DVB-RCS2 기반 차세대 위성 통신 시스템 구축 및 모뎀 기능 검증에 관한 연구
왕도휘*, 오덕길* 정회원
A Study for the Next-Generation Satellite Communication System Design and Modem Functional Verification based on DVB-RCS2
Do-Huy Wang*, Deock-Gil oh* Regular Members
요 약
본 논문에서는 2세대 위성 통신 규격인 DVB-RCS2 기반 차세대 VSAT 시스템에 대해 소개하고자 한다. 다양한 모듈로 구성되는 차세대 위성 VSAT 시스템 중 역방향 링크 데이터 수신을 위한 모뎀의 기능 검증을 위한 테스트베드 구축 및 그 결과에 대해 논하고 자 한다. 이를 통해 차세대 VSAT 서비스 및 방송 서비스에의 효율적인 활용 기술을 확보할 수 있을 것으로 예상해 본다.
Key Words : DVB-S2, DVB-RCS2, Next-Generation, VSAT, Modem
ABSTRACT
This paper we introduce next-generation VSAT system based on DVB-RCS2 which is second-generation satellite communication standard. We construct a test-bed for the functional verification of return link modem and discuss the results.
According to this, we expect to efficient use of technology for the next-generation VSAT services and broadcasting services.
※ 본 연구는 미래창조과학부가 지원한 2015년 정보통신·방송(ICT) 연구개발사업의 연구결과로 수행되었음
*한국전자통신연구원 위성광대역방송통신연구실([email protected], [email protected])
접수일자 : 2015년 7월 27일, 수정완료일자 : 2015년 9월 16일, 최종게재확정일자 : 2015년 9월 22일
I. 서 론
차세대 VSAT(Very Small Aperture Terminal) 시스템은 순방향 링크에 대해서는 DVB-S2[1]를 적용하고, 역방향 링 크에 대해서는 DVB-RCS2[2]를 적용하여 양방향 ACM 기 능을 지원하도록 하였으며, 위성을 통해 초고속 인터넷 서비 스, 감시 및 경계 서비스, 재난 대응용 긴급 통신 서비스 등 과 같이 다양한 서비스에 활용될 수 있도록 하였다. 차세대 위성 VSAT 중심국은 인터넷 서비스 제공자, 인터넷 사업자, 인터넷 이용자 등과 인터페이스 되어 망내의 모든 사용자 단 말들에 다양한 대화형 서비스를 제공하는 기능과 망 운용 관 리 기능을 수행한다. 차세대 위성 VSAT 단말국은 순방향 링크 및 역방향 링크의 양방향 위성 링크로 위성 중계기를 경유하여 중심국에 접속된다. 차세대 위성 VSAT 중심국 및 단말국은 다양한 모듈이 통합되어 전체 시스템을 구성한다.
본 논문은 2세대 위성 역방향 링크 표준인 DVB-RCS2를 기반으로 하는 차세대 위성 통신 시스템의 구축에 관한 것으
로, 특히 Ka 대역 국내 정지궤도 복합 위성인 천리안 위성 (Communication, Ocean and Meteorological Satellite : COMS)을 통한 위성 모뎀의 기능 검증 결과에 대해 소개하 고자 한다.
그림 1. 차세대 위성 통신 서비스 개념도
그림 2. 차세대 VSAT 시스템 구성도
Ⅱ. 차세대 VSAT 시스템
차세대 고효율 VSAT 시스템은 중심국 서브시스템(Hub) 과 단말국 서브시스템(Terminal)로 구성되며 Ku/Ka 대역 위성을 경유하여 DVB-S2/DVB-RCS2 표준 기반의 광대역 위성 통신 서비스를 사용자에게 제공한다.
중심국 서브시스템은 성형 위성망 구조에서 중심국 역할 을 수행하는 서브시스템으로서 순방향 링크 송신 기능과 역 방향 링크 수신 기능 및 망 자원관리 기능을 수행하기 위하 여 모듈 단위의 개방형 구조를 가진다. 중심국 서브시스템은 크게 순방향 링크 데이터를 처리(TDP)하여 전송하는 송신 부분(FLM)과 위성망관리모듈(NMM), 실시간자원관리모듈 (DRM), 기준클럭생성모듈(CDM)을 포함한 시스템의 운용 및 관리를 위한 부분, 역방향 링크의 버스트 데이터를 수신 (RLD)하여 RLE 패킷을 재조립 처리(RDP)하는 부분, 그리 고 IP 패킷을 가속 시켜 TCP 성능을 향상 시키는 프록시 (PEP) 부분 등으로 구성된다.
단말국 서브시스템은 성형 위성망 구조에서 단말국 역할 을 수행하는 서브시스템으로서 위성을 경유하여 중심국 서 브시스템과 접속을 수행하고 양방향으로 데이터를 송수신함 으로써, 사용자들에게 고속 멀티미디어 데이터 서비스를 제 공하는 기능을 수행한다. 단말국 서브시스템은 순방향 링크 수신 부분(FLD), 역방향 링크 송신 부분(RLM), 순방향 DVB-S2 메시지의 파싱과 역방향 링크 패킷 전송을 위한 RLE 패킷 생성을 포함하여 양방향 위성 통신 접속 기능을 수행하는 부분(DPM)으로 구성된다. PEP 클라이언트는 중 심국 PEP 서버와 함께 위성망에서의 TCP/IP 성능 향상을 위한 기능을 수행한다[3].
1. 중심국 서브시스템
중심국 서브시스템(VSAT satellite Central Station subsystem : VCS)은 7.2m 안테나와 연결되어 DVB-S2 정 합 규격에 따라 신호를 전송한다.
송신 데이터 처리 모듈(Transmission Data Processing module : TDP)은 그림 3과 같이 중심국 PEP를 통해 서비스 제공자로부터 전달된 트래픽 데이터인 IP 패킷을 수신하고 이를 GSE(Generic Stream Encapsulation) 또는 MPEG2-TS로 변환하는 기능을 수행한다. DRM 모듈로부터 는 DVB Program Specific Information/Service Information (PSI/SI) 및 역방향 링크용 SI 데이터를 수신하고 이를 GSE 또는 MPEG2-TS로 변환 및 각각 다중화하여 FLM 모듈로 송출하는 기능을 수행한다. 이때, 입력 패킷들을 사용자별, 서비스 레벨별, 전송 모드별로 구분하여 별도의 버퍼에 저장 하고, 순간적으로 입력 패킷 속도가 가용 채널 용량을 초과 하는 경우 버퍼링이나 우선순위를 이용한 패킷 스케줄링 기 법 등을 이용하여 채널 용량에 맞도록 평균 출력 속도를 유 지한다. 또한, DRM 모듈로부터 전달 받은 순방향 링크에 대 한 단말의 SNR 상태를 전달받아 순방향 링크의 ModCod를 결정하고 ACM(Adaptive Coding & Modulation)에 따라 순 방향을 사용하는 사용자 패킷에 대해 QoS(Quality of Service) 제어 기능을 수행한다.
그림 3. TDP 모듈 구성도
동적 자원 관리 모듈(Dynamic Resource Management module : DRM)은 그림 4와 같이 중심국을 구성하는 핵심
모듈로서 역방향 링크의 하위 계층 프로토콜의 자원을 관리 하는 모듈이다. DRM은 모든 위성 단말국에 대해 서비스 제 공 요청이 있거나 또는 동기를 잃거나 서비스 종료의 사유가 발생하면 Log-On/Off 등을 수행하고, 각 위성 단말국의 동 기 오차 정보를 취합하고 이를 해당 위성 단말국에 전달함으 로써 위성 단말국이 지속적으로 동기를 유지할 수 있도록 한 다. 그리고 모든 위성 단말국들로부터의 자원 할당 요구를 취합하여 할당 알고리즘에 따라 자원 할당 테이블 메시지를 생성하고 순방향 링크의 Forward Link Signaling(FLS)를 통해 이를 모든 위성 단말국에 전달할 뿐만 아니라, 단말국 에서 보내준 자원 요청 정보를 이용하여 QoS를 보장할 수 있도록 자원을 할당해주는 기능을 제공한다. DRM은 강우감 쇠를 보상하도록 가용 자원을 다중 전송모드로 변경 설정하 고 각 단말의 감쇠상태에 맞는 전송모드를 맵핑하여 자원 할 당하며, 단말들의 서비스 등급 및 각 등급별 전송모드에 따 른 차별적 자원 할당 기능을 갖는다. 이때, 트래픽의 종류에 따라 두 개 이상의 트래픽 등급을 나누어 할당하고, 등급 간 에 차등하게 할당하며, 동일 등급 내에서는 공평한 자원을 할당한다. 또한, DVB PSI/SI 신호 정보 테이블을 생성하고 TDP 모듈을 통해 각 정보 특성에 따른 요구 시간 내에 이를 해당 위성 단말국 또는 모든 위성 단말국에 분배 및 전달하 고, 역방향 링크에 해당되는 SI 정보는 역방향 링크 복조 모 듈에 전달하여 관련 정보를 추출/저장하도록 함으로써 복조 기능을 수행할 수 있도록 한다. DRM은 단말국 서브시스템 에서 전송하는 순방향 링크에 대한 SNR 값과 단말 정보를 TDP로 전달하고, RLD 모듈로부터 수신한 역방향 SNR 값 과 단말 정보를 이용하여 각 단말에 맞는 역방향 전송 ModCod를 결정한다.
그림 4. DRM 모듈 구성도
클럭 분배 모듈(Clock Distribution Module : CDM)은 그 림 5와 같이 중심국 서브시스템에서 필요한 클럭을 생성하 고 분배하는 기능을 수행한다. CDM 모듈은 안정적인 클럭 의 생성을 위하여 GPS 위성 신호를 이용하여 1초당 한 번씩 신호(Pulse Per Second : PPS)를 발생시키는 GPS 블록을 사용한다. 이러한 PPS 신호를 이용하여 FPGA와 VCTCXO
(Voltage Controlled Compensated Crystal Oscillator)를 통 해 중심국 서브시스템 기준 클럭, 특정 모듈의 Master 클럭 및 Sampling 클럭 등을 생성하고 물리적 인터페이스를 통해 이러한 클럭을 필요로 하는 모듈로 분배하는 기능을 수행한 다. GPS 위성으로부터 수신한 신호를 바탕으로 시간정보를 생성하고, 이러한 시간정보는 DRM 모듈로 전송되어 다른 모든 모듈로 분배됨으로서 시스템의 망동기를 유지한다.
그림 5. CDM 모듈 구성도
수신 데이터 처리 모듈(Receive Data Processing module : RDP)은 그림 6과 같이 단말국에서 중심국으로 송 신한 데이터에 대해서 RLD 모듈을 거쳐 RLE(Return Link Encapsulation)[4] 패킷 형태로 수신한 후 IP 패킷으로 재조 립하는 기능과 재조립된 트래픽 데이터를 패킷 종류에 따라 이더넷 망이나 DRM 모듈로 전송하는 기능을 수행한다.
RDP 모듈은 수신된 IP 패킷이 사용자 트래픽일 경우 이더넷 인터페이스를 통해 중심국 PEP로 전달하고, 제어 데이터일 경우 이더넷 인터페이스를 통하여 DRM으로 전달한다. 이러 한 사용자 트래픽 데이터와 제어 데이터의 구별은 RLE 패킷 헤더 내의 특정 필드 값에 의해 결정된다. 그리고 RDP로 입 력되는 데이터는 단말로부터 전송되는 RLE 패킷 형태의 트 래픽 데이터와 NMM(Network Management Module)으로 부터 전송되는 상태 관리 메시지가 있다.
그림 6. RDP 모듈 구성도
역방향 링크 복조 모듈(Return Link Demodulator : RLD)
은 그림 7과 같이 크게 IF/DC 블록, 선형 복조 블록, 선형 복 호 블록으로 구분된다. IF/DC 블록은 중심국 RF 서브시스템 으로부터 IF(L-band) 아날로그 신호를 수신하고, 이를 Low-IF 신호로 하향변환 한다. 이렇게 하향 변환된 Low-IF 신호를 A/D 변환하여 디지털 신호로 변환시키고, AGC(Automatic Gain Control) 기능을 수행한다. 선형 복조 블록은 Low-IF 신호를 기저대역(Base Band) I/Q 신호로 하 향변환 후 TDMA(Time Division Multiple Access) 복조 기 능을 수행하고, 선형 복호 블록은 복조된 신호를 16-State Turbo Decoding을 통해 채널 복호화하여 오류가 정정된 데 이터를 복원해내는 기능을 수행한다. RLD 모듈은 수신 버스 트의 시간(timing), 주파수(frequency), 신호 대 잡음비 (SNR) 값을 추정하여 기준 값과의 오차를 측정하고 그 측정 값들을 DRM 모듈에 전달하는 기능을 수행한다. 이때 RLD 모듈이 검출한 버스트가 로그온 버스트(Logon Burst : LB), 제어 버스트(Control Burst : CB)에 해당되면 이를 DRM 모 듈로 전달하고, 트래픽 버스트(Short Traffic Burst : STB/Long Traffic Burst : LTB)이면 해당 패킷은 RLE 처 리가 될 수 있도록 RDP 모듈로 전달한다.
그림 7. RLD 모듈 구성도
2. 단말국 서브시스템
1.2m 안테나에 연결된 단말국 서브시스템(VSAT satellite Terminal Station subsystem : VTS)은 DVB-RCS2 정합 규 격에 따라 신호를 전송한다. 각 사이트에 설치된 VSAT 단 말을 통하여 광대역 인터넷이나 VoIP 등의 다양한 서비스를 이용할 수 있다.
순방향 링크 복조 모듈(Forward Link Demodulator : FLD)은 그림 8과 같이 DVB-S2 규격으로 전송되는 L-band 순방향 링크 신호를 수신하여 튜너를 통해 기저대역 I/Q 신 호로 주파수 변환 및 ADC 기능을 수행한다. 이렇게 수신된 신호를 복조 및 복호 기능을 거쳐 복조되어진 MPEG2-TS 또는 GSE 스트림을 DPM 모듈과 RLM 모듈로 전달한다. 또 한 ACM 적용을 위해 순방향 링크의 TDP 수신신호 상태 정 보인 SNR 정보를 검출하고 이를 DPM으로 전달하는 기능을 수행한다.
그림 8. FLD 모듈 구성도
역방향 링크 변조 모듈(Return Link Modulator : RLM)은 그림 9와 같이 DPM으로부터 RLE로 분할된 사용자 IP 트래 픽 정보, 상태 관리 및 동기 유지를 위한 정보를 수신하고 DVB-RCS2 규격에 따른 동작 모드에 따라 설정된 동작 파 라미터에 의해 수신된 정보를 버스트 패킷으로 변환하는 변 조 기능을 수행한다. RLM은 중심국으로부터 전송된 역방향 링크 제어 데이터를 수신하여 역방향 링크 전송 프레임 구조 및 할당 자원 정보를 구성하고, FLS 정보를 이용하여 중심 국으로 Log-on 및 초기 동기화 절차, 동기 유지, Log-off의 접속 제어 절차를 수행한다.
그림 9. RLM 모듈 구성도
데이터 처리 모듈(Data Processing Module : DPM)은 그 림 10과 같이 위성 자원 정보를 저장하여 초기화시 이용하거 나 단말 상태를 위한 정보를 유지하고 이를 중심국에서 관리 가 가능하도록 제공한다. 순방향 링크 수신기로부터 입력되 는 MPEG2-TS 또는 GSE 형태의 트래픽 데이터를 추출하 여 FLS 정보와 사용자 트래픽 정보를 구분 처리하는 기능을 수행한다. 이러한 FLS 정보를 이용하여 중심국으로 Log-on 및 초기 동기화 절차, 동기 유지, Log-off의 접속 제어 절차 를 수행하고 사용자 PC로부터 입력되는 IP 피킷 형태의 트 래픽을 PDU(Protocol Data Unit) 패킷 형태로 변환하여 RLM으로 전달하는 기능을 수행한다. DPM은 강우감쇠 보 상을 위해 순방향 링크의 수신 신호 세기 및 동작 파라미터 변경 등의 정보를 FLD로부터 수신 후 컨트롤 버스트로 생성
그림 11. 위성망 테스트베드 구성 및 동작
하여 중심국으로 전송하는 기능을 수행하고, QoS 기능을 수 행하기 위해 전송 데이터에 대한 Queue 관리 및 제어 기능 과 자원 할당/해제 요청 기능을 제공하며 이는 중심국과의 자원요청 및 할당 관련 정해진 통신 프로토콜에 따른다.
그림 10. DPM 모듈 구성도
Ⅲ. 위성망 테스트베드
표 1과 같은 기술 규격을 기반으로 다양한 모듈로 구성된 중심국과 단말국 서브시스템을 구축하여, 그 중 DVB-RCS2 기반 역방향 링크 위성 모뎀의 기능 검증을 위해 그림 11과 같이 위성망 테스트베드를 구축하였다. 각 구성 장비의 역할 은 다음과 같다.
링크
내용 순방향 역방향
적용 표준 DVB-S2 ACM DVB-RCS2
전송 프레임 TDM MF-TDMA
전송 주파수 29.6~30GHz 19.8~20.2GHz 데이터 속도 up to 80Msps up to 8Msps
변복조 기술 QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK
QPSK, 8PSK, 16QAM 채널 부호화 LDPC, BCH 16-State Turbo 인캡슐레이션 MPEG2-TS, GSE RLE 표 1. 시스템 기술 규격
○ Stream Server : 사용자가 설정한 영상 데이터를 송신 한다.
○ 단말 송신 EVM : 단말 송신 데이터의 Constellation과 Spectrum 등을 확인한다.
○ VSAT 단말국 : Stream Server로부터 송신된 영상 데 이터를 받아 채널 상태에 따라 다양한 방식으로 송출 한다.
○ VSAT 중심국 : 중심국의 RLD 모듈은 단말국에서 송 신한 데이터를 복조 및 복호 후 영상 데이터를 복원하 여 Stream Player에 전달한다.
○ Stream Player : Stream Server로부터 전달된 영상데 이터를 수신하여 동영상으로 재생한다.
이처럼 구성한 테스트베드를 이용하여 단말국 Stream Server에서 전송한 영상이 채널 상태에 따라 아래 그림 12와 같이 QPSK/8PSK/16QAM 등으로 ModCod를 변경하며 Ka
대역 천리안 위성을 통해 송신하고, 이를 수신한 중심국 Stream Player에서 정상적으로 영상이 재생되는 것을 확인 하였다. 이를 통해 DVB-RCS2 기반 위성 통신 모뎀의 기능 을 검증하였다.
그림 12. EVM 출력 결과
Ⅳ. 결론
최근 표준화 된 DVB-RCS2는 양방향 위성 네트워크 시 스템에서 역방향 링크 운용을 위해 사용되는 디지털 비디오 방송(Digital Video Broadcasting : DVB) 표준이다.
위성통신은 이동통신처럼 많은 사람이 사용하지는 않으 나 군사용, 재난용, 원격 교육용 및 의료용, 도서지역, 인프라 취약지역에서의 인터넷 제공 등 공공성 및 통신서비스 보편 화가 필요하다. 차세대 VSAT 시스템은 초고속 인터넷 서비 스, 감시 및 경계 서비스, 재난 대응용 긴급 통신 서비스 등 과 같이 다양한 서비스에 활용될 수 있도록 하였다. 이와 같 은 관점에서 봤을 때, DVB-RCS2 기반 위성 통신용 모뎀 기 술은 태풍이나 지진, 천재지변 등으로 통신 인프라가 파괴되 었을 때 Ku(12~14GHz)/Ka(20~30GHz) 대역의 무궁화, 천리 안 위성 등을 이용해 재난지역의 임시 통신용으로도 유용할 것으로 내다보고 있다.
참 고 문 헌
[1] ETSI EN 302 307, "Digital Video Broadcasting(DVB);
Second generation", Jun. 2004.
[2] Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2); Part2: Lower Layers for Satellite standard, ETSI EN 301 545-2 [3] C. Caini, R. Firrincieli, M. Marchese, T. d. Cola, M. Luglio,
C. Roseti, N. Celandroni, and F. Potort, “Transport layer protocols and architectures for satellite networks,”
International Journal of Satellite Communications and Networking, vol. 25, no. 1, pp. 1–26, 2007.
[4] Satellite Earth Stations and Systems SES; Return Link Encapsulation (RLE) protocol, ETSI European Telecommunications Standards Institutes Std. TS 103 179, Aug. 2013.
저자
왕 도 휘(Do-Huy Wang) 정회원
․2007년 2월：건국대학교 전자공학과 학사
․2009년 2월：건국대학교 대학원 정보 통신공학과 석사
․2010년 ∼ 현재：한국전자통신연구원 선임연구원
<관심분야> : 위성방송 및 통신 시스템
오 덕 길(Deock-Gil Oh) 정회원
․1984년 2월：서울대학교 대학원 전자 공학과 석사
․1996년 2월：서울대학교 대학원 전자 공학과 박사
․1982년 ∼ 현재：한국전자통신연구원 위성광대역방송통신연구실 실장 <관심분야> : 위성방송 및 통신 시스템
