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ATSC 3.0 기반 모바일HD 물리계층 필드테스트 결과: 제주테크노파크 100W 실험국과 제주시내 이동측정을 위주로 @ 2017 한국방송공학회 추계학술대회

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전성호, 임보미, 박성익, 이재권, 장진영, 이권익,
"ATSC 3.0 기반 모바일HD 물리계층 필드테스트 결과: 제주테크노파크 100W 실험국과 제주시내 이동측정을 위주로",
한국방송미디어공학회 2017 추계학술대회,
서울과학기술대학교 100주년기념관, 2017년 11월.

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ATSC 3.0 기반 모바일HD 물리계층 필드테스트 결과: 제주테크노파크 100W 실험국과 제주시내 이동측정을 위주로 @ 2017 한국방송공학회 추계학술대회

  1. 1. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute ATSC 3.0 기반 모바일HD 물리계층 필드테스트 결과: 제주테크노파크 100W 실험국과 제주시내 이동측정을 위주로 한국방송미디어공학회 2017추계학술대회 2017년 11월 3일(금) 서울과학기술대학교 100주년기념관 전성호1, 임보미2, 박성익2, 이재권1, 장진영3, 이권익4 1한국방송공사 미래기술연구소 미디어연구부 2ETRI 방송·미디어연구소 미디어연구본부 미디어전송연구그룹 3SBS 기술국 기술인프라팀 4제주테크노파크 디지털융합센터
  2. 2. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute KBS UHDTV 간이주조정실 2017년 2월 28일 새벽 5시, 세계 최초 ATSC 3.0 기반 지상파UHD 신호 발사
  3. 3. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 1단계 수도권 송신소 SFN 구축 결과 KBS1 52 EBS KBS2 5MHz 698 704 710 718 728 753 759 765 771 773 783 803 [MHz] 806 PS (Public Safety)- LTE PS (Public Safety)- LTE Guard band Guardband Guardband Guardband Mobile Broadband Uplink ↑ Mobile Broadband Downlink ↓ 748 2MHz 3MHz8MHz CH51 ATSC DTV 0 C V KBS1 MBC KBS2SBS EBS 남산 5 kW목동 900 W 관악 5 kW 광교 2 kW 용문 2 kW 서울 경기도
  4. 4. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 2017년 5월 31일 새벽 5시, 세계 최초 ATSC 3.0 기반 지상파UHD 본방송 개시 KBS UHDTV Master Control Room Ceremony for World’s First Terrestrial UHDTV Broadcasting in Korea @ KINTEX
  5. 5. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 국제원자시(TAI) 기반으로 동작하는 SFN 송신 장치 Block Diagram of ATSC 3.0 End-to-End Chain UHDTV ATSC3.0 Transmitter HEVC Encoder ATSC3.0 Transmitter IP Multiplexer Scrambler for Contents Protection HEVC Encoder GPSPTP ATSC3.0 Broadcast Gateway SFN Coordinated Universal Time (UTC)PTP 4K-UHD Content 1.3 ~ 52.2 Mbps Microwave (Wireless) IP Network (Wireline) SLS/LLS Generator 2K-HD Content PTP Scrambler for Contents Protection HEVC Encoder PTP 2K-HD Content Scrambler for Contents Protection CDN Single Frequency Network Mobile Reception Indoor Reception 9-1 9-2 9-3
  6. 6. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 지난 2017 한국방송미디어공학회 하계학술대회에서는... 6 2017년 4월 기준, 방송3사와 삼성전자/LG전자 공동 고정수신 필드테스트 결과 공유
  7. 7. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 2017년 4월 기준, 방송사/가전사 공동 ATSC 3.0 고정수신 필드테스트 결과 (a) 측정점#5 상세 위치와 송신소 방향 (b) 필드테스트 차량 외부 모습 (c) CIR 상에 확인된 3군데 송신소 신호 중첩 지역 관악5kW 용문2kW 광교2kW 3군데 송신소 신호가 중첩되는 지역 무지향성 안테나
  8. 8. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute (a) 필드테스트 수신 측정점 위치 Seoul Metropolitan area (b) 수도권 1단계 송신소 구축 결과에 따른 수신 레벨 분포 UHD : 40.8 Mbps HD/UHD : 3/30.1 Mbps UHD : 32.6 Mbps HD/UHD : 3/24.0 Mbps UHD : 24.4 Mbps HD/UHD : 3/18.0 Mbps UHD : 18.3 Mbps HD/UHD : 3/13.5 Mbps 2017년 4월 기준, 방송사/가전사 공동 ATSC 3.0 고정수신 필드테스트 결과
  9. 9. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 측정의 실제: 수신기 최소 입력 전계강도 측정 9 양시청 수신화면 확인 Attenuator 감쇄를 높여가면서 측정 수신전계강도 수신기 최소 입력 전계강도
  10. 10. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 측정의 실제: 양시청 신호 대 잡음비 ToV C/N 측정 10 양시청 수신화면 확인 노이즈를 삽입해가면서 측 정 수신전계강도 양시청 신호 대 잡음비 추가 삽입 노이즈 -53dBm 설정 수신신호 제거 후 노이즈 레벨 측정
  11. 11. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 결론: 필드테스트를 통해서 알게 된 사실 11 번 호 측정모드 측정 갯수 실측 ToV 이론값 차이 1 16-QAM R=7/15 1 5.8 7.21 -1.41 2 16-QAM R=8/15 20 10.05 8.63 1.42 3 16-QAM R=9/15 5 11.76 9.94 1.82 4 64-QAM R=5/15 7 8.84 7.74 1.1 5 64-QAM R=7/15 3 12.63 11.1 1.53 6 64-QAM R=8/15 6 13.2 12.75 0.45 7 64-QAM R=10/15 3 16.66 15.81 0.85 8 64-QAM R=11/15 9 18.01 17.44 0.57 9 256-QAM R=6/15 1 13.5 12.91 0.59 10 256-QAM R=8/15 6 17.05 16.54 0.51 11 256-QAM R=9/15 13 19.16 18.23 0.93 12 256-QAM R=10/15 2 20 20.06 -0.06 [표 3] MODCOD별 ToV C/N (단위 : dB)  이론값은 ATSC 3.0 표준에서 제시된 이론적인 성능 중 Rayleigh 채널에서의 ToV C/N 값과 ±1dB 수준에서 이론값과 실측값이 유사 번호 측정모드 측정 갯수 수신 레벨 이론값 차이 1 16-QAM R=7/15 1 -91 -91.79 0.79 2 16-QAM R=8/15 20 -89.97 -90.37 0.4 3 16-QAM R=9/15 5 -88.34 -89.06 0.72 4 64-QAM R=5/15 7 -89.65 -91.26 1.61 5 64-QAM R=7/15 3 -88.47 -87.9 -0.57 6 64-QAM R=8/15 6 -85.9 -86.25 0.35 7 64-QAM R=10/15 3 -84.66 -83.19 -1.47 8 64-QAM R=11/15 9 -82.93 -81.56 -1.37 9 256-QAM R=6/15 1 -86.3 -86.09 -0.21 10 256-QAM R=8/15 6 -81.8 -82.46 0.66 11 256-QAM R=9/15 13 -81.18 -80.77 -0.41 12 256-QAM R=10/15 2 -79.3 -78.94 -0.36 [표 4] MODCOD별 수신기 최소수신전력 (단위 : dBm)  이론값 = -106dBm + 이론적 ToV C/N[dB] + 수신기 Noise Figure 단, -106dBm은 6MHz 대역폭에 대한 상온에서의 열잡음 (Thermal Noise). 수신기 Noise Figure를 7dB로 가정
  12. 12. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 이번 2017 한국방송미디어공학회 추계학술대회에서는... 12 2017년 9월 기준, 방송3사와 ETRI 공동 이동수신 필드테스트 결과 공유 ●측정일시 : 2017.09.11 ~ 09.13 ●측정지역 : 제주시 일대 제주시내 도심지, 제주시 외곽 부도심지, 제주테크노파크 진입로 등 ●참가기관 : 제주테크노파크, ETRI, KBS, SBS, LG전자 ●온에어 전송률 (물리계층) KBS = HEVC 2.3865 Mbps @ ToV SNR = 5.5 dB MBC = HEVC 2.5439 Mbps @ ToV SNR = 6.6 dB SBS = HEVC 2.3819 Mbps @ ToV SNR = 5.6 dB 양시청 보장을 위한 최소 신호 품질 [참고] T-DMB의 경우, MPEG4-AVC 코덱 기반, 약 400kbps 수준으로 서비스 중
  13. 13. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 제주 모바일HD 필드테스트 개요 ●2017년 5월 31일 새벽 5시, 세계최초 지상파UHD 본방송 개시 ●본방송 개시 시점부터, 모바일HD와 고정용UHD 함께 송신 중 ●본방송 개시 후부터 현재까지, 모바일HD에는 영상이 빠져 있어, 수도권 SFN 환경에서 온전한 필드테스트가 불가능함. ●따라서, ‘창의적 전파활용지구’인 제주도 방송통신융합센터에서 방송3사 수도권 본방송과 동일한 송신 환경을 설정하고, 모바일HD 영상을 실어 송출한 뒤, 지금 당장 수도권 모바일HD 서비스 개시가 가능한지 검증함. 약 2.5Mbps 약 16.5Mbps ATSC 3.0 지상파 방송 표준 기반 단일 주파수 방송망
  14. 14. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 제주테크노파크 실험국 제원 Latitude: 33°27′3.37″(N) Longitude: 126°34′18.96″(E) Above sea level : 357m Building height : 16m Antenna height : 5m  제주첨단단지 내, KAKAO스페이스닷원 길 건너 맞은편  송신주파수 = UHF CH50 (중심주파수 = 689MHz)  송신출력(송신 안테나 이득) = 100W (10dBi)
  15. 15. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute [참고] 개략적인 송신 계통 구성도 ATSC3.0 Exciter ATSC3.0 Exciter GPS ATSC3.0 Broadcast Gateway SFN Microwave (Wireless) IP Network (Wireline) PTP 단일 주파수 방송망 Single Frequency Network (SFN) STLTP Monitoring Professional Receiver (RF Monitoring) STLTP Monitoring Bootstrap Preamble Time Frequency Frame Subframe 0 Subframe n-1. . . Single Frame PLP#1 Single Frame PLP#2 Mobile HD 1채널 UHD 1채널
  16. 16. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute Mask Filter (UHF CH 50) HPA (100W) MMT/ROUTE IP-Mux Broadcast Gateway Exciter Spectrum Analyzer ETRI 송신시스템 구성도
  17. 17. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 실내 직접수신 안테나 (좌) STLTP 모니터링 시스템 영상 확인 송신계통 모니터링 시스템 (우) 상용 ATSC3.0 UHDTV 온에어 직접수신 영상 확인
  18. 18. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 통합분석시스템 IMAS Spectrum Analyzer ATSC3.0 Professional ReceiverJTP 이동측정차량 Omni-Directional 안테나 이동수신을 위한 측정차량 구성 ETRI 수신시스템 구성도
  19. 19. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 제주시내 필드테스트 측정 경로 측정일자 : 9월 11일~13일 3일간 소요시간 : 1바퀴 도는 데 4시간 가량 제주국제공항 DTV 중계기
  20. 20. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 수도권 본방송 전송파라미터 설정 항목 KBS MBC SBS 제어 정보 FFT Size 16K 8K 16K PreamblePilot 4_1 L1-Basec/DetailFEC Mode 2 Mode 1 모 바 일 HD FFT 16K 8K 16K Guard Interval GI6_1536 Pilot Pattern 4_2 Pilot Boost 0 1 Modulation 16-QAM Code rate 7/15 8/15 7/15 FEC Type BCH + 16K-LDPC Time Interleaving CTI CTI Depth 512 887 1024 전송용량[Mbps] 2.38 2.54 2.38 ToV SNR[dB]@ AWGN 5.6 6.6 5.6 고 정 UHD FFT 32K Guard Interval GI6_1536 GI7_204 8 GI6_153 6 Pilot Pattern 16_2 12_2 8_2 Pilot Boost 0 Modulation 256-QAM Code rate 9/15 FEC Type BCH + 64K-LDPC TimeInterleaving CTI CTI Depth 1024 512 항목 KBS MBC SBS
  21. 21. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 결과: 수신신호세기(dBm) 분포 방송사 = (평균레벨[dBm], 표준편차) KBS = (-78.83 dBm, 9.42) MBC = (-78.95 dBm, 9.91) SBS = (-78.76 dBm, 9.52)
  22. 22. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 결과: 측정속도(km/h) 분포 방송사 = (평균속도[km/h], 표준편차) KBS = (38.07 km/h, 18.88) MBC = (35.99 km/h, 18.21) SBS = (40.07 km/h, 22.05)
  23. 23. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 결과: 수신 신호 세기 분포 단위 : dBm 제주국제공항 민오름 한라 수목원 별도봉 사라봉 DTV 중계기
  24. 24. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute결과: MER 분포 (KBS 송신 파라미터 기준)
  25. 25. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 양시청 방송구역 성능평가 기준 Level [dBm] – MER [dB]  수신레벨[dBm]과 MER[dB]는 선형(Linear) 관계가 있음.  다만, 이동수신에서는 여러가지 채널 환경을 겪기 때문에, 특정 수신레벨에서도 다양한 MER값을 가질 수 있음. 즉, 채널환경이 나쁘면 수신레벨이 높더라도 낮은 MER 값을 가질 수도 있음.
  26. 26. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 16-QAM 256-QAM 양시청 방송구역 성능평가 기준 Level [dBm] – FER [%] 모바일HD 고정UHD  모바일HD 파라미터는, 다양한 이동 수신 조건에서 수신이 가능함.  고정UHD 파라미터는, 다양한 이동 수신 조건에서 안정적인 수신이 어려움.
  27. 27. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 16-QAM 256-QAM 양시청 방송구역 성능평가 기준 MER [dB] – FER [%] 모바일HD 고정UHD  모바일HD 파라미터는, 다양한 이동 수신 조건에서 수신이 가능함.  고정UHD 파라미터는, 다양한 이동 수신 조건에서 안정적인 수신이 어려움.
  28. 28. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute [참고] 변조오류율 MER (Modulation Error Rate) 점이 또렷하게 보인다 = 수신 신호 품질이 좋다 = 변조오류율(MER)이 높다 점이 구분되지 않고 흐릿하다 = 수신 신호 품질이 나쁘다 = 변조오류율(MER)이 낮다
  29. 29. KoreanBroadcastingSystem| TechnicalResearchInstitute 결론: 모바일 서비스 커버리지 평가의 기준, ESR5 ESR = Erroneous Seconds Ratio (ITU-R BT.1368) ESR5 = 5% ESR, which corresponds to 1 sec with errors over a 20 sec observation period  기술적인 관점에서 수도권 모바일HD 본방송이 가능함을 검증  커버리지 산출에 필수적인 물리계층 성능 지표인 ESR5에 대한 기준값, 즉 MER 기준으로 11.3dB, Level 기준으로 –85.0dBm 정도임을 도출 MER 기준 Level 기준

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