[논문]지상파 디지털방송 전송기술 동향

이유석; 류관웅; 김영민; 서재현; 김흥묵

[국내논문] 지상파 디지털방송 전송기술 동향
Trends of Terrestrial Transmission Technology for Digital Television Broadcasting 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.31 no.3, 2016년, pp.60 - 69

이유석 (미디어주파수공유.응용연구실) , 류관웅 (미디어주파수공유.응용연구실) , 김영민 (미디어주파수공유.응용연구실) , 서재현 (미디어주파수공유.응용연구실) , 김흥묵 (미디어주파수공유.응용연구실)

초록
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대용량 콘텐츠에 대한 관심이 증가함에 따라 지상파 방송의 전송용량을 증가시키기 위한 다양한 노력들이 시도되고 있다. 미국의 표준화 단체인 Advance Television Systems Committee(ATSC)에서는 초고화질의 데이터 전송이 가능하고 동시에 HD급 이동방송 서비스가 가능한 차세대 방송방식인 ATSC 3.0의 표준화 완료를 목표로 현재 막바지 작업을 진행하고 있다. 본고에서는 ATSC 3.0으로 불리는 ATSC 차세대 방송방식의 물리계층에 대한 표준화 동향과 ATSC 3.0 물리계층의 한 축을 담당하고 있는 프레임 동기를 위한 부트스트랩, Constellation 및 Layered Division Multiplexing(LDM) 기술에 대해 살펴보고, 물리계층의 획기적인 전송용량 증대 기법인 Multiple Input Multiple Output(MIMO) 기술에 대해 정리하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

0의 표준화 완료를 목표로 현재 막바지 작업을 진행하고 있다. 본고에서는 ATSC 3.0으로 불리는 ATSC 차세대 방송방식의 물리계층에 대한 표준화 동향과 ATSC 3.0 물리계층의 한 축을 담당하고 있는 프레임 동기를 위한 부트스트래 Constellation 및 Layered Division M니tiplexing(LDM) 기술에 대해 살펴보고, 물리계층의 획기적인 전송용량 증대 기법인 M니tiple Input Multiple Output(MIMO) 기술에 대해 정리하고자 한다.
본고에서는 미국의 차세대 지상파 방송표준인 ATSC 3.0의 물리계층 표준화 동향과 ATSC 3.0 물리계층의 baseline 기술로 채택된 프레임 동기 및 제어신호를 전달하기 위한 부트스트랩과 Constellation 및 Layered Division Multiplexing (LDM) 기술에 대해 살펴보고 대용량 콘텐츠를 전송하기 위한 방안으로 대두되고 있는 Multiple Input Multiple Output(MIMO) 기술에 대해서 살펴보고자 한다.
IJDM은 서로 다른 수신 강인성을 제공하기 위한 전송 다중화 기술의 한 예로서 Cloud-Tm⑹의 개념을 응용하여 기존의 Time Division Multiplexing (TDM) 또는 Frequency Division Multiplexin帽 (FDM)과 비교하여 높은 전송효율을 제공하기 위한 목적으로 개발되었다.
본고에서는 지상파 디지털 방송동향과 관련하여 미국의 차세대 지상파 방송방식을 위한 물리계층 표준화 동향과 그와 관련된 전송기술에 대하여 간략히 살펴보았다. 또한, 대용량 콘텐츠를 전송하기 위한 방안으로 부각되고 있는 MIMO 기술에 대해 정리하였다.
또한, 대용량 콘텐츠를 전송하기 위한 방안으로 부각되고 있는 MIMO 기술에 대해 정리하였다. 현재 진행 중인 ATSC 3.

제안 방법

0에 이용되는 변조방식은 변조차수에 따라서 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM 등으로 구분된다. 각 변조방식의 성상 도는 성상 위치의 분포도에 따라 균일하게 분포되어 있는 균일 성상(uniform constellation) 과 비균일하게 분포되어있는 비균일 성상(Non-Uniform Constellation: NUC) 으로 나눈다. 균일 성상은 단순하고 구현 복잡도가 낮아 방송과 통신에서 오랫동안 사용되어 왔으나 근본적으로 전송용량이 제한되는 문제점이 있다.
2km 떨어진 거리에서 8K UHDTV 전송실험을 최초로 성공하였으며, 2016년 3월에는 2개의 송신기를 이용한 MIMO 전송실험을 수행하였다. 구마모토현 히토요시 (Hitoyoshi) 와 미주카미 (Mizukami) 에 각각 MIMO 송신기를 설치한 실험국에서 중첩된 수신 지점에서의 성능 테스트를 진행하였다. 히토요시 송신기의 출력은 10W, 미주카미 송신기의 출력은 3W로 채널은 Single Frequency Network (SFN)으로 동일하게 46번(Ultra High Frequency: UHF 671MHz)을 적용하였다.

대상 데이터

ATSC 3.0의 전체 전송 시스템은 (그림 4)와 같이 입력 데이터 형식이 구성되는 Input Formatting 블록, 순방향 오류정정기법이 적용되고 신호의 성상에 따라 매핑되는 BICM 블록, 시간 및 주파수 인터 리빙과 전송프레임이 생성되는 Framing and Interleaving 블록, 그리고 출력 파형이 결정되는 Waveform Generation의 총 4 블록으로 구성되어 있다⑵. 또한, 점선은 LDM 블록, 쇄선은 MM3 블록을 의미하며 실선은 LDM과 MIMO 에 공통적으로 사용되는 블록을 나타낸다.
구마모토현 히토요시 (Hitoyoshi) 와 미주카미 (Mizukami) 에 각각 MIMO 송신기를 설치한 실험국에서 중첩된 수신 지점에서의 성능 테스트를 진행하였다. 히토요시 송신기의 출력은 10W, 미주카미 송신기의 출력은 3W로 채널은 Single Frequency Network (SFN)으로 동일하게 46번(Ultra High Frequency: UHF 671MHz)을 적용하였다. 전송실험 환경은 (그림 11)과 같이 이중 편파에 4096 QAM 을 적용하였다.
히토요시 송신기의 출력은 10W, 미주카미 송신기의 출력은 3W로 채널은 Single Frequency Network (SFN)으로 동일하게 46번(Ultra High Frequency: UHF 671MHz)을 적용하였다. 전송실험 환경은 (그림 11)과 같이 이중 편파에 4096 QAM 을 적용하였다. 또한, 8K 신호전송을 위해 송.

이론/모형

나타낸다. 핵심 계층은 향상 계층과 같거나 더 강건한 변조방식과 오류정정기법을 사용한다. 2계층을 적용하는 경우 일반적으로 부호의 길이는 같■지만 부호 율과 성상은 다르게 적용한다.
또한, 8K 신호전송을 위해 송.수신 모두 수평/수직 편파 안테나를 사용하는 cross-polar MIMO 기법을 적용하였으며, 91.8 Mbps의 전송용량을 나타내었다. 기존 州에서 2><2 MM0를 적용하면 중첩지역에서 동일신호의 스펙트럼 널 (nuU)로 인해 수신 전계 강도가 1〜2dB 낮아지는 단점을 보완하기 위해 Space Time Gde(STC)를 적용하여 이를 해결하였다.

성능/효과

비균일 QAM은 실선으로 표시하며 원하는 SNR에서 균일 QAM에 비해 더 우수한 전송용량을 보여준다. 또한, 모든 $緬에서높은 변조차수를 가진 비균일 QAM이 낮은 변조차 수를 가진 비균일 QAM에 비해 더 우수한 전송용량을 보여준다.
즉, 4x 2 MIMO 송 . 수신을 통해 중첩지 역에서 수신 전계 강도가 오히려 IdB 높아짐을 실험을 통해 보였다. 그러나, 6MHz 단일 대역에서 이러한 전송용량을 가지기 위해서는 30dB 이상의 Gamer to Noise Ratio (CNR)0] 요구되어, 송신단의 높은 출력이 필요하므로 실 방송환경에는 적용하기 어려울 것으로 판단된다[13]-[15].

후속연구

0 표준화 작업은 올해 완료를 목표로 진행되고 있으며 국내의 지상파 UHD 전송방식에 대한 표준화도 마무리 단계에 있다. 본고를 통해 차세대 지상파방송에 적용되는 전송기술을 파악하여 방송기술의 국가경쟁력을 향상시키는데 도움이 될 것으로 기대한다.

참고문헌 (16)

ATSC, "ATSC Digital Television Standard," Doc. A/53, Jan. 3rd, 2007.
ATSC, "ATSC 3.0 Working Draft: S32-Physical Layer Standard," Doc. S32-230r19, Mar. 2016.
서재현 외, "지상파 디지털방송 기술개발 및 표준화 동향," 전자통신동향분석, 제29권 제3호, 2014. 6, pp. 27-36.

원문보기 상세보기
ATSC, "ATSC 3.0 Standard: System Discovery and Signaling," Doc. A/321, Mar. 23rd, 2016.
J. Zollner and N. Loghin, "Optimization of High-Order Non-Uniform QAM Constellations," IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), June 2013.
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.

상세보기
권선형 외, "ATSC 3.0 물리계층 표준기술," 방송과 미디어, 제 20권 제4호, 2015, 10, pp. 17-27.

원문보기 상세보기
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)".
Digital Video Broadcasting(DVB), "Next Generation broadcasting System to Handheld, Physical Layer Specification( DVB-NGH)," DVB BlueBook A160, 2012.
D. Gomez-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.

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

상세보기
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.
NHK, "8K (Super Hi-Vision) Long-Distance Transmission Test is Successfully Achieved," NHK, Feb. 2014.
AV Watch, "NHK, 8Kス？パ？ハイビジョンの地上波長距離？送に成功," 20th, Jan. 2014.
S. Saito et al., "8K Terrestrial Transmission Field Tests Using Dual-Polarized MIMO and Higher-Order Modulation OFDM," IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 62, no. 1, Mar. 2016, pp. 306-315.

상세보기
H. Frank et al., "DVB Technical Module MIMO Study Mission Report," DVB, Geneva, Tech. Rep. TM-T0016r3, Sept. 2014.

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