[논문]지상파 UHDTV 전송 기술

김호겸; 서재현; 김흥묵

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정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.33 no.7, 2016년, pp.3 - 9

김호겸 (한국전자통신연구원) , 서재현 (한국전자통신연구원) , 김흥묵 (한국전자통신연구원)

초록
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본고에서는 UHD (Ultra High Definition) 지상파 방송 서비스가 가능한 기술로서 하이브리드 전송, 단일 주파수망 (SFN) 기술, 전송채널 결합, 계층분할 다중화 (LDM), 다중입력 다중출력 (MIMO) 등의 기술을 ATSC 3.0 표준안을 기반으로 알아본다.

AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 ATSC 3.0 기술을 기반으로 UHDTV서비스를 제공할 수 있는 여러 형태의 전송 기술을 살펴보았다. 하이브리드 전송은 H/W 수정이나 추가 없이 제공할 수 있다는 기술적 장점이 있지만 두 가지 인프라를 융합하여 사용하므로 다양한 측면에서의 분석이 요구된다.
본론에서는 위와 같은 주변의 환경 변화에 대응하여 표준화가진행 중인 ATSC 3.0 표준의 UHD 지상파 방송 전송 기술에 대하여 논의한다.

제안 방법

ATSC 3.0 규격의 경우 TV방송뿐만 아니라 다른 종류의 무선 서비스를 추가하는 것에 대한 확장성을 고려하였는데 프레임 단위로 다른 종류의 무선 서비스가 가능하도록 프레임 앞에 공통의 무선 신호인 Bootstrap을 삽입하는 방법을 사용하였다. Bootstrap에 해당 프레임의 Minimum Time Interval to next frame, System Bandwidth, Sample Rate Post-Bootstrap, Preamble Structure 등의 전송 프레임 구성 정보를 지정하도록 되어있다.
인터넷을 통한 넷플릭스의 VOD (Video On Demand) 서비스, 유튜브 UHD 서비스 등 인터넷 멀티미디어 서비스의 급속한 확산으로 방송망과 광대역 망의 연동 또는 융합되는 형태의 서비스도 고려할 필요가 있다. MPEG에서는 IP (Internet Protocol) 기반의 전송 프로토콜을 만들기 위해 MMT (MPEG Media Transport) 표준화를 시작하였고, 3GPP (3^rd Generation Partnership Project) SA4 (Service and Application group 4)의 MBMS (Multicast and Broadcast Multimedia Service) 표준을 인터넷 스트리밍 국제 표준으로 만들고자 퀄컴, 애플, 마이크로소프트, 넷플릭스 등은 MPEG에 모여 DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) 그룹을 추가 구성하고 표준화 하였다. 이후 DASH에서는 UDP 기반의 ROUTE (Real-time Object delivery over Unidirectional Transport)를 추가하여 ATSC 3.
그리고 과 같이 IP를 채택하면서 물리계층과의 연결을 위한 ALP (ATSC Link layer Protocol) 을 추가로 규정하였다[2].
IP 외에도 MPEG-2 TS (Moving Picture Expert Group-2 Transport Stream) 등 다른 형식의 전송방식도 지원할 수 있다. 또한 시스템 동기 등 방송 전용 서비스를 위한 UDP (User Datagram Protocol) 기반의 MMT 프로토콜, ROUTE, SLT (Service List Table)를 채택하였다. 그리고 <그림 1>과 같이 IP를 채택하면서 물리계층과의 연결을 위한 ALP (ATSC Link layer Protocol) 을 추가로 규정하였다[2].
MPEG에서는 IP (Internet Protocol) 기반의 전송 프로토콜을 만들기 위해 MMT (MPEG Media Transport) 표준화를 시작하였고, 3GPP (3^rd Generation Partnership Project) SA4 (Service and Application group 4)의 MBMS (Multicast and Broadcast Multimedia Service) 표준을 인터넷 스트리밍 국제 표준으로 만들고자 퀄컴, 애플, 마이크로소프트, 넷플릭스 등은 MPEG에 모여 DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) 그룹을 추가 구성하고 표준화 하였다. 이후 DASH에서는 UDP 기반의 ROUTE (Real-time Object delivery over Unidirectional Transport)를 추가하여 ATSC 3.0 표준으로 제시하였으며 MMT와 DASH의 복수 표준이 채택되었다. DASH의 경우는 DVB IPTV에서도 표준에 채택되어 전세계 통일된 스트리밍 규격이 될 것으로 예상된다.
0은 물리계층부터 응용계층까지를 규정하는 규격이다. 주요 특징으로는 IP (Internet Protocol)를 전송 프로토콜로 사용하며 IPTV 등과의 호환성을 이룰 수 있는 DASH를 수용하였다. IP 외에도 MPEG-2 TS (Moving Picture Expert Group-2 Transport Stream) 등 다른 형식의 전송방식도 지원할 수 있다.
최신의 방송 전송표준 기술을 살펴보고, 이를 기반으로 UHDTV를 효율적으로 전송하기 위한 방안인 하이브리드 전송 (Hybrid Broadcast Broadband), 전송채널 결합 (Channel Bonding), 계층분할 다중화 (LDM, layered Division Multiplexing), 다중입력 다중출력 (MIMO, Multiple Input Multiple Output)을 기술한다.

성능/효과

LDM은 한 개의 RF 채널 내에서 HDTV이동수신과 UHDTV 고정수신을 동시에 제공할 경우 높은 시스템 이득을 제공하며, 전송채널 결합은 H/W 측면에서 MIMO에 비해 복잡도는 낮지만 추가적인 채널이 요구되어 방송주파수 자원의 부족으로 이를 활용하기에는 한계가 있다. MIMO기술은 현재 지상파 방송망 환경에서 요구되는 수신 SNR(약 15~20 dB)에서 채널 용량의 향상이 크게 개선되지 않았으며, H/W측면에서도 여러 부분이 수정될 것으로 보이나 한정된 주파수 자원 하에서 채널 용량 확장의 가능성은 가장 높은 것으로 보인다.
이에 방송 산업의 활성화를 위한 대안의 하나로 UHD 방송 서비스 실시를 계획하고 있다. 또한 방송산업 측면에서 디스플레이는 자연스런 색상재현을 위해서 브라운관 (평면 포함), 플라즈마, LCD (Liquid Crystal Display), OLED (Organic Light Emitting Diode), 퀀텀닷 (Quantum Dot) 디스플레이로 발전해왔는데 최신 기술들은 최소 UHD급 이상의 영상에 적합한 것으로 판단된다.
이와 같은 구조를 사용하여 DVB 표준들 보다 우수한 오류정정 특성을 갖는다[5]. 또한 비균일 성상 (NUC, Non Uniform Constellation)을 사용하여 균일성상 (Uniform Constellation)에 비해 shaping gain을 1.5dB 향상시켰다[6]. 성상 (Constellation)은 QPSK (Quadrature Phased Shift Keying)외에 비균일 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM을 지원한다.
그러나, 통신망과 결합된 하이브리드 방송 시스템에서는 야구 경기 도중 뉴스 프로그램으로 전환되더라도 야구 경기 시청을 원하는 시청자는 광대역 통신망을 통해 계속 시청할 수 있게 된다. 또한, 방송망을 통해 HD 프로그램을 시청하고, 통신망을 통해 부가적인 데이터를 수신하여 방송망과 통신망의 결합 및 SHVC기술을 활용하여 UHD화질로 시청이 가능하다.
특히, LDM을 적용한 시스템은 기존의 TDM을 적용한 시스템에 비해 채널 용량의 증대 효과 또는 동일 채널 용량에서 요구되는 수신 SNR (Signal to Noise Ratio)이 낮음을 모의실험으로 확인되었다[10].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HbbTV 규격은 무엇을 기반으로 하고 있는가?	HbbTV (Hybrid Broadcast Broadband TV)는 방송, 인터넷, 보조 단말 (Companion Screen Device; 휴대전화 또는 태블릿)과 연결된 복합단말 (Hybrid Terminal; TV or Set-Top Box)을 통하여 선형방송 및 대화형 서비스, 주문형 비디오, 포털 서비스 등을 제공하고 있다. HbbTV 규격은 MPEG2-TS를 기반으로 하고 있어 PSI/SI (Program Specific Information/ Service Information)을 통해 호 처리가 이루어진다. ATSC 3.
	ATSC 3.0의 주요 특징은?	0은 물리계층부터 응용계층까지를 규정하는 규격이다. 주요 특징으로는 IP (Internet Protocol)를 전송 프로토콜로 사용하며 IPTV 등과의 호환성을 이룰 수 있는 DASH를 수용하였다. IP 외에도 MPEG-2 TS (Moving Picture Expert Group-2 Transport Stream) 등 다른 형식의 전송방식도 지원할 수 있다. 또한 시스템 동기 등 방송 전용 서비스를 위한 UDP (User Datagram Protocol) 기반의 MMT 프로토콜, ROUTE, SLT (Service List Table)를 채택하였다. 그리고 <그림 1>과 같이 IP를 채택하면서 물리계층과의 연결을 위한 ALP (ATSC Link layer Protocol) 을 추가로 규정하였다[2]. ALP는 UDP 기반의 방송 스트림에만 적용된다.
	LDM 송신부를 구성하는 블록에는 무엇이 있는가?	LDM 송신부는 <그림 6>과 같이 입력 데이터 형식이 구성되는 입력 포맷팅(Input Formatting) 블록, FEC 기법이 적용되고 신호의 성상에 따라 매핑이 되는 비트 인터리빙 부호 변조 (BICM, Bit Interleaved Coded Modulation) 블록, 시간 및 주파수 인터리빙과 전송프레임이 생성되는 프레이밍과 인터리빙 (Framing and Interleaving) 블록, 그리고 출력 파형이 결정되는 파형 생성(Waveform Generation) 블록 등 총 4개의 블록으로 구성되어 있다. 먼저, 2개의 입력 신호는 각각 BICM을 통해 변조 신호로 매핑 후 각각의 FEC Frame을 Injection Level 차이를 주어 결합한다.

참고문헌 (14)

http://www.winxdvd.com/resource/h265-vs-h264.htm
ATSC, "ATSC Candidate Standard: Signaling, Delivery, Synchronization, and Error Protection," Doc. A/331, Jan. 2016.
ATSC, "ATSC Candidate Standard: Link Layer Protocol," Doc.A/330, Dec. 2015.
ATSC, "ATSC Proposed Standard: Physical Layer Protocol," Doc.A/322, May 2016.
kyung-Joong Kim, Seho Myung, Sung-Ik Park, Jae-Young Lee, Makiko Kan, Yuji Shinohara, Jong-Woong Shin, and Jinwoo Kim, "Low-Density Parity-Check Codes for ATSC 3.0," pp189-196, IEEE Trans. Broadcasting, Vol.62, No.1, Mar. 2016.

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Nabil Sven Loghin, Jan Zoller, Belkacem Mouhouche, Daniel Ansorregui, Jinwoo Kim, and Sung-Ik Park, "Non-Uniform Constellations for ATSC 3.0," pp197-203, IEEE Trans. Broadcasting, Vol.62, No.1, Mar. 2016.

상세보기
ATSC, "ATSC Standard: System Discovery and Signaling," Doc.A/321, Mar. 2016.
ATSC, "ATSC Working Draft: Scheduler, Studio to Transmitter Link," Doc.S32-266r1, Sep. 2015.
Junge Qi, Peter Neumann, and Ulrich Reimers, "Dynamic Broadcast," 14th ITG Conf. on Electronic Media Technology, Mar. 2011.
Liang Zhang, Wei Li, Yiyan Wu, Xianbin Wang, Sung-Ik Park, Heung Mook Kim, Jae-Young Lee, Pablo Angueira, and Jon Montalban, "Layered-Division-Multiplexing: Theory and Practice," pp216-232, IEEE Trans. Broadcasting, Vol.62, No.1, Mar. 2016.

상세보기
권선형, 박성익, 이재영, 임보미, 김흥묵, "ATSC 3.0 물리계층 표준기술," 방송과 미디어, 20(4), 17-27, 2015.

원문보기 상세보기
이유석, 류관웅, 김영민, 서재현, 김흥묵, "지상파 디지털 방송 전송기술 동향" 전자통신동향분석, 제31권 제3호, 60-69, 2016.

원문보기 상세보기
David Gomez-Barquero, David Vargas, Manuel Fuentes, Peter Klenner, Sangchul Moon, Jin-Yong Choi, Daniel Schneider, and Kenichi Murayama, " MIMO for ATSC 3.0," pp.298-305, IEEE Trans. Broadcasting, Vol.62, No.1, Mar. 2016.

상세보기
D. Gozalvez, D. Gomez-Barquero, D. Vargas, and N. Cardona, "Combined Time, Frequency and Space Diversity in DVB-NGH," IEEE Trans. Broadcasting, vol. 59, no. 4, pp. 674-684, Dec. 2013.

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