Trends in Transmission Technology for Digital Cable Broadcasting

1. RoIP 기술도입 배경

케이블 방송망은 가입자 측의 CM이 상향 신호를 송신하기 위하여 헤드엔드 측의 CMTS로부터 제어 정보를 포함하는 하향 신호를 필요로 하게 되는데, 여기서 필요한 CMTS의 하향 신호는 RF 형태로 출력되고 이를 광 신호로 변환하여 광 네트워크를 통해 전송한다. 이를 RF 오버레이 방식이라 하며, 가입자 단에서는 광신호가 다시 전기 신호로 변환되어 케이블 STB 또는 CM으로 전달된다. RF 오버레이 방식은 RF 전기신호를 광신호로 변환하는 과정에서 광 AM 변조를 사용하게 되며 여기에 상당한 비용이 요구된다. 하향 신호 전송의 경우 헤드엔드에서 모든 가입자를 대상으로 전광변환이 한번 발생하므로 비용 상승 요소가 크게 부담으로 작용하지 않지만, 각각의 가입자 단에서 상향 RF 신호에 대해 적용되어야 하는 전광변환은 서비스를 이용하는 단말 규모에 비례하여 장비 투입이 필요하게 되고 이에 따른 비용 상승이 막대해진다. 결국 상향 RF 신호를 RF 오버레이 형태로 변환하여 전송하는 RFoG(RF over glass) 기술이 개발되어 적용되었지만, 장비 및 설치에 대한 투자 비용의 문제로 인해서 이를 널리 확산시키고 있지 못하는 실정이다.

이러한 상황에서 기존 케이블 방송망 단말 장비들의 교체없이 전-광 변환기를 사용하지 않고 가입자 데이터를 송수신할 수 있도록 하기 위해 RoIP 기술이 고려되었으며, 이를 통해 가입자 측의 CM에서 송신하는 아날로그 RF 신호는 하향 신호와는 달리 (그림 1)과 같이 디지털 신호로 변환하여 전송하는 방안에 관한 연구가 진행되고 있다.

(그림 1)

상향 채널 RF신호 IP 전송 기술

2. RoIP 시스템 구조

RoIP 기술을 통해 DOCSIS 기반 상향 신호를 디지털 데이터로 변환하여 전송하는 경우 고려해야 할 사항은 상향 채널 RF 신호를 IP로 전송하기 위해 케이블 단말에서 발생하는 상향 RF 신호를 감지하고 기저대역의 디지털 신호로 변환하여 IP로 전송하는 기술과 DOCSIS 기반 데이터 전송에서 사용되는 타이밍 동기를 맞춰 전송할 수 있어야 한다는 것이다.

가입자 측에 있는 다수의 케이블 모뎀(CM)이 하나의 물리적인 매체를 공유하여 전송하기 때문에, 가입자 단말이 케이블 모뎀 종단 장치(CMTS)가 할당하는 시간 구간에 자신의 데이터를 전송하도록 케이블 방송망에서는 동기화된 시분할 다원 접속(TDMA) 방식을 사용하고 있다. 케이블 방송망에서는 가입자 단말 장치가 CMTS에서 주기적으로 전송하는 SYNC 메시지를 이용하여 CMTS와 CM 간에 클럭 동기화를 통해 데이터 전송이 이루어지게 된다. 동일한 상향 채널을 사용하는 모든 CM은 CMTS에서 전송하는 타임스탬프에 클럭을 동기화한 후, CMTS에서 전송하는 MAP 메시지를 통하여 해당 CM에 할당된 시간 구간에 상향 데이터를 전송한다.

그러므로 RoIP 기술을 적용하기 위해서는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경하여 전송한다고 하더라도 (그림 2)와 같이 DOCSIS 망의 동기화된 전송방식을 그대로 유지할 수 있어야 한다는 것이다.

(그림 2)

IP 전송 타이밍 동기 기술

이와 같은 전송 방식을 유지하기 위해 가입자 단말이 송신하는 상향 신호를 획득하고 해당 신호가 획득된 시각을 추정하는 작업들이 필요하게 된다. 특히 버스트 특성을 가지는 상향 데이터를 감지해서 송신 신호를 획득해 내는 작업과 획득된 시점을 추정해 내는 방안들이 고려되는데, 이때 추정된 신호 획득 시각에 대한 오차를 최소화할 수 있는 방안들이 적용되어야 한다.

이를 위해 RoIP 단말은 기존 케이블 가입자 단말로부터 수신한 RF 신호에 대해 망 동기 추정 및 보상 작업들을 수행하고, 획득 시각 정보를 통한 가입자 단말 송신 버스트 스케쥴링이 이루어질 수 있도록 하여야 하며, IP 망을 통해 전송되면서 발생될 수 있는 전송 지연에 대한 변이를 추정하고 이를 보상하는 작업들이 고려되어야 한다.

즉, 헤드엔드 측에서는 DOCSIS 레인징을 이용한 클럭 및 시각 정보 동기화, IP망 지연 변이 보상 및 스케줄링 작업을, 단말 측에서는 DOCSIS MAP 분석 및 가입자 단말 송신 신호 시각 분석을 이용한 시각 정보 동기화 작업들이 고려되어야 한다.

이와 같은 기술들이 적용된 서비스 제공을 위해 (그림 3)과 같이 케이블 방송망을 구축할 수 있다. 헤드엔드 측에 기존 CMTS와 RoIP 기술이 탑재된 ‘IP 기반 미디어 RF 연동 시스템’을 두고, 단말 측의 CM 앞 단에 ‘RF 기반 가입자 미디어 IP 접속 단말 시스템’을 두어 망을 구성한다. RF 기반 가입자 미디어 IP 접속 단말 시스템은 하향 신호 전달을 위해 헤드엔드 장치(CMTS 등)로부터 케이블 단말 장치(CM, STB 등)로 송신되는 하향 전송신호를 복조하고, 멀티캐스트 관리를 위한 DOCSIS 메시지들(SYNC, UCD, MAP)을 처리하는 기능을 수행한다.

(그림 3)

RoIP 기술 기반 케이블 방송망 구성

또한, 상향 신호 전달을 위해 케이블 단말 장치로부터 수신된 버스트 신호를 압축된 형태의 데이터로 변환하고, 버스트가 감지된 시점 정보와 함께 IP 프레임으로 생성하여 IP망을 통해 전송하는 기능이 수행한다. 이를 위해 대역 할당 정보를 분석하고 케이블 단말 장치들(CM, STB 등)로부터 출력된 RF 형태의 상향 신호를 감지하여 기저대역 디지털 신호로 변환하며, 감지된 시점을 검출해서 타이밍 추정 및 동기화를 처리하도록 구성한다.

IP 기반 미디어 RF 연동 시스템은 다수의 단말로부터 IP 프레임 형태로 수신한 상향 버스트 데이터를 추출하고, 압축된 데이터를 복원하여 CMTS가 지정한 대역, 주파수, 전송속도를 갖는 RF 신호로 변환하여 송신하는 기능을 포함한다. 이때 단말단에서 수신한 상향 버스트 데이터를 CMTS가 설정한 시각에 맞게 전송할 수 있도록 하기 위해 동기화 기능을 제공하여야 한다. 이를 위해 가상의 CM처럼 DOCSIS 기반 초기화 과정을 통해 클록 및 시간에 대한 동기화 작업을 수행하고, RoIP 단말에서 송신하는 IP 패킷 복원 후 RF 신호로 변환하여 송신할 때, 대역 할당 정보를 이용해서 해당 대역 스케줄링 및 일정 지연을 유지하도록 한다.

1. Full-duplex DOCSIS 시스템 요구사항

HFC에 기반한 DOCSIS 통신 시스템에서 FDX 전송기술을 구현하기 위해서는 이전 DOCSIS 시스템과의 역 호환성, 성능, 확장성 및 장치 복잡성 등을 우선적으로 고려하여야 한다.

FDX 장치가 기존의 다른 DOCSIS 장치와 역 호환되도록 하려면 동일한 네트워크에서 장치 간에 동작 중 상호 간섭을 주지 않아야 한다. FDX 장치가 동작하기 위한 스펙트럼은 공유 스펙트럼 또는 전용 스펙트럼의 형태로 제공될 수 있다. 공유 스펙트럼은 하향 전송과 상향 전송이 동시에 이루어지는 대역을 의미하며, 전용 스펙트럼은 하향 전송 혹은 상향 전송만을 위해 할당된 대역을 의미한다. 공유 스펙트럼 구간에서는 특정 FDX 장치가 송신하는 상향 신호가 인접한 다른 장치가 수신하는 하향 신호에 간섭을 일으킬 수 있게 되는데, 시스템 설계 시 이런 영향을 제거할 수 있는 방식이 요구된다.

Symmetric 서비스는 광대역 네트워크, 특히 FTTH에서 점차 증가하고 있는 추세이다. 현재 DOCSIS 3.1 시스템의 경우, 최대 10Gbps 하향 전송이 제공되므로 상향 전송에서 Symmetric 서비스를 제공하기 위해 Multi-Gbps를 지원할 수 있어야 한다.

FDX 네트워크로의 전환 시 기존 사용자에게 미치는 영향을 면밀히 관리하여야 한다. 네트워크 상에서 전송용량에 대한 수요가 증가함에 따라 제공할 수 있는 솔루션은 사용자 규모 및 서비스 요구사항을 고려하여 효율적으로 확장할 수 있어야 하며, 동시에 이전 버전과의 호환성을 유지해야 한다. 이를 통해 운영자는 전체 네트워크에 대한 업그레이드 없이 사용자 단말 장치를 교체하면서 점진적으로 새로운 기술을 도입할 수 있게 된다.

장치 구축 비용을 관리하기 위해서는 장치 복잡성에 대한 관리가 중요하다. 현재의 HFC 네트워크 구조에서 상향 전송 대역은 시간 및 주파수 분할 다중화(TDM and FDM)를 사용하는 SC-QAM 및 OFDMA 채널 간에 공유될 수 있으며, 하향 전송을 위한 SC-QAM 및 OFDM 채널은 전용 스펙트럼에서 동작한다. DOCSIS 네트워크에서는 CMTS가 많은 사용자에게 공유되는 공통 리소스이기 때문에 CMTS에 추가적인 기능을 제공하여 CM 복잡성을 최소화하는 것이 실용적인 방법일 수 있다.

2. 제안된 Full-duplex DOCSIS 시스템의 구조

앞서 언급한 요구사항을 기반으로 북미 CableLabs에서는 FDX DOCSIS 기술을 제안하고 업계에서 적용할 표준제정을 진행하고 있다. 제안된 전송기술에서 CMTS는 DOCSIS 채널에서 FDX 모드로 동작하지만 CM은 특정 채널에서 송신 또는 수신 중일 때 다른 채널에서 동시에 송신 및 수신할 수 있는 옵션이 있다.

이러한 접근 방식을 통해 간섭 제거 방식이 CMTS에서만 구현되도록 하여 CM 복잡성을 최소화하도록 설계된다. CMTS에서는 하향 및 상향 전송을 동시에 지원할 수 있도록 설계되고, CM에서는 동작 상황에 따라 하향 또는 상향 전송이 가능하도록 고려된다. 이를 통해 CM의 구현 복잡성은 줄이고 FDX 동작을 위한 처리는 CMTS에서 가능하도록 한다. CMTS에서의 간섭 제거 성능은 상향 전송 용량을 결정하는데 중요한 영향을 주며, 하향 전송에 대한 송신 전력 및 간섭 패턴은 하향 전송 용량을 결정하는데 영향을 준다.

FDX 전송기술에서 하향 전송 스펙트럼을 공유하는 경우 기존의 DOCSIS 장치와의 공존은 반드시 해결되어야 하는 이슈이다. 기존 CM는 지속적으로 CMTS에서 하향 전송 채널을 수신하기 때문에, FDX 모드로 동작하는 주변 CM의 상향 전송은 잠재적으로 근처의 CM이 수신하는 하향 전송 신호에 간섭을 일으킬 수 있다.

FDX 장치의 상향 송신에서 다른 CM으로 수신되는 하향 신호로의 간섭은 두 장치 사이의 RF 격리 수준에 따라 다르게 나타난다. FDX 장치의 상향 전송은 CM 간 RF 차폐가 제대로 되지 않은 주변 장치에 영향을 미칠 수 있다. CableLabs에서 수행한 실험에서 측정된 결과를 바탕으로 상향 송신 중인 CM과 동일한 탭에서 동작하는 CM에서는 높은 수준의 간섭이 발생되어 수신되는 하향 신호의 품질을 심각하게 저하시키게 되는 반면, 다른 탭에 연결된 CM에서는 상향 송신 중인 CM의 신호에 따른 영향을 받지 않는다. 동일한 탭에서 동작하는 CM에 의해 영향을 받는 경우, 일시적으로 낮은 변조 차수를 적용하여 하향 신호를 전송함으로써 하향 신호 품질의 열화를 최소화할 수 있다.

CM에서 하향 수신 신호가 손상될 확률을 최소화하기위해서는 CMTS에서 CM간 간섭을 관리해야 할 필요성이 있다. CM간 간섭을 효율적으로 제거하기 위해서는 FDX CM과 관련된 간섭 그룹(FDX CM의 전송으로 인한 간섭을 관찰할 CM)을 식별하는 것이다. 간섭 그룹을 기반으로 CMTS는 스케줄링을 조정하여 간섭 그룹에 포함된 FDX CM이 상향 전송 수행하고 있는 동안 데이터를 수신하도록 스케줄링되지 않는다.

간섭 그룹을 식별하기 위해 CM 간 Isolation을 측정하는 것은 Channel sounding을 통해 수행할 수 있다. 여기서 CM은 FDX 장치의 전송과 관련하여 수신된 전력을 측정한 다음 수신된 전력을 CMTS에 보고한다.

<표 1>은 FDX 전송기술 적용에 따른 주파수 대역에서의 채널 용량을 추정한 것이다. 기존의 DOCSIS 3.0과 3.1 CM 및 FDX CM이 혼재하는 경우를 가정하여 주파수 대역에 따른 채널 용량을 추정하였다[8].

<표 1>

FDX 전송기술 적용에 따른 용량 추정

1. J.195 및 J.196 시리즈

J.195시리즈(J.195.1, J.195.2, J.195.3)는 1세대 Hi-NoC(High performance network over coax; 케이블 기반 고성능 네트워크) 표준이며, J.196 시리즈(J.196.1, J.196.2, J.196.3)는 2세대 HiNoC 시스템의 ITU-T 표준이다. J.195시리즈는 2013년에 제정되었으며, J.195.1은 2016년에 개정되었고 J.196 시리즈는 2016년에 제정되었다[10]–[15].

HiNoC는 FTTB(Fiber-to-the-base)에 연결된 케이블 네트워크를 통한 초고속 전송을 위한 시스템으로 MN(Master node, 주노드)과 CN(Client node, 종 노드)으로 구성되어 있다. MN은 PON(Passive optical network) 네트워크에 연결되어 있는 헤드엔드 장비이며, CN은 홈 터미널에 연결되어 있는 단말 장비이다. MN과 CN의 접속 지원은 여러 개의 CN이 한 개의 MN에 등록되는 것을 지원하지만 등록할 수 있는 수를 제한할 수도 있다.

HiNoC은 케이블 방송망 기반의 광대역 접속 기술로 케이블의 스펙트럼 효율성을 향상하도록 설계되었다. HiNoC은 헤드엔드에 HB(HiNoC bridge)와 수신 측에 HM(HiNoC modem)을 포함하는 시스템이다. HiNoC 네트워킹의 사용 예는 TV 신호와 IP 서비스를 하나의 물리적 채널을 통하여 서비스하는 경우와 TV 신호와 IP 서비스를 서로 다른 물리적 채널을 통하여 서비스하는 경우로 나눌 수 있다.

HiNoC 프로토콜 구조는 MAC과 PHY 계층으로 구성되어 있으며, MAC 계층은 Convergence 층(CS)과 공통부 층(CPS)으로 구성되어 있고 보안 층(SS)은 선택사항이다. HiNoC은 SD/HD TV, 3DTV, UHDTV, VoIP, 인터넷 등의 IP 기반의 서비스를 지원할 수 있으며, 확장된 주파수 대역은 1.2GHz까지 지원이 가능하다. 채널결합을 통한 전송을 지원할 수 있으며, MN과 CN을 위한 타임 슬롯을 스케줄링할 수 있다. HiNoC 2.0의 CS는 HiNoC 1.0과 달리 데이터 재전송 기능을 선택사항으로 포함하고 있다.

HiNoC PHY는 OFDM 변조에 기반하며, 망의 상태에 따라서 적응 가능한 FEC 인코딩을 지원할 수 있다. 1세대 HiNoC과 2세대 HiNoC의 주요 특징을 간략하게 비교하면 <표 2>와 같다.

<표 2>

1세대 HiNoC과 2세대 HiNoC의 주요 특징 비교

2. J.1105

J.1105는 기존의 케이블 방송 전송 시스템이 시청자의 방송 시청 여부와 관계없이 모든 방송채널을 전송하는 구조를 가지고 있어 주파수 낭비의 원인이 되고 있는 것을 개선하기 위한 채널 스위칭 전송기술에 대한 표준이다. 셀 내에서 실제 시청하고 있는 방송채널만 전송하고 여유 공간에 통신 데이터를 전송함으로써 한정된 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 전송기술이다[16].

(그림 4)는 여유 공간에 통신 데이터를 전송하는 방법의 개념도이다.

(그림 4)

채널 스위칭 전송 기술의 개념도

(그림 5)는 HFC 기반의 네트워크에서 채널 스위칭 서비스를 제공하기 위한 시스템의 구성도이다. 채널 스위칭 시스템은 제어부, 채널 스위칭부, 다중화 및 전송부 및 수신부로 구성된다. 제어부는 가입자 단말로부터 시청자 정보와 시청 채널 정보를 포함하는 가입자 시청정보 메시지를 수신하며, 시청자 정보는 가입자 셀 정보를 포함하고, 시청 채널 정보는 방송 시청 여부 정보와 시청 방송 채널 정보를 포함한다.

(그림 5)

채널 스위칭 서비스 제공을 위한 시스템 구성도

가입자 셀 내에서 가입자들이 시청 중인 시청 채널 정보와 가입자 셀 정보를 포함하는 셀 시청정보 메시지를 채널 스위칭부에 전송하고, 시청 채널 정보는 가입자에 의해 새로 선택된 방송채널 정보와 계속 시청하고 있는 방송채널 정보를 포함한다.

3. J.223 시리즈

J.223시리즈(J.223.1, J.223.2)는 C-DOCSIS(Cabinet DOCSIS) 시리즈를 의미하며, DOCSIS 3.0에 기반한 high bandwidth 서비스 수행 및 비용 효율적 운영을 목적으로 하는 표준규격이다. J.223.1은 C-DOCSIS를 위한 시스템 구성과 요구사항을 포함하고 있으며, J.223.2는 C-DOCSIS를 전송하기 위한 전송규격을 포함하고 있다[17], [18].

C-DOCSIS 시스템은 CMTS와 CM으로 구성되며, CMTS는 C-DOCSIS는 CMC controller와 CMC로 구성되어 있다. CMC는 TDM, FDM, SDM이 가능하도록 광 노드에 분산배치한다. C-DOCSIS는 System control 모듈, Classification forwarding 모듈, 그리고 RFI 모듈로 구성된다. C-DOCSIS MAC 프레임을 생성하고 변조 및 RF 신호를 전송하는 역할을 수행하는 RFI 모듈은 PHY 서브 모듈과 MAC 서브 모듈로 구성된다.