하는것을확인할수있다. 이러한이유로유럽의지상파방송표준인 DVB-T2[8] 에서는송신안테나 2개와수신안테나 1개를이용하는 Space Time Block Code(STBC) 기술이 optional 로채택되었으며, DVB- Next Generation Handheld(DVB-NGH) 에서는송신안테나 2개, 수신안테나 2개를사용하여전송비 2를만족하는 esm+ph(enhanced Spatial Multiplxing+ Phase Hopping) 기술이채택되었다 [9]. ( 그림 9) 의 PH-eSM 기법은 spatial multiplexing precoding 기법인 esm 기법에서두번째송신안테나신호에매 OFDM 심볼마다선형적으로증가하는위상을임의로곱한뒤전송하는 PH 기법이결합된것이다. esm 기법은이동통신채널환경과달리 Line of Sight(LOS) 신호가존재하는방송채널환경을고려하여설계되었으며 PH 기법은 LOS 환경에서연집오류 (burst error) 를상쇄하여채널복호입장에서시간적인다이버시티이득을얻기위해설계되었다 [10][11]. 현재진행중인 ATSC 3.0 표준에서도 DVB-NGH 와비슷한구조의 precoding 기법이포함되어있다 [2]. ( 그림 10) 에나타낸 MIMO precoding 은 3개의블록으로이루어져있으며 stream combining 블록은수식 (1) 과같다. (Tx1) (Tx2) = cos sin sin cos (Tx1) (Tx2) (1) I/Q polarization interleaving 은 stream combining 블록에서출력된 2 개심볼의 real 값과 imaginary 값을 서로교차시켜다이버시티이득을얻는다. PH 기술은 66 전자통신동향분석제 31 권제 3 호 2016 년 6 월

DVB-NGH 시스템과동일하게두번째송신안테나신 호에 FEC 블록단위로선형적으로증가하는위상을곱 하며수식 (2) 와같이나타낸다 [12]. ( 1) ( 2) = 1 0 0 ( ) ( 1) ( 2) (2) 일본 NHK 는 2012 년 5월에 2 2 MIMO 기술로 4.2km 떨어진거리에서 8K UHDTV 전송실험을최초로성공하였으며, 2016 년 3월에는 2개의송신기를이용한 MIMO 전송실험을수행하였다. 구마모토현히토요시 (Hitoyoshi) 와미주카미 (Mizukami) 에각각 MIMO 송신기를설치한실험국에서중첩된수신지점에서의성능테스트를진행하였다. 히토요시송신기의출력은 10W, 미주카미송신기의출력은 3W로채널은 Single Frequency Network(SFN) 으로동일하게 46번 (Ultra High Frequency: UHF 671MHz) 을적용하였다. 전송실험환경은 ( 그림 11) 과같이이중편파에 4096 QAM 을적용하였다. 또한, 8K 신호전송을위해송 수신모두수평 / 수직편파안테나를사용하는 cross-polar MIMO 기법을적용하였으며, 91.8 Mbps 의전송용량을나타내었다. 기존 SFN 에서 2 2 MMO 를적용하면중첩지역에서동일신호의스펙트럼널 (null) 로인해수신전계강도가 1~2dB 낮아지는단점을보완하기위해 Space Time Code(STC) 를적용하여이를해결하였다. 즉, 4 2 MIMO 송 수신을통해중첩지역에서수신전계강도가오히려 1dB 높아짐을실험을통해보였다. 그러나, 6MHz 단일대역에서이러한전송용량을가지기위해서 는 30dB 이상의 Carrier to Noise Ratio(CNR) 이요구되어, 송신단의높은출력이필요하므로실방송환경에는적용하기어려울것으로판단된다 [13]-[15]. 방송환경에서다중안테나사용에큰걸림돌중에하나는기존에설치된안테나를바꾸는일외에수신안테나수만큼의케이블을추가로설치해야한다는것이다. 이를극복하기위하여 2개의케이블을사용하지않고 2 개의수신안테나중에한쪽안테나신호를주파수변환기를이용하여주파수를변환시켜기존에설치된하나의선로에같이보내는방법이논의되고있다 [16]. ( 그림 12) 는추가적인케이블설치없이 MIMO 수신이가능한방법에대해나타낸것이다. 수직과수평편파를사용하는 MIMO 기술의대안으로하나의편파만을사용하고분리된 2개의송출사이트를사용하여송출하는 Distributed MIMO 기술도논의되고있으나비용문제와커버리지등의문제로사용이힘든단점이있다. Ⅶ. 결론본고에서는지상파디지털방송동향과관련하여미국의차세대지상파방송방식을위한물리계층표준화동향과그와관련된전송기술에대하여간략히살펴보았다. 또한, 대용량콘텐츠를전송하기위한방안으로부 이유석외 / 지상파디지털방송전송기술동향 67

각되고있는 MIMO 기술에대해정리하였다. 현재진행중인 ATSC 3.0 표준화작업은올해완료를목표로진행되고있으며국내의지상파 UHD 전송방식에대한표준화도마무리단계에있다. 본고를통해차세대지상파방송에적용되는전송기술을파악하여방송기술의국가경쟁력을향상시키는데도움이될것으로기대한다. 약어정리 ATSC Advance Television Systems Committee AWGN Additive White Gaussian Noise BICM Bit Interleaved Coded Modulation CNR Carrier to Noise Ratio DVB Digital Video Broadcasting DVB-NGH DVB-Next Generation Handheld FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FEF Future Extension Frame HD High Definition LDM Layered Division Multiplexing LOS Line of Sight MIMO Multiple Input Multiple Output NUC Non-Uniform Constellation PLP Physical Layer Pipe S32 Specialist Group on Physical Layer SFN Single Frequency Network SISO Single Input Single Output SNR Signal to Noise Ratio STBC Space Time Block Code STC Space Time Code TDM Time Division Multiplexing TG3 Technology Group on ATSC 3.0 UHD Ultra HD UHF Ultra High Frequency 참고문헌 [1] ATSC, ATSC Digital Television Standard, Doc. A/53, Jan. 3rd, 2007. [2] ATSC, ATSC 3.0 Working Draft: S32-Physical Layer Standard, Doc. S32-230r19, Mar. 2016. [3] 서재현외, 지상파디지털방송기술개발및표준화동향, 전자통신동향분석, 제 29 권제 3 호, 2014. 6, pp. 27-36. [4] ATSC, ATSC 3.0 Standard: System Discovery and Signaling, Doc. A/321, Mar. 23rd, 2016. [5] J. Zöllner and N. Loghin, Optimization of High-Order Non-Uniform QAM Constellations, IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), June 2013. [6] Y. Wu et al., Cloud Transmission: A New Spectrumreuse Friendly Digital Terrestrial Broadcasting Transmission System, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 58, no. 3, 2012, pp. 329-337. [7] 권선형외, ATSC 3.0 물리계층표준기술, 방송과미디어, 제 20 권제 4 호, 2015, 10, pp. 17-27. [8] ETSI EN 302 755 (V1.2.1) Digital Video Broadcasting (DVB); Frame Structure Channel Coding and Modulation for a Second Generation Digital Terrestrial Television Broadcasting System (DVB-T2). [9] Digital Video Broadcasting(DVB), Next Generation broadcasting System to Handheld, Physical Layer Specification(DVB-NGH), DVB BlueBook A160, 2012. [10] D. Gómez-Barquero et al., DVB-NGH: The Next Generation of Digital Broadcast Services to Handheld Devices, IEEE Trans. Broadcasting, vol. 60, no. 2, pp. 246-257, June 2014. [11] D. Gozálvez et al., Combined Time, Frequency and Space Diversity in DVB-NGH, IEEE Trans. Broadcasting, vol. 59, no. 4, Dec. 2013, pp. 674-684. [12] D. Vargas et al., MIMO for DVB-NGH, The Next Generation Mobile TV Broadcasting, IEEE Trans. Commun. Magazine, vol. 57, no. 7, pp. 130 137, July 2013. [13] NHK, 8K (Super Hi-Vision) Long-Distance Transmission Test is Successfully Achieved, NHK, Feb. 2014. [14] AV Watch, NHK 8K スーパーハイビジョンの地上波長距離伝送に成功, 20th, Jan. 2014. [15] S. Saito et al., 8K Terrestrial Transmission Field Tests Using Dual-Polarized MIMO and Higher-Order Modulation OFDM, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 62, 68 전자통신동향분석제 31 권제 3 호 2016 년 6 월

no. 1, Mar. 2016, pp. 306-315. [16] H. Frank et al., DVB Technical Module MIMO Study Mission Report, DVB, Geneva, Tech. Rep. TM- T0016r3, Sept. 2014. 이유석외 / 지상파디지털방송전송기술동향 69