IPTV용 DSL 셋탑박스 설계 및 구축 문제 - Technology

부품 업체들이 인터페이스 및 설계 문제를 해결하여 완벽하게 설계되고 문서화된 개발 보드를 내놓기 시작했다. 이 개발 보드는 비디오 대역폭, 서비스 품질(QoS), 임펄스 응답 보호(INP) 등 시장의 요구를 충족하는 DSL 셋탑박스를 간편하고 신속히 설계하고 구축하면서, DSL 셋탑박스 시장이 빠르게 성장할 수 있도록 돕는다.

글│Michael VanBreda, Neil Quarmby, 텍사스 인스트루먼트(TI)

자체적인 제품을 처음부터 설계하고 구축해야 하는 이유로, 소수의 사업자만이 DSL 셋탑박스라고 부르는 통합형 DSL 모뎀/IP 셋탑박스를 채택하고 있다. 제조업체(OEM) 및 설계생산(ODM)업체는 이러한 이유로 아직까지 시장에 진출하지 않고 있다. 대부분 주요 부품을 인터페이싱 하는 부분의 어려움과 설계 문제 때문이다.

그러나 이제 부품 업체들이 인터페이스 및 설계 문제를 해결하여 완벽하게 설계되고 문서화된 개발 보드를 내놓기 시작했다. 이 개발 보드는 비디오 대역폭, 서비스 품질(QoS), 임펄스 응답 보호(INP) 등 시장의 요구를 충족하는 DSL 셋탑박스를 간편하고 신속히 설계하고 구축하면서, DSL 셋탑박스 시장이 빠르게 성장할 수 있도록 돕는다.

IPTV over DSL 시장의 성장

케이블 다중 서비스 사업자는 하이브리드 광섬유/동축(Fiber/Coaxial) 케이블 인프라 및 임대 회선을 이용하여 고객들에게 트리플 플레이 비디오, 케이블 모뎀 기반 데이터 서비스, 음성 서비스를 제공해 큰 성공을 거두었다. 통신업체는 여기에 대응해 DSL 인프라를 보강하고 대역폭 효율적 비디오 코덱을 이용했다.

유비쿼터스 광대역 보급을 위한 킬러 애플리케이션인 인터넷 프로토콜 텔레비전(IPTV)을 추가하여 자체적인 트리플 플레이를 제공하고 있다. 특히 IPTV는 첨단 코덱을 이용할 시, 다중 비디오 채널을 지원할 수 있기 때문에 미국 내 다중 TV 가구에서 인기가 높아지고 있다.

IPTV는 2010년까지 디지털 TV 시장의 1/3 가량 성장할 것으로 전망한다. 통신업체는 ADSL/ADSL2+ 또는 VDSL을 이용해 가정에 IPTV 트리플 플레이 컨텐츠를 전송한다. 사업자 및 서비스 제공업체는 가정용 Video-over-ADSL의 시장 시험 운용을 발표했다.

일부 분석 보고서에 따르면, DSL 셋탑박스는 2008년 7백만 대 이상 및 7억 달러 이상의 매출액을 보일 것이라 전망했다.

MPEG2를 이용했을 때, HDTV 콘텐츠의 단일 채널은 20Mbps의 대역폭을 필요로 하며, SDTV 콘텐츠는 4Mbps를 필요로 한다. 서비스 제공업체가 최소한으로 요구한 2채널의 콘텐츠가 정착되고 있어, 더 효율적인 코덱을 필요로 하고 있다.

두 경쟁 업체는 MPEG4 Part 10의 H.264 형식 및 VC-1 첨단 코덱으로, MPEG2에 비해 2.5배~3배의 대역폭 효율을 향상시킨다. 3.5Mbps~5Mbps의 대역폭을 필요로 하는 SDTV 콘텐츠에 첨단 코덱을 이용함으로써, 대략 1.5Mbps만으로 제공할 수 있다. 첨단 코덱은 IPTV 네트워크의 범위를 경제적으로 확장하므로, 더 많은 가구에 서비스를 제공할 수 있다.

통합형 DSL 셋탑박스 개발의 과제

셋탑박스는 가정용 Video-over-ADSL에 시험 운용을 발표한 사업자 및 서비스 제공업체에게 있어 중요한 해결 과제이다. 고객들은 현행 TV 서비스와 동일한 비디오 품질을 기대하고 있다.

이를 위해서는 대량의 파일 다운로드가 TV 수신을 방해하지 않도록 정교한 QoS 기법이 필요하다. 초퍼 라인(Chopper Line)에 나타나는 랜덤 잡음 버스트 또한 해결해야 할 문제이다. 신형 코덱이나 INP 기법 등 급격한 기술의 변화는 새 기술을 신속하게 구현하기 위해 유연성을 필요로 한다.

이 과제를 해결하기 위해 사업자는, 셋탑박스 제조업체/제조생산업체가 TV 세트에 DSL 모뎀과 IP 셋탑박스 2개의 별도의 박스를 이용해야 하는 현행 기술로부터 변화할 것을 요구한다. 2개의 박스를 이용하는 것은 가격을 높일 뿐만 아니라, 더 복잡하게 하고, 결함을 늘인다. 단일화된 박스를 이용하는 것이 영화 컨텐츠를 보호하는 것에서도 더 편리하다.

또한 사업자는 무선 근거리 통신 네트워크(WLAN)나 개인 비디오 레코더(PVR) 등 추가적인 기능이 셋탑박스에 통합되기를 바라고 있다.

대다수 사업자는 각자의 주력 분야에 집중하면서, 장비 설계 부담 및 관련 위험성을 제조업체/설계생산업체에게로 넘기려 하고 있다. 그러나 현재까지는 제조업체/설계생산업체들이 통합 DSL/IP 셋탑박스 시장에 선뜻 뛰어들지 않고 있다.

이제 막 시작되려는 시장을 위해 높은 비용의 설계 책임을 떠맡고 싶지 않기 때문이다. 결과적으로 통합형 솔루션으로 이 시장에 진출하기로 결정한 선두 사업자는 자체적인 고객 댁내 장비(CPE)를 설계하고, 납품 업체와 협력하게 되었다. 이탈리아의 FastWeb, 프랑스의 Free, 영국의 Homechoice 등의 사업자가 모두 이 방법을 취하고 있다.

차세대 개발 보드

통합형 DSL 셋탑박스를 제공하기 위해 시간, 비용, 위험을 현저히 감소시키는 차세대의 개발 보드가 등장하고 있다. TI의 AR7 개발 보드가 그 예이다.

이 보드는 AR7 DSL 및 DM642 비디오 칩을 통합하여, 위에서 언급한 3개 사업자를 포함한 대부분의 통합형 셋탑박스에 이용되고 있다. DM642는 TI의 TMD320C64x DSP 코어를 기반으로 한 제품으로, 비디오 및 이미징 애플리케이션을 가속화하기 위해 명령세트 확장하여, 폭넓은 소프트웨어 프로그램 가능성을 제공한다.

사용자의 경우를 예로 들면, MPEG2 제품을 출시한 후에 H.264 비디오 코덱으로 업그레이드할 수도 있다. AR7 제품은 칩의 DSL 일차 라우터로, 시장 점유율이 높다. 칩의 AR7 라우터 내 MIPS CPU가 DSL 링크 관리를 담당하고, IP 라우팅 및 전송 스트림 역다중화(demutiplexing)를 수행해 DSP로 원시 압축 오디오/비디오 데이터를 제공한다.

주요 인터페이스

설계 시간을 단축할 수 있는 차세대의 개발 보드의 가장 중요한 특징은 DSL과 비디오 칩 사이에 통합을 관리하는 것이다. 예를 들면, 보통 외부 메모리 인터페이스(EMIF)를 이용해 DSP를 SRAM, 플래시 RAM, DDR-RAM 등 다양한 유형의 메모리 디바이스에 연결한다.

AR7에서는 AR7이 마스터로 동작하고, DM642가 슬레이브로 동작해서 이 인터페이스를 이용해서 AR7로부터의 트래픽을 DM642 상의 HPI 비디오 인터페이스로 전송한다. 부트업(Bootup) 시에는 AR7이 먼저 가동되고, 이어 DM642를 가동시킨다.

그 다음 DM642의 대량 큐(Queue)로 비디오가 제공된다. AR7이 대량 큐로 흐름 제어를 처리하고, DM642의 비디오 드라이버가 칩 상의 4개 큐의 비디오 이동을 처리한다. 그런 다음 DM642가 비디오 스트림을 디코딩하고 화면에 비디오를 표시한다.

인터페이스의 개발로, 셋탑박스에 무선 LAN이나 VoIP 등의 기능을 추가하는 작업이 간소화된다. 다른 기술로 연결할 수 있도록 하는 VLYNQ 기술이 바로 그 예다. 이 인터페이스는 3핀 및 5핀으로 구현할 수 있는 직렬 버스를 이용한다. 하나의 핀이 명령 라인으로 이용되는데, 3핀 구현은 각각 하나, 5핀 구현은 각각 2개의 전송 및 수신 라인을 이용한다.

이 인터페이스를 통해 연결된 2개의 디바이스가 상대방 메모리로 맵핑할 수 있도록 함으로써, 추가된 칩을 통합하는 작업이 대폭 간소화된다. 이로써 각각의 칩으로 실행되는 프로그램이 자체 메모리를 액세스할 때 이용하는 동일한 호출을 이용해, 상대방 메모리를 액세스할 수 있다.

따라서 새로운 기능을 제공하기 위해 소프트웨어를 제작하거나 수정에 필요한 시간이 대폭으로 단축된다. 특히 일반적인 셋탑박스 애드 온(Add-on)에서의 요구처럼, 칩 사이에 패킷을 전송하는 것이 매우 편리하다. FPGA (Field Programmable Gate Array) 업체들은 자사 제품에 인터페이스를 통합하는 것을 편리하게 하는 익스텐더(Extender)를 제공하면서 이 기술을 지원하기 시작했다.

다만, 유의해야 할 것은 이러한 유형의 직렬 인터페이스는 20Mbps 이상의 높은 데이터 대역폭을 필요로 하는 애플리케이션용으로 설계되지 않았다 점이다.

QoS 및 INP

DSL 셋탑박스는 무엇보다도 서비스 품질이 중요하다. 라우터를 통해 이동하는 비디오, 데이터, 음성 패킷을 구분하고, 각각에 적절한 우선 순위를 부여해야 하기 때문이다. 이것의 목적은 컴퓨터를 켜서 큰 파일을 다운로드하는 과정에서 TV 화질이 급격하게 저하되는 결과를 막기 위해서다. 일반적인 패킷 액셀레이터는 우선 순위의 큐잉 기능을 이용해, 우선순위 TCP Ack 패킷을 다른 업스트림 트래픽 보다 먼저 전송함으로써 처리량(Throuput)이 최대 3배까지 높아진다.

비디오 패킷은 일반적으로 서비스 타입(TOS) 비트로 표시한다. 별도의 큐로 보내 TV 방송 채널을 방해하는 것을 막기 위해 다른 패킷 보다 먼저 전송할 수 있다. 또 다른 기능은 IGMP 패킷의 DSLAM으로 가입 요청을 전송하여, 방송 채널을 제공하는 멀티캐스트 스트림을 수신하는 것이다. 이는 셋탑박스 및 백 오피스 모두가 이 기능을 지원해야 가능하다.

또 다른 복잡한 문제는 사람이 입술을 움직이는 것과 동시에 목소리가 스피커를 통해 재생되도록 하는 것이다. 오디오를 매칭되는 비디오와 같은 시간에 립싱크 또는 디코딩되도록 해야 한다. 2개의 각 데이터 스트림이 각 패킷에 타임 스탬프를 가지고 있어서, 자신이 생성된 시간을 표시한다.

비디오 패킷이 디코딩하기 위해서는 훨씬 더 긴 시간이 소요되므로, DSP 프로세서에서 알고리즘이 실행되어 오디오 패킷을 지연해서 매칭되는 비디오 패킷과 같은 순간에 디코딩되도록 한다. 만약 어떤 패킷이 소실되면 알고리즘이 공백 패킷을 생성해 그 공백을 채운다. 따라서 되감기 및 빨리 감기 동작이 이 알고리즘에 상당한 스트레스를 가한다.

DSL 전송에 이용되는 것과 같은 초퍼 라인(Copper Line)은 보통 전자파장애(Electromagnetic Interference)에 의해 발생하는 임펄스 잡음에 취약하다. 임펄스 잡음은 순환 중복 검사(CRC: Cyclical Redundancy Check) 오류를 발생시켜, 처리량을 감소시키며 DSL 라인에 재학습을 필요로 한다. IPTV 서비스나 DSL을 제공하는 사업자는 이러한 유형의 잡음 때문에, 방송 TV 서비스의 방해를 방지하는 것을 매우 중요시 여긴다.

INP 오류 교정 전략은 리드 솔로몬(Reed-Solomon) 코딩과 나선형의 인터리빙의 조합을 포함하고 있는데, 여기에서의 프레이밍 파라미터는 표준의 지정에 따라 다양한 값 중에서 선택할 수 있다. 인터리빙이 패킷을 분할해 각각 간격을 두고 전송함으로써 오랜 시간 동안 신호를 소실할 수 있는 위험을 낮춘다.

프레이밍 파라미터(Framing Para-meter)는 잡음 때문에 소실된 패킷을 재생할 수 있도록 중복으로 전송되는 정보양의 지수다. 프레이밍 파라미터 1은 250us의 버스트를 방지하고, 프레이밍 파라미터 2는 500us의 버스트를 방지할 수 있다. 프레이밍 파라미터의 값을 높이면 DSP 프로세서의 메모리 요구도 높아진다. ADSL2에서는 INP를 도입했는데, 이 값이 높으면 임펄스 잡음 방지는 향상되나 서비스 속도는 낮은 수준으로 제한된다.

ADSL2+ 표준의 G.995.5 Amend-ment 3은 2이상의 프레이밍 파라미터를 지원한다. IPTV over DSL 서비스의 성공을 위해서는 INP 값이 2 이상으로 확장된 프레이밍 파라미터가 필요하다. 최근 TI의 DSL 펌웨어는 확장 프레이밍 파라미터(G.995.5 Amendment 3)를 지원하는 것으로, Belgacom TV의 IPTV에 이미 이용되고 있다. TI는 INP 값 2 이상의 선택적 프레이밍 파라미터를 위한 지원을 추가하고 있으며, ADSL2+ Annex A 및 B 모두 지원할 계획이다.

통합형 개발 보드는 제조업체/제조생산업체가 첨단의 통합형 DSL 모뎀/IPTV 셋탑박스를 설계하고 제조하는 시간을 상당히 단축시킨다. 써드파티 제품이 비디오/이미징/알고리즘 개발, 시스템 통합, 운영체계 지원을 위한 스트리밍 범용 솔루션을 제공함으로써, 컨셉 단계에서부터 수익 발생 시기까지 걸리는 시간을 감소시킨다. VoIP 및 무선 홈 네트워킹 기능을 추가한 DSL 가정용 게이트웨이 레퍼런스 디자인을 이용할 수 있다. 광대역 랩에서 이루어진 광범위한 테스트와 실제로 구축하면서 쌓인 현장 경험을 활용하여, 개발 보드로 발로 설치할 수 있는 통합형의 사업자 품질 제품을 신속하게 개발할 수 있을 것이다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 12월호>