KR20050070174A - 이동통신시스템에서 데이터 암호화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티미디어 스트림에 대하여 인코딩을 수행한 후, 다중화하면서 비디오 스트림이면, 해당 비디오스트림이 I픽처인지의 여부를 판단하고, 상기 판단결과 해당 비디오 스트림이 I픽처이면, 암호화를 수행하고, 상기 암호화된 I픽처 비디오 데이터, 오디오 데이터, 암호화되지 않은 비디오 데이터를 조합한 후, 변조하여 전송하는 것으로서, 위성 방송 전송 데이터에서 I픽처만을 암호화하는 부분 암호화방식을 사용하므로서 유료 위성 방송을 수신하는 이동통신 시스템에의 수신 제한 시스템을 효율적으로 운영할 수 있다.

Description

이동통신시스템에서 데이터 암호화 방법{Method for Scrambling of data in Mobile communication system}

본 발명은 이동통신 시스템에서 오디오/비디오 데이터의 암호화방법에 관한 것이다.

디지털 위성방송은 디지털 기술을 이용할 경우, 현재 서비스되고 있는 1개의 아날로그 채널에 비해 약 5개까지의 채널을 방송할 수 있다는 상업적 장점과 높은 화질과 음향, 양방향 서비스, 인터넷 접속 등 다양한 기능으로 인해 활성화되고 있다. 디지털 셋탑 박스(Digital Set-Top Box: D-STB)산업은 미국·유럽을 중심으로 성장하고 있으며, 중동·아시아 지역에서도 디지털 위성방송의 도입으로 인해 높은 성장세를 보이고 있다.

디지털 위성방송은 주로 유료방송 사업자가 주도하고 있으며, 셋탑 박스 시장은 유료방송 사업의 직접 구매가 큰 비중을 차지하고 있다. 기술측면에서 디지털 셋탑 박스는 방송국 측에서 아날로그 컨텐츠를 코딩하여 디지털화해 발송한 신호를 위성이나 케이블 지상파 등을 통해 고객이 일반 텔레비전을 통해서 볼 수 있는 아날로그 신호로 디코딩하는 기능을 하고 있다. 이 과정은 복잡한 프로세싱을 거쳐야 하기 때문에 방송사가 다양한 방송서비스를 공급하기 위해서는 기술적인 문제가 이슈화되고 있다.

우선 방송표준의 문제로 현재 세계적으로 가장 많은 방송사가 채택하고 있는 기준은 DVB(Digital Video Broadcasting: 디지털 비디오 방송)라는 유럽 기준이나 미국의 디렉TV의 경우 DSS(Digital Satellite Service: 디지털 통신위성 서비스)라는 자체 기준을 채용하는 등 다양한 기준이 정의되고 있다. 유료 방송에서 가입자만이 수신할 수 있도록 수신을 제한해주는 CAS(Conditional Access System)라 불리는 기술 또한 현재 Media-Guard, NDS, Viaccess 등 10여 개 이상의 업체가 경쟁하고 있다.

DVB-CI(Digital Video Broadcasting-Common Interface)는 이러한 CAS 서비스를 주도하고 있는 유럽을 중심으로 하는 각 국가의 디지털 유료 방송업자들의 독자적인 CAS 개발과 완성(implementation)으로 자사만이 가능한 방송서비스를 개발하여 소비자들에게 제공함으로서 야기된 통일규격의 필요성을 바탕으로 출발하여 1996년 CENELEC(European Committee for Electro-Technical Standardization)에서 DVB-CI 사양서인 EN50221을 채택하면서 통일 규격으로 자리잡게 되었다.

하지만, 기존 CAS 업체들의 반발이 컸으므로, 새로운 통일 규격이라기보다는 기존의 규격을 대부분 수용하면서 부가기능을 추가하는 방식으로 제정되었다고 보는 것이 더 정확하다.

CAS는 앞서 언급한 바와 같이, 디지털 위성방송용 셋탑 박스의 수신제한장치를 말하는 것으로서, 디지털 위성방송의 유료 수신기능을 담당한다.

특히, CAS는 기본·유료 채널은 물론 PPV(Pay Per View)까지 동시에 지원하기 때문에 위성방송 수신기 전체 가격에서 차지하는 비중은 15%선에 불과하더라도 가장 비중 있는 장치이다. 방송용 컨텐츠를 보호하기 위해서는 MPEG2 패킷들을 암호화(scramble)해 전송하는데, 수신기에서 이를 해독(descramble)해야만 시청자가 방송용 컨텐츠를 볼 수 있다.

이러한 해독기능이 PCMCIA 슬롯에 꽂는 카드 형태(CAM)로 들어 있으면 CI(Common Interface)형 셋탑 박스라 칭한다. 또한, 호스트 CPU 위의 OS 또는 디바이스 드라이버 위에 미들웨어 형태로 구현되면 임베디드(embedded) CAS형 셋탑 박스라 칭한다.

최근 휴대폰 시장이 급속히 발전하면서 휴대폰은 VOD, 카메라, 캠코더 등의 멀티 플레이어의 기능을 하고 있다. 특히 휴대폰을 통해 VOD 뿐만 아니라 TV 수신의 기능까지 구현함으로써 휴대폰은 놀라운 진화를 하고있다. 최근에는 PMSB라 하여 위성으로부터 방송을 수신하여 TV를 볼수 있는 서비스가 곧 상용화단계에 이르렀다. 그러나 점차 컨텐츠가 증가하고 다양해지면서 맞춤형 컨텐츠 등 특정 사용자에게만 특정 서비스를하는 필요성 또한 증가하고 있는 현실이다.

한가지 방안으로 컨텐츠를 스크램블하여 특정 사용자에게만 권한을 주는 방식이 사용되고 있는데, 스크램블이란 데이터 또는 전송에 있어서의 암호화로서 권리가 있는 사용자들만이 받아볼수 있게끔 하는 것으로 TV 영상을 특수한 장치인 인코더로 변조해 특정한 디코더를 부착한 수신기가 아니면 볼수 없도록 하는 것이다.

제한 수신이 가능한 수신기에서는 스크램블된 데이터를 디스크램블해서 원래의 데이터를 볼수 있게 된다.

이제 곧 본격화될 위성 방송은 다채널 유료 방송을 중심으로 하는 상업방송이기 때문에, 요금을 지불한 가입자만 특정 프로그램을 시청하게 하는 제한 수신 시스템을 필요로 한다. 기존의 셋탑박스를 이용해 위성 방송을 수신하는 티브이 시스템에서 사용된 제한 수신의 방식은 전체 스크램블(full scramble) 방식이다. 즉, 모든 컨텐츠에 대해 스크램블을 하고 이를 셋탑박스의 디코더에서 디스클램블링해서 방송을 보는 것이다.

그러나 상기와 같은 종래에는 제한 수신 시스템을 이용하여 휴대폰과 같은 이동통신 단말기에서 위성 방송을 수신할 경우, 수신기에서 전체 스크램블된 데이터를 모두 디스크램블하려면 성능 열화가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 전체 스크램블 방식을 이용한 제한 수신 방식은 이동통신 단말기의 메인 CPU에 로드를 많이주게 되어 이동통신단말기에 이용하기에는 부적합한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 위성 방송 전송 데이터에서 I픽처 비디오 데이터만을 스크램블링하여 유료 위성방송을 수신하는 이동통신 시스템에서 수신 제한 시스템을 효율적으로 운영할 수 있는 이동통신 시스템에서 오디오/비디오 데이터의 암호화 방법을 제공할 수 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 멀티미디어 스트림에 대하여 인코딩을 수행한 후, 다중화하면서 비디오 스트림이면, 해당 비디오스트림이 I픽처인지의 여부를 판단하고, 상기 판단결과 해당 비디오 스트림이 I픽처이면, 암호화를 수행하고, 상기 암호화된 I픽처 비디오 데이터, 오디오 데이터, 암호화되지 않은 비디오 데이터를 조합한 후, 변조하여 전송하는 것을 특징으로하는 이동통신시스템에서 데이터 암호화 방법이 제공된다.

상기 I픽처는 스크램블된 방송신호를 디스크램블 할 수 있는 키 정보를 이용하여 암호화한다.

상기 멀티미디어 스트림은 오디오 스트림과 비디오 스트림을 포함하는 것이고, 상기 비디오 스트림은 I픽처, B픽처, P픽처가 일정한 패턴으로 섞여 있다,

해당 비디오 스트림이 I픽처가 아니면, 암호화를 수행하지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 위성 방송의 제한 수신 시스템을 나타낸 블럭도, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 송신기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 다른 수신기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 디지털 위성 방송의 제한 수신 시스템은 송신기(100), 수신기(110)로 구성된다.

상기 송신기(100)는 압축된 비디오, 오디오 스트림을 암호화하고, 서비스 정보 및 수신 제한 정보와 함께 트랜스포트 스트림으로 다중화하여 망을 통하여 수신기(110)에 전송한다.

상기 수신기(110)는 상기 송신기(100)로부터 전송된 수신 제한 정보와 IC카드에 있는 보안 정보를 이용하여 스트림의 어느 부분이 시청 가능한지를 결정하고 필요한 부분의 역암호화를 수행한다.

상기 송신기(100)에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 송신기는 프로그램 스케줄러(200), 제한수신 시스템(210), 가입자 데이터베이스(215), 인코더(220), 다중화부(230), 변조부(240), 전송부(250)를 포함한다.

상기 프로그램 스케줄러(200)는 서비스 정보를 다중화부(230)에 전송하고, 프로그램 정보를 제한 수신 시스템(210)에 전송한다.

상기 수신 제한 시스템(210)은 각 프로그램에 대한 가입자의 시청 권한 정보를 포함하는 EMM과 프로그램의 제한 수신 정보, ECM, 스크램블된 방송신호를 디스크램블 할 수 있는 key 정보(CW)를 상기 다중화부(230)로 전송한다.

상기 인코더(220)는 비디오 인코더(222), 오디오 인코더(224)로 구성된 것으로, 각 해당 데이터에 대하여 인코딩을 수행하여 다중화부(230)에 전송한다.

상기 다중화부(230)는 상기 수신 제한 시스템(210)으로부터 전송된 ECM와 상기 인코더(220)로부터 전송된 비디오, 오디오 데이터 등을 다중화한다.

또한, 상기 다중화부(230)에는 스크램블러(235)가 있어서, 상기 수신제한 시스템(210)으로부터 전송된 CW를 이용하여 상기 다중화된 스트림을 암호화한다.

상기 스크램블러(235)는 상기 인코더(220)에서 전송된 비디오 데이터에서 I픽처만을 암호화한다.

상기 변조부(240)는 상기 다중화부(230)로부터 전송된 신호를 변조한 후, 전송부(250)를 통하여 수신기에 전송한다. 즉, 상기 변조부(240)는 상기 다중화부(230)로부터 전송된 오디오 데이터, 암호화된 I픽처 비디오 데이터, 암호화되지 않은 비디오 데이터를 조합하여 변조를 수행한다.

그런다음 상기 변조부(240)는 상기 변조된 데이터를 전송부를 통하여 수신기에 전송한다.

상기 수신기에 대하여 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 상기 수신기는 데이터 수신부(300), CDM/FEC(310), CA부(320), 디코더(330), 출력부(340)를 포함한다.

상기 데이터 수신부(300)는 수신되는 고주파 변조 방송신호를 주파수 동조하는 튜너, 상기 튜너에 의해 동조된 고주파 변조 방송신호를 복조하여 변조 방송 신호로부터 원래의 방송 스트림 신호를 검출하는 복조기를 포함한다.

상기 CDM/FEC부(310)는 상기 데이터 수신부(300)로부터 전송된 데이터에 대하여 에러 검사를 수행한다.

상기 CA부(320)는 상기 CDM/FEC부(310)로부터 전송된 트랜스포트 스트림에서 EMM, ECM 필터링을 수행한다.

또한, 상기 CA부(320)는 상기 CDM/FEC부(310)에서 전달된 트랜스포트 스트림이 스크램블되었는지를 체크하여 디스크램블을 수행한다.

또한, 상기 CA부(320)는 송신기의 다중화부에 의해 단일 채널로 합성되어 전송된 복합 신호를 오디오, 비디오 데이터로 분리하는 역할을 한다.

상기 디코더(330)는 상기 CA부(320)로부터 전송된 데이터를 디코딩하여 출력부를 통하여 출력되게 한다.

상기 수신기는 엠펙 표준에서 정의한 CAT(conditional access tablr)에 할당된 PID(packet identifier)를 이용하여 EMM(entitlement management message)스트림을 찾아 해당 가입자의 EMM과 PMT(program map table)에 할당된 PID를 이용하여 ECM(entitlement control message) 스트림내의 해당 프로그램 관련 ECM을 추출하고 처리한다. 시청하고자 하는 프로그램과 관련된 ECM의 제한 수신 특성을 IC카드에 저장되어 있는 시청 자격 정보와 비교하여 시청 자격을 확인한다. 가입자의 시청 자격이 확인되면 IC카드는 암호화시에 사용한 CW(control word)를 재구성하고, 수신기는 해당 프로그램과 관련된 스트림을 역암호화한다.

상기 역암화된 스트림은 디코딩 된 후, 출력부를 통하여 출력된다.

상기 역암호화에 사용되는 키는 각각의 스트림을 구별하는 패킷 ID에 기반을 두고 있다. 보통 수신기에서는 하나의 전송 스트림내에서 패킷 ID는 유일하다, 디멀티플렉서와 필터에서는 특정 필터링 규칙에 따라서 모든 패킷을 검사 또는 필터링 규칙을 만족하는 데이터를 발견하면 패킷에서 데이터를 추출하고 추출된 데이터는 FIFO버퍼에서 저장되어 소프트웨어에서 처리된다. 오디오/비디오 디코더에서는 입력된 패킷 스트림을 디코딩하여 오디오/비디오 신호를 출력한다.

역암호화는 하드웨어 역암호화와 소프트웨어 역암호화 두가지 방식으로 할수 있는데, 소프트웨어 역암호화로 할경우 부분 암호화를 해야한다. 그렇지 않으면, 역암호화에서 CPU의 로드가 커져 성능 저하가 발생한다.

스크램블링 방식을 논하기에 앞서, 우선 MPEG영상의 구성에 대하여 살펴보면, MPEG에서는 영상을 픽처라고 하는 단위로 취급한다. 픽처는 부호화하는 단위로 프레임 픽처와 필드 픽처 두가지가 있으며, 프레임 단위로 부호화하면 프레임 픽처라하고 필드 단위로 부호화하며 필드 픽처라고 한다.

픽처는 크게 3가지로 나누어진다.

첫째는 I픽처로 시간적 압축 기술을 사용하지 않고 공간적 압축 기술만을 사용해서 압축한 픽처이다. 주로 I픽처는 다른 픽처들의 참조 픽처로서의 역할을 하면, 시간적인 압축을 사용하지 않기 때문에 시간상으로 누적되는 오류를 방지할 수 있다. 단 움직임 예측을 사용하지 않기 때문에 다른 픽처들보다 부호화시 많은 비트수를 생성한다. 또한 시간적인 압축을 사용하지 않기 때문에 단독으로 복호화가 가능하고 이로인해 임의로 접근을 할 수 있는 기준 픽처가 된다.

둘째로 P픽처는 가장 최근의 I픽처나 P픽처를 참조하여 움직임 추정을 사용하기 때문에 발생 비트수가 적다.

셋째 B픽처는 쌍방향 예측 부호화 영상으로 순방향 예측 뿐만 아니라 역방향 예측까지 포함해서 좀더 세밀하게 예측한 픽처이다.

B프레임은 이전의 I 또는 P프레임과 B프레임 이후의 I 또는 P프레임의 차이값을 가지며 B프레임을 사용하면 높은 압축률을 얻을 수 있다.

엠펙 비디오는 이 세 픽처가 일정한 패턴으로 섞인 것이나, I픽처의 비율을 2-4%정도밖에 되지 않는다. 그러나 I 픽처는 다른 이미지들의 참조없이 부호화가 이루어지는 참조 픽처이다.

따라서 이동통신 단말기에서 유료 위성 방송을 수신하는 경우에는 전체 암호화방식 대신에 I픽처에만 암화화를 하는 부분 암호화를 쓰는 것이다.

부분 암호화는 데이터의 일부만 암호화하는 것으로, 기존의 부분 암호화는 랜덤 샘플링에 의한 방식으로 전체 데이터의 약 10%가 암호화되지만, I픽처에만 암화화를 할 경우 전체 데이터의 2-4%만 암호화되므로 수신기에서 역암호화해야할 데이터 양이 획기적으로 줄게 되어 이동통신 단말기에서 제한 수신 시스템을 효율적으로 가동할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부분 암호화 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 송신기는 멀티미디어 스트림을 인코딩 한 후, 다중화한다(S400). 상기 멀티미디어 스트림은 오디오, 비디오 스트림을 말한다. 이때, 비디오 스트림에는 I픽처, B픽처, P픽처가 일정한 패턴으로 섞인 것이다.

단계 400의 수행후, 상기 송신기는 비디오 스트림인지의 여부를 판단하여(S402), 비디오 스트림인 경우에는 해당 비디오 스트림이 I픽처인지의 여부를 판단한다(S404).

단계 404의 판단결과 해당 비디오 스트림이 I픽처이면, 상기 송신기는 해당 I픽처에 대하여 암호화를 수행한다(S406).

만약, 단계 404의 판단결과 해당 비디오 스트림이 I픽처가 아니면, 상기 송신기는 암호화를 수행하지 않는다(S408).

그런다음 상기 송신기는 오디오 데이터, 암호화된 I픽처 비디오 데이터, 암호화되지 않은 비디오 데이터를 조합하여 변조한후(S410), 상기 변조된 데이터를 전송한다(S412).

그러면, 수신기에서는 위성으로부터 데이터를 수신하여 암호화된 데이터를 역암호화한다. 수신기에서는 전체 비디오 프레임 중에서 I픽처만 역암호화하면 되므로 전체 암호화된 데이터에 비해 역암호화 로드가 2-4% 줄어든다. 또, B픽처나 P픽처는 암호화되어 있지 않아도 I픽처가 암호화되어 있으면 참조할 픽처가 없어 수신기에서 디코딩이 불가능하므로 수신제한에는 문제가 없다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 위성 방송 전송 데이터에서 I픽처만을 암호화하는 부분 암호화방식을 사용하므로서 유료 위성 방송을 수신하는 이동통신 시스템에의 수신 제한 시스템을 효율적으로 운영할 수 있는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존 티브이 시스템에서 셋탑박스를 이용해 전체 암호화된 데이터를 역암호화하는 방식으로는 이동통신 단말기에서는 이를 모두 처리할 수 없으므로 이러한 부분 암호화 방식으로 휴대용 단말기로 수신시 원할한 방송 수신을 할 수 있는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 위성 방송의 제한 수신 시스템을 나타낸 블럭도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 송신기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 다른 수신기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부분 암호화 방법을 나타낸 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 송신기 110 : 수신기

200 : 프로그램 스케줄러 210 : 제한 수신 시스템

215 : 가입자 데이터베이스 220 : 인코더

230 : 다중화부 235 : 스크램블러

240 : 변조부 250 : 전송부

300 : 데이터 수신부 310 : CDM/FEC

320 : CA부 330 : 디코더

340 : 출력부

Claims (5)

1. 멀티미디어 스트림에 대하여 인코딩을 수행한 후, 다중화하면서 비디오 스트림이면, 해당 비디오스트림이 I픽처인지의 여부를 판단하는 단계;

   상기 판단결과 해당 비디오 스트림이 I픽처이면, 암호화를 수행하는 단계;및

   상기 암호화된 I픽처 비디오 데이터, 오디오 데이터, 암호화되지 않은 비디오 데이터를 조합한 후, 변조하여 전송하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로하는 이동통신시스템에서 데이터 암호화 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 I픽처는 스크램블된 방송신호를 디스크램블 할 수 있는 키 정보를 이용하여 암호화하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 멀티미디어 스트림은 오디오 스트림과 비디오 스트림을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 비디오 스트림은 I픽처, B픽처, P픽처가 일정한 패턴으로 섞여 있는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화 방법.
5. 제1항에 있어서,

   해당 비디오 스트림이 I픽처가 아니면, 암호화를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 데이터 암호화 방법.