The emergence of the rapid and phenomenal growth of wireless communication services has created an ever increasing demand for the frequency resource. The radio frequency spectrum is a scare resource and to meet the growing demands of all these bandwidth hungry services, efficient utilization of such radio frequency is essential. Single frequency network (SFN) has emerged as a promising solution for the efficient use of spectrum in terrestrial broadcasting. The Advanced Television Systems Committee (ATSC) 3.0 physical layer standard has adopted transmitter identification (TxID) technology which allows to measure the individual and/or whole network channel response in SFN environments, making it easier for broadcasters to manage and monitor the network. Since TxID is embedded into the host ATSC 3.0 frame as radio frequency watermark, it is transparent to legacy ATSC 3.0 receivers and only a specially designed TxID analyzer is able to detect and analyze it. The first generation digital terrestrial broadcasting system, ATSC 1.0, was designed based on single carrier transmission. On the other hand, the second generation digital terrestrial broadcasting system, ATSC 3.0, was designed on the basis of orthogonal frequency division multiplexing. Due to the differences in transmission techniques for each generation, the detection performance of the transmitter identification signal is also affected. Consequently, only the transmitter identification signal analyzer structure for the existing first generation digital terrestrial broadcasting system can not provide sufficient detection performance in the second generation digital terrestrial broadcasting system.
The goal of this dissertation is to investigate theoretical detection performance of ATSC 3.0 TxID and develop practical detection schemes for ATSC 3.0 TxID analyzer. In Chapter 1, we generally introduce the background of ATSC 3.0 TxID technique and describe the overview of contributions. Next, in Chapter 2, we explain the basic procedure of ATSC 3.0 TxID signal generation, the ATSC 3.0 frame structure, and its related problems such as the limited detection performance that occurs when the conventional detection scheme designed for first-generation digital terrestrial broadcast systems is applied directly to ATSC 3.0 system. In order to overcome such problems, three detection schemes are proposed in consideration of implementation complexity and detection performance. In addition, we also derive the theoretical detection performance of ATSC 3.0 TxID signal in SFN environments. In Chapter 3, the test results including computer simulation, laboratory test, and field test are provided. Through the test results, it is proven that the proposed scheme can offer a significant performance gain compared to the conventional scheme. Thus, we believe that this dissertation enables to provide the guideline of better ATSC 3.0 TxID analyzer design. In Chapter 4, serveral use cases for ATSC 3.0 TxID applications are presented. For location estimation, we study the performance bound on the TxID-based location finding in consideration of the proposed scheme.
무선 통신 기술의 급속한 발달과 서비스 이용자의 가파른 증가로 인해 주파수 자원에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 무선 주파수 스펙트럼은 매우 귀중한 자원으로 주파수 대역폭을 필요로 하는 서비스의 증가에 따른 요구를 충족시키기 위하여 이러한 무선 주파수에 대한 효율적인 활용이 점점 더 중요하게 여겨지고 있다. 이러한 흐름은 지상파 방송에도 영향을 미치고 있으며, 이에 따라 2세대 디지털 지상파 방송시스템의 경우에는 스펙트럼의 효율적 사용을 위해 단일주파수망 기반의 서비스를 염두에 두고 개발되었다. 2세대 북미 방송 디지털표준인 ATSC (Advanced Television Systems Committee) 3.0에서는 방송사가 단일주파수망을 잘 설계하고 원활히 관리할 수 있도록 송신기 식별 기술을 채택하였다. 해당 송신기 식별 기술은 라디오 주파수 워터마크 기술의 한 종류로, 일반 TV에서는 송신기 식별 신호의 존재여부를 알 수 없지만 특별히 설계된 송신기 식별 신호 분석기에서는 이를 감지하고 활용할 수 있도록 설계되었다. 1세대 디지털 지상파 방송시스템은 단일 반송파 기반의 전송기술을 사용하고 있는 반면에, 2 세대 디지털 지상파 방송시스템은 직교주파수분할다중화 기반으로 설계되었다. 이러한 각 세대별 전송 기법의 차이로 인해 송신기 식별 신호의 검출 성능도 영향을 받게 되며, 결국 기존의 1 세대 디지털 지상파 방송시스템의 송신기 식별 신호 분석기 구조만으로는 2 세대 디지털 지상파 방송시스템에서 충분한 검출 성능을 제공하지 못하게 되었다.
본 논문에서는 ATSC 3.0 송신기 식별 신호의 이론적 검출 성능을 연구하고, 기존 1 세대 송신기 식별 신호 분석기 구조의 단점을 개선하여 보다 향상된 검출 성능을 제공할 수 있는 실용적인 검출 방식을 제안하고자 하였다. 1 장에서는 ATSC 3.0 송신기 식별 신호에 대한 일반적인 기술 배경을 소개하고, 본 논문의 주요 내용에 대해 소개한다. 다음으로, 2 장에서는 ATSC 3.0 송신기 식별 신호의 기본 구성 절차, ATSC 3.0 송신 프레임의 구조 및 이로 인한 송신기 식별 신호의 탐지 성능 제약과 같은 문제에 대해 구체적으로 설명한다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로, 구현 복잡도 및 검출 성능을 고려하여 총 3가지의 검출 방식을 제안하고 각각의 장단점을 비교 분석하였다. 또한, 단일주파수망 환경에서의 ATSC 3.0 송신기 식별 신호의 이론적 검출 성능을 도출하였다. 3 장에서는 이론적인 검출 성능 분석이 전산 실험 결과와 잘 일치함을 보였으며, 실험실 테스트와 현장 테스트를 진행하여 제안된 방식이 실제 지상파 방송망 환경에서 기존 방식과 비교하여 상당한 성능 향상을 제공할 수 있음을 입증하였다. 4 장에서는 ATSC 3.0 송신기 식별 신호의 응용분야에 대해 소개하면서, 여러 응용분야 중 활용 가능성이 높은 분야인 송신기 식별 신호를 이용한 위치 추정에서의 위치 추정 오류에 대한 이론적인 한계에 대해 분석하고자 하였다.
