[논문]ISDB-T 풀세그 TV 수신기 이동 성능 평가

구영모

doi:10.5909/jbe.2018.23.2.293

초록
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일본향 디지털 지상파 TV 규격인 ISDB-T는 OFDM 기술을 기반으로 하여 6MHz인 대역폭을 13개의 세그먼트로 나누고 그중에서 12개의 세그먼트(풀세그)는 고정형 수신기를 위한 고화질 방송에 할당하고 1개의 세그먼트(원세그)는 이동형 수신기를 위한 모바일 방송에 할당한다. 원세그는 QPSK 변조를 사용하여 고속 이동 중 수신이 가능하지만 데이터율이 낮아 대화면의 모바일 기기에는 그 화질이 크게 떨어지고, 풀세그는 고화질을 지원하지만 64QAM 변조를 사용하므로 고속 이동 수신이 어렵다. 본 논문에서는 반송파 간 간섭 제거 기술, 고속 채널 추정 기술, 안테나 다이버시티 기술을 ISDB-T 풀세그 수신기에 적용하여 그 이동 수신 성능을 평가하고 가능성을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In ISDB-T, which is Japanese digital terrestrial TV specification based on OFDM technology, 6MHz bandwidth is divided into 13 segments. Twelve segments (full-seg) are used for high definition broadcasting for fixed receivers and one segment (one-seg) for mobile receivers. Though one-seg supports hig...

In ISDB-T, which is Japanese digital terrestrial TV specification based on OFDM technology, 6MHz bandwidth is divided into 13 segments. Twelve segments (full-seg) are used for high definition broadcasting for fixed receivers and one segment (one-seg) for mobile receivers. Though one-seg supports high speed mobility by using QPSK modulation, it is not suitable for large display mobile devices because of its low data rate. Full-seg using 64QAM modulation also suffers from its low mobile performance. In this paper, mobile performance of ISDB-T full-seg receiver is evaluated by applying sub-carrier interference removing scheme, high speed mobile channel estimation scheme and antenna diversity scheme.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

고 정형 수신기에서는 시간축 보간을 이용한 채널 추정을 하므로 SFN 채널에서도 수신이 가능하지만 고속 이동 시에는 채널이 매우 빠르게 변화하므로 시간축 보간을 할 수 없어 채널 추정 또한 쉽지 않다. 본 연구의 목적은 OFDM 기술에 기반하여 고속 이동 시 도플러 현상에 의한 서브 캐리어 간의 간섭을 제거하는 기술^[8]과 SFN 채널에서의 고속 이동 채널 추정 기술^[9]을 ISDB-T 풀세그 수신기에 적용하여 MRC (Maximal Ratio Combining) 방식의 안테나 다이버시티에 따른 이동 수신 성능을 평가하고 그 가능성을 확인하는 것이다.
본 논문에서는 OFDM 시스템에서 수신기가 고속 이동시 도플러 현상에 의해 발생하는 서브 캐리어 간의 간섭을 제거하는 기술과 다중 경로 지연이 큰 SFN 채널에서도 채 널 추정이 가능한 기술을 ISDB-T 풀세그 수신기에 적용하여 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수에 따른 이동 수신 성능을 평가하였다. TU6 채널과 weak long echo SFN 채널에서 모의실험을 통해 고속 이동 수신 시에도 안테나 개수가 2개 이상이면 정지한 상태의 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

보호구간(guard interval)으로 사용하는 CP(cyclic prefix)의 길이를 Ng라고 할 때M<Ng가 성립하여 심벌 간 간섭(ISI)은 없다고 가정한다.

제안 방법

본 논문의 순서는 다음과 같다. II장 ISDB-T 풀세그 전송 방식의 개요, 적용한 반송파간 간섭 제거 기법과 채널 추정 기법을 설명하고 이를 적용한 모의실험을 통하여 ISDB-T 풀세그 수신기의 안테나 개수에 따른 이동 수신 성능을 평가, 검증한다. III장에서는 결론을 맺는다.
ICI 제거 기법은 OFDM 심벌 구간에서 채널 변화를 선형으로 근사화한 후 이를 바탕으로 주파수 영역에서 ICI 값을 추정하고 추정한 ICI 값을 수신 신호로부터 차감하여 ICI를 제거하는 방법^[8,10-13]이 유효한데 본 논문에서는 그림 2와 같이 시간 영역에서 수신한 심벌의 보호구간과 마지막 부분을 사다리꼴 모양으로 마스킹하고 이를 더하여 ICI를 감소시키고 주파수 영역에서 감소한 ICI 값을 추정하여 이를 제거하는 기법^[8]을 그대로 적용하였다. 이 기법을 적용하면 OFDM 전송기술에 기반한 DVB-T 수신기에서 도플러 주파수 성능을 70~100Hz 개선할 수 있는데 요약하면 다음과 같다.
한편 시간축 보간한 파일럿 반송파를 IDFT하면 Tu/3 시간 간격으로 3번 반복되는 다중경로 충격 응답을 얻을 수 있는데 0≤n≤Tu/3인 범위에서 유효한 값만을 마스킹한 후 이를 다시 DFT하여 주파수 영역 신호로 변경하면 채널 추정 잡음을 효과적으로 제거하여 채널 추정 성능을 더욱 향상시킬 수 있다^[14]. 그러나 수신기가 고속으로 이동하는 경우에는 채널이 빠르게 변하므로 채널 추정 속도를 향상시키기 위해 시간축 보간을 하지 않고 12개마다 반복하는 파일럿 반송파만으로 IDFT하면 3번이 아닌 12번 반복되는 다중경로 충격 응답을 얻는다. 따라서 채널을 추정할 수 있는 시간 구간이 Tu/12로 짧아지기 때문에 다중 경로 충격 응답 시간이 긴 SFN 채널에는 적용이 어렵다.
2절에서 요약한 간섭 제거 기법과 3절에서 요약한 채널 추정 기법을 일본향 지상파 디지털 방송 시스템인 ISDB-T 풀세그 수신기에 그대로 적용하여 모의실험을 통해 이동 수신 성능을 평가하였다. 모의실험 시간은 100 프레임(1 프레임은 204개의 OFDM 심벌로 구성)으로 하였다.
수신기가 고속 이동 시 다중 경로 채널 각각의 경로는 도플러 주파수에 따른 독립적인 레일라이 페이딩을 겪으므로 각 경로의 레일라이 페이딩은 JTC 페이딩 모델을 이용하였다^[15]. ISDB-T 풀세그 전송방식에서 전송 데이터는 RS 부호화하는 188바이트의 패킷으로 구성되어 있으므로 이동 수신 성능은 도플러 주파수에 따른 패킷 오류 확률(PER: Packet Error Rate)이 2x10-2보다 작아지는 데 필요한 신호대잡음 비(SNR)로 비교하였다. 모의실험 1은 표 1과 같이 6개의 경로로 구성되고 다중경로 채널의 충격 응답 분포가 5usec 이하인 COST207 TU6^[16] 채널에서 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수가 1개, 2개, 4개일 때의 성능을 비교한 것이다.

대상 데이터

2절에서 요약한 간섭 제거 기법과 3절에서 요약한 채널 추정 기법을 일본향 지상파 디지털 방송 시스템인 ISDB-T 풀세그 수신기에 그대로 적용하여 모의실험을 통해 이동 수신 성능을 평가하였다. 모의실험 시간은 100 프레임(1 프레임은 204개의 OFDM 심벌로 구성)으로 하였다. 수신기가 고속 이동 시 다중 경로 채널 각각의 경로는 도플러 주파수에 따른 독립적인 레일라이 페이딩을 겪으므로 각 경로의 레일라이 페이딩은 JTC 페이딩 모델을 이용하였다^[15].
ISDB-T 풀세그 전송방식에서 전송 데이터는 RS 부호화하는 188바이트의 패킷으로 구성되어 있으므로 이동 수신 성능은 도플러 주파수에 따른 패킷 오류 확률(PER: Packet Error Rate)이 2x10-2보다 작아지는 데 필요한 신호대잡음 비(SNR)로 비교하였다. 모의실험 1은 표 1과 같이 6개의 경로로 구성되고 다중경로 채널의 충격 응답 분포가 5usec 이하인 COST207 TU6^[16] 채널에서 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수가 1개, 2개, 4개일 때의 성능을 비교한 것이다. 그림 5의 실험 결과와 같이 안테나 개수가 2개인 경우 도플러 주파수 120Hz까지 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 SNR 성능(17dB)을 얻었고 4개인 경우는 도플러 주파수 230Hz까지 AWGN 채널보다 우수한 SNR 성능을 얻었다.
동일한 TU6 채널에서 간섭 제거 기술 없이 안테나 다이버시티 기술만 적용한 기존의 결과[17,18]와 비 교하면 동일한 안테나 개수에서 SNR 성능과 도플러 주파수 성능이 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 모의실험 2는 표 1과 같이 12개의 경로로 구성되고 다중경로 채널의 최대 충격 응답 분포가 184.2usec인 EICTA MBRAI 2.0^[19] SFN 채널의 하나인 weak long echo 채널에서 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수가 1개, 2개, 4개일 때의 성능을 비교한 것이다. 그림 6의 실험 결과와 같이 안테나 개수가 2개인 경우 도플러 주파수 90Hz까지 AWGN 채널과 유사한 SNR 성능을 얻었고 4개인 경우는 도플러 주파수 160Hz까지 AWGN 채널보다 우수한 SNR 성능을 얻었다.

이론/모형

본 논문에서는 다중경로 충격 응답 시간 구간이 긴 SFN 채널에서도 고속 채널 추정이 가능한 기법^[9]을 그대로 적용하였다. 이 기법을 요약하면 다음과 같다.
모의실험 시간은 100 프레임(1 프레임은 204개의 OFDM 심벌로 구성)으로 하였다. 수신기가 고속 이동 시 다중 경로 채널 각각의 경로는 도플러 주파수에 따른 독립적인 레일라이 페이딩을 겪으므로 각 경로의 레일라이 페이딩은 JTC 페이딩 모델을 이용하였다^[15]. ISDB-T 풀세그 전송방식에서 전송 데이터는 RS 부호화하는 188바이트의 패킷으로 구성되어 있으므로 이동 수신 성능은 도플러 주파수에 따른 패킷 오류 확률(PER: Packet Error Rate)이 2x10-2보다 작아지는 데 필요한 신호대잡음 비(SNR)로 비교하였다.

성능/효과

시간축에서 현재의 OFDM 심벌과 네 심벌 떨어진 OFDM 심벌의 분산 파일럿 반송파를 이용하여 시간축 보간 (interpolation)을 수행하면 두 심벌 사이에 있는 세 개의 OFDM 심벌의 동일한 위치의 분산 파일럿 반송파를 추정할 수 있다. 그 결과 동일한 OFDM 심벌 내에서 12개가 아닌 3개의 반송파 간격으로 채널값을 알 수 있어 주파수축 보간을 수행하여 모든 반송파 위치의 채널값을 추정할 수 있다. 한편 시간축 보간한 파일럿 반송파를 IDFT하면 Tu/3 시간 간격으로 3번 반복되는 다중경로 충격 응답을 얻을 수 있는데 0≤n≤Tu/3인 범위에서 유효한 값만을 마스킹한 후 이를 다시 DFT하여 주파수 영역 신호로 변경하면 채널 추정 잡음을 효과적으로 제거하여 채널 추정 성능을 더욱 향상시킬 수 있다^[14].
모의실험 1은 표 1과 같이 6개의 경로로 구성되고 다중경로 채널의 충격 응답 분포가 5usec 이하인 COST207 TU6^[16] 채널에서 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수가 1개, 2개, 4개일 때의 성능을 비교한 것이다. 그림 5의 실험 결과와 같이 안테나 개수가 2개인 경우 도플러 주파수 120Hz까지 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 SNR 성능(17dB)을 얻었고 4개인 경우는 도플러 주파수 230Hz까지 AWGN 채널보다 우수한 SNR 성능을 얻었다. 동일한 TU6 채널에서 간섭 제거 기술 없이 안테나 다이버시티 기술만 적용한 기존의 결과[17,18]와 비 교하면 동일한 안테나 개수에서 SNR 성능과 도플러 주파수 성능이 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
그림 5의 실험 결과와 같이 안테나 개수가 2개인 경우 도플러 주파수 120Hz까지 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 SNR 성능(17dB)을 얻었고 4개인 경우는 도플러 주파수 230Hz까지 AWGN 채널보다 우수한 SNR 성능을 얻었다. 동일한 TU6 채널에서 간섭 제거 기술 없이 안테나 다이버시티 기술만 적용한 기존의 결과[17,18]와 비 교하면 동일한 안테나 개수에서 SNR 성능과 도플러 주파수 성능이 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 모의실험 2는 표 1과 같이 12개의 경로로 구성되고 다중경로 채널의 최대 충격 응답 분포가 184.
그림 6의 실험 결과와 같이 안테나 개수가 2개인 경우 도플러 주파수 90Hz까지 AWGN 채널과 유사한 SNR 성능을 얻었고 4개인 경우는 도플러 주파수 160Hz까지 AWGN 채널보다 우수한 SNR 성능을 얻었다. 일본에서 지상파 디지털 방송은 473~767MHz의 UHF 대역에서 방송되고, 도플러 주파수 90Hz를 UHF 대역에서 수신기 이동 속도로 환산하면 약 127~206km/h이므로 모의실험 1, 2를 통해 ISDB-T 풀세그 수신기는 고속 이동 수신 시에도 안테나 개수가 2개 이상이면 정지한 상태의 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 OFDM 시스템에서 수신기가 고속 이동시 도플러 현상에 의해 발생하는 서브 캐리어 간의 간섭을 제거하는 기술과 다중 경로 지연이 큰 SFN 채널에서도 채 널 추정이 가능한 기술을 ISDB-T 풀세그 수신기에 적용하여 MRC 방식의 다이버시티 안테나 개수에 따른 이동 수신 성능을 평가하였다. TU6 채널과 weak long echo SFN 채널에서 모의실험을 통해 고속 이동 수신 시에도 안테나 개수가 2개 이상이면 정지한 상태의 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 향후 OFDM 전송기술 기반의 ATSC 3.

후속연구

TU6 채널과 weak long echo SFN 채널에서 모의실험을 통해 고속 이동 수신 시에도 안테나 개수가 2개 이상이면 정지한 상태의 AWGN 채널에서 안테나가 1개일 때와 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 향후 OFDM 전송기술 기반의 ATSC 3.0 수신기에도 동일한 기술을 적용하여 고속 이동 수신 성능을 평가할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OFDM 전송방식이 채택된 방송규격은?	OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송방식은 다수의 반송파를 이용하여 전송 대역폭을 다수의 협대역으로 나누어 증가한 심벌 길이와 보호구간으로 인하여 다중경로 채널과 같은 시간 확산, 즉 주파수 선택적 페이딩 채널에 의해 발생하는 심벌 간 간섭 (ISI: InterSymbol Interference)의 영향을 줄인다. 또한 주파수 영역에서 수신 신호가 채널과 송신 신호의 곱의 형태가 되어 간단한 등화기를 사용하는 수신기 구조를 가능하게 하여 유럽향 지상파 디지털 방송 규격인 DVB-T, DVB-T2[1,2], 일본 향 지상파 디지털 방송 규격인 ISDB-T[3], 미국향 UHD 지상파 디지털 방송 규격인 ATSC 3.0[4] 등에 채택되었다. 특히 일본향 디지털 지상파 TV 규격인 ISDB-T는 6MHz인 대역폭을 13개의 세그먼트로 나누고 그중에서 13개 또는 12개의 세그먼트는 고정형 수신기를 위한 고화질 방송에 할당하고 1개의 세그먼트는 이동형 수신기를 위한 모바일 방송에 할당한다.
	ISDB-T에서 원세그의 장점과 단점은?	일본향 디지털 지상파 TV 규격인 ISDB-T는 OFDM 기술을 기반으로 하여 6MHz인 대역폭을 13개의 세그먼트로 나누고 그중에서 12개의 세그먼트(풀세그)는 고정형 수신기를 위한 고화질 방송에 할당하고 1개의 세그먼트(원세그)는 이동형 수신기를 위한 모바일 방송에 할당한다. 원세그는 QPSK 변조를 사용하여 고속 이동 중 수신이 가능하지만 데이터율이 낮아 대화면의 모바일 기기에는 그 화질이 크게 떨어지고, 풀세그는 고화질을 지원하지만 64QAM 변조를 사용하므로 고속 이동 수신이 어렵다. 본 논문에서는 반송파 간 간섭 제거 기술, 고속 채널 추정 기술, 안테나 다이버시티 기술을 ISDB-T 풀세그 수신기에 적용하여 그 이동 수신 성능을 평가하고 가능성을 확인한다.
	OFDM 전송방식의 장점은?	OFDM 전송방식은 다수의 반송파를 이용하여 전송 대역 폭을 다수의 협대역으로 나누어 증가한 심벌 길이와 보호구간으로 인하여 다중경로 채널과 같은 시간 확산, 즉 주파수 선택적 페이딩 채널에 의해 발생하는 심벌 간 간섭 (ISI: Inter-Symbol Interference)의 영향을 줄이는 장점이 있다. 그러나 증가한 심벌 길이는 수신기가 고속으로 이동할 경우 즉, 도플러 확산과 같이 시간에 따른 채널의 변화가 큰 시간 선택적 페이딩 채널에서는 반송파 간 직교성이 파괴 되어 반송파 간 간섭 (ICI: Inter-Carrier Interference)을 발생시켜 오히려 수신 성능을 크게 악화시킨다[5,6].

참고문헌 (19)

ETSI, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, ETSI EN 300 744 V1.5.1.
ETSI, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2),
ARIB, Transmission System for Digital Terrestrial Television Broadcast, ARIB STD-B31.
ATSC, Physical Layer Protocol (A/322)
A.A. Hutter, R. Hasholzner, and J.S. Hammerschmidt, "Channel estimation for mobile OFDM systems," Proc. IEEE VTC''99-Fall, Sept. 1999.
P. Robertson and S. Kaiser, "The effects of Doppler spreads in OFDM(A) mobile radio systems," Proc. IEEE VTC''99-Fall, pp. 329-333, Sept. 1999.
ETSI Standard: TS 101 191 V1.4.1, Digital Video Broadcasting (DVB); DVB mega-frame for Single Frequency Network (SFN) synchronization.
Y. M. Gu, "Inter-carrier Interference Reduction Method Using Mask in a Fast Moving OFDM receiver," Journal of Broadcast Engineering Vol. 18, No. 3, May 2013.
Y. M, Gu, "A Channel Estimation Scheme for OFDM receiver in a Fast Mobile SFN Channel," Journal of Broadcast Engineering Vol. 21, No. 4, July 2016.
W. G. Jeon and K. H. Chang, "An equalization technique for orthogonalfrequency-division multiplexing systems in time-variant multipath channels," IEEE Trans. Commun., vol. 47, pp. 27-32, Jan. 1999.

상세보기
W.-S. Hou and B.-S. Chen, "ICI cancellation for OFDM communication systems in time-varying multipath fading channels," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 4, no. 5, pp. 2100-2100, Sept. 2005.

상세보기
Y. Mostofi and D. Cox, "ICI mitigation for mobile OFDM receivers," Proc. IEEE 38th ICC, Anchorage, Alaska, May 2003.
V. Fischer, A. Kurpiers, and D. Karsunke, "ICI reduction method for OFDM systems," 8th International OFDM-Workshop 2003 (InOWo'03), Hamburg, Conference Proceedings.
Y. Zhao and A. Huang, "A novel channel estimation method for OFDM mobile communications systems based on pilot signals and transform domain processing," in Proc. IEEE 47th Vehicular Technology Confrerence, Phoenix, USA, pp.2089-2093, May 1997.
3GPP2: C.R1002-0 v1.0, CDMA2000 evaluation methodology
COST207 (under the direction of M. Failly), "Digital land mobile radio communications (final report)," Commission of the European Communities, Directorate General Telecommunications, Information Industries and Innovation, 1989, pp. 135-147.
K. Sakuma and K. Kanno , "Digital TV Tuner for Automotive applications TU-DTV100," Matsushita Technical Journal Vol. 52, No. 2, pp. 39-44, Apr. 2006
Y. Narikiyo, M. Okano and M. Takada, "Performance of ISDB-T HDTV Mobile Reception Using 8-branch Space Diversity with Iterative Decoding," The Journal of The Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 66, No. 7, J260-J266, June 2012

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EICTA MBRAI 2.0 "Mobile and portable DVB-T/H radio access - Part 2 interface conformance testing," pp. 43-46.

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