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Optimum Configuration of Single Frequency Network DMB to enhance the QoS and Service coverage
Optimum Configuration of Single Frequency Network DMB to enhance the QoS and Service coverage
Journal of Broadcast Engineering. 2014. Jul, 19(4): 439-452
Copyright © 2014, The Korean Society of Broadcast Engineers
  • Received : January 10, 2014
  • Accepted : June 02, 2014
  • Published : July 30, 2014
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영훈 조
충호 원
chwon@sbs.co.kr
종수 서

Abstract
본 논문에서는 지상파 DMB 단일 주파수 망(SFN) 설계에서 GPS를 기준 시각으로 모든 사이트의 송출 동기를 일치시키는 기존의 운용방식과 병행하여, 각 사이트의 지형적 특징을 반영한 송신 offset delay를 추가 적용함으로써 동일한 송신 제원으로 기존 대비 서비스 영역을 확장시키는 방법을 연구하였다. 실험결과 미약한 수신 전계강도 지역에서 송신 offset delay가 수신 신호품질을 개선시켰으며 방송 통신위원회가 권고하는 최소 수신 전계강도(45 dB㎶/m) 지점을 기준으로 4~8 km 서비스 영역이 확장됨을 확인하였다. 각 사이트 별 고유한 송신 offset delay를 계산하기 위해서 서비스 영역 내 지리적 특징, 인접 사이트 간 전계강도 분포, 그리고 사이트별 서비스 목표 영역 등 여러 사항을 고려하였으며 본 연구에 대한 검증 실험은 수도권 DMB 서비스 영역으로 한정하였다. 또한 산출된 송신 offset delay가 단일 주파수망에 미치는 영향을 분석하기위해 수신 전계강도와 delay 간의 상관관계를 실험을 통해 분석함으로써, 송신 offset delay의 적용이 서비스 영역을 얼마나 확장시킬 수 있는지 확인하였다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
2012년 말 기준 3000만대 이상의 수상기 보급 대수를 자랑하는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)는 비디오 서비스, 오디오 서비스로 시작하여 데이터 서비스, 교통정보 서비스(Transport Protocol Expert Group), 1m 오차 범위의 초정밀 위치기반 서비스(Differential Global Positioning System) 등으로 진화하고 있다 [1] .
현재 DMB는 단일주파수망으로 이루어져 있으며 송신사이트는 수도권 기준 남산, 관악, 용문, 광교, 계양 등 5개 기간국이 서비스를 담당하고 있다. 그리고 단일 주파수망 구성을 위해 guard interval 값을 기준으로 60 km 이내로 사이트간 거리를 제한하고 신호 중첩영역에서 간섭을 피하기 위해 GPS를 기준 동기로 하여 모든 사이트의 송출 동기를 일치 시켜 운용하고 있다. 그러나 이것은 일반적인 단일 주파수 망 운용방식으로 망 설계가 간단한 장점이 있지만 각 기간국이 가지는 특징을 반영하지 못하는 단점이 있다. 즉, 각 기간국의 송신출력, 해발고, 안테나 이득 등 송신제원이 다르고 위치 별 지형적 차이점과, 목표로 하는 서비스 지역도 다르므로 각 기간국이 가진 특징을 반영하여 최적화된 단일 주파수망 설계의 필요성이 있다.
본 논문에서는 DMB 단일 주파수망을 구성함에 있어 GPS (Global Positioning System)를 이용하여 기본적인 사이트 간 송출동기를 일치 시키는 방법과 더불어, 각 기간국의 송신제원, 지리적 특징, 인접 사이트 간 거리 및 각각의 출력에 따른 수신 전계강도 분포, 사이트 별 서비스 목표 영역 등을 고려하여 송신 offset delay 값을 추가 산출하여 적용함으로써 신호 중첩 지역에서 인접 사이트 신호가 함께 수신이 될 때 수신 신호 품질을 개선 할 수 있는 단일 주파수 망 구현을 제안한다. 그리고 상기 조건에 의해 산출된 송신 offset delay 값을 단일 주파수망에 적용 했을 때 서비스 지역의 가장자리 부근 즉, 임계 수신점에서 수신 전계의 세기, 주파수 spectrum, MER(Modulation Error Ratio) 등에 어떤 영향을 미치는지 비교 분석하여 서비스 영역 확장 가능성을 연구하였으며 일반적으로 사용되는 송신 offset delay 대신 guard interval 내의 신호 중첩 지역에서 전계분포를 최적화 하기 위해 송신 offset delay를 적용하였다.
Ⅱ 기존 지상파 DMB 단일 주파수 망 특성
DMB의 전송 규격은 지상파와 위성에서 모두 사용 가능하도록 < 표 1 >과 같이 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ의 4가지 전송 모드를 정의하고 단일 주파수 망 구성이 가능하다 [2] . 지상파 DMB는 직교 부호화 주파수 분할 다중방식(COFDM)을 사용하고 있으며 이동 수신이 용이하고 광역 단일 주파수망 구성이 쉬운 모드Ⅰ을 사용한다. 지상파 DMB는 0.246 msec라는 상대적으로 큰 값의 guard interval을 지니고 있기 때문에 광역 단일 주파수 망 설계가 가능하고 0.246 msec 구간 이내에 동일 채널 간섭신호가 들어오면 간섭을 피할 수 있는 구조로 되어있다. 또한 심벌의 길이가 1 msec로 길기 때문에 다중경로 fading에 강한 특성을 지니고 있다 [3] .
T-DMB와 Eureka-147 시스템 파라메터
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Table 1. T-DMB and Eureka-147 System parameter
- 1. DMB 프레임 구조
지상파 DMB 프레임 길이는 96 msec로 < 그림 1 >과 같이 단일 주파수망 구성이 가능한 프레임 구조를 가지고 있으며, 각 심벌마다 앞부분에 guard interval을 삽입하여 동일채널 간섭에 강한 특징을 가지고 있다. 단일 주파수 망에서는 다중경로 신호나 인접 사이트에서 송신된 동일 채널의 신호들이 지연되어 함께 수신 되는데 수신기가 디코딩 시점을 잡기 위해서는 기준 신호가 필요하고 이 기능을 frame 맨 앞부분에 위치한 null 심벌과 첫 번째 심벌이 담당한다. Null 심벌은 프레임의 시작점에 삽입되는데 수신기에 시간동기를 제공하고 첫 번째 심벌은 TFPR(Time Frequency Phase Refe rence) 심벌로 4/Π-DQPSK 변조된 신호를 복조하기 위한 기준 위상을 제공하고 CIR(Channel Impulse Response)을 가지는 시퀀스를 가지고 있다.
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DMB 프레임 구조 Fig. 1. DMB Frame Structure
따라서 수신기에 인접 사이트에서 송신된 동일채널의 신호들이 시간차를 두고 중첩 수신되었을 때 Null 심벌을 통해 프레임의 시작 위치를 확인하고 TFPR 수신 신호들로부터 CIR를 구한 후 최적의 복조 시점을 설정하게 된다 [4] .
- 2. Guard interval과 최대 지연확산
지상파 DMB 프레임의 각 심벌 앞에는 0.246 msec의 guard interval이 있는데 이 값을 거리로 환산하면 신호가 자유공간에서 73.8 km를 전파할 수 있는 시간이다 [5] . < 그림 2 >는 서로 인접한 두 개의 사이트로 부터 F1 주파수로 송신하는 동일채널 신호를 수신하는 수신기를 보여준다. 각 수신기는 인접한 사이트로부터 서로 다른 시간차를 가지고 중첩 수신되는 신호를 수신한다. L1과 L2는 수신기와 인접사이트간 거리를 의미한다. [5] . < 그림 2 >에서 두 사이트간 거리가 73.8 km일 경우 수신기는 최대 0.246 msec의 시간차를 가진 동일채널 중첩 신호를 수신하게 되며, 이는 guard interval의 범위 내이기 때문에 간섭을 최소화 하여 수신이 가능하게 된다. 그러나 실제 지상파 DMB의 인접사이트간 거리는 다중경로 신호를 고려하여 60 km 이내로 설계한다.
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지상파 DMB 수신신호의 최대 지연 확산 Fig. 2. Maximum delay spread on T-DMB receive signal
- 3. 단일주파수망 구성을 위한 송출 시각동기 일치
위에서 언급한 지상파 DMB 신호의 특징을 바탕으로 단일 주파수망을 구성하기 위해서는 먼저 DMB ETI(Ensemble Transport Interface) 신호를 각 송신 사이트로 전달해야 하는데 사이트 마다 도달하는데 시간차가 발생하게 된다. 즉, 주조정실 송출 서버에서 모든 사이트로 ETI 신호를 전달함에 있어 각 사이트에 도착하기 까지 서로 다른 시간차가 발생한다. 송출 주조정실에서는 video, audio, data, TPEG, DGPS 및 기타 서비스를 ensemble multiplexer에서 다중화한 후 각 사이트로 해당 프로그램을 전달하게 되는데, 전달 매개체로는 자가 마이크로웨이브 망이나 광 회선이 이용된다.
이때 전달 매체에 따라, 또한 각 사이트와 송출 주조간 물리적인 거리차로 인해 전송 시간차가 발생하게 된다. 이러한 신호 전달과정에서 생기는 시간차를 보상하여 모든 사이트의 시간동기를 일치시키기 위해서는 < 그림 3 >과 같이 GPS 신호를 기준신호로 이용하게 된다. 단일 주파수망을 구성하기 위해서는 신호 전달과정에 삽입된 모든 송출장비는 < 그림 3 >과 같이 GPS 1 PPS 신호를 기준 Clock으로 사용하여 시간동기를 일치 시킨다. 이렇게 함으로써 각 사이트에 프로그램이 도착했을 때 송신기 엑사이터는 출발점에서부터 사이트에 도착할 때까지의 소요 시간을 계산할 수 있게 된다.
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GPS를 통한 SFN DMB 송신 사이트의 송출 시각동기 일치 Fig. 3. Transmit time synchronization of SFN DMB transmit sites via GPS
- 3.1 동적 지연 시간 계산
각 사이트에 도착한 ETI 신호는 GPS 1PPS clock을 기준으로 지연된 시간을 계산하게 된다. < 그림 4 >는 DMB 전송규격인 ETI 프레임의 기본 구조이다. 송출서버는 GPS1PPS rising edge를 기준으로 ETI 프레임을 송출하고 수신측 송신기 엑사이더는 1PPS rising edge를 기준으로 얼마만큼 지연되어 수신 되었는지 계산하게 된다. TI 프레임의 맨 마지막에는 TIST(Time Stamp)값이 실리는데 이 값은 ETI 신호가 출발점에서부터 수신측 송신기 엑사이더에서 encoding 과정을 거치기 전까지 기다려야 하는 시간 값을 가지고 있다. 즉, 송신기 엑사이더는 TIST 값을 읽고 ETI 신호가 송출 서버를 출발해서 사이트에 도착 하기까지 시간을 계산한 후 두 값의 차이만큼기다린 후에 encoding 과정을 실행하는데 이때 기다려야 하는 시간 값을 동적 지연이라고 한다 [6] [7] .
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DMB 동적 지연시간 계산을 위한 TIST 삽입 Fig. 4. Insertion of TIST for the calculation of DMB's dynamic delay
- 3.2 정적 지연
정적 지연이란 송신기 처리 시간과 관련된다. 위와 같이 송신기 encoding 과정 전까지 동적 지연을 통해 모든 송신기의 시간 동기를 일치시켰으나 송신기 내부에서 encoding, modulation 과정을 통해 최종 출력이 생성될 때까지 처리시간이 다를 경우 RF 출력 단에서 시간동기가 틀어지게 된다. 실제 송신기 제조사 별, 모델 별 처리 시간이 다르기 때문에 이를 일치시키기 위해 정적 지연을 부여하며 정적지연은 송신기 내부 처리를 거친 후 최종 출력이 나올 때까지 기다려야 하는 시간을 의미한다.
- 3.3 지연 보상
< 그림 5 >는 수도권 DMB 기간국 남산, 관악, 용문산 사이트에 DMB ETI 신호가 전달되는 과정에서 송출 동기를 일치시키기 위한 지연 보상 과정을 보여준다. 즉, 송출 서버에서 출발한 ETI 신호가 각 사이트로 전송이 될 때 전송구간에서 생기는 도착 시간의 차이를 보상하기 위해 동적 지연( tTX )을 적용하여 시간동기를 일치시키고 변조 과정에서 발생하는 각 송신기 별 처리 시간의 차이를 보상하기 위해 정적 지연( tstatic )을 적용하여 최종 RF 전단까지 송출 동기를 일치시키게 된다 [8] .
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DMB 기간국 지연 보상 개념도 Fig. 5. Compensation of the delay at DMB main site
Ⅲ 단일 주파수망 지상파 DMB 최적 설계
기존 DMB 단일 주파수 망은 각 송신 사이트의 송출동기를 모두 일치시키기 위해 동적 지연과 정적 지연을 이용하고 있으며 수도권 경우 5개 DMB 기간국 모든 사이트의 송출동기를 일치시켜 대부분 운용되고 있으나, 보다 SFN상에서 서비스 커버지지를 확장하기 위하여 각 송신사이트의 송신제원이나 지리적 위치 등 고유한 특징을 고려하여 적용할 필요성이 있다.
- 1. 수도권 지상파 DMB 기간국 서비스 커버리지
단일 주파수 망 DMB는 인접 사이트의 신호들이 서로 다른 시간차를 가지고 수신되기 때문에 기준 신호 대비 나머지 인접 사이트 신호들은 다중경로 신호와 같은 작용을 하게 됨으로 다중경로 간섭 현상이 발생하게 된다. 수도권 지상파 DMB 서비스를 위한 기간국은 5개 사이트로 < 표 2 >에 수도권 기간국의 주요 제원 및 서비스 지역을 나타내었다. 기간국외에도 간이 DMB 중계소가 있으나 90 W 이하의 소 출력으로 본 논문에서는 다루지 않았다. 5개 지상파 DMB 기간국의 송신출력은 1~2 Kw이나 ERP(Effective Radiating Power, 실효방사전력)의 차이가 큼을 알 수 있다. 이는 안테나 이득의 차이가 크고 사용한 급전선의 길이와 사용규격에 따른 감쇄량의 차이에 기인한다.
수도권 DMB 기간국 송신제원
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Table 2. Specification of 5 DMB main sites in metropolitan Seoul
예를 들어 용문산, 계양산, 광교산은 송신출력이 모두 1KW로 동일 하지만 광교산 사이트의 실효 방사전력은 용문산의 1/2밖에 되지 않는다. 따라서, 이와 같은 송신제원의 차이를 단일 주파수망을 설계함에 있어 반영할 필요성이 있다. < 그림 6 , (a)~(e)>는 수도권 지상파 DMB 기간국 5개 송신 사이트의 전계분포를 보여 준다. 각 사이트의 서비스 커버리지는 45 dB㎶/m 이상의 수신전계강도 지역을 표현하였다. 45 dB㎶/m는 방송통신위원회가 권고하는 지상파 DMB 서비스를 위한 최소 수신 전계강도이다.
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수도권 SFN 지상파 DMB 기간국에 의한 DMB 수신 전계분포 (45 dB㎶/m 지점 기준) Fig. 6. Receive field distribution by SFN T-DMB sites in metropolitan Seoul area (referenced to 45 dB㎶/m points)
< 그림 6 (a)~(e)>와 < 표 2 >를 종합해 보면 5개 기간국(남산, 관악, 용문, 광교, 계양)은 상당 부분 서비스 커버리지가 중첩되고 있으며 특히 관악산 사이트 경우 대 출력이면서 실효 방사전력도 크기 때문에 수도권 내 서비스 커버리지를 가장 넓게 형성하고 있음을 알 수 있다.
- 2. 수도권 DMB 서비스 커버리지 분석
< 그림 6 (a)~(e)>에서 각 기간국의 전계분포 자료를 바탕으로 사이트 간 커버리지 중첩에 의한 영향과 서비스 커버리지를 분석하였다. 기간국 5개 사이트들의 송신제원 즉, 해발고, 송신출력, 안테나 이득, 피더 손실 등을 고려하고 각 사이트가 위치한 지리적 특징을 참고하여 최적의 전계를 형성할 수 있도록 망 설계를 최적화할 필요성이 있다. 현재 수도권 DMB 서비스 경우 기간국 5개소의 송출 동기를 모두 일치시켜 서비스 하고 있다. 이는 각 국소별 커버리지 중첩에 의한 간섭영향 보다 기간국이 가지는 개개의 서비스 커버리지에 중점을 두고 설계가 되어있기 때문이다. 그러므로 사이트 별 커버리지 개념이 아닌 전체 네트워크 관점에서 서비스 커버리지를 최적화하면 단일 주파수 서비스 지역을 확장할 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 송신 offset delay를 적용하여 모든 송신 사이트의 송출 동기를 동일하게 일치시키지 않고 사이트 별로 적정량의 송신 offset delay를 적용함으로써 전체 네트워크 내에 최적의 전계분포를 형성하는 방법을 제안한다.
- 3. 송신 offset delay
< 그림 7 >은 DMB 송신기 엑사이터의 송신 offset delay를 설정하는 메뉴를 보여준다. 동적 지연과 정적 지연이 송출동기를 일치시키기 위한 파라메터라고 하면 송신 offset delay는 동적 지연 및 정적 지연과 별도로 각 송신기마다 특정 지연 값을 추가 부여하기 위한 파라메터이다. 본 논문에서는 송신 offset delay 값을 계산하기 위해 전계 강도와 지리적 특징이 반영된 전계강도 시뮬레이션 자료를 이용하였다. 최근 DMB 수신기의 수신감도가 초기 모델에 비해 월등히 향상되어 미약한 신호에 대해서도 수신이 가능하다. 즉, 추가 비용투자 없이 송신 offset delay를 적용하여 SFN 커버리지 중첩영역에서 수신신호품질을 개선시킴으로써 서비스 커버리지를 확장할 수 있다.
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DMB 송신기 엑사이터의 송신 offset delay 설정 Fig. 7. Setting the transmit offset delay of DMB transmit exciter
< 그림 8 >은 단일 주파수 DMB 망에서 인접 사이트 간 커버리지 중첩이 발생하는 지역에 송신 offset delay를 적용하는 예로서 본 논문에서는 인접한 두 사이트의 수신 전계강도가 동일한 지점을 기준으로 송신 offset delay를 계산하는 방법을 사용하였다. 또한 각 사이트의 지리적 특징을 분석하여 송신 offset delay를 추가 적용함으로써 보다 최적화 된 전계분포를 만들었다.
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인접 SFN DMB 송신 사이트 신호 중첩에 대한 offset delay 적용 Fig. 8. Application of transmit offset dely to adjacent SFN DMB site
- 4. 수신 전계강도를 이용한 송신 offset delay 계산
본 논문에서는 수신 전계강도를 이용해 송신 offset delay를 계산할 때 두 사이트의 전계강도가 동일한 지점을 기준으로 계산하는 방식을 제안한다. 수신 전계강도는 거리의 제곱에 비례하여 감소하기 때문에 두 사이트로 부터 수신전계가 동일한 지점을 기준으로 수신위치가 멀어지면 상대방 사이트로부터의 수신 전계강도가 급격히 감소하고 기준 사이트의 수신 전계강도는 급격이 증가한다. 즉, 인접사이트로부터의 간섭신호의 영향이 양 방향 모두 동일한 감소패턴을 그리는 전계강도가 동일한 지점을 기준으로 인접사이트와의 거리를 계산하고 두 거리간의 차이값만큼을 delay 값으로 설정하면 전체적인 네트워크 이득의 평균을 고르게 증가시킬 수 있다.
- 5. 지리적 특징을 고려한 송신 offset delay 계산
송신출력, 안테나 이득, 피더손실, 안테나 실효고 등 송신제원이 동일하더라도 지리적 특징에 따라 전계 분포는 달리 형성되게 된다. 수도권 서부와 남부지역은 낮은 지대가 많고 동부와 북부지역은 산악지형이 발달해 있다. 이런 이유로 송신제원은 유사하더라도 사이트의 위치에 따라 서비스 커버리지의 차이가 발생한다. 특히, 수도권 용문산 기간국의 경우 1150 m 고지에 위치하여 수도권 전역에 영향을 미치고 있어 guard interval을 벗어나는 지역까지 전계가 미치고 있다. 또한 수도권 기간국 5개소의 지리적 위치를 보면 상당부분 수신전계가 중첩이 되는 위치에 구축되어 있어 커버리지 중첩에 의한 간섭을 최소화하고 서비스 권역을 확장할 수 있도록 지리적 특징을 반영할 필요성이 있다.
- 6. 수도권 DMB 기간국 송신 offset delay
수도권 DMB 송신 offset delay는 수신 전계강도와 지리적 특징을 이용하여 식 (1)과 같이 구한다.
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< 표 3 >은 수도권 DMB 기간국에 적용한 송신 offset delay값으로 다음 과정을 통해 계산되었다.
수도권 DMB 기간국의 송신 offset delay
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Table 3. Transmission offset delay of metropolitan Seoul area DMB main site
첫째, 용문산의 지리적 특징을 고려하여 남산, 관악, 계양, 광교 기간국에 83 ㎲ec의 송신 offset delay를 적용했다. < 그림 6 (a)~(e)>를 보면 남산, 관악, 계양, 광교기간국 4개 사이트가 형성하는 전계분포가 남산 기준 용문산 방향으로 약 25 km 지점까지만 형성되어 있다. < 그림 9 >는 수도권 DMB 5개 기간국의 위치와 거리를 보여 주며 용문산 사이트를 기준으로 나머지 남산, 관악, 광교, 계양 4개 사이트를 1개의 그룹으로 묶고 이들에 대해 25 km에 해당하는 83 ㎲ec의 송신 offset delay 값을 적용하였다. 이 경우 용문산 신호는 남산에서 수신했을 때 최대 50 km(167 ㎲ec)까지 지연되어 수신되던 것이 25 km(83 ㎲ec)로 줄어들게 되며 나머지 계양, 관악, 광교사이트도 동일한 효과가 발생하게 된다.
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수도권 DMB 5개 기간국간 거리 Fig. 9. Locations of DMB main sites in metropolitan Seoul area
계양산 기간국의 경우 83 ㎲ec의 송신 offset delay를 적용함으로써 용문산 기간국과 74 km의 거리차이가 49 km로 줄어들어 수신신호의 지연확산이 guard interval 내로 들어오는 효과도 발생하게 된다. 그러나 용문산 기간국에는 나머지 4개 사이트의 신호가 남산기간국 기준 용문산 기간국 방향으로 25 km까지 밖에 도달하지 못하므로 83 ㎲ec의 지연을 적용하더라도 용문산 기간국 서비스 커버리지에 영향을 주지 않는다.
둘째, 계양산 기간국과 남산 기간국의 전계강도 계산을 이용해 계양산 기간국에 추가 적용한 32 ㎲ec를 도출하였다. < 그림 6 .(e)>에서 계양산 기간국은 경기 서부, 북부와 서울 일부지역의 DMB 서비스를 담당하고 남산기간국은 경기서부, 북부, 동부와 서울지역을 담당함으로써 두 사이트는 상당부분 커버리지 중첩이 발생하고 있다. 그러나 남산 기간국의 실효 복사전력이 14.1 KW로 계양산 기간국 2.4 KW에 비해 매우 높기 때문에 더 넓은 커버리지를 형성한다. 이 두 사이트가 형성하는 전계분포를 도식화하면 < 그림 10 >과 같다. 인접한 두 사이트에서 수신되는 두 신호가 각각 동일한 수신 전계강도를 가지는 지점을 찾기 위해 지구가 평면이라 가정하고 전계강도 식을 구해 보면 식 (2)와 같다.
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SFN DMB 인접 사이트 간 수신전계 분포 Fig. 10. Distribution of receive field strength for adjacent SFN DMB sites
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여기서 EO 는 송신 안테나의 이득을 고려한 전계강도 값으로 방송용 수신 안테나는 λ /2 다이폴 안테나가 기준이므로 식 (3)과 같다.
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식 (3)을 식 (2)에 대입하면 식 (4)를 구할 수 있다.
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  • 여기서, E : 전계강도(V/m)
  • G․P : 실효복사전력(W)
  • λ: 파장(m)
  • d : 수신점과 송신점간 거리(m)
  • h1: 송신안테나의 실효고(m)
  • h2: 수신안테나의 실효고(m)
< 그림 10 >에서 두 사이트의 커버리지 중첩지역에서 수신전계가 동일한 지점을 찾기 위해 식 (4)를 이용하면, 수신점(RX)에서 TX-1(송신기-1)의 수신전계와 TX-2(송신기-2)의 수신전계가 동일해야 하므로 식 (5)가 성립하게 된다.
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식 (5)에서 d 값이 구해지면 송신 offset delay에 해당하는 거리는 L-2 d (m)가 되고 이를 시간으로 환산하면 식 (6)과 같다.
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계양산(TX-1)과 남산(TX-2)의 두 사이트 간 거리는 24km로 신호 중첩이 발생하고 있다. 안테나 실효고는 각각 420 m와 447 m이고 h 2 는 수신안테나의 실효고로 2 m로 지정하였다. 계양과 남산 사이트의 송신 파라메터를 정리하면 < 표 4 >와 같다. 식 (5)에서 d 값은 7168m가 되며 구하는 송신 offset delay는 32 ㎲ec가 된다.
계양 (TX-1)과 남산 (TX-2) 기간국의 송신 파라메터
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Table 4. Transmission parameters of Kyeyang and Namsan DMB sites G1P1
셋째, 관악산과 광교산의 지리적 위치와 서비스 커버리지를 고려하여 광교산에 추가 적용한 37 ㎲ec를 계산하였다.
Ⅳ 실험 및 결과 고찰
본 논문에서는 단일주파수망 (SFN)에서 지상파 DMB 기간국들이 송출 동기를 일치시키고 있는 기존방식과 비교하여 송신 offsat delay를 적용했을때 수신신호 품질변화를 주파수 spectrum과 baseband 신호분석을 통해 비교 분석함으로써 동일 송신제원으로 DMB의 서비스 영역 확장가능성 여부를 실험을 통해 확인하였다.
- 1. 실험 환경 및 구성
DMB 단일 주파수 망 내 인접한 두 개의 송신 사이트가 있다고 가정하고 이 두 사이트의 신호가 중첩되는 영역에서 발생하는 현상을 분석하기 위해 테스트 베드를 구성하였다. 즉, 두 신호가 정확히 동일한 시각에 중첩되었을 때와 둘 중 한 개의 신호에 delay 값을 적용하여 서로 시간차를 가지고 중첩 되었을 때 RF spectrum 이나 MER (Modulation error ratio) 값에 미치는 영향을 분석하여 delay에 따른 수신 신호 품질을 비교 분석하였다. 또한 수신 전계강도에 따라 delay가 미치는 영향을 분석하였다.
- 2. 성능분석 방법
단일 주파수 망 내 인접 사이트의 송신 신호가 중첩 되었을 때를 가정하여 < 그림 11 >과 같은 구성으로 인접 사이트의 두 신호가 시간차를 두고 중첩되었을 때 발생하는 변화를 다음과 같이 분석 하였다.
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SFN DMB 두 개 송신사이트의 커버리지 중첩 신호품질 측정 시스템 Fig.11. Signal quality measurement system for 2 SFN DMB transmitter sites
첫째, 단일 주파수 망 설계이론에 기초하여 두 신호가 guard interval 범위 내에서 중첩될 때 수신 신호의 품질에 미치는 영향을 분석한다. 이때 두 신호의 수신레벨을 적정수신 전계강도 (45 dB㎶/m)에서부터 단계적으로 증가시킴으로써 적정 수신레벨 이상의 수신 전계지역에서 offset deley가 미치는 영향을 분석한다.
둘째, 중첩되는 두 신호를 적정 수신전계 이하로 감쇄시키고 하나의 신호에 offsat delay 값을 순차적으로 변화 시켰을 때 발생하는 변화를 분석하여 적정 수신전계 이하의 지역에서 offset delay가 수신 신호품질에 미치는 영향을 분석한다. < 그림 11 >의 테스트베드는 송신기 RF pick up 포인트에서 cable을 통해 RF 신호를 Pick up한 후 이를 측정기로 분석한 경우이다. 즉, 송신기-1과 송신기-2로부터 45dB㎶/m RF 신호를 pick up하여 두 신호를 합친 후 두 신호간에 offeset delay를 적용했을 때 신호품질에 미치는 영향을 분석하였다
또한 감쇄기를 통해 최소 적정 수신 전계강도인 45 dB㎶/m에서부터 시작하여 10 dB씩 수신 전계강도를 늘려가며 최소 수신전계 강도보다 강한 신호가 중첩되었을 때 offset delay가 신호품질에 미치는 영향을 분석하였다. 두 번째 실험은 최소 수신전계 레벨이하에서 두 신호 간 offset delay를 적용했을 때 신호품질에 미치는 영향을 분석하였다. 감쇄기를 통해 10 dB씩 추가로 감쇄해가면서 임계 수신강도 이하에서 offsat delay가 신호품질에 미치는 영향을 분석하였다.
본 실험에서 사용된 장비로서 DMB 송신기는 2 KW급 Rodhe Schwarz사의 NA6200 DMB 송신기를 사용하였고 엑사이터 파라메터를 조정하여 송신기-1의 offset delay 시간을 변화 시켰으며 RF pick up 포인트는 mask filter 후단이다. 송신기 pick up 신호를 1 dB scale로 step down/up하기 위해 저 삽입손실 감쇄기를 사용하였다. DMB RF 신호를 분석하기 위해 Rodhe-Schwarz사의 ETL 장비를 이용하였으며 입력단에 10 dB 외부 감쇄기를 연결하였다.
- 3. 실험 및 결과 고찰
- 3.1 적정 수신 전계강도 이상일 때 offset delay에 따른 영향
< 그림 11 >의 테스트베드에서 offset delay 없이 두 신호를 중첩시킨 다음 단계적으로 offset delay 값을 높여가며 두 신호를 중첩 했을 때 나타나는 변화를 분석하였고 이와 함께 수신 전계강도를 높여가며 offset delay와 수신 전계강도와의 관계를 분석하였다. 실험에 앞서 기간국 송신제원을 바탕으로 남산과 관악산 사이트가 인접 사이트에 미치는 수신전계 레벨을 계산하였다. 남산기간국과 관악산 기간국은 수도권 DMB 기간국 5개소 중 가장 큰 ERP를 가지며 지리적으로 중앙에 위치해 있어 다른 기간국 사이트에 미치는 영향이 크기 때문에 이를 통해 인접 사이트에 미치는 전계의 세기를 구하였다.
< 표 2 >의 수도권 기간국 5개소의 송신 제원을 바탕으로 식 (4)를 이용해 남산 기간국과 관악기간국이 인접 사이트에 미치는 수신 전계강도를 구하여 < 표 5 >에 정리하였다. < 표 5 >에서 남산 기간국과 관악산 사이트가 인접사이트에 미치는 수신 전계강도는 81∼ 98 dB㎶/m이다.
남산, 관악산 기간국이 인접사이트에 미치는 수신 전계강도
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Table 5. Receive field strength of SFN DMB sites by Namsan and Kwanak transmit stations
먼저 최소 적정 수신전계보다 큰 신호가 지연을 가지고 중첩이 되었을 때 주파수 스펙트럼과 baseband 신호품질에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 두 신호 간 지연 없이 합쳤을 때와 단계적으로 지연 값을 늘려가며 두 신호를 합쳤을 때 주파수 스펙트럼상에 나타나는 변화를 분석하였다. 실험에서 두 송신 사이트에서 동일한 수신 전계강도 신호를 pick up하여 합쳤으며 이때 신호의 세기는 -44 dBm(63 dB㎶/m)을 기준으로 실험하였고 그 결과는 < 그림 12 >와 같다.
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offset delay에 따른 SFN DMB 수신신호의 전력 스펙트럼(수신전계, 63dBuV/m 기준) Fig.12. Measured power spectrum of SFN DMB receive signal with different offset delays (at 63dBuv field strength level)
두 신호가 지연 없이 중첩이 되었을 때는 < 그림 12 (a)>와 같이 점유 주파수대역내에서 평탄한 주파수 응답을 보이지만 지연 값이 커져 감에 따라 < 그림 12 (b)~(d)>와 같이 점유 주파수 내역 내에서 ripple의 발생 빈도가 높아짐을 알 수 있으며,이를 통해 중첩된 신호의 지연값이 클수록 주파수 응답 특성이 나빠짐을 알 수 있다.
이와 같은 주파수 응답특성이 DMB 수신품질에 미치는 영향을 분석하기 위해 MER 값과 성상도의 변화를 알아보았다. -44 dBm(63 dB㎶/m) 수신전계레벨에서 10 ㎲ec, 50 ㎲ec, 90 ㎲ec의 지연을 주면서, 수신레벨을 63 dB㎶/m에서 10 dB씩 높여가며 실험한 결과 < 그림 13 >과 같이 63 dB㎶/m 이상의 수신전계 레벨에서는 MER 값이 지연에 의해 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 즉, 지연되어 수신된 신호가 중첩될 경우 지연 시간에 비례하여 주파수 응답특성이 나빠지지만 일정 수신레벨 이상에서는 주파수 응답 특성과 무관하게 신호품질에는 영향을 주지 않았다.
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DMB 적정 수신전계강도 45 dB㎶/m 이상에서 offset delay에 따른 수신신호품질 Fig. 13. Receive signal quality (MER) vs. delay spread when the receive field strength is greater than 45 dB㎶/m
수도권의 경우 남산 기간국, 관악 기간국이 인접 사이트(계양, 광교)에 미치는 수신 레벨이 81 dB㎶/m ~ 98 dB㎶/m이고 사이트 간 지연이 90 ㎲ec(27 km)를 넘지 않기 때문에 남산 기간국, 관악 기간국과 인접한 사이트가 형성하는 DMB 수신권역 내에서는 지연에 의한 수신품질에 미치는 영향이 없음을 알 수 있다. 그리고 남산-계양 기간국간은 계양 기간국에 32 ㎲ec offset delay를 추가 적용하더라도 이로 인해 지연이 더 길어지는 서울지역의 경우 이미 관악과 남산이 강한 수신전계를 형성하고 있으므로 지연에 영향을 받지 않는다. 그림에서 80dBuv 이상의 강전계 수신레벨에서는 측정기 특성상 적정 지연값 이내일 경우 MER이 상승한 결과로 나타났으며, 이는 측정기 내부 특성에 기인한 것으로 사료된다.
- 3.2 적정 수신 전계강도 이하일 때 offset delay에 따른 영향
< 그림 11 >에서 감쇄기를 이용해 두 신호의 pick up level을 최소 적정 수신 전계레벨로 떨어뜨리고 단계적으로 감쇄량을 늘려가면서 수신신호 전계강도가 적정 레벨 이하일 때 신호품질을 분석하였다. 각 단계에서 송신기-1에만 지연 값을 0에서 240 ㎲ec까지 적용함으로써 임계강도 이하에서 offset delay가 신호품질에 미치는 영향을 분석하여 < 그림 14 >와 같은 결과를 얻었다. 감쇄기-1과 감쇄기-2를 통과한 두 송신기의 pick up level은 동일하게 설정하였다.
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DMB 적정 수신 전계강도 이하 (45 dB㎶/m) 에서 offset delay에 따른 수신신호품질 Fig. 14. Receive signal quality (MER) vs. delay spread when the receive field strength is less than 45 dB㎶/m
< 그림 14 >에서 적정 수신 전계강도 이하에서는 offset delay 값이 늘어남에 따라 MER 값이 단계적으로 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 수신 신호세기가 미약한 지역에서는 지연되어 신호가 중첩이 될 때 지연 양이 적을수록 수신신호의 품질이 개선됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 dmb 서비스 커버리지 edge 지점 즉, 전파환경에 따라 (계절적요인 포함) dmb 수신이 어려운 threshold 수신 임계 level점에서는 중첩되는 신호의 delay를 개선해줌으로써 신호품질을 개선하여, 서비스 확장을 가져올 수 있다.
< 표 6 >은 45 dB㎶/m 수신 전계레벨 지점을 기준으로 송신 offset delay 적용에 따른 MER, 수신 전계강도 그리고 서비스 영역 변화를 보여준다. 지역에 따라 32 ㎲ec에서 120 ㎲ec 송신 offset delay를 적용함으로써 MER과 수신전계가 개선되어 서비스 영역이 확대됨을 알 수 있다. Service Area Extension 계산은45dBuv/m 기준으로 offset delay를 적용하여 얻은 MER 값과 수신세력이 45dBuv/m보다 크지만 delay 신호가 중첩되었을때 얻어진 MER값이 동일한 경우에 전계강도 값을 비교하고, 두가지 전계값 차이를 전계강도식을 이용해 확장된 거리값을 계산하였다.
송신 offset delay 적용에 따른 수신신호 품질변화
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Table 6. Receive signal quality change with respect to transmit offset delay
결과적으로 남산, 관악, 계양, 광교 기간국에 83 ㎲ec offset delay를 적용함으로써 경기 동부 지역에서 약 7.877 km, 계양 기간국에 32 ㎲ec offset delay를 추가 적용함으로써 경기 서부 인천방향으로 4.051 km, 광교에 37 ㎲ec offset delay를 추가 적용하여 경기 남부와 충청방향으로 4.051km의 서비스 커버리지 확장을 가져왔다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 단일주파수망 (SFN) 지상파 DMB 기간국들의 DMB 신호 송출 동기를 GPS 기준시각을 사용하여 일치시키고, 각각의 SFN 기간국 (사이트) 별로 적정한 offset delay를 추가로 설정하여 신호를 송출하므로써 DMB 서비스 커버리지를 확장시키는 방법을 제시하고, 그 결과를 수도권 DMB망 실험을 통해 확인하였다. 이를 위해 인접 사이트 간 수신 전계강도가 동일한 지점을 기준으로 인접 사이트와의 거리를 계산하고 거리차이 값만큼을 offsat delay 값으로 설정함으로써 전체적인 네트워크 이득의 평균을 고르게 증가 시켰고 송신제원, 지리적 특징 및 서비스 목표 영역등을 고려하여 추가 offset delay 값을 부여하였다. 이때 지리적으로 중심부에 위치한 기간국 대신 외곽에 위치한 기간국의 지연값을 조정함으로써 DMB 서비스 외곽지역에서 지연이 적은 신호 중첩이 발생하도록 설정하였다. 실험을 통해 지연이 적은 중첩일수록 신호품질이 우수하다는 것을 검증하였으며, 45 dB㎶/m 수신 전계강도 지점을 기준으로 송신 offset delay 적용을 통해 0.05~0.1dB의 MER 개선과 4 ~ 8 km 서비스 영역의 확장을 확인하였다.
BIO
조 영 훈
- 1997년 : 조선대학교 전자공학과 공학학사
- 2013년 : 연세대학교 공학대학원 통신방송학과 공학석사
- 1996년 ~ 현재 : (주) SBS 경영지원본부 인프라관리팀 차장
- 주관심분야 : 지상파 UHD TV, 3DTV, 디지털방송시스템
원 충 호
- 1982년 : 국민대학교 전자공학과 공학학사
- 1997년 : 연세대학교 전파전공 공학석사, 정보통신기술사
- 2004년 : 경기대학교 대학원 전자공학과 공학박사
- 1982년 ~ 1991년 : KBS
- 1992년 ~ 현재 : (주) SBS 경영지원본부 인프라관리팀 부국장
- 주관심분야 : 방송/통신시스템
서 종 수
- 1975년 : 연세대학교 전자공학과 공학학사
- 1983년 : University of Ottawa, Canada 전기공학과 공학석사
- 1988년 : University of Ottawa, Canada 전기공학과 공학박사
- 1975년 ~ 1981년 : LG 정밀 중앙연구소
- 1987년 ~ 1989년 : IDC, Canada 책임연구원
- 1990년 ~ 1992년 : 삼성종합기술원 정보 시스템 연구소 수석연구원
- 1992년 ~ 1995년 : CAL, Canada 책임연구원
- 1995년 ~ 현재 : 연세대학교 전기전자공학과 교수
- 주관심분야 : 디지털 방송/통신 시스템, 디지털 전송 방식, OFDM, CDMA
References
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Park Sung-Ik , Paek So-Ra , Eum Ho-min , Lee Yong-Tae , Kim Heung-Mook 2008 “ Equalization On-Channel Repeater for Single Frequency Network of Terristrial Digital Multimedia Broadcasting" Korean society of Broadcast Engineers 13 (3) 366 - 368
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