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문제 정의
- 본 고에서는 지상파 UHD 모바일 방송 시범서비스에 대해 살펴보았다. 평창동계올림픽 기간을 활용하여 많은 미디어 관계자들이 체험버스를 통해 이동 중 고화질의 HD 방송 경기를 시청할 수 있었다.
- 2차 시험 운행은 강릉에서 셔틀 버스 노선 TM41을 따라 진행하였으며 과학기술정보통신부, 방송통신위원회, 서울 및 강원권 지상파방송사, 수신기 제조사 등 관계기관에서 모두 참여하여 성공적으로 마쳤다. 본문에서는 UHD 모바일 방송을 위한 체험버스 구축, 수신기 개발 현황, UHD 모바일 방송 시범서비스 현황 및 시사점을 소개한다.
가설 설정
- 평창동계올림픽 기간 중 UHD 모바일 시범서비스에서는 UHD 콘텐츠와 동일한 HD 콘텐츠를 적용하였다. 집 안에서 고정된 대형 UHDTV를 통해 시청하는 초고화질의 방송 콘텐츠와 이동 중 모바일 단말기를 통해서 시청하는 방송 콘텐츠는 시청자의 콘텐츠 선호도가 다를 것이다. 따라서 모바일 방송의 확대를 위해서는 모바일 방송에 특화된 다양한 방송 콘텐츠 제작 및 송출이 필요할 것으로 예상된다.
제안 방법
- 마지막으로 UHD 모바일 방송 체험을 위해 수신기를 탑재한 UHD 모바일 체험버스를 구축하였다. 28인승 버스를 임대하여 UHD 수신 안테나, 수신기, UHDTV 및 모니터, 태블릿 PC 등을 설치하였다. 평창동계올림픽 시작 전 1차 시험 운행은 서울지역에서 진행하였으며, 과학기술정보통신부, 서울지역 지상파방송사, 한국전파진흥협회, 한국전자통신연구원이 참여하였다.
- 체험버스 내의 UHD 수신 단말은 버스 입구 상단의 49인치 UHDTV와 전시 테이블 위의 24인치 모니터 2대, 태블릿 PC 2대 및 좌석에 태블릿 PC 5대를 배치하였다. 49인치 UHDTV는 셋탑형 ATSC 3.0 수신기와 IMAS(Integrated Management Analysis System, 통합측정분석시스템) S/W가 연동된 시스템을 이용하여 KBS 1 채널을 수신하여 재생하도록 구성하였다. 해당 KBS 1 채널 화면은 24인치 모니터 2대에 HDMI 신호를 분배하여 동시에 재생되도록 하였으며, 지상파 DMB를 통해 전송되는 HD-DMB 채널과의 비교 수신을 위해 24인치 모니터 1대를 같이 배치하였다.
- 0 시스템의 물리계층 베이스밴드 패킷을 말하며, TS(Transport Stream)는 MPEG-2 시스템의 트랜스포트 스트림을 말한다. 동글형 USB 수신기의 메모리를 최소화하기 위해 수신기 시스템 본체에서 RF 튜너 및 복조부 H/W 장치를 직접 구동하는 방식으로 설계하였다. 특히, USB 컨트롤러 펌웨어는 8051기반의 마이컴에서 구동되며 CPU 클럭, 메모리 등의 제약이 있으므로 최소한의 소스 코드로 동작이 될 수 있도록 최적화하였다.
- 두 번째 후보지인 강릉 지역에서 괘방산 송신소로부터 방송 수신 신호를 측정하는 수신환경 조사를 진행하게 되었다. 강릉 지역은 높은 산들이 없는 해안가로서 강릉 시내에서도 UHD 신호의 수신 레벨은 양호하였다.
- 먼저 수신 안테나는 이동 중인 수신환경을 고려하여 방송용 측정차량에서 사용하는 원 모양의 전방향(omni-directional) UHF 안테나를 버스 지붕에 설치하였으며, RF 분배기를 통해 수신기로 전달하였다. 또한, 국내 이동 방송으로 서비스 중인 HD-DMB[9]와의 화질 등의 비교를 위해 VHF 안테나도 함께 설치하였다. <그림 2>에서는 UHD 모바일 체험버스 외부와 수신 안테나의 위치를 보여준다.
- UHD 모바일 체험버스 운행 노선 결정을 위해 올림픽 조직위원회와 협의하였으며, 미디어 관계자들이 탑승하게 되는 셔틀 버스 노선 내에서 운행하기로 결정되었다. 마지막으로 UHD 모바일 방송 체험을 위해 수신기를 탑재한 UHD 모바일 체험버스를 구축하였다. 28인승 버스를 임대하여 UHD 수신 안테나, 수신기, UHDTV 및 모니터, 태블릿 PC 등을 설치하였다.
- 평창동계올림픽은 개회식, 폐회식 및 설상 경기가 진행되는 평창 지역과 빙상 경기가 진행되는 강릉 지역에서 열렸다. 먼저 UHD 모바일 방송 시범 서비스 지역을 선정하기 위해 평창 지역에서 수신 환경에 대한 조사를 실시하였다. 태기산 송신소로부터 방송 수신 신호를 측정한 결과 평창 지역 내 UHD 신호의 수신 레벨이 낮은 일부 음영지역이 발생하였다.
- 평창동계올림픽 기간 중 UHD 모바일 방송을 이동 중에 체험할 수 있도록 28인승 대형버스에 수신기를 설치하였다. 먼저 수신 안테나는 이동 중인 수신환경을 고려하여 방송용 측정차량에서 사용하는 원 모양의 전방향(omni-directional) UHF 안테나를 버스 지붕에 설치하였으며, RF 분배기를 통해 수신기로 전달하였다. 또한, 국내 이동 방송으로 서비스 중인 HD-DMB[9]와의 화질 등의 비교를 위해 VHF 안테나도 함께 설치하였다.
- 수신 단말의 경우에는, II.3 절에서 전술한 모바일 단말에 적용이 가능한 ATSC 3.0 방송 수신 칩을 이용하여 USB 타입의 동글형 수신기를 개발하였다. 방송 서비스 관련 데이터는 수신칩을 통해 USB 인터페이스를 사용하여 태블릿 PC에 전달된다.
- 0 표준[3]의 경우 OFDM 변조방식, HEVC 및 SHVC 영상압축방식, MPEG-H 음성압축방식, LDM, TDM, FDM 등의 전송다중화, LDPC와 BCH의 오류정정부호, IP 프로토콜 등을 포함하고 있다[4]. <표 1>에서는 기존 DTV 표준인 ATSC 1.0[5]과 UHD 표준인 ATSC 3.0의 주요 특징을 비교하였다. 지상파 UHD 표준 중 전송 규격 측면에서 다중 반송파를 사용하는 OFDM과 고성능의 오류정정부호인 LDPC[6]를 적용하여 6MHz 대역폭에서 1.
- 탑승자가 주로 외국 미디어 관계자임을 고려하여 화면 UI(User Interface)도 단순화하였다. <그림 9>와 같이 지상파 3사의 4개 채널만 보이도록 UI를 구성하였고, 실제 운영자가 제어할 수 있는 기능은 화면 하단에 별도의 인터페이스를 적용하여 수신 모니터링 및 제어를 할 수 있도록 하였다. 탑승자가 특정 방송 채널을 선택하면 바로 해당 채널의 HD 프로그램을 자동으로 선택하여 보여주며 다른 채널로 이동하고자 할 경우에는 화면을 터치하여 초기 화면으로 이동한 후원하는 채널을 선택할 수 있도록 하였다.
- 체험버스 내에 설치된 수신 시스템은 <그림 4> 와 같이 설계하여 구축하였다. 이동 환경 시 발생할 수 있는 장비의 오류에 대한 빠른 복구를 위해 수신 시스템을 이중화하였으며 UHF 안테나로부터 수신된 RF 신호의 감쇄를 최소화하여 분배할 수 있도록 8-포트 분배기(splitter)를 적용하였다. LNA(Low Noise Amplifier) 기능이 적용된 8-포트 분배기를 이용하여 셋탑형 ATSC 3.
- HD-DMB 셋탑박스는 HDMI 출력신호를 24인치 모니터를 통해 디스플레이 한다. 이때 지상파 UHD 신호로 수신되는 이동 HD 방송과 지상파 DMB 신호로 수신되는 HD-DMB 방송을 비교하기 위하여 동일한 24인치 모니터로 디스플레이 하였다. 마지막으로 동글형 ATSC 3.
- 체험버스 운행 경로는 과 같이 강릉 씨마크 호텔 - 세인트존스 호텔 - 강릉 아이스아레나 경기장 - 미디어촌을 오가는 경로로 이 구간에서의 전계 강도를 포함하여 수신 성능(패킷 에러 율)을 측정하였다.
- 체험버스는 올림픽 기간 중 2월 9일부터 2월 25일 까지 오전 8시부터 오후 11시까지 하루 7~8회 정도 운행하였으며 와 같이 다수의 미디어 관계자들에게 UHD 모바일 시범서비스를 선보였다.
- 0으로 생중계를 하였다. 특히, CBC에서는 ATSC 3.0 기반 계층분할다중화(LDM, Layered Division Multiplexing) 기술을 활용하여 UHD 및 이동 HD 동시방송 서비스를 실시하였으며, 이동 HD 프로 그램을 UHD 모바일 수신기로 수신하였다.
- 동글형 USB 수신기의 메모리를 최소화하기 위해 수신기 시스템 본체에서 RF 튜너 및 복조부 H/W 장치를 직접 구동하는 방식으로 설계하였다. 특히, USB 컨트롤러 펌웨어는 8051기반의 마이컴에서 구동되며 CPU 클럭, 메모리 등의 제약이 있으므로 최소한의 소스 코드로 동작이 될 수 있도록 최적화하였다. 튜너 제어 모듈은 실제로 USB 동글 장치의 모든 제어를 담당하며 RF 튜너와 복조부 하드웨어를 실제로 구동 시키는 드라이버를 포함한다.
- 평창동계올림픽 기간 중 UHD 모바일 방송을 이동 중에 체험할 수 있도록 28인승 대형버스에 수신기를 설치하였다. 먼저 수신 안테나는 이동 중인 수신환경을 고려하여 방송용 측정차량에서 사용하는 원 모양의 전방향(omni-directional) UHF 안테나를 버스 지붕에 설치하였으며, RF 분배기를 통해 수신기로 전달하였다.
- 0 수신기와 IMAS(Integrated Management Analysis System, 통합측정분석시스템) S/W가 연동된 시스템을 이용하여 KBS 1 채널을 수신하여 재생하도록 구성하였다. 해당 KBS 1 채널 화면은 24인치 모니터 2대에 HDMI 신호를 분배하여 동시에 재생되도록 하였으며, 지상파 DMB를 통해 전송되는 HD-DMB 채널과의 비교 수신을 위해 24인치 모니터 1대를 같이 배치하였다. KBS 1채널로 설정한 이유는 현재 강릉지역에서 방송되는 HD-DMB서비스가 KBS 1채널만 제공되기 때문이다.
대상 데이터
- 본 시범서비스에 적용된 수신기로는 2가지로 셋탑형 ATSC 3.0 전용 수신기와 휴대단말을 위한 USB 동글형 수신기 형태를 보여주었다. 특히 휴대 단말의 다양화 및 UHD 모바일 방송의 확산을 위해서는 저전력의 수신칩 개발이 선행되어야 할 것이다.
- 이때 서비스 정보에 대한 복원 및 오디오/비디오 스트림은 태블릿 PC에 내장된 S/W를 이용하여 디코딩한 후 출력되도록 하였다. 수신 단말의 형상은 데모 환경을 고려하여 태블릿 PC로 한정하였으며, II.2 절에서 설명한 버스 내 수신시스템 구성과 같이 설치되었다. 탑승자가 주로 외국 미디어 관계자임을 고려하여 화면 UI(User Interface)도 단순화하였다.
- 무엇보다도 UHD 방송에 이동 HD를 동시에 송출해야 하는 송출 시스템 구축 작업이 주요 이슈였으며 체험버스를 구축함에 있어서는 이동 환경에서 직접 수신 기능을 가진 수신 단말에 대한 개발이 주된 고려사항이었다. 시범서비스에 참여한 방송사는 강원지역에 있는 4개의 UHD 방송 채널인 KBS1, KBS2, 강릉MBC, G1이며, UHD 1개 채널당 동일한 UHD 방송 프로그램과 HD 방송 프로그램을 동시 송출하였다.
- 체험버스 내의 UHD 수신 단말은 버스 입구 상단의 49인치 UHDTV와 전시 테이블 위의 24인치 모니터 2대, 태블릿 PC 2대 및 좌석에 태블릿 PC 5대를 배치하였다. 49인치 UHDTV는 셋탑형 ATSC 3.
- 28인승 버스를 임대하여 UHD 수신 안테나, 수신기, UHDTV 및 모니터, 태블릿 PC 등을 설치하였다. 평창동계올림픽 시작 전 1차 시험 운행은 서울지역에서 진행하였으며, 과학기술정보통신부, 서울지역 지상파방송사, 한국전파진흥협회, 한국전자통신연구원이 참여하였다. 2차 시험 운행은 강릉에서 셔틀 버스 노선 TM41을 따라 진행하였으며 과학기술정보통신부, 방송통신위원회, 서울 및 강원권 지상파방송사, 수신기 제조사 등 관계기관에서 모두 참여하여 성공적으로 마쳤다.
성능/효과
- 이동 환경 시 발생할 수 있는 장비의 오류에 대한 빠른 복구를 위해 수신 시스템을 이중화하였으며 UHF 안테나로부터 수신된 RF 신호의 감쇄를 최소화하여 분배할 수 있도록 8-포트 분배기(splitter)를 적용하였다. LNA(Low Noise Amplifier) 기능이 적용된 8-포트 분배기를 이용하여 셋탑형 ATSC 3.0 수신기 및 7대의 동글형 ATSC 3.0 수신기에 동일한 RF 신호를 분배할 수 있었다. 동글형 수신기를 적용하는 태블릿 PC에는 RF 신호를 각각 제공하여 개별적으로 채널 선택이 가능하도록 구성하였다.
- 이에 비해 UHD 모바일은 1920x1080 해상도, 초당 60프레임, 2Mbps의 전송률을 가지고 있다. 따라서 HD-DMB에 비해 4배의 전송률 및해상도, 프레임율 차이가 화질의 차이로 나타남을 보여준다. 비디오 압축기술은 HEVC로 프로파일이 다르지만 동일한 기술을 적용하며 오디오의 경우에는 HE-AACv2와 MPEG-H를 각각 적용한다.
- 강릉 지역은 높은 산들이 없는 해안가로서 강릉 시내에서도 UHD 신호의 수신 레벨은 양호하였다. 따라서, UHD 모바일 방송 시범서비스는 강릉 지역에서 추진하기로 결정되었다.
- 전계 강도 측정 결과 씨마크 호텔 주변 도로에서는 전계 강도가 다소 낮게 측정되는 구간이 존재하여 해당 구간을 차량이 지날 때 일부 화면의 패킷이 복구가 되지 않아 화면이 정상적으로 구성되지 않거나 소리가 깨지는 현상이 발생하였다. 또한 씨마크 호텔에서 아이스 아레나로 향하는 일부 구간에서도 전계 강도가 낮게 측정되어 1~2초 가량 화면이 재생되지 않은 구간이 존재하였다.
후속연구
- 이를 기반으로 지상파 DMB와 같이 차량용 네비게이션 단말이나 태블릿 PC 등에 방송 수신칩이 내장될 수 있다. 또한 RF 튜너와 디코더칩이 일반 스마트폰에 포함된다면 언제 어디서나 모바일 방송을 시청할 수 있게 될 것이다.
- HD-DMB에 비해 보다 우수한 화질을 제공하는 UHD 모바일 방송이 국내 이동 방송 매체로 자리 잡기 위해서는 방송사의 송신 시설 투자와 더불어 제조사의 다양한 수신 단말의 출시가 요구된다. 마지막으로 다양한 시청 환경에 대응할 수 있는 무선 환경의 장점을 살려 UHD 모바일 방송이 무료 보편적인 지상파 방송으로 정착되기를 기대한다.
- 기존의 DTV와 달리 UHD 방송의 경우 단일주파수방송망(SFN, Single Frequency Network)으로 별도의 중계용 주파수 할당이 필요 없이 방송구역을 확대할 수 있다. 본 시범서비스에서는 1개의 괘방산 송신소로부터 송신시설이 구축되었으나 향후 추가적인 중계기 구축을 통해 이동 방송을 위한 방송망의 신호 품질이 높아져 수신 불가 지역이 점차 감소될 것으로 기대된다.
- 수신 환경은 HD-DMB의 경우 안정화 단계에 접어들어 체험버스 이동 전 구간에 걸쳐 양호한 수신 상태를 유지하였으나 UHD 모바일의 경우에는 다소 수 신이 양호하지 않은 구간이 발생하였다. 이는 추후 송수신 환경 개선이 필요한 부분으로 UHD 모바일 방송을 위한 다양한 실험을 통해 최적의 송신 조건및 전파 환경을 찾아 개선해야 하며 수신기의 경우 에는 수신 감도 및 수신 성능을 최적화 할 필요가 있다. 그리고 HD-DMB는 UHD 모바일 방송에 비해 7~8초 정도 지연을 보여주었다.
- 향후 UHD 모바일 방송의 활성화를 위해서 모바일 방송 콘텐츠, 지상파 DMB와의 동시 방송, UHD 방송망의 확대, 모바일 수신기 개발 등의 관점에서 본 시범서비스의 시사점 및 미래를 전망해본다.
- 실제로 UHD 모바일 방송 시범서비스에서는 수신 성능 상의 문제나 품질 문제는 발생하지 않았다. 향후 UHD 모바일 본방송을 위해서는 수신 성능의 개선을 위한 다양한 환경에서의 추가적인 실험이 필수적일 것으로 예상된다.
- 비지상파 DMB 사업자의 서비스 이후 12월에는 KBS1 채널로 전국 HD-DMB 방송으로 확대되었다. 향후 고화질의 HD-DMB 서비스는 더욱 확대될 것으로 예상되며, UHD 모바일 방송과의 동시 방송을 통해 시청자들은 다양한 모바일 방송을 즐길 수 있을 것이다.
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