최근 방송산업은 지상파 TV 스펙트럼의 재분배 시기와 맞물려, 무선통신서비스의 급격한 수요 증가로 인해 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 상황에서, 북미 방송표준인 ATSC에서는 보다 효율적인 스펙트럼 사용과 보다 강인한 수신성능 제공을 주된 목표로 표준화를 진행하여, 2016년 9월 물리계층 표준(A/322)에 대한 표준화를 완료하였다.
ATSC 3.0 물리계층 표준은 기존의 ATSC 1.0 규격 대비 30% 이상 향상된 전송률을 제공할 수 있으며, 4K UHD와 이동 HD 서비스를 동시에 지원할 수 있는 전송 다중화 기술을 도입하였다. 또한, DVB-T2 대비 다양한 전송모드와 스펙트럼 효율 향상으로 UHD 방송, 이동 HD 방송, 방통융합서비스, 개인맞춤형 서비스 및 긴급경보방송, 실감오디오 등 차별화된 성능 및 서비스 개선이 기대된다. 이에, 한국에서도 지상파 초고화질(UHD) 방송을 위해 ATSC 3.0을 표준 규격으로 채택하여, 2017년 5월부터 이를 활용한 지상파 UHD 방송을 시작하고 있다.
한편, 지상파 방송산업계는 ATSC 3.0 기반 4K UHD를 이을 차세대 서비스로 8K 해상도의 UHD 방송을 준비하고 있다. 2021년 현재, 이미 가전사들은 8K 영상 재생을 지원하는 TV를 판매하고 있으며, 8K 해상도의 시청경험을 제공하기 위한 각종 호환 기술을 차례로 개발 중이다. 그러나 현행 단일안테나 및 단일 채널 기반 방송망으로는 ATSC 3.0 프로토콜을 사용해도 8K 영상의 방대한 데이터 양을 전송하기 어렵다. ATSC 3.0 표준은 이러한 단일안테나 환경의 제약을 극복하기 위해 cross-polarization 기반 다중안테나 전송 또한 지원하며, 이를 이용할 경우 8K 영상 및 기타 대용량 서비스를 단일주파수 대역 내에서 제공할 수 있다.
MIMO에 기반하여 방송신호를 전송하는 방법은 ATSC 3.0 물리계층 표준에 상술되어 있으나, 해당 표준문서는 송신기에서 방송신호를 구성하여 송출하는 과정만을 기술하고 있으며, MIMO 방송신호를 수신하는 방법 및 실환경 MIMO 방송망의 전송 성능에 대해서는 명시하지 않고 있다. 이에 본 시뮬레이터는 실제 수신 알고리즘을 적용할 시 ATSC 3.0 MIMO 방송환경에서 기대할 수 있는 송수신 성능을 측정하기 위한 전산실험 기능을 제공한다.
ATSC 3.0 물리계층 표준은 UHD TV 서비스를 전송하기 위해 향상된 시스템 전송용량을 제공하고, 강인한 실내수신을 제공하기 위한 기술들을 포함하고 있다. 또한, 급격히 증가하고 있는 무선통신서비스의 수요증가로 인해 충분한 방송주파수 대역확보가 어려운 상황에서, 효율적인 스펙트럼사용을 비롯하여 수신강인성 및 유연한 서비스 제공에 초점을 맞추어 설계되었다. ATSC 3.0 물리계층 표준은 보다 향상된 성능과 유연한 서비스를 위하여, 많은 최신의 기술들을 포함하고 있으며 넓은 동작 SNR 영역을 제공하는 장점을 가지고 있다.
이러한 특성은 ATSC 3.0의 전송기술 중 하나인 MIMO 전송에도 반영되었다. ATSC는 요구되는 전송 데이터량이 크게 확대될 것을 대비해, 복수의 안테나를 사용해 송수신하는 MIMO 방송기술을 ATSC 3.0 표준에 정의하였으며, 이 또한 서비스의 목적에 따라 커버리지와 전송률을 선택할 수 있도록 다기능적 형태로 설계하였다. ATSC 3.0 MIMO의 설계 하에서는, 방송사가 목적 서비스에 필요한 SNR 영역에서 작동하는 mode를 적절히 구성하여 사용할 수 있다. ATSC 3.0 MIMO가 지원하는 수많은 파라미터 조합 중 목적에 적합한 파라미터 구성을 찾기 위해서는 각 조합 별, 그리고 전송 환경 별 성능 지표가 필요하나, 이는 현존하지 않는다.
본 기술이전에서는 A/321 및 A/322 표준을 만족하는 modulator와 demodulator를 비롯한 각종 계측장비 제작을 위한 ATSC 3.0 MIMO 전송 시뮬레이터를 제공한다. 해당 시뮬레이터를 통해, 수요업체에서는 각 MIMO 전송 모드에 대한 방송 커버리지 및 최대 전송률을 추정할 수 있다.
ATSC 3.0 MIMO 전송 시뮬레이터는 송신 MIMO 신호의 Bootstrap, Preamble, Subframe 및 Subframe 내 PLP의 구조를 정의하기 위해 필요한 파라미터를 입력 받아, random하게 생성된 input 정보에 대한 ATSC 3.0 물리 계층 신호를 생성, 전송하고 해당 신호에 대한 MIMO 수신 및 복호를 수행한다. 사용자는 시뮬레이터의 출력을 통해, 설정 파라미터로 결정된 신호 구조가 특정 채널 환경 및 수신 SNR에서 어느 정도의 오류율을 보이는지 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 방송사에서는 ATSC 3.0 MIMO 기반 서비스의 방송 커버리지 예측 및 최대 전송률을 추정할 수 있고, 장비 제조사에서는 modulator, demodulator 및 각종 계측 장비 제작에 활용할 수 있다.
북미의 차세대 디지털 방송 표준 및 국내 지상파 UHD 방송 표준인 ATSC 3.0 물리계층 송신표준 A/322에 정의된 MIMO 전송용 ATSC 3.0 물리계층 송수신 시뮬레이터
- 요구사항 정의서
- 시허절차 및 결과서
- ATSC3.0 물리계층 MIMO PLP configuration 구성부 (소스코드)
- ATSC3.0 물리계층 MIMO PLP configuration에 따른 OFDM 신호 생성부 (소스코드)
· Framing 블록
· BICM Encoder 블록
· Time/Frequency Interleaver 블록
· MIMO Precoding 블록
· Signaling Protection 부호 블록
- On-the-air MIMO 전송 채널 생성부 (소스코드)
· AWGN (수평편향) + AWGN (수직편향) 채널
· Guildford 채널
· RC20 (수평편향) + RC20 (수직편향) 채널
· RL20 (수평편향) + RL20 (수직편향) 채널
· TU-6 (수평편향) + TU-6 (수직편향) 채널
- ATSC3.0 물리계층 MIMO 신호 수신부 (소스코드)
· MIMO 채널 추정 블록
· Time/Frequency De-interleaver 블록
· De-framing 블록
· BICM Decoder 블록
· MIMO Decoding 블록
ATSC 3.0 표준 기반 cross-polarization MIMO 방송시스템의 송수신 장비 및 신호 계측 장비 제작, 커버리지 예측 소프트웨어 및 broadcast gateway 등의 제작