방송 기술 동향 및 발전 전망

ATSC 3.0 표준 기반 전송 기술은 기존 ATSC 1.0과의 호환성을 지원하지 않는 2세대 지상파 디지털 방송 표준으로 보다 향상된 비디오 및 오디오 부호화 기술, IP 기반의 전달 프로토콜 적용을 통하여 통신망과의 결합, 높은 주파수 효율과 다양한 수신 환경을 지원한다[3]. ATSC 3.0의 대표적인 기술적 특징은 그림 2에 표현하였다. 물리 계층은 다음의 전송 기술로 구성되어 있다.

그림 2

ATSC 3.0 기술 특징

먼저 다중경로 환경에 강인한 OFDM 전송 기술이 도입되어 방송 주파수 배치 효율성을 높일 수 있는 단일주파수망(SFN) 기반 방송을 유리하게 하였다. ATSC 3.0의 단일주파수망 방송 기술은 주 방송사에서 방송 서비스를 제어하고 관리하기 쉽게 하고, 방송 인프라 투자 비용을 절감시키고, 클라우드 기반의 제작 시스템 도입이 유리하다.

ATSC 3.0 표준은 수신 강인성을 높이기 위한 비트 및 주파수, 시간 인터리빙 기술과 채널 용량을 크게 향상시킬 수 있는 LDPC와 NUC 기술을 채택하였다. 특히 2/15~13/15의 채널 부호율과 QPSK, 16/64/256/1024/4096 QAM의 변조 차수를 조합하여 0.27~10.37bits/s/Hz 범위의 매우 다양한 스펙트럼 효율을 갖는다[4]. 이는 매우 다양한 전송률과 수신 강인성을 의미하며 고화질 서비스를 제공할 수 있는 고정 방송뿐만 아니라 방송 신호 송신 인프라의 추가 없이 방송 권역을 크게 확장하거나 실내환경에서의 서비스 제공도 가능하게 한다.

또한 ATSC 3.0은 LDM/TDM/FDM의 세 가지 방식의 전송 다중화 기술을 도입하였다. 전송 다중화 기술은 서로 다른 전송률과 강인성을 갖는 신호들이 하나의 주파수 채널 내에서 동시에 전달되게 하는 기술이다. 특히 LDM 기술은 TDM이나 FDM 기술과는 달리 서로 다른 서비스가 시간 및 주파수 자원을 공유하여 전달되는 기술로서 방송사가 각각 고정 환경과 이동 환경을 대상으로 하는 두 가지 서비스를 동시에 지원하는 경우 TDM과 FDM 기술 대비 큰 다중화 이득을 제공한다[5]. ATSC 3.0은 LDM/TDM/FDM의 세 가지 전송 다중화를 조합하여 적용하는 것 또한 지원하고 있어 단위 주파수 내에서 서로 다른 전송률과 수신 강인성을 갖는 물리적 신호 자원들이 전송 프레임 내에서 유연하게 구성될 수 있다. 전송 다중화 기술과 다양한 채널 부호율 및 변조 차수 기술을 조합하면, 하나의 주파수 채널이 옥외 고정안테나를 통한 4K-UHD 서비스와 차량 및 스마트 기기를 통하여 이동 방송 HD 서비스, 실내 및 터널 환경에서도 수신 가능한 재난 알림 서비스를 동시에 지원할 수 있다.

ATSC 3.0 물리 계층 전송 기술은 기존 지상파 방송 전송 기술 대비 30% 이상 주파수 효율을 올렸으며 다양한 수신 환경을 대상으로 한 서비스들을 동시에 전송하게 한다. 여기에 전송 효율의 개선뿐만 아니라 방송·통신망 융합을 위하여 IP 기반의 데이터 전달을 설계하였다[6,7]. 또한, 애플리케이션 기반의 서비스 제공을 위한 인터랙티브 콘텐츠 런타임 환경에 대한 표준, 단말 및 서버의 서비스 사용에 관한 리포팅을 위한 표준을 설계하였다[8,9]. 이러한 상위 계층의 표준은 최근의 사용자 중심의 콘텐츠 소비로 바뀌는 트렌드를 반영하기 위하여 관련 내용이 계속 업데이트되어 발전하고 있다. 뿐만 아니라 기존의 독립된 네트워크 구조를 탈피하고 타 망과의 통합 운영을 통해 확장성을 넓히고 방송망을 보다 유연하게 운영 및 공유하기 위하여 5G 통신 코어망과의 융합을 가능하게 하는 방송 코어망(BCN) 표준화 연구를 새롭게 진행하고 있다[10].

단일 채널에서 단일 안테나를 이용한 전송 기술 측면에서 ATSC 3.0 표준 기술은 이론적 한계치인 섀넌의 채널 용량(Shannon’s Channel Capacity)에 근접한 전송 용량을 제공할 수 있다. 그러나 향후 실감형 미디어의 대용량 콘텐츠를 수용하기 위해서는 더 큰 방송 전송 용량 확보가 요구되며 브라질에서는 이를 위하여 브라질 TV 3.0의 기술 요구사항으로 그림 3과 같이 다중 안테나와 채널 결합을 정의하였다[11]. ATSC 3.0 표준에는 전송 용량 증대 관련 다중 안테나 전송 및 채널 결합 전송 기술을 지원하고 있다.

그림 3

다중 안테나 및 채널 결합 기술

가. 다중 안테나 전송 기술

다중 안테나 전송은 추가 주파수 자원 없이 다중 안테나를 이용하여 전송 용량을 증대하는 기술이다. ATSC 3.0 표준에서는 2개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나로 구성된 다중 안테나 전송 기술을 지원하며, 전송 용량 증대를 위한 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 기술을 지원한다.

이동통신이나 무선랜과 달리 방송 시스템에서는 수신부로부터의 실시간 피드백을 기대하기 어렵다. 따라서, ATSC 3.0 표준은 안테나 간의 간섭을 최소화할 수 있도록 교차 편파에 기반한 다중 안테나 전송 방식을 채택하였다. 교차 편파를 이용하는 경우, 하나의 안테나는 수평 편파를 이용하고 다른 하나의 안테나는 수직 편파를 이용하여 신호를 송수신함으로써 안테나 간의 간섭을 줄일 수 있다. 추가적으로 ATSC 3.0 표준은 안테나 간의 간섭을 줄이기 위하여 스트림 결합, IQ 편파 인터리빙, 위상 호핑의 3가지 프리코딩 기술을 지원하고 있다.

교차 편파에 기반한 ATSC 3.0 다중 안테나 전송 기술에 대한 실현 가능성은 필드테스트 형태로 검증되었으며, 실제 방송환경에서 이루어진 테스트 결과, ATSC 3.0 다중 안테나 전송 기술을 이용하여 하나의 6MHz 방송 채널 이용 시 최대 113Mbps의 전송률을 달성할 수 있음을 확인하였다[12].

한편, 다중 안테나 전송 기술을 이용하는 경우, 기존 단일 안테나 수신기는 해당 신호를 수신 및 복조하지 못하는 문제가 발생한다. 기존 수신기에 대한 역호환성 문제를 해결하기 위하여 단일 안테나 신호와 다중 안테나 신호를 다중화하는 역호환성 다중 안테나 기술이 개발되었으며, 해당 기술에 대한 그림 3 다중 안테나 및 채널 결합 기술 실현 가능성 또한 필드테스트 형태로 검증이 완료되었다[13].

나. 채널 결합 전송 기술

ATSC 3.0 표준은 전송 용량 증대를 위하여 복수의 RF 채널을 이용하여 신호를 송수신하는 채널 결합 전송 기술을 지원한다. 다중 안테나 기술과 달리 채널 결합 전송을 위해서는 추가적인 스펙트럼이 필요하다는 단점이 있지만, 안테나 간섭 등의 영향이 없어 데이터 전송률을 확실하게 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기존 단일 안테나 기반 방송 수신 인프라를 재활용할 수 있다는 측면에서 실제 구현이 좀 더 용이하다는 장점을 갖는다.

ATSC 3.0 표준은 2개의 RF 채널에 대한 채널 결합을 지원하며, 플레인 채널 결합 방식과 신호 대 잡음비 평균 채널 결합 방식의 2가지 채널 결합 방식을 지원한다. 플레인 채널 결합 방식은 각 RF 채널에 대하여 서로 다른 물리 계층 환경변수를 설정할 수 있다. 예를 들어, 각각의 RF 채널에 대하여 서로 다른 변복조 차수와 부호율을 적용할 수 있는 장점이 있다. 신호 대 잡음비 평균 채널 결합 방식은 2개의 채널로 전송되는 데이터를 셀 인덱스에 따라 서로 교환함으로써 주파수 다이버시티 효과를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 반면, 2개의 채널에 대하여 동일한 물리 계층 환경변수를 설정해야 한다는 제약 사항을 갖는다.

ATSC 3.0을 기반으로 한 차세대 지상파 방송 전송 기술들은 오디오/비디오의 선형(Linear) 방송 서비스뿐만 아니라 다양한 데이터캐스팅 서비스를 제공할 수 있다. 현재 ATSC 3.0을 공식적으로 도입한 나라는 우리나라와 미국, 자메이카이며, 인도와 브라질 등에서도 도입을 준비하거나 고려하고 있다. 미국의 경우 꾸준히 ATSC 3.0 송출 커버리지를 확장하고 있으며 코트 커팅(Cord-cutting)의 분위기와 함께 2024년 1분기까지 전체 가구의 75%에 이를 것으로 전망하고 있다.

ATSC 3.0 방송망을 활용한 다양한 서비스 중 가장 먼저 활용된 예는 재난방송 서비스이다. ATSC 3.0은 재난 정보를 일반 방송 서비스보다 강인한 신호를 통하여 더 많은 수신 환경에 전달할 수 있고 문자, 이미지, 영상 등을 사용자 맞춤형으로 전달할 수 있다. 미국의 경우 ATSC 3.0 수신 칩셋이 탑재된 휴대폰을 통해 재난방송 서비스를 제공하는 기술을 선보였으며, 스마트폰의 GPS 위치 정보와 방송망을 통해 제공된 대피 경로나 지도 데이터를 결합하는 경우 재난 정보 전달에 효율적임을 보였다. 여기에 국내의 경우 아바타 수어 형태로 재난방송 서비스를 제공하는 기술을 개발하여 재난 정보가 취약 계층에게도 효율적으로 전달되고자 한다. 최근 자율주행 기술 개발과 함께 차량 내에서의 멀티미디어 서비스 제공과 정밀한 위치 정보 제공이 중요해졌다. 먼저 이동하는 차량에서의 수신 감도를 올릴 수 있는 기술이 개발되어 고화질의 방송 서비스를 제공할 수 있게 되었다. 또한, 차량의 내비게이션 지도나 펌웨어 업데이트 등에 방송망을 활용하는 데이터캐스팅 서비스도 시범적으로 선보였다. 현대 모비스는 미국의 지상파 방송사인 싱클레어와 함께 차량용 방송 플랫폼 시범사업을 진행하고 있다. 여기에 국내 지상파 방송사인 MBC와 KBS는 GPS 보정 정보 데이터를 방송망을 통해 전달하는 정밀측위 기술을 선보였다. 이처럼 방송망을 활용하여 전달하는 경우 각 단말에 개별로 요구되는 데이터 용량이 크게 줄어들고 안정적으로 전달할 수 있다. 미국 싱클레어는 ATSC 3.0 방송 기술을 통하여 스마트 TV 플랫폼에서 제공되던 ROXi의 엔터테인먼트 채널을 시청자가 별도의 애플리케이션 다운로드 없이 TV에서 접근하고 즉시 인터랙티브 음악 채널을 경험할 수 있게 하였다. 또한, 미국의 경우 최근 전쟁, 재밍 등으로 GPS 활용이 불가능한 경우를 대비하여, BPS 기술을 개발하고 있다. BPS 기술은 각 송신기의 위치 정보 및 신호 출력 시간 오프셋 데이터를 신호 대 잡음비가 0dB 이하인 매우 강건한 방송 신호로 전달하고 이를 수신하여 금융, 전력망과 같은 주요 국가 인프라에 시간 동기화를 위한 기준 시간을 제공할 수 있다. 마지막으로, 단방향, 일방적으로 제공되던 광고 서비스가 인터넷에서 제공되던 맞춤형 인터랙티브 형태로 바뀌는 것이다. 맞춤형 광고는 사용자 정보 분석을 바탕으로 실시간, 비실시간 방송망 및 통신망을 수신기로 전달되어 콘텐츠 사이에 삽입된다. 이미 미국에서는 여러 방송사와 기업에서 맞춤형 광고 서비스를 선보이고 있다.

MBMS는 WCDMA 기반의 3G 시스템을 위해서 처음 표준화되었으며, 모바일 TV 서비스를 3G 이동통신망을 통해 원활하게 제공하는 것이 목적이었다. MBMS 기술은 이후 Rel-8에서 OFDM 기반의 4G LTE 표준이 제정된 이후, 광대역 주파수를 토대로 한 높은 전송률과 효율적인 MBSFN 구성이 가능한 eMBMS 기술로 진화하였다[14].

Rel-9에서 eMBMS가 처음 도입 이후로 몇 번의 Release를 거치면서 MBMS 기반 방송 서비스의 기능을 개선하기 위한 기술 개발이 진행되었고, Rel-14에 이르러 MBMS 기술은 비약적으로 발전하였다. 지상파 방송의 수신 단말 확대를 원하던 방송사업자들은 모바일 단말들에 방송 서비스를 제공하기 위하여 HPHT 기반 방송망에서 MBMS 전송이 가능하도록 요구사항을 정의하였고, 3GPP가 이를 수용하여 FeMBMS 기술이 제정되었다[15].

FeMBMS 기술은 eMBMS 기술이 가진 한계점을 여러 방면에서 극복하였다. 특히 이동통신 서비스 수신을 위한 유심(USIM) 없이도 지상파 방송 수신이 가능한 수신 전용 모드가 도입되고, HPHT 방송망 커버리지에서 신호 수신이 가능하도록 송신 신호를 구성하였다. 또한 기존 방송사업자들의 콘텐츠들이 별도의 트랜스코딩(Transcoding) 없이 전송 가능해지면서, FeMBMS는 다양한 포맷의 콘텐츠를 지원할 수 있는 공용 전송 플랫폼 역할을 할 수 있게 되었다.

이후 Rel-15부터 5G 표준화가 진행됨에 따라 5G 방송에 대한 요구조건도 함께 정의되었고, 넓은 커버리지를 대상으로 선형 방송 서비스를 제공하는 MBMS 기술에 대한 요구사항들도 명확히 정의되었다. 3GPP는 이러한 요구사항들을 기반으로 Rel-16에서 FeMBMS 기술을 개선하고, 이를 LTE 기반 5G 지상파 방송(LTE-based 5G Terrestrial Broadcast) 기술로 명명하였다. 5G 지상파 방송 기술은 이동통신 기술 기반의 최신 지상파 방송 기술로서, 5G-MBMS 기술로도 불린다[16,17].

3GPP는 5G 방송의 요구사항들을 기반으로 5G 방송 기술에 대한 오랜 논의를 진행하였으며, 그 결과 방송 기술을 2가지 접근으로 구분하여 개발하였다[18]. 첫 번째 기술은 앞 절에서 설명한 MBMS 기술 기반의 5G 지상파 방송 기술이다. 두 번째 기술은 좁은 커버리지를 대상으로 5G 유니캐스트(Unicast)와의 공존이 가능하고, 버티컬 서비스(Vertical Service)에서 요구되는 다양한 애플리케이션(Application)을 지원하는 방송 기술이며, NR RAN 기반의 NR-MBS 기술이 이에 해당한다[19].

이처럼 5G Broadcast는 5G 지상파 방송 기술과 NR-MBS 기술로 구분되며, 최근까지 진행되었던 Rel-17과 Rel-18에서는 NR-MBS 기술 제정과 더불어 5G 지상파 방송 기술의 효용성을 높이기 위한 표준화 작업들이 진행되었다(그림 4 참고). Rel-17에서는 MBMS 전송에 한정하여 LTE의 주파수 대역폭으로 6/7/8MHz를 새롭게 추가하여, 기존 방송 표준인 DVB-T, ISDB-T, 그리고 ATSC가 사용 중인 UHF 방송 주파수 대역을 MBMS 전송에 그대로 사용할 수 있게 되었다. 이후 진행된 Rel-18에서는 UHF 방송 주파수 대역을 LTE 신규 주파수 대역으로 편입하여, 전 세계적으로 지상파 방송을 위해 사용되는 UHF 대역에서 MBMS 전송이 가능하도록 표준이 개정되었다.

그림 4

3GPP 기반 방송 기술의 표준화 동향

3GPP 기술 기반 방송 서비스의 향후 전망을 살펴보기 위해서는 MBMS 기술의 실제 상용화 사례를 살펴볼 필요가 있다. 먼저, 2014년 한국에서는 KT와 삼성전자가 eMBMS 기술을 기반으로 올레TV 모바일 애플리케이션을 개발하고 스포츠 중계 서비스를 제공한 사례가 있다. 또한 2017년에는 호주의 제1 이동통신 사업자인 Telstra가 eMBMS를 통해 AFL 중계방송 서비스를 제공하였으며, 이후 여러 스포츠 중계로 확장하였다. 하지만 eMBMS 상용화 서비스가 정착되었던 호주 외에는 상용화가 지속적으로 이어진 사례가 없다는 한계가 있다.

이어서 개발된 FeMBMS 기술과 5G Broadcast 기술은 유럽을 중심으로 필드테스트 결과가 여러 차례 보고되었지만, 현재까지 실제 상용화로 이어진 사례는 없다. Rohde & Schwarz와 독일의 방송관계사들은 5G 네트워크를 통해 방송 콘텐츠를 효율적으로 전송하기 위해 5G TODAY 프로젝트를 함께 진행하였으며, 국책과제인 5G Media2Go를 통해 차량용 인포테인먼트 시스템을 기반으로 이동 차량을 대상으로 방송 서비스를 제공하고자 하였다. 그리고 영국에서 진행되었던 5G VISTA 프로젝트는 5G Broadcast 기술을 이용하여 스포츠 중계 및 예술 공연과 같은 라이브 이벤트 시 시청자에게 높은 수준의 디지털 경험을 제공하고자 하였다.

이러한 필드테스트들을 통해서 3GPP 기술을 기반으로 한 방송 서비스 제공 가능성은 확인하였지만, 5G Broadcast가 상용화에 이르기 위해서는 주파수 할당이나 사업성을 비롯하여, 기존 지상파 방송기술과 유사한 수준의 성능 제공 등 아직 극복해야 할 과제가 남아있는 상황이다. 3GPP 표준화 관점에서는 최근까지 진행된 Rel-18을 살펴보면, 5G 지상파 방송 기술과 NR-MBS 기술 모두 직접적인 기술 개발이나 성능 개선보다는 기술의 활용성을 높일 수 있는 방향으로 표준화 작업이 진행되었다. 그 결과 5G 지상파 방송을 위해서는 UHF 대역에서 신규 LTE 주파수가 정의되었으며, NR-MBS는 MAC 계층에서의 운용 시나리오가 보완되었다. 최근 진행된 RAN Planery 회의 결과를 보면 Rel-18 이후에 5G Broadcast를 위한 논의 내용은 결정된 것이 없다. 하지만 5G 지상파 방송이나 NR-MBS 기술의 성능 및 활용성 개선을 위한 논의는 이후에도 진행될 가능성이 있으므로 3GPP 표준화에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다.

최근 들어 점차 중요성이 커지는 방송망과 통신망의 결합 관점에서는 전 세계적으로 융합망에 대한 필요성 및 관련 연구내용이 보고되고 있으며, 3GPP에서도 유사한 움직임이 나타나기 시작하였다. 인도에서는 차세대 통신 표준을 방송·통신 통합적 형태로 제정했으며, 방송·통신 연동형 트래픽 오프로딩에 주목하고 있다. 또한, 미국에서는 3GPP를 기반으로 타 네트워크를 함께 연동하여 융합망을 운용하는 기술에 대한 연구내용이 보고되고 있다. 그리고 통신망에 기반한 NR-MBS 기술과 지상파 방송망에 기반한 Non-3GPP 기술의 융합 시나리오를 3GPP 규격에 포함하기 위한 논의가 SA에서 진행되는 등 통신망과 방송망의 융합은 시대적 흐름이 되고 있다.