A Study on the Frequency Analysis of Available Channels in TVWS around the West Sea of Korea (Incheon-Jejudo)

대한민국 서해상 (인천-제주도)에서의 TVWS 가용채널 주파수 분석에 관한 연구

Abstract

This paper is the study in Korea to secure new frequency resources available at sea among terrestrial DTV (Digital TV) broadcasting bands. Focusing on Incheon and Jejudo in the west Sea of Korea, the possibility of using TVWS frequencies of DTV broadcast signals (channels 14-51, 470~698 MHz) was studied. According to the analysis, three channels, channel 19 (503 MHz), channel 37 (611 MHz) and channel 39 (623 MHz) can be used as TVWS available channels without interference with DTV in all nearby seas such as Incheon Port and Jeju Port. On the other hand, two channels, Channel 23 (527 MHz) and Channel 33 (587 MHz), were divided into strong DTV signals in the section between Incheon Port and Jeju Port, making it difficult to use them as available frequencies for TVWS on the west coast.

본 논문은 지상파 DTV (Digital TV) 방송 대역을 대상으로 서해상에서 활용 가능한 새로운 주파수 자원에 대한 연구이다. 우리나라 서해의 인천-제주도 해상 구간을 중심으로 DTV 방송 신호 (채널 14 51번, 470 698 MHz)의 TVWS (TV White Space) 주파수 이용 가능성을 연구하였다. 분석 결과 채널 19번(503 MHz), 채널 37번(611 MHz), 채널 39번(623 MHz) 3개 채널은 인천항-제주항 구간 및 인근 모든 바다에서 DTV와 혼신 없이 TVWS 가용 채널로 활용 할 수 있는 것으로 파악 되었다. 반면 채널 23번(527 MHz), 채널 33번(587 MHz) 2개 채널은 인천항-제주항 구간 전체에서 DTV 신호가 강한 것으로 분석되어 서해안에서 TVWS 가용 주파수로 활용이 어려운 것으로 분석되었다.

Ⅰ. 서론

오늘날 주파수 자원의 활용 영역은 비단 방송 통신 분야에 국한되지 않으며, 교통 및 의료, 환경 분야 등 국민의 일상생활을 포괄하는 사회 전 분야로 확대, 재생산되고 있다. 이에 따른 다양한 신규 모바일서비스의 확대와 고용량 멀티미디어 콘텐츠 수요의 증가로 인해 무선 트래픽 수요급증에 대처하기 위한 주파수 확보 및 이용 효율화 방안에 대한 필요성이 점차 강조되고 있는 추세이다[1], [2]. 또한 해상에서의 주파수이용에 대한 수요도 날로 증가하고 있는 추세이며, 최근 주로 지상에서 이용되는 사물인터넷 서비스의 확대를 위해 청풍호와 소양호의 유람선에서 TVWS 이용을 위한 실험이 추진되었다[3]. 한편 해상에서는 선박과 해양플랜트에서 통신 시스템의 데이터 처리증가 및 가두리 양식장 등의 스마트팜 추진 등에 따라서 TVWS를 기반으로 한 무선통망의 이용이 예상된다[4], [5].

TVWS(TV White Space) 서비스는 일반적으로 국립전파연구원에서 제공하는 가용채널 검색시스템에 접속하여 서비스를 이용하고자 하는 장소의 주소 또는 좌표(위도, 경도)를 입력하여 그 지점의 가용 주파수 현황을 파악한 후 이용이 가능하다. TVWS는 표 1과 같이 다양한 서비스에 이용이 가능하다[6].

표 1. TVWS 활용 주요 서비스분류

Table 1. Key service categories utilizing TVWS.

TVWS는 일반적으로 기존 Wi-Fi 대비 9배이상의 전송 커버리지를 가짐과 동시에 투과율이 우수하며, TV 방송용으로 할당된 1 GHz 미만의 주파수 대역 중 지역적(공간적)으로 사용되고 있지 않는 대역으로 정의된다. 국내에서는 DTV 서비스 전환 이후 할당된 채널 14번에서 채널 51번 사이의 주파수 대역(470～698 MHz)이 이에 해당 된다.

TVWS는 사용 가능한 채널 수가 지역별로 상이하므로, 지역특성에 맞는 서비스를 선택적으로 이용해야 한다. 즉, 인구가 밀집되어있는 대도시 지역에 비해 교외 및 농어촌 지역에서 가용TVWS 채널 확보 가용이 할 것으로 판단되고 있다[7].

한편 해상무선통신망 (LTE-M)은 기존 700 MHz 대역의 20 MHz 대역폭을 재난안전통신망 (PS-LTE), 철도통합무선통신망 (LTE-R) 등과 동일한 주파수를 공동으로이용하며, 해상안전을 위한 공공 전용 주파수로 인터넷서비스 및 IoT 등 일반적인 무선통신 용도의 주파수 사용이 불가하다[8].

현재 육상 이동 통신망은 고속의 유비쿼터스 환경을 제공하고 있으나, 이를 해상까지 확장하기 위해서는 여러 가지 기술적인 문제를 해결해야 한다. 해상에서 육상 통신의 품질을 유지하기 위해서는 해안가에 설치된 많은 기지국들의 출력을 높여야 하므로, 설치 및 유지에 따른 경제적 비용이 매우 크다. 또한 장거리 통신에 사용되는 HF 대역은 밤과 낮, 계절별 등 환경에 따라 통신 상태가 변하기 때문에 신뢰성 있는 고속 데이터 통신이 어렵다[9].

지상파방송사업은 방송을 목적으로 하는 지상의 무선국을 관리ㆍ운영하며 이를 이용하여 방송을 행하는 사업이며, 지상파 DTV 신호는 지상에 설치된 송신소를 통해서 DTV 방송 수신을 목적으로 하는 서비스다[10], [11].

지상파방송은 그 방송권역 내에서만 시청할 수 있는 것이 원칙이고[12], 방송권역은 방송사가 허가를 받을 때 전파도달 범위를 정한 것을 말한다. 방송권역을 설정하는 목적은 기술적인 목적과 지역방송 보호정책의 목적을 가지고 있다. 기술적인 목적으로는 지상파방송의 주파수가 혼신을 일으키지 않도록 각 지역별로 방송구역을 정하여 그 구역 내에서 방송하도록 한 조치이다. 그러나 방송권역이 단지 기술적 문제만 관련되지는 않다. 그것은 방송권역이라는 장치를 통해서 지역방송을 보호하기 위한 성격 역시 강하다[13].

위의 연구결과에 따르면 방송권역은 기술적 경제적 요소를 모두 내포하고 있으며 이에 따라서 해상은 방송사의 DTV 방송 권역에서 벗어나 있다고 할 수 있다. 다만 방송전파의 특성상 육상에 인접한 해상 및 도서에 서비스를 제공하기 위한 일부 지상파 DTV 신호가 해상에서 수신되는 것이라 할 수 있다. 따라서 해상에서는 육상보다 더 좋은 환경에서 TVWS 가용채널을 이용할 수 있을 것으로 예상된다.

만약 해상에서 DTV 방송 채널 중 지역적으로 사용되지 않는 채널이 파악된다면 전파 간섭없이 TVWS 가용채널로 사용할 수 있는 새로운 주파수 자원이 확보 되는 것이다. 따라서 서해상의 인천항-제주항 구간의 항로를 중심으로 해상에서 선박을 이용해 DTV 신호를 수신하여 측정 분석하였다.

인천항-제주도 구간의 화물선에서 측정한 데이타는 총 9,652개 (254지점 x 38개 방송 채널) 이며. 38개 채널 데이터 각각에 대해서 측정시각, 수신지점의 위도, 경도 및 전계 강도를 함께 기록하였다.

우리나라 「방송구역전계강도의 기준·작성요령 및 표시방법」은 표 2와 같다[14].

표 2. 방송구역 전계강도의 기준·작성 요령 및 표시방법[14]

Table 2. Criteria, preparation and indication method of electric field strength in broadcasting area[14].

UHF 대역을 이용하는 470~698MHz (채널 14–51번)의 방송수신 전계강도는 41 dBuV/m 이상 되어야 하며 수신전력 (dBm)으로 환산하면 약 –68 dBm (75 Ω 기준)이다.

한편 국내 DTV 전송규격은 ATSC방식의 단일 반송파의 8-VSB(Vestigial Side Band) 변조 방식을 채택하고 있다[15]. 근래 디지털 실리콘 튜너의 개발로 수신기의 노이즈 특성이 개선되어 초기 수신기의 임계 수신전력 이었던 –78 dBm 보다 약 6dB 낮은 –84 dBm 까지 지원하는 수신기가 2005년 이후 등장하였다[16].

따라서 방송구역 전계강도는 –68 dBm 이지만 실질적으로 수신전력 –84 dBm 신호까지 DTV 시청이 가능하기 때문에 비록 해상이지만 방송수신을 보장하는 의미에서 –84 dBm 까지 방송 신호를 보호하는 것으로 기준을 삼았다.

인천항에서 제주항까지 거리는 약 490 km 이며 소요 시간은 약 23시간 정도이다. 선박에 설치된 DTV 방송 신호 수신 및 측정 시스템은 38개 채널을 매 6분 주기로 지점의 위도 경도와 함께 전계강도를 측정 저장하였다.

Ⅱ. 본론

2-1 TVWS 개념

TVWS는 DTV 방송 대역인(54~698 MHz) 중 방송국간의 간섭방지를 위하여 지역적으로 사용하지 않고 비어 있는 주파수 대역을 의미한다. 그러나 우리나라는 방송 주파수 정책에 따라서 VHF 대역을 제외한 UHF (470~698 ㎒)대역만을 TVWS 주파수 용도로 사용할 수 있다.

TVWS 주파수 대역은 2.4 GHz 또는 5.8 GHz 대역을 이용하는 WiFi 서비스보다 전파특성이 좋은 UHF 저 대역을 이용하므로 농촌, 산간 및 해상지역 등을 대상으로 넓은 지역의 구축 비용을 절감할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그림 1 은 국내 DTV 방송 대역 및 TVWS 대역을 보여준다.

그림 1. 국내 DTV 방송 대역 및 TVWS 대역

Fig. 1. Domestic DTV Broadcast Band and TVWS Band (DTV* : DTV 예비 대역(reserved band)).

2-2 선박 및 휴대형 TVWS 주파수 측정 장비

인천항-제주항 구간의 TVWS 측정에는 선사의 협조를 통해서 정규 화물선을 이용했다. 선상에서의 DTV 신호 측정이라는 특수성을 고려해서 현장에서 발생할 수 있는 문제를 최소화하기 위해서 사전 점검을 통해서, 측정 장비의 휴대성과 측정용 안테나의 결속 위치와 방법 등에 대해 사전에 검토했다.

또한, 안전하고 정확한 선상 측정을 위해 해운사와 선박안전에 대한 교육, 측정 장비 설치 및 선상 위 안테나 설치 협조, 측정 인원에 대한 사전 승인 등 몇가지 사항에 대한 사전 협의를 했다. 해상을 운행하는 선박에서의 측정이므로 파도와 바람에 의한 흔들림과 안전을 고려하여 외부에 설치하는 안테나에 대해서는 결속을 철저히 하였으며 선상 측정에 활용된 장비는 표 3과 같다.

표 3. 해상 주파수 측정 시스템 상세 제원

Table 3. Detailed Specifications of Marine Frequency Measurement System.

2-3 인천항-제주항 구간 측정결과 분석

인천항-제주항 왕복 구간의 38개 DTV 채널별 254개 지점 신호(38개 채널의 총 데이터는 9,652개)의 수신 레벨의 평균값을 분석한 결과 그림 2와 같이 채널의 평균 수신레벨이 가용채널 기준인 –84 dBm 보다 낮은 24개의 채널이 TVWS 가용 채널의 후보로 판별 되었다. 그리고 각 채널 별로 DTV 채널 신호의 저수신레벨 지점 비율을 분석한 결과는 그림 3과 같다.

그림 2. 인천-제주 서해상의 수신레벨 평균이 –84dBm보다 낮은 22개 TVWS 가용채널 후보

Fig. 2. 22 TVWS available channel candidates whose average reception level is lower than–84 dBm in the West Sea (Incheon-Jeju).

그림 3. 각 채널별 저 수신레벨 지점의 비율

Fig. 3. Percentage of low-reception level points for each channel.​​​​​​​

만약 두 채널의 수신레벨 평균값이 –84 dBm 이하로 동일한 값을 갖더라도, -84 dBm 보다 높은 지점의 수는 다를 수 있기 때문에, 이를 반영하기 위해 –84 dBm 이하인 지점 수의 비율을 함께 고려하여 최종적으로 TVWS 가용 채널을 평가하였다.

표 4의 ***로 표시된 3개 채널 (19, 37, 39번)은 254개 지점 중 80% 이상의 지점에서 저 수신레벨로 분석되었고 동시에 평균 수신레벨도 기준인 –84 dBm 보다 더 낮은 –90 dBm 이하로 분석된 우수한 TVWS 가용채널 들이다. 또한 **로 표시된 8개 채널 (26, 41, 43, 45, 47, 48, 50, 51번)도 평균 수신레벨이 –84 dBm 보다 낮으면서 70% 이상의 지점에서 저 수신레벨로 분석되어, TVWS 가용채널로 사용하기에 적정한 것으로 분석되었다. 한편 *로 표시된 11개 채널은 수신레벨이 –84 dBm 보다 낮지만 저 수신레벨의 비율이 70% 이하로 매우 한정적인 지역에서만 TVWS 가용채널로 이용할 수 있는 것으로 분석 되었다. 그림 3과 그림 4, 그리고 표 4를 통해서는 어느 지점에서 어느 DTV 채널을 TVWS 가용채널로 사용할 수 있는지 알기 어렵다.

표 4. 지상파방송 채널별 평균 수신레벨 및 저 수신레벨 지점비율

Table 4. Average reception level by DTV channel and ratio of low reception level points below –84 dBm.​​​​​​​

그림 4. KBS 수신 안내 지도를 이용한 DTV 방송 채널 현황

Fig. 4. Status of DTV broadcast reception using KBS reception guidance map.​​​​​​​

또한 한 지점에서 다수의 DTV 채널이 수신되는 현상을 파악하기 위해서 추가적인 조사가 필요했다.

이와 같은 인천항-제주항 구간의 해상에서 수신되는 DTV 방송 채널들의 신호원을 파악하기 위해서 KBS 수신 안내 지도(https://map.kbs.co.kr/map.jsp) 사이트를 그림 4와 같이 활용했다.

이 사이트를 이용해서 각 지역에서 수신된 신호를 파악해 보면 인천항 주변에서는 인천지역 뿐만 아니라, 서울 관악산 송신소의 DTV 신호도 수신되는 것으로 파악되었다. 한편 태안 지역 인근 서해상에서는 충남지역 뿐만 아니라 경기도의 광교산중계소의 신호가 수신되었다.

군산 인근 서해상은 충남 및 광주 송신소의 DTV 신호가 수신되는 것으로 파악되었다. 전남 흑산도 인근 해상에서는 목포, 해남, 광주 등의 송신소 신호가 수신 되었으며, 북제주 인근 해상에서는 제주도와 해남군의 신호가 수신되는 것으로 파악되었다[17].

이와 같이 KBS 수신 안내 지도는 방송망을 구성하는 송신시설 정보와 지도정보를 기반으로 전파분석기법을 적용하여 시청자의 위치에서 지상파 방송 직접 수신정보를 얻을 수 있도록 개발된 시스템이다[18]. 이를 통해서 파악된 인근의 송신소 및 중계소로부터 송신되는 DTV 신호를 파악할 수 있었으며, 이들 DTV 신호를 인터넷에서 제공하는 KSB 송신소의 위치와 출력정보 등을 이용해서 표 5, 표 6, 표 7, 표 8, 표 9 와 같이 정리하였다[19]-[28].

표 5. 인천항 인근 해상의 DTV 방송채널 및 송신소 현황

Table 5. Status of received DTV channels and transmitters in Incheon Port and the nearby Sea.

표 6. 태안 인근 해상의 방송채널 및 송신소 현황

Table 6. Status of received broadcasting channels and transmitters in the seas near Taean.

표 7. 군산 인근 해상의 DTV 방송채널 및 송신소 현황

Table 7. Status of received DTV channels and transmitters in the sea near Gunsan.

표 8. 흑산도 인근 해상의 DTV 방송채널 및 송신소 현황

Table 8. Status of received DTV channels and transmitters in the sea near Heuksando.

표 9. 제주도 인근 해상의 DTV 방송채널 및 송신소 현황

Table 9. Status of received DTV channels and transmitters in the sea near Jejudo.

표 5 ~ 표 9를 살펴보면 채널 23번과 33번이 많은 지역에서 이용되고 있음을 알 수 있다. 특히 채널 23번은 인천항 인근을 시작으로 5곳의 KBS 수신 안내 지도를 이용한 DTV 방송 채널 현황 표본 조사 지점 모두에서 이용되고 있는 것으로 나타났는데 이는 표 4와 그림 4의 결과와도 일치한다고 볼 수 있다.

본 연구에서 인천항 -제주항 구간의 선상에서 측정한 지점수는 총 254개 이며, 38개 채널별로 각각 선상 이동측정이라는 환경에 따라 누적된 데이터 수가 9,652개 였다. 수집된 데이터를 지도상에 모두 표시할 경우 거의 실선으로 나타나서 지점별 이용 가능 주파수를 시각적으로 식별하는 것이 어려웠다. 따라서 약 60분 간격으로 각 채널별로 수신된 신호를 약 1/10로 샘플링하고 신호세기를 다음과 같이 3단계로 구분하여 각 지점별 TVWS 이용가능 채널에 대한 시각적 변별력을 효과를 높였다.

흰색(-68 dBm (41 dBuV/m) 이상, 75 Ω 적용)은 센 방송신호로 방송 시청이 우수한 신호이다. 오렌지색(-68 dBm ～ -84 dBm )은 중간세기 방송 신호로 일부지역에서 DTV 방송 시청이 가능하다. 녹색(-84 dBm (25 dBuV/m) 미만, 75 Ω 적용)약한 DTV 신호로 방송 시청이 불가능하며, TVWS 채널로 사용이 가능하다. 각 채널별 수신 신호를 위치에 따라 색으로 구분하여 표시하였으며 색상은 흑백인쇄를 고려하여 선정하였다.

그림 5는 그림 4와 표 4에서 제공하는 TVWS 가용채널후보에 대해서 각 지점별로 실제 사용이 가능한 채널 정보를 시각적으로 바로 제공하며, 또한 어느 DTV 채널이 인천항-제주항전 구간에서 TVWS 가용채널로 활용이 가능한지 식별하는데 도움을 준다는데 의미가 있다.

그림 5. 인천항-제주항 구간 위치별 각 채널의 수신레벨 세기 (지도상의 검은 선은 12해리 (약 22km) 영해를 표시)

Fig. 5. Receipt level strength of each channel by location of Incheon Port-Jeju Port (The black lines on the map represent 12 nautical miles (about 22km) of territorial waters).​​​​​​​

즉, 앞선 그림4과 표4는 어느 채널의 평균 수신레벨이 기준인 –84 dBm 대비 얼마나 작은지, 측정 지점 몇 곳에서 작은지의 정보만 제공하는 반면 그림 5는 각 지점에 대응하는 수신 신호레벨을 알 수 있어서 해당지점에서 어떤 채널이 이용 가능한지 바로 알 수 있다.

그림 5를 보면 채널 19번은 거의 모든 구간이 녹색으로 타났으며 단 한곳에서만 오렌지색으로 표시된 것을 알 수 있다. 채널 37번과 채널 39번도 일부 구간에서 조금 오렌지색으로 나타나 것을 제외하면 거의 모든 구간에서 녹색으로 나타나서 TVWS 가용채널로 이용하는데 적합한 것으로 분석 되었다. 3개 채널 (19, 37, 39번)은 TVWS 가용채널로 사용하는데 적합한 것으로 분석되었다.

반면에 채널 23과 33번은 앞선 그림 4와 표4의 분석 결과와 마찬가지로 3~4 지점만 녹색으로 나타나고 나머지 지점들은 오렌지색과 DTV 신호가 강한 흰색으로 나타났다. 따라서 채널 23번과 33번은 인청항-제주항 구간에서 TVWS 가용채널로 사용하기에 적합하지 않다는 동일한 결과를 얻었다.

Ⅲ. 결론

본 논문에서는 우리나라 서해의 인천항-제주항 해상에서 사용할 수 있는 DTV 방송 신호의 TVWS 가용 주파수 발굴을 연구했다. 정규 운항 선박의 항로상에서 측정한 데이터이기에 우리나라 서해 전체의 전파환경을 대표한다고 할 수는 없다. 하지만, 서해상의 시작점이라 할 수 있는 인천항에서 우리나라 국토 남단인 제주도까지의 해상에서 DTV 방송 신호를 분석한 결과 채널 3개 채널 (19, 37, 39번)은 전 구간에서 TVWS 가용채널로 활용이 가능한 것으로 분석되었다. 반면 채널 23번, 33번(2개 채널)은 거의 전 구간에서 TVWS 이용하기 어려울 것으로 나타났다. 그 밖의 8개 채널 (26, 41, 43, 45, 47, 48, 50, 51번)은 지역적으로 사용 가능한 것으로 나타났다,

이번 연구는 지상파 DTV 방송 신호를 지상이 아닌 서해상에서 활용하려는 새로운 시도를 했다는 데 그 의미가 있다. 향후 서해 전체를 대상으로 DTV 지상파 주파수에 대한 정밀한 측정과 분석이 이루어지고 그 결과가 TVWS 가용채널 시스템에 반영 되어 향후 우리나라 전체 해상에서 TVWS 가용 주파수가 다양한 해상 무선통신 서비스에 이용되길 기대한다.