FTN 기반 차세대 방송전송기술 개발동향

최근 들어 방송과 통신 서비스에서 UHD(Ultra High Definition)TV 등 대용량 고품질 멀티미디어 서비스에 대한 사용자 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 국내에서도 2012년 말 지상파 방송의 디지털 전환 완료 이후 방송망을 통한 HD(High Definition) 콘텐츠 이용이 대중화되었고 3D 방송 서비스가 시작되었다. 최근에는 UHD 방송으로 대표되는 실감방송이 이슈화되면서 고품질 Post-HD 방송으로의 진전이 가속화되고 있다[(그림 1) 참조].

(그림 1)

지상파/모바일 방송 전송기술 및 서비스 발전 방향

또한, 지상파 모바일 방송 서비스에서도 기존 지상파 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)[2]의 QVGA (Quarter Video Graphics Array)급 서비스를 넘어 모바일 HD 서비스에 대한 사용자 요구가 증가하고 있다. 통신망의 경우는 더욱 높은 품질의 멀티미디어 콘텐츠에 대한 수요가 높아짐에 따라 전송용량이 지속적으로 증가하고 있고 사용자 기기의 성능 향상 역시 가속화되고 있다. 유튜브의 경우 2008년 11월부터 720p HD 서비스를 제공하기 시작했고, 1년 후인 2009년 11월부터는 1080p HD 서비스를 추가 지원하기 시작하였으며, 2012년 4월부터는 720p HD 3D 서비스까지 제공하고 있다.

특히, 이동통신의 경우 스마트폰 등 고해상도 화면의 단말이 대중화됨에 따라 이동통신망과 Wi-Fi 망을 통한 대용량 멀티미디어 콘텐츠 수요가 급증하고 있는 실정이다. 이처럼, 대용량 멀티미디어 서비스 수요 증가와 빅 데이터 등 차세대 서비스의 출현으로 인하여 이동통신의 경우 트래픽 부하가 기하급수적으로 증가할 것으로 예측됨에 따라, 차세대 이동통신 서비스인 5G를 위한 기술개발은 기가(Giga)급의 전송속도를 목표로 추진되고 있다.

그러나 현재 사용 중인 방송·통신 주파수 대역은 전세계적으로 주파수 자원이 급격히 고갈되고 있으므로, 고품질의 새로운 방송·통신 서비스에 대한 사용자 요구를 수용하기 위해서는 주파수 효율을 더욱 높일 수 있는 전송기술개발이 필요하다. 2009년 표준화 완료된 DVB-T2(Digital Video Broadcasting for 2nd Generation Terrestrial)[3]의 경우, (그림 2)에 나타낸 바와 같이 이론적으로 가능한 최대 전송효율인 Shannon 한계 대비 약 2~3.5dB의 성능 차이를 가지며, DVB(Digital Video Broadcasting)에서는 방송 전송효율을 더욱 높이기 위한 기술을 지속적으로 검토하고 있다.

(그림 2)

기존 또는 개발 중인 지상파/모바일 방송 전송기술의 전송효율

기존 전송기술의 한계를 뛰어넘기 위해서는 기존 전송기술이 설계된 틀에서 벗어나 새로운 관점에서 접근할 필요가 있다. FTN(Faster-than-Nyquist) 기술은 기존 전송기술과 다른 관점에서 접근하여 전송효율을 높일 수 있는 방안을 제시한 기술로서 최근 들어 주목을 받기 시작하였고, 기존 전송기술과 동일한 대역폭을 사용하면서 더 높은 데이터 전송률 구현이 가능한 기술이다.

2012년 말부터 DVB 표준화 기구의 기술 분과(TM: Technical Module)에서 3세대 위성방송을 위한 후보 전송기술로서 FTN 기술이 검토된 바 있으며, 최근에는 5G 이동통신 시스템을 위한 후보 전송기술 중 하나로도 FTN 기술이 논의되고 있다[5][6]. 국내에서는 이론적 관점에서 기초연구가 수행된 바 있고[7], 현재 ETRI에서 FTN 기술을 지상파 방송시스템에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.

기존의 방송·통신 시스템에 사용되고 있는 전송방식은 (그림 3)에 나타낸 바와 같이 시간적으로 인접한 송신 심벌 간 간섭(ISI: Inter-Symbol Interference)이 발생하지 않도록 설계된 나이퀴스트(Nyquist) 펄스를 사용한다.

(그림 3)

나이퀴스트 펄스를 이용한 기존 전송방식의 시간 차원 파형 예

(그림 3)의 예에서 전송 심벌은 일정한 시간 간격 T로 전송되며, 각 전송 심벌이 변조된 나이퀴스트 펄스는 그 심벌이 전송되는 타이밍을 중심으로 T 시간 간격마다 0의 값을 가진다. (그림 3)에서 심벌이 전송되는 타이밍에 겹쳐서 표시된 사각형과 삼각형 점은 인접한 심벌에 의한 심벌 간 간섭을 나타낸 것이며, 나이퀴스트 펄스를 사용하는 기존 전송방식은 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널 환경 하에서 인접 심벌 간 간섭이 발생하지 않는다. 나이퀴스트 펄스의 대표적인 예는 Sinc 펄스와 Raised Cosine 펄스 등이 있으며, 구현과 설계가 용이한 Raised Cosine 펄스가 일반적으로 사용되고 있다.

이러한 나이퀴스트 펄스 기반 전송기술은 시간 차원은 물론 주파수 차원에서도 적용되고 있으며, 최근 대부분의 방송·통신 시스템에 사용되고 있는 다중 반송파 전송방식도 인접 부반송파(subcarrier) 간 간섭이 발생하지 않도록 설계된 OFDM(Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing) 신호방식을 사용한다.

(그림 4)에 나타낸 OFDM 전송방식에서 전송 심벌은 일정한 주파수 간격 Δf 를 가지며, 각 전송 심벌이 변조된 주파수 차원의 Sinc 펄스는 그 심벌이 전송되는 부반송파를 중심으로 Δf 의 주파수 간격마다 0의 값을 가진다. (그림 4)에서 심벌이 전송되는 타이밍에 겹쳐서 표시된 사각형과 삼각형 점은 인접한 심벌에 의한 부반송파 간 간섭을 나타낸 것이며, OFDM 전송방식은 인접 부반송파 간 간섭이 발생하지 않는다.

(그림 4)

OFDM 전송방식의 주파수 차원 스펙트럼 예

이처럼 인접한 송신 심벌 및 부반송파 간 간섭이 없는 나이퀴스트 펄스 기반 전송방식에서는 다중경로 등에 의한 신호 왜곡이 없고 수신기 타이밍 및 주파수 동기화가 정확히 이루어질 경우 심벌 검출 과정이 매우 간단한 장점을 갖는다. 그러나, 실제 전파 환경에서는 다중경로 채널과 수신기 동기화 오차 등으로 인해 수신 심벌 또는 부반송파 간 간섭이 발생하며, 수신기는 이를 해결하기 위해 채널등화를 통해 간섭을 제거하고 채널부호를 이용하여 수신 성능을 강화한다.

FTN 전송방식은 나이퀴스트 펄스를 사용하는 기존 전송방식과 동일한 채널대역폭을 사용하면서 더 빠른 데이터 전송속도를 구현할 수 있는 전송기술이다[8]. FTN 전송방식은 기존의 전송방식보다 일정비율 τ(0<τ<1)만큼 더 짧은 주기 τT 로 송신 심벌을 전송하며, (그림 5)에 이러한 예를 나타내었다.

(그림 5)

FTN 전송방식의 시간 차원 파형 예

(그림 5)에서 심벌이 전송되는 타이밍에 겹쳐서 표시된 사각형과 삼각형 점은 인접한 심벌에 의한 심벌 간 간섭을 나타낸 것이며, FTN 전송방식의 경우 AWGN 채널 환경 하에서도 인접 심벌 간 간섭이 발생하므로 수신 신호는 (그림 6)과 같은 성상도를 나타내게 된다.

(그림 6)

기존 전송방식과 FTN 전송방식의 성상도 비교 예

다중경로 채널 환경 하에서는 전송 심벌 간격 단축으로 인하여 발생하는 인접 심벌 간 간섭이 다중경로 채널로 인한 심벌 간 간섭과 더해져 수신 신호에 나타나며, 수신기에서는 간섭 제거와 채널부호 등의 기술을 통해 전송 데이터를 복원하게 된다. FTN 수신기는 인접 심벌 간 간섭을 제거하기 위한 신호 처리부가 추가되므로 수신기 구현 복잡도가 증가하며, 일반적으로 간섭을 미치는 인접 심벌 개수가 증가함에 따라 복잡도 증가폭이 크게 높아지게 된다. 따라서, FTN 기반의 전송 시스템에서는 수신기의 구현 복잡도를 낮출 수 있는 알고리즘 개발이 매우 중요하다.

FTN 전송방식은 시간 차원뿐만 아니라 주파수 차원에도 적용이 가능하며, FTN 기술을 다중반송파 신호에 적용할 경우 주파수 차원에서 부반송파 간 간격을 단축함으로써 동일한 채널대역폭에서 더 많은 데이터 전송이 가능하다[9]. 그러나 이 경우에는 부반송파 간 직교성이 유지되지 않아서 (그림 7)에 나타낸 바와 같이 인접 부반송파 간 간섭이 발생하며, 시간 차원 FTN과 마찬가지로 간섭 제거와 채널부호 등을 통해 전송 데이터의 복원이 가능하다[9]. (그림 8)은 동일 개수의 부반송파를 사용하는 경우에 대해 부반송파 간 간격 축소계수 α(0<α<1)에 따른 신호 대역폭의 감소를 도시한 것이다.

(그림 7)

OFDM에 주파수 차원 FTN 전송방식을 적용할 경우의 스펙트럼 예

(그림 8)

주파수 차원 FTN에 의한 OFDM 신호 대역폭의 축소 예(α: 부반송파 간 간격 축소계수)[9]

FTN 전송방식은 시간 차원과 주파수 차원에 동시 적용이 가능하다. 시간 차원 FTN 기술과 주파수 차원 FTN 기술을 결합한 2차원 FTN 전송방식은 전송효율 이득을 더욱 높일 수 있으며 (그림 9)에 이러한 2차원 FTN 개념도를 나타내었다.

(그림 9)

시간 및 주파수 차원에서의 FTN 적용 개념도

FTN 기술은 1975년 미국 Bell Labs의 J.E. Mazo[1]에 의해 최초로 제안되었다. 그러나 높은 복잡도로 인해 당시의 하드웨어 기술로는 FTN 수신기에서 심벌 간 간섭 제거를 위한 신호 처리부 구현이 불가능하여 주목받지 못하였으나, 2000년 이후 스웨덴 Lund University의 John B. Anderson 교수 등 일부 학자와 연구원들에 의해 재조명되기 시작하였다[10]. 그리고 최근 들어 하드웨어 기술의 비약적인 발전으로 인해 수신기 복잡도 문제 해결 가능성이 커져 FTN 기술은 전송효율을 향상시킬 수 있는 기술로써 주목받고 있다. 특히, 최근 방송·통신 주파수 채널이 포화된 상황에서도 고품질의 신규 서비스에 대한 시장의 요구가 지속적으로 증가하고 있어, 주어진 채널대역폭 내에서 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

최초로 FTN 기술을 제안한 J.E. Mazo는 1975년 Bell System Technical Journal에 게재된 논문에서 Sinc 펄스에 대해 FTN 기술을 적용할 경우 이론적으로 최대 약 25%의 전송효율 향상을 얻을 수 있음을 보였다[1]. 2003년 A.D. Liveris(Texas A&M University)는 Raised cosine 펄스를 사용하는 경우에 FTN 신호를 수신할 수 있는 반복 복호 수신 알고리즘을 제안하였고[11], 2012년 A. Prlja(Lund University)는 FTN 신호의 복호화를 위해 BCJR 알고리즘을 이용하여 복잡도를 줄이는 방법을 제안하였다[12]. 또한, 2009년 F. Rusek[10]으로부터 2012년 D. Dasalukunte[13]에 이르기까지 다중 반송파 신호에 대해 주파수 차원 FTN을 적용하는 연구가 진행되었으며, D. Dasalukunte는 FTN 수신부 알고리즘의 일부(간섭 제거와 내부 채널 복호)를 최초로 하드웨어 형태로 구현하였다. (그림 10)에 D. Dasalukunte가 구현한 FTN 수신부 하드웨어 테스트 실험 환경을 나타내었다.

(그림 10)

D. Dasalukunte의 FTN 수신부 하드웨어 테스트 실험 환경[13]

국내의 FTN에 대한 연구는 초기 단계로 기초적인 이론 연구 수준에서 이루어졌다. 포항공대는 2008년부터 송수신기 간의 거리가 짧은 무선 채널 환경에서 FTN을 적용한 초고속 데이터 전송에 대한 연구를 수행한 바 있으며, FTN 간섭 제거의 이론적인 연구와 근거리 채널 특성의 실험적인 연구를 통해 단일 반송파 FTN 전송 시 복잡도가 낮고 채널 추정 오차에 강인한 FTN 기반 송수신 방식에 대한 연구를 수행하였다[7].

최근 들어 UHDTV 서비스에 대한 사용자 요구 증가로 인해 방송망에서 주파수 효율을 증대시키는 전송기술개발의 필요성이 증대되고 있다. ETRI는 이와 같은 기술개발을 위해 2014년부터 지상파 방송 시스템에 적용할 수 있는 FTN 기반 차세대 방송 전송기술개발 과제를 수행 중이다. 이 과제에서는 시간 차원 FTN 방송 송수신 기술과 주파수 차원 FTN 방송 송수신 기술을 연구하고 더 나아가 시간과 주파수 차원의 2차원 FTN 기반 송수신 핵심 기술을 연구하고 있다. 또한, 이러한 FTN 기반 전송기술 적용을 통해 얻어지는 이득을 효과적으로 활용하는 FTN 기반의 차세대 방송 송수신 시스템을 개발하고 있다.

전 세계적으로 FTN 기술은 아직 연구 초기 단계로 FTN 기술을 적용하기 위한 제반 기술에 대한 연구가 충분히 이루어지지 않았으나, 수년 내에 실제 적용에 필요한 기술이 다수 특허 출원될 것으로 예상된다. 따라서 핵심 기술 및 관련 제반 기술에 대한 조속한 연구개발을 통한 IPR(Intellectual Property Rights) 선점이 중요하며 국내에서도 이를 위한 연구개발 투자가 필요하다.

유럽의 디지털 방송 표준화 기구인 DVB는 2세대 위성방송 전송규격인 DVB-S2(Digital Video Broadcasting for 2nd Generation Satellite)의 표준화를 2009년 완료한 이후 3세대 위성방송 전송규격 표준화를 위하여 FTN 기술을 검토하였고[14], 2012년 말부터는 차세대 방송 전송을 위한 후보기술로서 FTN 기술을 검토하였다.

또한, 최근에는 FTN 기술이 5G 이동통신 시스템을 위한 후보 전송기술 중 하나로 논의되고 있다. 차세대 이동통신 표준을 위한 유럽의 이동통신 사업자 회의체인 NGMN(Next Generation Mobile Networks)은 기존 OFDM을 대체 또는 향상시키기 위한 새로운 방안 중 하나로 FTN을 검토하였다[15]. 그리고 ITU-R에서는 기술동향보고서[16]에서 무선 인터페이스 기술 동향 중 하나로 FTN 기술을 다루며 Rusek과 Anderson[17]의 연구결과를 검토하였다. 국내에서도 5세대 이동통신을 준비하는 산학연관 포럼인 5G 포럼에서 5G 이동통신 시스템의 전송용량 향상을 위한 Advanced Multiple Access 기술 중 하나로 FTN 기술이 논의된 바 있다.

기존 전송방식은 송신 신호의 심벌 간 간섭이 발생하지 않도록 송신 펄스 간격을 설정하여 전송한다. 그러나 FTN은 수신기에서 제거 가능한 범위 내의 심벌 간 간섭을 인위적으로 발생시켜 전송하기 때문에, 수신부에는 이 심벌 간 간섭을 제거할 수 있는 복조기술이 추가되어야 하므로 수신부 구현 복잡도가 증가되는 단점이 발생한다. 따라서 FTN 전송기술의 적용 범위를 확대하고 파급효과를 최대화하기 위해서는 전송용량 증대와 수신 성능 향상뿐만 아니라 수신부 복잡도를 크게 경감할 수 있는 구현기술개발이 필수적이다. 또한, 심벌 간 간섭 제거 알고리즘 최적화, 최근의 초고속 송수신 신호 처리 기술의 적용과 보완 연구를 통해 핵심 구현기술과 관련 IPR 확보가 필요하다.

FTN 기술을 적용한 시스템 및 상용 제품을 개발하기 위해서는 다양한 채널 환경에 대한 채널 추정 및 보상 기술, 동기화 기술, 채널부호 최적화 등 FTN 관련 기술 연구가 병행되어야 한다. 그러나 국내는 물론 세계적으로도 이러한 FTN 기술 실용화를 위한 제반 관련 기술에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다.

FTN 관련 핵심 기술과 IPR을 확보하고 이를 표준화에 반영시키기 위해서는 산-학-연이 공동으로 기술개발에 참여할 필요가 있으며, 기술개발 완료 시점에서 상용 제품 개발에 직접 참여함으로써 시장을 선점하기 위한 노력이 필요하다. 그리고 이를 위해서는 적극적인 R&D 투자가 필요하다.

본고에서 소개한 FTN 기술은 나이퀴스트 펄스를 기반으로 한 기존 전송방식의 기본 전제에 의문을 던진 역발상을 통해 탄생한 전송기술로서, 이론적 최대 전송효율인 Shannon 한계에 더 가까이 접근할 수 있는 전송기술이다.

OFDM 전송기술은 1966년에 Bell Labs의 R.W. Chang에 의해 최초로 제안되었지만[18], 약 25년이 경과된 후에 하드웨어 구현과 실제 전송 시스템에 적용하는 방안이 본격적으로 논의되기 시작하였고, 최근에는 거의 모든 방송 시스템과 통신 시스템에 적용되고 있다. FTN 기술 또한 고도로 발전된 최근의 하드웨어 구현기술을 기반으로 지속적인 연구개발을 통해 구현 복잡도 저감 등의 기술적 문제를 해결할 경우 OFDM 기술과 마찬가지로 충분히 실용화 가능한 기술이다.

특히, FTN 기술이 처음 제안된 당시에는 주파수 자원이 여유가 있었으나, 현재는 주파수 자원이 포화되어 주파수 가치가 매우 높아졌고, 그에 따라 FTN 기술과 같이 전송효율을 향상시킬 수 있는 기술개발의 필요성이 커지고 있다. FTN 기술은 전 세계적으로 연구 초기 단계로서 실제 시스템에 적용하기 위한 다양한 측면에서의 연구개발이 필요하므로, 포화상태에 이른 ICT 분야 연구개발에 새로운 원동력이 될 수 있다.

FTN 기술은 현재 개발 중인 5G 이동통신 분야에서 후보 기술 중 하나로 검토되고 있으며 이러한 기술 검토를 계기로 FTN 관련 논의가 확산될 것으로 전망된다. 또한 FTN 기술은 ETRI에서 수행 중인 과제를 통해 차세대 방송시스템을 위한 후보 기술로 개발될 것이다.

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