KR20210097550A - 5g 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법 - Google Patents

5g 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법에 관한 것으로, 카메라(100)로부터 획득된 신호를 5G 이동통신망을 통하여 실시간 전송할 수 있도록 신호처리하는 인코더(210), 상기 인코더(210)로부터 출력되는 신호를 해당 5G 이동통신망을 통하여 전송하기위한 복수개의 모뎀(220)을 포함하여 구성되고, 상기 복수개 모뎀(220) 중 선택된 임의의 모뎀의 대역폭을 초과하는 콘텐츠에 대하여 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널 본딩기능과 전송되는 채널 절체신호에 따라 5G 이동통신망을 절체하는 채널 절체기능을 구비하며, 휴대가능하도록 구성되는 인코더모듈(200); 상기 인코더모듈(200)로부터 전송된 방송신호를 수신하여 다수의 단말기에서 시청할 수 있도록 전송하며, 이 과정에서 수신된 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈(200)로 절체요청 신호를 전송하는 미디어서버(300); 를 포함하여 구성되는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 이를 이용한 중계방법을 제공하여, 10~20 Gbps의 전송 속도를 제공하는 5G 이동 통신망을 활용하여 Full-HD는 물론 4K, 8K UHD 콘텐츠를 우수한 품질로 실시간 중계가 가능하도록 하는 것이다.

Description

5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법{Portable wireless broadcast device and method using 5G mobile communication network}
본 발명은 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 10~20 Gbps의 전송 속도를 제공하는 5G 이동 통신망을 활용하여 Full-HD는 물론 4K, 8K UHD 콘텐츠를 우수한 품질로 실시간 중계가 가능하도록 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 방송신호는 방송국 종사자에 의한 전문방송장치, 캠코더 등을 통하여 생성되고, 현장에서 직접 생성된 방송신호는 중계차를 이용하여 마이크로웨이브(극초단파)나 전용선 또는 위성을 통해 다중에게 중계하였다.
그러나 최근 통신기술이 발달하면서 중계장치 기술도 발달하면서 사용자가 휴대 가능한 정도의 크기를 갖는 LTE기반 휴대용 무선 중계 장치가 사용되고 있어 중계차가 진입할 수 없는 곳에서도 이동통신망을 통해 실시간으로 중계할 수 있게 되어 소위 MNG(Mobile News Gathering)시대가 열린 것이다.
이러한 휴대용 방송 중계 장치는 휴대편의성을 위하여 도 1에 나타내는 바와 같이 통상 백팩형태로 구성되고, 4G 이동통신망인 LTE로 HD급 고화질 동영상을 실시간 전송하였으므로, 자동차나 오토바이를 타고 이동하면서 카메라로 촬영한 영상과 음성을 바로 전송하는 것도 가능해졌고, 사건·사고가 발생했을 때 고속도로나 도심구간 등 어디서나 중계차의 도움을 받지 않고 ‘이동 추적’ 영상을 보낼 수 있게 된 것이다.
이와 같이 LTE망을 이용한 중계는 고화질(HD) 방송을 전송하는 것에 큰 무리가 없을 정도이고, 데이터의 단위당 단가도 낮아져 과거에 비해 비용에 대한 부담도 훨씬 감소되었으므로, 방송·동영상 콘텐츠 제공업자뿐만 아니라 1인 미디어와 일반 개인들도 누구든지 원한다면 LTE를 이용해 생중계를 할 수 있게 되었다.
그러나, 최근 고화질(HD) 방송보다 4배 이상 선명한 화질을 보여주는 초고화질 방송인 UHD(Ultra High Definition) 방송이 본격적으로 서비스됨에 따라 UHD 콘텐츠에 대한 소비자의 수요가 늘어가는 상황에서 상기 LTE망을 이용한 중계장치는 데이터 전송 한계성이 존재하였다.
즉, UHD방송을 위하여 현재 방송사들은 중계차가 진입하기 어려운 지역에서 평균 5개에서 11개의 유심이 장착된 LTE MNG 장비를 사용해 중계방송을 진행하는데, 현장에서 촬영된 영상은 여러 통신사의 유심이 장착된 LTE MNG 장비를 통해 방송국으로 전송되며, 네트워크가 원활한 통신사의 망을 통해 영상 데이터를 분할 전송하므로, 영상전송 및 서버에서의 영상처리 시간 등의 요인으로 속도 지연은 물론 화면품질 저하 등의 기술적 한계가 발생했다.
한편, 최근 국내에서는 5G 서비스가 시작되었는데, 5G의 정식 명칭은 ‘IMT-2020’으로, ① 기존 4G 대비 20배 빠른 ‘초고속’② 통신 지연이 10배 짧아지는 ‘초저지연’ ③ 연결 기기가 10배 많아지는 ‘초연결’ 등의 특징을 가진다.
이에 따라 5G기반 MNG가 개발되어 사용되고 있으나, 이는 기존 LTE MNG와 달리 일반망과 분리된 방송사 전용 5G 네트워크를 통해 UHD급 영상을 속도 지연을 최소화해 전송할 수 있도록 개발된 것으로, 1인미디어와 일반개인 등은 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
공개특허 10-2018-0036673 등록특허 10-1604002
본 발명의 목적은 전용망을 사용하지 않으면서, 일반 5G 이동 통신망의 대역폭을 초과하는 고해상도 콘텐츠를 다수의 5G 모뎀(Modem)을 동시에 사용하는 채널 본딩(Channel Bonding) 기술과, 실시간성이 요구되는 영상/음성 콘텐츠를 이동 통신망을 통해 전송 시 발생할 수 있는 망 두절 및 지연 요소를 최소화 하기 위한 채널 절체(Channel Switching) 기술을 이용하여 Full-HD는 물론 4K, 8K UHD 콘텐츠를 우수한 품질로 실시간 중계가 가능하도록 한 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 카메라로부터 획득된 신호를 5G 이동통신망을 통하여 실시간 전송할 수 있도록 신호처리하는 인코더, 상기 인코더로부터 출력되는 신호를 해당 5G 이동통신망을 통하여 전송하기위한 복수개의 모뎀을 포함하여 구성되어, 상기 복수개 모뎀 중 선택된 임의의 모뎀의 대역폭을 초과하는 콘텐츠에 대하여 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널 본딩기능과 전송되는 채널 절체신호에 따라 5G 이동통신망을 절체하는 기능을 구비하고 휴대가능하도록 구성된 인코더모듈; 상기 인코더모듈로부터 전송된 방송신호를 수신하여 다중에게 전송하고 상기 수신되 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈로 절체요청 신호를 전송하는 미디어서버;을 포함하여 구성되는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 특징은 카메라로부터 획득된 신호를 인코더모듈에서 신호변환하여 복수개의 모뎀 중 임의의 모뎀을 선택하여 5G 이동통신망을 통하여 전송하는 과정; 미디어서버에서 상기 인코더모듈로부터 전송된 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈측으로 절체요청 신호를 전송하는 과정; 상기 미디어서버로부터 채널 절체신호가 전송되면 모뎀을 변경하여 다른 5G 이동통신망으로 방송신호를 전송하는 과정;을 포함하여 구성되는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법에 있다.
상기한 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법에서 인코더모듈은 카메라로부터 전송되어 인코딩된 신호가 하나의 5G 이동 통신망의 대역폭을 초과하는 경우 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널본딩을 수행한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 5G 이동 통신망을 이용한 UHD 무선 방송 중계가 가능하게 되어, Full HD 는 물론 UHD 콘텐츠까지 중계가 가능해지므로 5G 이동 통신망을 활용한 방송국, PP(Program Provider), 1인 방송 크리에이터, 유투버 등의 시장에도 적용 가능한 효과가 있다.
3G/4G 이동통신망을 활용하는 기존의 중계장치는 카메라 화면에서 TV 모니터 화면까지의 지연시간인 Glass-to-Glass Latency가 약 500ms인데 비하여, 본 발명에 의하면 5G 이동통신망에서 최종 UHD기준 Glass-to-Glass Latency를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 휴대용 방송 중계 장치를 나타내는 도면
도 2는 5G 이동 통신망을 활용한 중계 장치를 나타내는 도면
도 3은 5G 이동 통신망을 활용한 중계 장치의 모듈별 구성을 나타내는 도면
도 4는 5G망 채널 본딩 구성을 나타내는 도면
도 5는 RTP 프로토콜 스택을 나타내는 도면
도 6은 RTP 전송 패킷 구조를 나타내는 도면
도 7은 미디어 서버와의 통신 프로토콜을 나타내는 도면
도 8은 5G망 채널 절체 구성을 나타내는 도면
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치의 실험예를 나타내는 도면
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치는 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 카메라(100)로부터 획득된 신호를 5G 이동통신망을 통하여 실시간 전송할 수 있도록 신호처리하는 인코더(210), 상기 인코더(210)로부터 출력되는 신호를 해당 5G 이동통신망을 통하여 전송하기위한 복수개의 모뎀(220)을 포함하여 구성되고, 상기 복수개 모뎀(220) 중 선택된 임의의 모뎀의 대역폭을 초과하는 콘텐츠에 대하여 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널 본딩기능과 전송되는 채널 절체신호에 따라 5G 이동통신망을 절체하는 채널 절체기능을 구비하며, 휴대가능하도록 구성되는 인코더모듈(200); 상기 인코더모듈(200)로부터 전송된 방송신호를 수신하여 다수의 단말기에서 시청할 수 있도록 전송하며, 이 과정에서 수신된 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈(200)로 절체요청 신호를 전송하는 미디어서버(300);를 포함하여 구성된다.
상기에서 인코더(210)는 카메라(100)로부터 전송된 영상 및 음성신호를 UHD A/V 데이터로 인코딩하는 인코더 모듈, 인코딩된 A/V 데이터를 5G 이동통신망의 네트워크로 실시간 전송하기 위해 RTP(real-time transport protocol) 포맷으로 변환하는 소프트웨어 처리 모듈, 다수개의 모뎀 중 하나 이상을 선택하여 5G 이동 통신망의 네트워크로 실시간 전송할 수 있도록 모뎀들을 컨트롤하는 드라이버 제어 모듈을 포함하여 구성된다.
이를 위하여 상기 인코더는 HEVC, MPEG-H, RTP, RTSP/RTP, MP2TS스트리밍 프로토콜, 웹인터페이스를 가진다.
그리고 상기 인코더는 전송하고자 하는 데이터가 하나의 5G 이동통신망의 대역폭을 초과하는 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이 다수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널 본딩(channel bonding) 기능을 수행한다.
상기에서 채널 본딩은 안정성, 데이터 처리량 및 서비스 범위를 향상 시켜 연결이 끊어지는 위험을 최소화 하려는 목적으로 사용되는 것으로, 인코더모듈의 옵션에 따라 선택된 다수개의 5G망으로 먼저 연결이 이루어지고 인코딩된 A/V 데이터가 RTP 포맷으로 변환되어 준비가 되면 선택된 5G 채널로 데이터를 분산해서 전송한다.
즉, 카메라의 4K 출력 신호는 인코더로 입력 되고 HEVC 포맷으로 인코딩 되어 5G망을 통해 전송하기 위해 실시간 통신 프로토콜인 RTP 포맷으로 변환된다.
특히 5G 이동 통신망의 대역폭을 초과하는 고해상도 UHD 콘텐츠를 중계하기 위해서 상기 인코더는 복수개의 모뎀을 사용하여 멀티 채널(국내의 경우 KT/SKT/LGU+)로 5G망을 통해 미디어 서버에 각각 연결되고 도 5 및 도 6에 나타내는 RTP/RTCP 프로토콜을 사용해 UDP(user datagram protocol)로 송수신한다.
인코더모듈(200) 에서는 각 채널로 RTP 패킷을 번갈아 전송하되 각 채널의 전송률은 RTCP 포트로 미디어서버(300)로부터 전송된 패킷 수신율을 지속적으로(1초주기 등)모니터링하고 망 상태에 따라 전송 QoS(Quality of Service) 를 조절 하면서 전송한다.
상기에서 QoS는 다른 응용 프로그램, 사용자, 데이터 흐름 등에 우선 순위를 정하여, 데이터 전송에 특정 수준의 성능을 보장하기 위한 능력을 말한다.
또한 비디오 인코더 매개 변수 (예: 프레임, 속도, 품질 및 해상도) 를 실시간으로 수정하여 모든 링크의 사용 가능한 대역폭으로 전송을 최적화 한다.
미디어 서버(300)에서는 도 7에 나타내는 바와 같이 각 채널의 포트 번호로 수신된 다중 비디오 스트림 RTP 데이터를 헤더의 패킷번호로 재조합하여 최종적으로는 RTSP 미디어 서버의 역할을 수행한다.
이러한 미디어 서버(300)는 수신 품질 즉 수신율을 모니터링 하다가, 수신율이 나빠지면 RTCP 연결 포트를 통해 절체 요청 신호를 인코더모듈(200)측으로 보내게 되고 인코더모듈(200)은 절체요청을 수신하게 되면 도 8에 나타내는 바와 같이 기존 5G 망 연결을 끊고 다른 5G망으로 연결 및 데이터를 전송한다.
한편, 상기한 인코더모듈과 미디어 서버는 RTCP 를 통해서 양방향 통신을 수행하므로, 인코더모듈에서 미디어서버로부터 일정 시간동안 모니터링 데이터가 들어오지 않으면 망에 문제가 있는 것으로 판단하여 자체적으로 채널 절체 기능을 수행한다.
상기와 같은 본 발명의 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치 성능을 확인하였다.
우선 4K UHD 인코딩 지연시간을 확인하기 위하여 도 9에 나타내는 바와 같이 4K UHD STB(Set Top Box)에 저장된 AV파일의 플레이아웃(Play out)을 통해 출력되는 신호를 HDMI 분배기를 거쳐 DUT인 Encoder 모듈(200)로 입력한다. AV파일의 설정과 인코더 설정은 표 1과 같다.
Figure pat00001
상기에서 인코더모듈의 출력은 이더넷 케이블로 미디어서버(300) 입력과 연결하고, 인코더모듈에서 노트북 PC를 통해 제공하는 Log메시지를 통해 인코딩 지연시간을 확인하고, 4K UHD STB출력 모니터와 미디어서버의 출력 모니터의 타임 코드(고속 카메라를 통해 촬영된 영상)를 비교하여 encoder-decoder지연시간을 확인한다.
그리고 4K UHD 비디오 전송율을 확인하기 위하여 도 10에 나타내는 구성을 이용하여, 4K UHD STB에서 플레이아웃한 영상을 HDMI분배기를 거쳐 인코더모듈(200)로 입력한다. AV파일의 설정과 인코더 설정은 표 2와 같다.
Figure pat00002
인코더에서 출력되는 압축 스트림은 이더넷 케이블로 미디어서버(300)에 입력된다.
미디어서버에서 노트북 PC로 출력하는 로그메시지를 통해 비트율이 35Mbps까지 지원함을 확인하고, 미디어서버에서 인코더 스트림을 캡쳐하여 다음(Daum) 팟 플레이어로 분석하고, 인코더 출력 스트림이 HEVC인지 35Mbps까지 지원하는지 확인한다.
Glass-to-Glass Latency를 확인하기 위하여, 도 11에 나타내는 구성을 이용하여 인코더 입력부터 인코딩 및 5G채널을 통해 전송된 후 미디어서버에서 재생하기까지 소요되는 시간을 측정한다.
이를 위하여 타임코드가 표시되는 영상을 4K UHD STB에서 플레이아웃하여 HDMI분배기를 거쳐 인코더로 입력한다. 이때 AV파일의 설정과 인코더 설정은 표 3과 같다.
Figure pat00003
모뎀을 대신할 스마트폰을 usb테더링하고, dut의 ip할당을 확인하며, H.265로 압축된 신호는 5G 스마트폰을 거쳐 5G망(KT)을 통해 미디어 서버로 입력되고, 미디어서버와 연결된 모니터에서 재생되는 영상이 표시하는 타임코드와 소스 영상에서 표시하는 타임 코드를 동시에 촬영한 다음 시간 차이를 구하여 기록한다.
상기에서 4K UHD 인코딩 지연 시간 측정결과, Encoder 지연시간이 최대 88.41msec이고, Encoder-Decoder지연시간은 233msec이다.
4K UHD 비디오 전송율 시험결과는 HEVC지원이 확인되고, 35Mbps지원이 확인된다.
Glass-to-Glass Latency는 최대 334msec이다.
100 : 카메라 200 : 인코더 모듈
300 : 미디어서버

Claims (5)

  1. 카메라(100)로부터 획득된 신호를 5G 이동통신망을 통하여 실시간 전송할 수 있도록 신호처리하는 인코더(210), 상기 인코더(210)로부터 출력되는 신호를 해당 5G 이동통신망을 통하여 전송하기위한 복수개의 모뎀(220)을 포함하여 구성되고, 상기 복수개 모뎀(220) 중 선택된 임의의 모뎀의 대역폭을 초과하는 콘텐츠에 대하여 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널 본딩기능과 전송되는 채널 절체신호에 따라 5G 이동통신망을 절체하는 채널 절체기능을 구비하며, 휴대가능하도록 구성되는 인코더모듈(200);
    상기 인코더모듈(200)로부터 전송된 방송신호를 수신하여 다수의 단말기에서 시청할 수 있도록 전송하며, 이 과정에서 수신된 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈(200)로 절체요청 신호를 전송하는 미디어서버(300);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계장치.
  2. 카메라로부터 획득된 신호를 인코더모듈에서 신호변환하여 복수개의 모뎀 중 임의의 모뎀을 선택하여 5G 이동통신망을 통하여 전송하는 과정;
    미디어서버에서 상기 인코더모듈로부터 전송된 방송신호의 전송품질을 측정하여 기 설정치 이하일 경우 인코더모듈측으로 절체요청 신호를 전송하는 과정;
    상기 미디어서버로부터 채널 절체신호가 전송되면 모뎀을 변경하여 다른 5G 이동통신망으로 방송신호를 전송하는 과정;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법에서 인코더모듈은 카메라로부터 전송되어 인코딩된 신호가 하나의 5G 이동 통신망의 대역폭을 초과하는 경우 복수개의 모뎀을 동시에 사용하는 채널본딩을 수행하는것을 특징으로 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법.
  4. 제 2항에 있어서, 미디어서버에서 수신된 다중 비디오 스트림 RTP 데이터를 헤더의 패킷번호로 재조합하는 것을 특징으로 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법.
  5. 제 2항에 있어서, 인코더모듈과 미디어 서버는 RTCP 를 통해서 양방향 통신을 수행하므로, 인코더모듈에서 미디어서버로부터 일정 시간동안 모니터링 데이터가 들어오지 않으면 망에 문제가 있는 것으로 판단하여 자체적으로 채널 절체 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 5G 이동 통신망을 이용한 휴대용 무선 방송 중계방법.
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