5G 방송(5G Broadcast)이란 무엇인가?

5G 방송(5G Broadcast)은 ATSC 3.0을 대체할 가능성이 있습니까?
September 09, 2023

 

이글은 번역본입니다.

원문링크는 아래와 같습니다.

https://www.tvtechnology.com/features/what-is-5g-broadcast
  

What is 5G Broadcast?

 

미국에서 공중파 TV 수신에 대한 관심은 안테나 판매에서 알 수 있듯이 계속 증가하고 있으며, CTA는 미국의 전체 안테나 시장이 2025년까지 5,300만 가구를 초과할 것으로 추산하고 있습니다 . ATSC 3.0 구축이 계속되는 동안, 새로운 개념의 '5G 방송( 5G Broadcast )'은 이제 고출력, 하이타워 '차세대' TV 방송의 또 다른 옵션으로 검토되고 있습니다.

이미 1개의 실험적인 5G 방송국이 방송되고 있으며 (7월에 발표된 뉴햄프셔주 웨스트모어랜드의 WWOO-LD), 세계 다른 지역의 방송사들은 5G 방송 배포를 테스트하고 있습니다.

 

ATSC 3.0을 대체하여 '차세대( (next generation)' 방송 기술이 될것인가? 내 생각에는 소비자들과 방송사들이 인터넷을 통한 스트리밍 프로그램을 선호하여 공중파 TV를 중단하는지 여부가 주요 요인이 될 것입니다.

 

5G 방송(5G Broadcast)은 주로 비디오 배포를 위한 데이터 용량이 여전히 문제가 되는 모바일 장치를 대상으로 합니다. 지금까지 ATSC 3.0의 소비자 채택은 고정형 TV 세트로 제한되었습니다. 더 많은 사람들이 코드를 자르고 방송을 통해 발견(또는 재발견)하고 있지만 이러한 세트 중 훨씬 더 많은 것이 안테나보다 인터넷에만 연결되어 있습니다.

 

미국에서 모바일 기기의 보급을 주로 통제하는 무선 사업자들이 정부의 위임 없이 5G 방송의 수신을 허용할 것인가요? 만약 정부의 위임이 있다면, 아마도 그 위임은 대신 ATSC 3.0 기기를 요구할 수 있을 것입니다.

이는 몇 가지 질문을 제기합니다. 어떤 기술이 더 나은가? 어느 것이 더 구현하기 쉬운가요? 이러한 질문에 답하는 데 도움이 되는 몇 가지 정보와 리소스 링크를 제공하겠습니다.

현재 3GPP 표준 

5G 방송은 3GPP 릴리스 17에 정의되어 있습니다 (3GPP 내 5G 방송의 진화에 대한 개요는 3GPP MCC 김동욱의  " 방송, 멀티캐스트 기술 "을 확인하세요).

현재 표준에는 고전력, 하이타워 방송을 지원하는 기능이 있습니다. 여기에는 수신 전용 모드(SIM 카드 필요 없음)와 최대 200마이크로초의 cyclic prefix가 포함되어 단일 주파수 네트워크(SFN)에서 사이트 간 더 먼 거리를 허용합니다. 

5G 방송 신호의 주요 구성 요소는 PBCH(physical broadcast channel, 물리적 방송 채널)를 포함하는 CAS(cell acquisition subframe, 셀 획득 서브프레임)입니다. PDCCH(physical downlink shared channel, 물리적 하향링크 제어 채널) 및 PMCH(physical multicast channel, 물리적 멀티캐스트 채널)를 디코딩하는 데 필요한 PDSCH(physical downlink shared channel, 물리적 하향링크 공유 채널)입니다. 5G 방송 신호를 수신하기 위해서는 수신기가 PBCH, PDCCH, PDSCH, PMCH를 디코딩할 수 있어야 합니다. 

PBCH, PDCCH, PDSCH는 ATSC 3.0의 부트스트랩, L1-basic, L1-detailed와 비교할 수 있는 제어 채널이며, PMCH는 ATSC 3.0의 PLP 서브프레임과 유사합니다. 이러한 구성 요소의 코딩 및 변조에 따라 시스템의 견고성과 용량이 결정됩니다.

5G 방송 물리 계층에 대한 자세한 내용은 "ETSI TS 103 720 기술 사양 " 및 IEEE Transactions on Broadcasting 문서 " 모바일 핸드헬드 애플리케이션을 위한 ATSC 3.0 및 3GPP Rel-17 5G 방송 시스템 평가 "에서 확인할 수 있습니다.

5G 방송 하드웨어/소프트웨어

로데슈바르즈는 전 세계 테스트에 사용된 5G 방송 플랫폼을 개발했습니다. Nik Dimitrakopoulos 박사가 회사의 "자동차용 5G 방송 " 프레젠테이션에서 가져온 아래사진은 R&S SDE900(ATSC 3.0 신호 생성에 사용되는 것과 동일한 모델 번호 장치)에 전력을 공급하는 R&S BSCC2.0(방송 서비스 및 제어 센터)을 보여줍니다. TCE901 exciter와 THU9evo 송신기에 연결합니다.

사진1 5G BROADCAST 개념도

사진1 설명: 이 다이어그램은 R&S SDE900(ATSC 3.0 신호 생성에 사용되는 동일한 모델 번호 장치)을 TCE901 익사이터 및 THU9evo 송신기에 공급하는 R&S BSCC2.0(방송 서비스 및 제어 센터)을 보여줍니다.  (이미지 출처: 로데슈바르즈)
BSCC2.0을 제외하면 이 구성은 미국 방송사에 익숙할 것입니다. BSCC2.0 제품 브로셔의 그림 2는 해당 장치의 내부 아키텍처를 보여줍니다. 

사진2  R&S BSCC2.0(방송 서비스 및 제어 센터)의 내부 아키텍처.(이미지 출처: 로데슈바르즈)

사진2: R&S BSCC2.0(broadcast service and control center, 방송 서비스 및 제어 센터)의 내부 아키텍처.(이미지 출처: 로데슈바르즈)

OpenAirInterface5g 이니셔티브는 UHD/USRP 기반 SDR에서 실행되는 소프트웨어를 개발했습니다. 이에 대해 제가 가지고 있는 마지막 정보는 3GPP 릴리스 14 기반 구성에 대한 2019년 정보입니다. 자세한 내용은 Vicomtech의 Javier Morgade가 진행한 " OpenAirInterface5G를 사용한 FeMBMS/eMBMS E2E 프로토타이핑 " 프레젠테이션에서 확인할 수 있습니다.

그림 3은 이전 기사에서 설명한 GNU Radio ATSC 3.0 송신기에 사용된 것과 동일한 모델인 두 개의 Ettus B210 SDR을 사용하는 시스템을 보여줍니다.

 

사진3: 두 개의 Ettus B210 SDR을 사용하는 OpenAirInterface5g 시스템(이미지 출처: Vicomtech)

 

5G 방송과 ATSC 3.0 성능 비교

앞서 설명한 5G 방송 시스템과 마찬가지로 ATSC 3.0에는 수신기가 채널을 고정하고, 채널 조정 방법에 대한 정보를 얻고, 데이터를 디코딩할 수 있는 요소가 있습니다. 이러한 요소가 구현되는 방식은 다양한 조건에서 성능에 영향을 미칩니다.

모바일 핸드헬드 애플리케이션을 위한 ATSC 3.0 및 3GPP Rel-17 5G 방송 시스템에 대한 IEEE 트랜잭션 평가의 표 XI는 3, 40 및 120km/hr의 속도에서 이상적인 추정 및 선형 추정을 위한 TU-6, 인도-도시, 인도-농촌 및 서울-SFN-3 채널에 대한 ATSC 3.0 성능 향상을 보여줍니다.

 

ATSC 3.0 부트스트랩 대 5G PBCH의 성능 이득은 120km/hr에서 TU-6 채널의 선형 추정의 경우 최악의 경우 -4.1dB에서 3km/hr에서 서울-SFN-3 채널의 선형 추정의 경우 최적의 경우 +10.5dB까지 다양했습니다. 부트스트랩 성능은 24개 시나리오 중 20개 시나리오에서 PBCH보다 우수했습니다.

PDSCH 대 L1-Detail의 비교는 ATSC 3.0 성능 증가가 -3.0dB에서 +5.0dB까지 다양함을 보여 주었습니다. PDSCH는 24개 시나리오 중 3개 시나리오에서 해독할 수 없었습니다. L1-Detail은 24개 시나리오 중 8개 시나리오에서 PDSCH보다 나빴지만 이 중 6개 시나리오에서 차이가 1dB 미만이었습니다.

ATSC 3.0 서브프레임과 PMCH를 비교했을 때, 서브프레임은 모든 채널에서 5Mbps, 10Mbps 및 15Mbps에서 더 우수한 성능을 보였고, PMCH는 24개 시나리오 중 8개 시나리오에서 15Mbps로 디코딩이 불가능했습니다. 성능 이득은 120km/hr에서 10Mbps TU-6 채널에서 +15dB 선형 추정에서 인도-농촌 채널에서 3km/hr 및 40km/hr에서 +0.6dB 이상적인 추정까지 다양했습니다.

IEEE 논문에서 제시된 연구는 ATSC 3.0 성능 이득이 BICM(bit interleaved coded modulation) 구성 요소의 우수성과 전파 채널에 따라 타임 인터리버에서 비롯된다고 설명합니다. 부트스트랩은 이동성이 높은 비가시선 채널(non-line-of-sight channels) 에서 PBCH보다 성능이 나쁘지만 그렇지 않은 경우에는 부트스트랩이 성능이 더 좋습니다. PDSCH의 비교에서는 L1-Detail이 비가시선(non-line-of-site) 상황에서 두 개의 PDSCH를 결합하여 제공되는 다양성을 활용할 수 있었습니다.

 

실용적인 의미: 5G 방송과 ATSC 3.0 비교

방송사는 ATSC 3.0 전송 인프라를 갖추고 있지만 현재 고정 TV 세트와 게이트웨이 장치 이외의 소비자 장비는 없습니다. Qualcomm은 모바일 장치 칩셋에 5G 방송 지원을 추가하고 있지만 현재 5G 방송을 지원하는 장치는 소비자에게 제공되지 않습니다. 프로토타입 장치는 두 표준 모두에 사용할 수 있습니다. 소비자는 언제 이러한 장치를 구입할 수 있습니까?

ATSC 3.0 방송은 이미 미국 내 70개 이상의 시장에서 방송되고 있습니다. 현재 미국에는 앞서 언급한 실험적인 LPTV인 G 방송국이 단 하나뿐입니다. 5G 미디어 액션 그룹의 웹사이트에는 5G 방송 시험에 대한 세부 정보와 5G 방송 참조 도구가 포함된 GITHUB 링크가 있습니다. 2023 IBC 쇼에서 전 세계 5G 방송 배포에 대해 더 자세히 들을 수 있을 것으로 기대됩니다.

5G 방송은 기존 모뎀과 5G 모바일 장치 구성 요소를 기반으로 구축될 수 있습니다. 이는 제조업체가 모바일 장치에 구현하는 것을 비교적 쉽게 만들 것입니다. ATSC 3.0에는 호환되지 않는 물리적 계층이 있으며 추가 하드웨어가 필요하므로 모바일 장치에 추가 비용이 발생합니다. ATSC 3.0의 많은 성능 이점은 더 많은 메모리가 필요한 시간 인터리빙에서 비롯됩니다. 어떤 TV 세트에도 5G 기능이 있다는 것을 알지 못합니다. TV에 5G 방송이 필요한 경우 비용은 얼마입니까?

IEEE Broadcast Transactions 논문에서는 ATSC 3.0이 네트워크 배포에 있어 상당한 비용 이점을 갖고 있음을 보여줍니다. 즉, 동등하거나 더 나은 적용 범위에 필요한 송신기 수가 더 적습니다. 미국에서도 그게 중요할까요?

5G 방송 및 ATSC 3.0 함께

최신 모바일 장치에서는 5G 방송을 사용할 수 있지만 TV 세트에서는 사용할 수 없고, ATSC 3.0을 TV 세트에서는 사용할 수 있지만 모바일 장치에서는 사용할 수 없는 상황이 된다면 어떻게 될까요? 자동차는 어떻습니까? 우리는 자동차에 콘텐츠를 전달하기 위해 ATSC 3.0을 사용하는 데 관심을 보였으며 IEEE 문서에 표시된 것처럼 ATSC 3.0은 성능 이점이 있지만 5G 무선 장치가 이미 차량에 있는 경우 5G 브로드캐스트에 이점을 줄 수 있습니다.

한 가지 솔루션은 TV 방송국이 동일한 채널에서 5G 방송과 ATSC 3.0을 모두 전송하는 것입니다. 이를 위해서는 채널을 공유하기 위해 TDM(시분할 다중화)을 사용해야 합니다. 저는 6월 과 7월 칼럼 의 두 부분으로 구성된 쇼 리뷰에서 2023 NAB 쇼의 시연을 설명했습니다.
새로운 스펙트럼이 없으면 충분한 ATSC 1.0 스펙트럼이 ATSC 3.0으로 전환될 때까지 미국 방송 대역에서 방송되는 5G 방송 신호가 많지 않을 것으로 예상됩니다."

이것이 작동하려면 ATSC 3.0 또는 5G 방송 표준 중 하나 또는 둘 다 프레임 구조를 변경해야 합니다. 이미 사용 중인 ATSC 3.0 TV 세트의 수를 고려하면 해당 표준에 대한 모든 변경 사항은 기존 TV 세트와 호환되어야 합니다.

현실이 될까요?

FCC 규정에 따르면 방송사는 최소한 하나의 무료 채널을 표준 화질로 대중에게 제공해야 합니다. ATSC 3.0으로 전환하는 동안 FCC는 방송사에 ATSC 1.0의 동시 방송을 포함하여 모든 시청자가 프로그램을 계속 이용할 수 있도록 보장하도록 요구했습니다. FCC가 방송사가 ATSC 1.0과 ATSC 3.0을 모두 종료하고 조만간 5G 방송으로 전환하는 것을 허용할 가능성은 낮습니다. OTA TV에 대한 관심이 계속된다고 가정하면 ATSC 3.0 세트 수가 계속 증가하여 5G 방송으로의 완전한 전환이 어려워질 것입니다.

새로운 스펙트럼이 없다면 5G 방송이 ATSC 3.0과 스펙트럼을 공유할 수 있을 만큼 충분한 ATSC 1.0 스펙트럼이 ATSC 3.0으로 전환될 때까지 미국 방송 대역에서 상당수의 5G 방송 신호가 방송될 것으로 예상하지 않습니다. 이때 일부 방송국은 완전히 5G 방송으로 전환할 수 있고 다른 방송국은 현재 ATSC 3.0으로 전환하는 방식과 유사하게 ATSC 3.0 채널에서 프로그래밍을 수행할 수 있습니다. 방송국에서는 TDM(시분할 다중화)을 사용하여 ATSC 3.0과 5G 방송 간에 채널을 공유할 수도 있습니다. 둘 다 FCC 승인을 가정합니다.

Rohde와 Schwarz가 프레젠테이션에서 설명한 5G 방송/멀티캐스트의 미래에 대한 몇 가지 비전이 ATSC 3.0 시스템에 적용될 수 있습니다. 결국 선택은 기술만큼이나 마케팅, 사업 계획, 소비자 선호도에 따라 달라질 것입니다.

5G 방송은 계속 진화하고 있습니다. 3GPP 릴리스 18 및 19는 모바일 장치에서 5G 방송 수신이 가능해지면 고전력, 고층(high-tower) 방송사가 자체적으로 또는 ATSC 3.0과 시간을 공유하여 5G 방송을 더 쉽게 시작할 수 있도록 해야 합니다.