가. 다중화/역다중화 비트스트림

이 부분에서는 영상/음성 부호기에 의해서 압축되고, 2진 신호로 표현된 영상/음성 데이터와 사용자 데이터, 시스템 제어신호 등을 다중화하여 단일 비트스트림을 생성하는 과정인 다중화 기법과 디지털 방송에 있어서 중요한 부분을 차지하는 멀티미디어의 방송과의 관계에 대해 설명한다. 다중화 기법은 디지털 방송을 위한 다중화기법과 다른 미디어와의 호환성을 고려한 패킷화 기법으로 분류한다.

MPEG-2 시스템 규격에서 제안한 다중화는 하나 이상의 오디오, 비디오, 데이터 요소스트림을 저장이나 전송에 적합한 형태의 단일 또는 다중스트림으로 조합하는 방법이다. 다중화 방법은 트랜스포트(TS) 및 프로그램 스트림(PS) 다중화 2가지로 기술된다. MPEG-2 시스템 표준은 다중화시 비디오, 오디오 데이터의 복호화 및 재생과 관련된 타이밍정보(DTS, PTS) 및 스트림 자체의 전송과 관련된 타이밍정보(PCR, SCR)를 포함한다. TS, PS는 패킷 기반 다중화 방법을 제공한다. 비디오와 오디오 데이터는 ISO/IEC 13818-2(MPEG-2 비디오 표준) 및 ISO/IEC 13818-3(MPEG-2 오디오)에 따라 인코딩된다. 이 인코딩된 요소스트림은 PES 패킷화 과정을 거친 후 PS 또는 TS 스트림으로 만들어진다.

PS는 MPEG-1 시스템 규격과 유사하다. PS 스트림은 동일 시간정보를 갖는 하나 이상의 PES 패킷스트림을 단일스트림으로의 조합에 의해 이루어지며, 에러발생확률이 적은 환경 및 대화형 멀티미디어 응용과 같은 시스템정보의 소프트웨어 처리와 관련된 응용에 적합한 다중화 방법이다. TS는 독립적인 시간정보를 갖는 하나이상의 프로그램을 단일스트림으로 조합에 의해 이루어진다. PES 패킷은 동일 시간정보를 갖는 프로그램의 요소스트림으로 만들어진다. TS 스트림은 에러율이 높은 환경에 적합한 다중화 방법으로 188 바이트의 고정길이를 갖는다.

(1) 신호 다중화 전송의 조건

디지털 방송만을 위한 데이터 다중화기법은 주어진 채널 환경하에서 보다 많은 영상, 음성 및 부가데이터 정보를 보낼 수 있도록 동기신호나 제어신호와 같은 부가정보를 가능한 한 적게 사용하도록 되어 있다. 디지털 방송만을 위한 데이터 다중화 기법들의 공통적인 특징과 다중화시에 공통적으로 삽입되는 정보들은 다음과 같다.

⊙ 일정한 형태의 다중화 형식이 주기적으로 반복

⊙ 글로벌 동기화(global synchronization)를 위한 정보

- 초기 인식(initial acquisition) 또는 재동기화(resynchronization)

- 고스트 제거(ghost cancellation) 또는 채널 등화

- 전송 오류 전파를 제한

⊙ 데이터 디멀티플레싱(demultiplexing)을 위한 동기 정보

- 디인터리이빙(deinterleaving)시에 사용

디지털 방송에서 고려해야 할 범위는 방송국 설비에서 시작하여, 방송신호의 송출, 가정에서의 수신, 그리고 서비스의 이용에 이르기까지의 디지털방송 전체라고 할 수 있다. 방송환경이 멀티미디어 방송으로 진전됨에 따라 전송해야할 정보의 양은 영상과 오디오뿐만 아니라 다양한 데이터를 포함하면서 엄청나게 증가하였다. 그러나 전송채널의 용량은 제한되어 있고, 아날로그 방식의 데이터는 더 이상의 압축과 다중화가 불가능하므로, 이제 방송의 디지털화는 필연적인 발전과정이다. 이러한 디지털화의 필연성을 반영하여 [그림 1.1-3-1]에서는 디지털화와 다중화를 결합한 디지털 방송망에서의 신호의 융합현상을 제시하고 있다.

[그림 1.1-3-1] 디지털 TV망에서의 신호의 융합

[그림 1.1-3-1]에 나타난 바와 같이 시스템 전계통에 걸쳐 영상, 음성, 각종데이터를 구별하지 않고 디지털신호에 의해 통일적으로 취급하는 것이 디지털 방송의 가장 근본이 되는 개념이다. 디지털 방송의 다중화 전송에서는 다음에 열거한 사항을 실현할 필요가 있다.

⊙ 서비스를 구성하는 요소(영상, 음성, 데이터 등)를 자유자재로 조합하여 방송할 수 있는 유연성

⊙ 새로운 서비스의 도입 등 장래 확장성

⊙ 각종 방송 전송로 및 다른 미디어와의 신호의 공통성

⊙ 전송열화에 대한 내성과 전송특성의 안정성

⊙ 다양한 서비스, 다양한 프로그램 가운데 프로그램 선택의 용이성

⊙ 필요에 따라 제한 수신 방식의 도입

⊙ 수신기의 저렴화와 운용의 경제성

(2) 신호 다중화 방법

앞에서 언급한 바와 같이 신호 다중화 요구조건을 만족하기 위한 디지털 방송의 다중화 전송의 기본이 되는 기술 방식은 다음과 같다.

[그림 1.1-3-2] 스트럭쳐 방식과 패킷방식의 비교

일반적으로 신호를 다중화하는 방식에는 스트럭쳐(structure) 방식과 패킷(packet) 방식이 있다. [그림 1.1-3-2]은 이들의 개념적 비교를 나타낸다. 스트럭쳐 방식은 각 서비스를 다중화하는 시간위치를 고정적으로 할당해서 서비스와 다중위치의 관계를 제어부호로 나타내는 방식이다. 반면에 패킷방식은 각 서비스에 다중위치를 고정시키지 않고 데이터에 부가한 헤더에 의해 서비스를 나타내는 방식이다.

스트럭쳐 방식에 의한 디지털 방송의 예로는 현재 일본이 TV 위성방송에서 실시하고 있는 디지털 음성의 다중화 전송방식을 들 수 있다. 이 다중화 전송신호는 [그림 1.1-3-3]에 나타낸 것처럼 주기적으로 반복되는 전송 프레임 신호 속에 음성이 정해진 시간위치에 다중화되고 있다. TV 음성은 전송된 신호가 시간적으로 끊어지지 않고, 서비스 편성이 고정적이기 때문에 음성부호화에 고정속도방식이 채용되고 있다. 따라서 이런 경우에는 스트럭쳐 방식이 전송효율, 신뢰성의 측면에서 유리하다.

[그림 1.1-3-3] 스트럭쳐 방식의 예

한편 패킷방식에 의해 서비스를 하고 있는 디지털 방송의 예로는 일본의 TV 위성방송의 데이터 채널을 이용한 데이터 방송을 들 수 있다. 여기서 사용되는 패킷 다중신호를 [그림1.1-3-4]에 나타내었다. 데이터 방송에서는 전송하는 서비스의 종류가 많다. 서비스의 정보 내용에 따라 전송량이 다른, 즉 속도가 가변적인 부호화방식을 이용하는 서비스, 간헐적으로 군집적인 데이터를 전송하는 특성을 갖는 서비스, 또는 실시간 제약이 없는 서비스 등 다양한 특성의 서비스가 존재하는 것이다.

[그림 1.1-3-4] 패킷방식의 예

또한 이들 서비스의 편성을 필요에 의해 변경하는 경우와 장차 새로운 서비스를 추가하는 경우도 고려해야 하므로, 유연한 다중화 방식이 필요하다. 패킷방식은 비동기로 데이터를 전송하기 때문에 헤더에 의해 다양한 서비스에 대한 다양한 전송량의 할당이 가능하다. 따라서 전송량을 효율적으로 사용하는 방식이라고 할 수 있다. 패킷방식은 헤더를 사용하기 때문에 그에 해당되는 비용만큼 전송효율이 떨어지기는 하지만, 스트럭쳐방식은 데이터가 없더라도 할당된 시간영역을 점유하도록 되어 있어 낭비가 많기 때문에 결과적으로 패킷방식이 전송 효율면에서 유리하다고 할 수 있다.

[표 1.1-3-1] 스트럭쳐 다중전송방식과 패킷 다중전송식의 비교

스트럭쳐방식과 패킷방식의 비교가 [표1.1-3-1]에 정리되어 있다. 각기 장단점이 있지만, 디지털 방송의 목적에 비추어 볼 때 앞서 살펴본 요구조건을 만족시키기 위해서는 패킷방식이 유리한 것으로 판단된다. 그런데 패킷방식은 고속 전송의 경우에 헤더식별 등의 신호처리를 고속으로 행해야 하기 때문에 서비스를 추출하는 분리회로의 비용이 비싸진다. 따라서 신호를 시간적으로 분리하는 것이 용이한 스트럭쳐방식을 서비스 분리 전에 적용하는 것을 고려할 수가 있는데 이것은 이후의 신호처리를 저속으로 만들어 주기 때문에 매우 바람직하다.

(3) 다중화된 신호의 구성 형식

[그림 1.1-3-5]은 다중화 전송 신호의 구성 예를 나타내는 것으로서, 방송국에서 다중화 전송신호를 생성해 나가는 순서를 나타낸다. 수신측에서의 복호과정은 부호과정의 역순이 된다.

(가) 입력 신호원들의 부호화

영상, 음성, 데이터 등 프로그램을 구성하는 컴포넌트 신호를 각각의 신호 성질에 맞는 방법으로 디지털 부호화하고, 필요에 따라서는 대역압축처리 등을 행하여 부호화 데이터를 생성한다.

(나) 데이터 그룹화

입력신호들이 부호화되면 신호내용을 구별할 수 있는 단위로 끊고, 데이터 그룹헤더를 부가해서 데이터 그룹신호를 구성한다. 데이터를 끊어내는 단위는 예를 들어 영상의 한 프레임처럼 디스플레이나 부호화의 단위가 되는 한 덩어리의 데이터이다. 따라서 데이터 그룹은 서비스의 종류나 정보내용에 의해 데이터량이 달라지는 가변길이 패킷으로 볼 수 있다.

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[그림 1.1-3-5] 다중화 전송신호의 구성 예

(다) 전송 패킷화
데이터 그룹과 같은 가변길이 패킷 상태로는 다양한 서비스를 고속으로 자유로이 다중하는 것이 어렵다. 따라서 데이터 그룹신호를 다중화 전송에 적합하게 일정한 길이로 잘라 패킷헤더를 추가하여 전송패킷을 구성한다. 전송패킷은 다양한 서비스와 다중을 쉽게 하기 위해 공통의 고정된 길이를 갖는 패킷형식으로 되어 있다.

패킷헤더는 기본적으로 패킷식별자, 연속성 지표, 데이터 그룹 개시 플랙, 스크램블, 유효 데이터 길이 등의 항목을 담고 있다. 여기서 패킷식별자는 패킷의 데이터를 구별하고, 연속성 지표는 패킷스트림 전송의 오류를 찾아서 패킷의 순서를 정비한다. 또한 데이터 그룹 개시 플랙은 데이터 그룹의 선두가 보내지는 패킷이라는 것을 표시하고, 스크램블은 제한수신을 위한 스크램블 상태를 나타내며, 유효 데이터 길이는 패킷 데이터의 유효한 데이터 범위를 나타낸다.

(라) 패킷다중

서비스를 구성하는 각 컴포넌트 그리고 복수의 서비스를 전송패킷 단위로 시분할 다중하여 패킷스트림을 구성한다. 패킷스트림에는 1개의 서비스 컴포넌트를 다중한 단일프로그램 스트림과 복수의 서비스 컴포넌트를 다중한 멀티프로그램 스트림의 2 종류가 있는데 어쨋든 신호의 형식은 동일하다.

(마) 슬롯다중
고속 전송로의 경우에는 패킷다중 후에 저속의 전송단위인 슬롯을 이용하는 스트럭쳐 다중방식을 도입하는 것이 검토되고 있다. 슬롯은 미리 정해진 시간위치의 비트로 구성되어 수신에서 단순한 회로만으로 슬롯을 추출할 수 있다. 수신측에서 다중화된 전송신호 가운데 서비스 컴포넌트를 추출하는 순서는 우선 필요한 슬롯을 뽑아낸 다음 그 슬롯으로 보내진 패킷에 대해서만 헤더를 식별하면 된다.

(바) 프레임 구성

전송열화에 강한 내성을 갖게 하기 위해 패킷스트림이 주기적인 동기구조를 갖도록 전송프레임을 구성한다. 이 과정에서는 오류정정부호화, 인터리브, 전송스크램블, 프레임 동기부호추가 등의 처리가 이루어진다. 각 방송 시스템의 이용목적이나 전송용량의 차이 등에 의해 전송프레임의 파라미터는 달라지더라도 기본적인 신호구성은 최대한 공통적으로 만들어주는 것이 바람직하다. 주기적으로 동기신호가 부가된 전송프레임 신호는 비트 스트림이 되어 최종적인 기저대역 신호로서 변조기에 입력된다.

(사) 변조

비트스트림은 각 전송로에 적합한 디지털 변조방식에 의해 변조되어 전송된다.

(아) 전송제어

디지털 방송에서는 다종의 다양한 서비스가 다중화되어 있는 전송신호 가운데 희망하는 서비스를 구성하고 있는 성분만을 효율적으로 추출해서 복호하는 것이 매우 중요하다. 패킷전송에서는 다중화된 각 서비스의 성분 패킷이 수신측에서 분리될 수 있도록 패킷헤더에 패킷식별자를 포함하고 있다. 이 패킷식별자를 이용해서 패킷을 식별하는 방법으로 직접지정방식과 간접지정방식이 있다.

(4) 신호 다중화를 위한 MPEG-2 시스템

디지털 방송에 응용 가능한 패킷다중화 시스템들 중의 하나인 MPEG-2 시스템의 패킷 다중화기의 구성을 살펴본다. MPEG-2에 대한 기반 기술은 다른 부분에서 언급되기 때문에, 여기서는 MPEG-2 시스템의 프로그램스트림(PS)과 전달스트림(TS) 표준을 따르는 패킷다중 부호기 및 복호기의 구조를 중심으로 설명하기로 한다.

영상 신호의 부호화에 관한 국제 표준인 MPEG-2 시스템에서는 영상 부호의 다중화 및 패킷화에 관해 TS와 PS의 두가지를 제안하고 있다. PS는 가변길이의 패킷구조를 가지며 주로 저장용 매체를 응용 대상으로 고려하고 있다. MPEG-2 시스템의 표준 TS는 하나의 프로그램으로 구성될 수 있으며, 또한 다수의 프로그램으로도 구성될 수 있다. 뿐만 아니라 하나의 프로그램으로 구성된 TS을 여러개 모아서 다시 하나의 새로운 TS로 만드는 것이 용이하도록 표준이 구성되어 있다. 따라서 패킷다중화 시스템을 구성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 즉 하나의 다중화기를 통하여 다수 프로그램을 동시에 하나의 TS로 패킷 다중화하는 형태를 띠는 1단계 다중화기를 구성할 수 있고 한편으로는 하나의 프로그램으로부터 TS을 구성한 후에 다수의 TS을 다시 다중화하여 새로운 하나의 TS을 구성하는 2단계 형태의 구성을 생각할 수 있다.

MPEG-2 시스템에서의 패킷다중화의 목적은 영상, 음성 또는 그 밖의 데이터들의 하나 혹은 그 이상의 기본 스트림들을 전송 혹은 저장에 적합하도록 하나 혹은 그 이상의 스트림으로 결합하는 것이다. 이처럼 기본 스트림들을 다중화하고 패킷화하는 것이 MPEG-2 시스템 부호화이며, 시스템 부호화에 의해서 복호기가 복호기 완충기의 넘침이나 고갈이 없이 동기된 복호를 수행하는 데 필요한 정보들이 복호기에 제공된다. 복호기의 완충기가 넘치거나 고갈되도록 하지 않으면서 영상 및 음성 정보의 복호화와 presentation의 동기를 얻는데 필요한 정보를 제공한다. 이러한 정보들은 부호화된 영상 및 음성 정보의 복호화와 presentation에 관한 time stamp와 데이터 스트림 자체가 시스템 복호기에 입력되는 시간에 관련된 time stamp로서 각각의 스트림 내에 부호화되어 포함된다.

MPEG-2 표준에서는 하나의 영상 및 음성 기본 스트림에 대한 다중화를 [그림 1.1-3-6]과 같은 전형적인 구조로 나타내고 있다. MPEG-2 시스템 부호기에서 압축된 기본 스트림은 패킷화되어 패킷화된 기본 스트림(PES)을 생성한다. PES 패킷의 가장 중요한 역할은 다수의 기본 스트림의 동기된 재생에 필요한 정보를 포함한다는 것이다. 한편 이러한 PES 패킷들이 시스템 계층정보와 결합되어 TS나 PS를 생성하게 된다.

MPEG-2 시스템의 패킷다중화에서는 PS와 TS의 2가지 표준을 제공한다. PS는 MPEG-1에서의 다중화와 유사하며 공통의 시간위치를 갖는 하나 혹은 그 이상의 PES를 하나의 스트림으로 결합함으로써 구성된다. 이러한 PS는 상대적으로 거의 에러가 없는 환경, 예를 들어 대화식 멀티미디어 응용과 같은 시스템 정보의 소프트웨어 처리를 수행해야 하는 응용을 위해 설계된 것이다. TS는 각기 독립적인 시간위치를 갖는 하나 이상의 프로그램을 하나의 스트림으로 결합함으로써 이루어진다. TS는 손실 또는 잡음 매체와 같은 상대적으로 에러의 발생 확률이 높은 환경을 위한 표준이며, 계층적 모델의 여러 계층의 전송에 사용될 수 있으며 광대역 응용시에 구현이 용이하고 능률적이 되도록 설계되어 있다. 한편, 패킷의 길이의 측면에서 보면 TS는 하나의 패킷 길이가 188 바이트로 고정되어 있다. 또한 PS에서 패킷의 길이는 고정적이거나 가변적일 수 있으며 TS에 비해 상대적으로 길다. 따라서 상대적으로 오류가 나기 쉬운 전송 미디어에 해당하는 지상방송의 경우에서는 TS를 사용하여 패킷화를 실행하는 방안이 현실적으로 여겨지고 있다.

[그림 1.1-3-6] MPEG-2 시스템 부호기의 구조

PS와 TS는 서로 다른 응용을 위해 고안되어 있으므로 하나가 다른 하나를 포함하고 있지는 않다. 그러나 상호간의 전환은 가능하다. 특히 TS로부터 한 프로그램의 내용을 추출하여 PS를 만드는 것은 PES의 공통 교환 형식을 통해서 가능하지만, PS에서 필요한 모든 정보들이 TS 내에 포함되어 있지는 않다. 따라서 이러한 미포함 정보들은 교환시에 유도되어야 한다. 기본 스트림들 사이의 관계와 같은 TS와 PS의 전환에 필요한 정보들은 각 스트림의 테이블이나 헤더에서 구할 수 있다. 이러한 데이터는 전환하기 전과 후에 스트림내에서 구할 수 있어야 하며 정확해야 한다. 또한 모든 TS들이 PS로부터 형성되지는 않지만 TS로부터 PS를 생성하는 것이 가능하다. 이와 같이 TS패킷과 PS패킷은 PES를 통하여 서로 호환이 용이하므로 방송용으로 제안된 TS라 할지라도 일단 수신된 신호에 대해서는 PES 단계에서는 PS로의 전환이 용이하므로 이후의 여타 응용이 용이하게 될 수 있다.

MPEG-2 시스템에서는 영상 및 음성에서의 end-to-end 지연이 일정하도록 되어 있다. 이러한 end-to-end 지연은 부호화, 부호기 완충기, 다중화, 전송 또는 저장, 역다중화, 복호기 완충기, 복호화 및 presentation 시의 지연의 합으로 이루어진다. MPEG-2 시스템 부호화에 의해 생성되는 스트림은 end-to-end 지연을 일정하게 할 수 있는 시간 정보를 포함한다.

모든 타이밍은 시스템 타임 클럭이라는 공통의 시스템 클럭을 기준으로 정의된다. 시스템 타임 클럭은 Hz의 단위로 계산되며, 시스템 클럭 주파수를 기준으로 형성된다.

PS에서 시스템 타임 클럭은 영상이나 음성의 표본 클럭에 대한 정확한 비(ratio)이거나 또는 정확한 비로부터 조금 다를 수 있다. 그러나 이 경우에도 정확한 end-to-end 타이밍과 클럭 복원이 가능해야 한다. 한편, TS에서의 시스템 타임 클럭은 영상이나 음성의 표본 클럭에 대한 정확한 비가 되도록 제한되어 있다. 이러한 제한은 TS가 여러개의 독립적인 시간위치를 가지고 있으므로 복호기에서의 표본율 복원을 용이하게 하기 위한 것이다.

MPEG-2 시스템 부호화는 PS와 TS에 부호화되어 포함되는 프로그램들에 대한 CAS(Conditional Access System)를 위한 암호화와 스크램블링을 지원한다. CAS를 위한 메카니즘은 현재의 초안에는 명확히 정의되어 있지는 않다. 이를 위해 사용되는 정의들은 CAS 시스템의 실제적인 구현이 적절하도록 설계되어 있다.

MPEG-2 시스템 부호화의 MWO는 DSM으로부터의 데이터 추출조절, 클럭조정, 버퍼조절과 같은 기본적인 기능을 수행한다. 위의 기능들은 서로 밀접한 관련이 있다. 만약 DSM으로부터의 데이터 추출 속도를 조절할 수 있다면, DSM으로부터의 데이터 추출 속도를 조절하여 복호기의 완충기가 오버플로워나 언더플로워되지 않도록 할 수 있다. 그러나 만약 DSM으로부터의 데이터 추출 속도를 조절할 수 없다면, 복호기의 완충기가 오버플로워나 언더플로워되지 않도록 기본 스트림 복호기의 타이밍을 DSM의 클럭에 맞추어야 한다.

MPEG-2의 PS는 Pack으로 구성되어 있는데 위의 기본기능을 수행하는데 필요한 정보들을 팩헤더에 포함한다. 팩헤더는 스트림내의 각 바이트들이 DSM으로부터 PS 복호기에 입력될 것으로 예상되는 시간을 지정한다. 한편, 타킷 도착계획은 클럭 조정과 완충기 조절의 기준으로 사용된다. 복호기는 이 계획을 정확히 따를 필요는 없지만, 이 계획에 대한 편차는 보상해야 한다.

MWO는 TS나 PS 스트림을 복호하는데 어떤 자원들이 필요한지를 복호기가 알 수 있도록 해야 한다. PS 스트림의 첫 번째 팩은 여러 가지 파라미터들을 복호기에 전달한다. 이러한 파라미터로는 최대 데이터율, 최대 영상 채널 수 등을 들 수 있다. 또한 TS도 이를 위한 정보를 복호기에 전달한다. TS와 PS에는 스트림내의 각 프로그램을 구성하는 기준 스트림들의 특성과 그들 사이의 관계를 나타내는 정보가 포함되어 있다. 이러한 정보로는 다해상도 시스템에서의 레이어들간의 관계, 음성 채널에서 사용되는 언어 등을 들 수 있다. PES 패킷층의
기능은 역다중화와 다수의 기본 스트림의 동기된 재생이다.

PS는 다수의 기본 스트림을 다중화하여 구성되며, TS는 기본 스트림들, PS 또는 다른 TS를 다중화하여 형성되며, 기본 스트림은 다수의 패킷으로 나누어진 후 연속적으로 배열되는데 이를 패킷 기본 스트림(PES)라 한다. PES의 각 패킷은 하나의 기본 스트림의 데이터만을 포함할 수 있다. 따라서 복호과정에서 다중화된 MPEG-2 스트림으로부터 각각의 기본 스트림을 재구성하기 위해서 역다중화가 필요하다. 이를 위해서 PS에서는 각각의 패킷헤더에 스트림 ID 부호가 포함되고, TS에는 패킷 ID 부호가 포함된다.

MPEG-2 시스템에서는 2가지 유형의 동기가 필요하다. 하나는 데이터 신호원과 복호기의 클럭의 동기이고, 다른 하나는 다중화된 여러 기본 스트림들의 presentation에 대한 동기이다. 여러 기본 스트림들 간의 동기를 위해서 PTS(program time stamp)가 제공되며, 데이터 신호원과 복호기의 동기를 위해서는 시스템 기준클럭 또는 프로그램 기준클럭 등의 정보가 제공된다. PTS는 각 기본 스트림의 복호에 적용되므로 PTS는 패킷층에 포함된다. MPEG-1에서와 마찬가지로 MPEG-2의 패킷층은 압축 시작코드로 시작할 필요는 없지만, 패킷층과 패킷에 포함되어 있는 압축층을 위한 presentation 시간 정보를 포함한다.

(5) ATM과의 인터페이스 및 OSI 계층 모델

ATM(Asynchronous Transfer Mode)은 현재 네트웍에서 패킷기반의 통신프로토콜로 널리 사용되고 있는 기법이다. ATM은 STM(Synchronous Transfer Mode)이 사용자에게 시간슬롯을 할당하여 매체접근을 허용하는데 반하여, 통계적인 다중화을 통하여 효율적인 대역폭을 사용자에게 할당하여 대역폭의 효율적인 사용 및 고속 통신에 적합하도록 설계된 프로토콜이다. ATM이 가지는 장점으로는 넓은 대역폭, 낮은 지연의 두가지를 꼽을 수 있다.

실제로 ISDN, LAN, WAN 등에서 ATM은 빼 놓을 수 없는 존재로 자리 잡아가고 있다. 따라서 ATM은 다재다능하게 여러 가지 서비스, 광범위한 대역폭 등을 수용할 수 있다고 여겨지는 망통신 모드 중의 하나이다. 이러한 특성으로 인하여 ATM은 현재 네트웍만이 아니라 방송 시스템에도 도입할 수 있는 여지가 많다고 여겨지는 시스템 중의 하나이다.

또한 영상통신분야는 ATM에 있어서 특별한 관심을 보이고 있다고 할 수 있겠다. 이에 따라 현재 ATM은 디지털방송=ATM으로 여겨질 만큼 널리 퍼져 있으며, 그 중 가장 중요한 기능의 하나가 바로 셀릴레이서비스(CRS)이다. CRS는 ATM이 가지는 가장 기본적인 기능의 하나로서, 가상회로를 구성할 수 있게 해 주는 중요한 기능이 된다. 또한 ATM은 PVC(Permanent Virtual Connection)와 SVC (Switched Virtual Connection)를 지원한다.

PVC는 양단간의 서비스가 서브스크라이브될 때에 가상 접속이 형성되며, 이 연결 상태는 계속적인 망의 사용 상태에 따라서 고객 관리 프로그램에 의해 변화가 가능한 경우를 말한다. SVC는 데이터 전송 도중에 신호 용량에 의해 망에서 실시간으로 연결이 형성된다.

이와 같은 기능을 수행하는 ATM 셀의 구조는 다음과 같다. ATM이 비동기하다는 것은 개개의 사용자들로부터 흘러 나오는 정보들이 주기적이지 않아도 상관없다는 것을 의미한다. ATM을 근간으로 하는 통신을 실행하기 위해서는 다음과 같은 4가지의 사용자 평면 프로토콜이 필요하다.

⊙ ATM 하위계층

실지로 물리계층에 해당하는 계층으로 전송미디어에서 물리적인 전송을 달성한다. 45Mbps 이상의 전송속도에서의 이를 위한 기법중의 하나가 SONET이다.

⊙ ATM 계층

ATM 계층은 상호작용, scalability 그리고 국제표준과의 일관성을 유지하는 작업을 실행한다. ATM 계층의 기능은 셀연계를 통해서 효율적인 다중화와 스위칭을 행하는 것이다.

⊙ ATM 상위 계층

ATM의 상위 계층은 AAL(ATM Adaptation Layer)이다. AAL의 기능은 사용자 응용 프로그램과의 독립적인 구현을 위한 것이다. 이는 예를 들어 TCP/IP(Transmission Control Protocal/Internet Protocol) 등 이다.

⊙ 상위 계층

필요할 경우에 그 이상의 상위 계층의 사용이 가능하며, 이는 TCP/IP, IBM APPN, OSI TP 등을 포함한다.

지금까지 제시한 디지털 방송을 위한 기반기술과 이를 실현하기 위한 종합망구성 기술들에 의해 방송의 디지털화가 이루어지면 디지털 기술에 기반을 두고 있는 컴퓨터, DB, 멀티미디어 등은 광섬유기술, 위성통신기술들과 함께 방송기술과 접목되어 고품질, 다매체의 미디어를 함께 전송하는 디지털 종합방송이라는 획기적인 방송시대가 21세기에 도래할 것이다.

지금까지 설명한 것과 같이 디지털 방송은 하나의 아날로그 TV 프로그램을 하나의 채널로 전송하는 것과 같이 스튜디오 품질의 HDTV, 고품질 음성의 다채널 TV, FAX, 텔레텍스트 및 다양한 종류의 부가 데이터 정보를 하나의 방송채널을 통해 제공하는 것이다.

이와 같이 디지털 기술에 의해 각 방송미디어들이 종합화되는 새로운 방송시스템을 개발할 때, 신호구조에서의 유연성, 확장성, 컴퓨터 시스템 및 통신망과의 상호 운영성 등을 제공하기 위한 계획을 고려하는 것이 요구된다. 또한 디지털 방송은 위성, 지상파, 케이블의 방송미디어를 다중화 하기 위한 최대의 공통성을 가져야만 한다. 이러한 특징을 고려하기 위해 개방형 통신(OSI : Open -System Interconnection)에 적용되는 7계층 모델을 디지털 방송에 적용하여 전세계적으로 방송시스템의 공통성을 최대한 살릴 수 있는 방안을 모색 중이다.

개방형 통신에 적용되는 7계층 모델을 디지털방송에 적용하면 다음과 같은 장점을 가진다.

⊙ 방송시스템의 기능을 여러개의 범주로 분류하고, 각각의 범주를 적당한 계층에 할당하므로써 방송시스템의 구성이 확실하게 정의되고 시스템 설계가 효율적으로 이루어 질 수 있다.

⊙ 한 계층내에서의 기능의 변환은 다른 계층 또는 시스템 전체에 거의 영향을 미치지 않는다.

⊙ 전송미디어의 특성과 다양한 서비스에 좌우됨이 없이 방송시스템에서 최대의 공통성을 가질 수 있다.

⊙ 컴퓨터에 의한 다른 정보시스템과 상호 운영성이 있으므로 B-ISDN과 패키지에 의해 나타내어지는 통신은 쉽게 보호될 수 있다.

⊙ 전세계에 걸친 방송 시스템의 최대 공통성이 단일화된 계층모델을 소개하므로 시스템의 구성이 쉽게 이루어질 수 있다.

통신시스템에서 통신프로토콜은 핸드쉐이킹 과정을 통하여 확실한 양방향 데이터 통신이 가능하도록 엄격하게 정의되지만, 방송에서는 일반적으로 방송사업자로부터 시청자에게로의 단방향 서비스가 이루어진다. 그러므로 방송사업자는 각 수신기에서의 신호처리 상태를 알 필요도 없고, 고려할 필요도 없다. 따라서 신호처리 기능은 통신의 프로토콜과 같이 눈먼 수신기에 완전한 신호 전송을 하기 위해 정확히 정의되어야만 한다.

[표 1.1-3-2]는 디지털 종합방송 시스템에 대한 계층화된 7계층 모델을 나타내는 것으로서, CCIR 권고 807 WP11D에 의해 발표된 "데이터방송을 위한 기준모델"과 매우 비슷하다. OSI 계층모델은 원래 통신시스템을 위해 제정되었으므로 각 계층을 설명하는데 약간의 모순이 있을 수 있다.

그러나 제안하는 모델에 있어서 중요한 점은 7계층이 크게 세가지의 계층으로 나누어진다는 것이다. 즉, 1, 2, 3 계층인 하위계층(lower layer)과 5, 6, 7 계층인 상위계층(upper layer) 그리고 상ㆍ하계층을 조절하는 4 계층으로 이루어진다. 상위계층은 각 서비스의 프로토콜을 다루고, 하위계층은 수신기로 전송하는데 관련된 신호처리를 다룬다. 조절계층은 다양한 디지털 종합방송 서비스와 전송매체의 요구사항을 만족시키기 위해 상위계층과 하위계층의 기능을 연결하는 중간계층의 기능을 한다.

계층화 모델은 코딩(coding), 패킷다중화(packet multiplexing), 에러방지 등과 같은 신호처리기능을 각 계층으로 할당한다. 방송프로그램 제작에서부터 수신기까지 분류된 모든 기능이 [그림 1.1-3-7]에서와 같이 계층구조에 따라 할당된다.

방송신호는 영상·음성·데이타 신호로 구성되고, 이 신호들은 송신측에서 보면 7계층에서 1계층까지의 지정된 기능을 따라 처리된다. 처리 과정을 살펴보면, 6계층 소스인코딩 과정에 의해 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환되고, 5계층에 의해 데이터 그룹을 형성하게 된다. 형성된 데이터 그룹은 4계층에 의해 데이터율 변화를 거친 후 3계층에 의해 패킷 형태로 다중화되고 2계층의 에러 정정 코딩을 통해 1계층의 디지털 변조가 이루어져 전송채널로 신호가 보내어지게 된다. 예시된 신호형태는 각 계층의 경계점에서 그들 사이에 상호 연결된 신호들이다.

[표 1.1-3-2] 종합디지털방송의 계층화 모델

디지털 방송시스템은 서로 다른 전달기능을 갖는 위성, 지상파, 케이블 등을 이용해서 실현시킬 수 있을 것이다. 즉, 신호의 흐름이 계층화된 모델상에 기초를 두게 되면, 시스템내에서 상호간 운영될 수 있는 성질이 유지될 수 있고 이를 기초로 이와 같은 차이는 적당한 계층에서 서로 동화될 수 있을 것이다. 1계층에서의 디지털 변조와 2계층에서의 에러정정코딩은 전송채널의 특성 차이로 인하여 각 시스템마다 독립적인 방법으로 운영될 수 있다. 3계층의 패킷구조는 각 시스템의 대역폭이 다를지라도 동일 품질의 서비스가 송신되도록 한다. 이렇게 되면 방송 시스템간에 3계층 이상에서 또는 상위계층에서 충분한 공통성을 얻을 수 있다.

LAN, WAN 등의 통신시스템을 통해 가정으로 영상서비스를 제공하는 시스템이 가능할 수 있다. 이 시스템은 양방향 접근을 위한 어드레스 조정을 위해 부가적인 데이터, 전송율 등의 관점에서 방송과는 많은 다른 특징을 가지고 있으므로 이들의 패킷구조는 방송의 패킷구조와 다를 것이다. 따라서 망은 자체의 계층 1에서 4에 해당하는 신호처리가 필요하다. 그렇지만 MPEG 시스템이 이용되고, 코딩방법이 결정되면 상호 호환성은 계층 5 또는 상위계층에서 이루어질 수 있을 것이다.

[그림 1.1-3-7] 디지털 방송의 계층모델에 대한 기능 블록도