모바일 방송

1. 모바일 방송 개요

  요즈음에는 지하철이나 버스에서 스마트폰으로 동영상을 시청하는 사람들을 쉽게 발견할 수 있다. 스마트폰 동영상을 시청하는 사용자들은 모바일 IPTV, 모바일 OTT 등 휴대폰을 이용한 모바일 동영상 서비스를 이용한다. 모바일 OTT, 모바일 IPTV 등 모바일 방송 이용 증가는 동영상 시청에 불편함이 없는 스마트폰 성능 향상, 통신 네트워크 측면에서 충분한 스트리밍 속도를 지원하는 5G와 LTE 네트워크 확산, HTTP Live Streaming 같은 영상스트리밍 기술 향상, 동영상 사용에 부담이 적은 무제한 요금제, 동영상 시청에 편리한 스마트폰 확산 그리고 기존 방송에서 볼 수 없었던 다양한 OTT 콘텐츠와 개인화된 OTT 콘텐츠 등에서 원인을 찾을 수 있다. 모바일 OTT에는 YouTube나 Netflix 같은 전문 OTT 서비스도 존재하지만, IPTV 서비스 사업자가 제공하는 모바일 IPTV도 존재한다. 

 

2. 모바일 OTT와 모바일 IPTV 개념

  모바일 OTT는 모바일 통신망을 통해 모바일 단말기기에 서비스하는 OTT서비스이다. 모바일 IPTV는 IPTV 서비스 제공자가 스마트폰 등 모바일 기기에서 제공하는 동영상 서비스라고 볼 수 있다. 즉 모바일 IPTV는 모바일 OTT의 하위 개념이다. 모바일 IPTV는 ‘모바일’ 이라는 단어와 ‘IPTV’ 단어가 합쳐져 있다. 여기서 ‘모바일’이란 기지국을 이용한 핸드오버를 이용하여 넓은 지리적 범위에서 이동성이 제공되는 기능과 관련된 개념이다.

  사업적 관점에서 모바일 IPTV는 유선 IPTV 사업자들의 N스크린 전략을 통해 유선 IPTV 서비스를 확장하면서 본격화되었다. N스크린이란 동일한 미디어 콘텐츠를 TV, 스마트폰, PC 등 다양한 디바이스에서 서비스하는 개념이다. N스크린 전략은 통신에 기반을 둔 유선 IPTV 사업자가 기존에 막강한 시장 장악력을 가지고 있던 케이블방송 사업자들과 차별화를 위한 전략으로 추진하였다. 

 

3. 모바일 OTT 기술

가. 모바일 IPTV 기술 후보

  모바일에서 안정적인 동영상 서비스를 제공하는 것은 유선에서의 동영상 서비스 제공과 비교하여 QoS를 보장하기 어려운 난점이 존재한다. 이를 극복하기 위한 기술 방식으로 DMB를 활용하는 기술, 이동통신망의 IMS(IP Multimedia Subsystem), LTE Broadcast, eMBMS(enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service)를 이용하는 기술, 애플리케이션 계층의 IP에 기반한 TCP를 이용하는 Adaptive streaming 기술, UTP를 이용하는 RTP 기술까지 포함하여 다양한 기술이 경쟁하였다.

 

[ 모바일 OTT 기술 경쟁 ]

나. 브로드캐스트 방식과 유니캐스트 방식

  eMBMS 기술은 LTE에서 사용하는 이동통신망을 이용하는 브로드캐스트(Broadcast) 지원 기술이다. eMBMS는 3G에서의 MBMS를 4세대 LTE에 적용한 것으로 이 기술은 LTE Broadcast라는 이름으로 불리기도 한다. 

  eMBMS 기술을 통해 브로드캐스트 서비스를 제공할 때 유니캐스트(Unicast) 서비스를 제공하는 방식과 비교하여, 네트워크 트래픽을 감소시켜 효율성이 증가한다. 유니캐스트 방식에서는 비록 단말에서 동일한 콘텐츠를 이용하더라도 서버는 각 단말과 1:1로 연결되어, 각 단말마다 동일한 데이터를 계속 반복적으로 보내야 한다. 이에 비하여 브로드캐스트나 멀티캐스팅 방식은 하나의 데이터를 복수의 단말에 전송할 수 있기 때문에, 네트워크 트래픽을 감소시킬 수 있다. LTE 이동통신망에서는 eMBMS를 통해 브로드캐스트가 가능하다.

  eMBMS는 상용화되었지만 대중에게 선택받지 못 하였다. 사용자가 원하는 서비스는 유니캐스트 서비스 방식으로 1:1로 개인화된 서비스를 제공받을 수 있는 VOD(Video On Demand)였다. 사용자들은 개인화된 미디어인 스마트폰을 이용한 모바일 환경에서는 TV 방식의 브로드캐스트 기술보다 YouTube와 같이 개인화된 콘텐츠 서비스인 VOD를 원하였다. 초기 VOD 기술은 모든 영상 콘텐츠 파일을 다운로드 받은 후에나 재생이 가능했기에 사용자들은 많은 시간을 기다려야 하는 단점이 있었다.

 

다. IP 이용 유니캐스트 기술 중 TCP 기술과 UDP 기술

(1) UDP를 이용하는 RTP와 TCP를 이용하는 HTTP 사용 방식

  IP를 이용하는 동영상 서비스 기술에는 UDP를 기반한 RTP를 이용하는 방식과 TCP를 기반으로 하는 HTTP 방식이 존재한다. TCP를 기반으로 하는 HTTP 방식은 서버와 클라이언트 사이에 통신 세션을 맺을 때, 3번의 핸드셰이크 (3-Way Handshake) 과정을 거쳐야 하고, HTTP 1.1의 경우에는 전체 영상을 한꺼번에 전송 받은 이후에서야 영상 재생이 가능했기에 주목을 받지 못 했다. 이런 TCP 약점과 비교하여, RTP는 UDP를 이용하기 때문에 영상 서비스에 보다 적합하였다. 90년대에는 동영상 등 멀티미디어 전송을 위한 RTP 프로토콜이 만들어지고 상용화된다. 이에 비하여 HTTP를 기반으로 하는 프로토콜들은 2000년대 이후에야 정립되었고 RTP 대비 상용화된 시기가 늦었다. 

 

  RTP는 UDP 기반이라서 TCP 기반 프로토콜 대비 초기 세션 설정이 단순하고 ACK 패킷을 보낼 필요가 없는 등 빠르게 통신을 수행할 수가 있다. 이런 특성에 따른 통신 프로토콜의 단순함은 실시간 처리 능력 등에서 RTP가 앞서 나가는데 기여하였다. 그러나 3가지 관점에서 여전히 HTTP 기반 프로토콜들의 장점이 존재한다. 표준 HTTP를 사용하기 때문에 방화벽에 통신 트래픽이 막히지 않았고, HTTP 서버를 사용할 수 있기에 투자비가 적게 든다. 또한 CDN(Content Delivery Network)와 호환성이 우수하다. 이에 비하여 RTP는 방화벽에 의해 서비스 자체가 막힐 수 있었고, RTP용 서버를 구매해야 했다. 이런 3가지 장점으로 인해 현재 모바일 IPTV 사업자는 HTTP 기술을 이용한 동영상 기술을 적용한 모바일 IPTV 서비스를 제공한다.

 

(2) HTTP를 이용한 기술인 HTTP Progressive Download와 HTTP Adaptive Streaming

  HTTP를 이용한 동영상 서비스 방식은 HTTP Progressive Download 방식과 HTTP Adaptive Streaming 방식으로 구분할 수 있다.

HTTP Progressive Download 방식은 Download 후 Play 방식을 개선한 것으로 YouTube, CNN 등이 사용하였다. 기존 HTTP 방식에서 영상 파일을 전송 요청하면, 전체 영상이 다운로드된 이후에야 영상을 플레이할 수 있었다.

  반면 HTTP Progressive Download는 일정 크기만큼만 영상 파일을 다운로드 받아 스마트폰 내부 스토리지에 저장한 후 영상 등 멀티미디어 콘텐츠를 플레이하는 방식이다. 영상 파일의 일정 부분까지 다운로드 받으면 전체 파일을 다운로드 받지 않아도 영상 재생을 할 수 있기 때문에 사용자가 기다리는 콘텐츠를 요청한 후 기다리는 시간을 단축시킨다. 무선 네트워크에서는 수시로 통신 채널 환경이 변하기 때문에 유선 인터넷 대비 네트워크 품질 보장이 어려운 모바일 환경 지원 측면에서는 전송 품질의 보장이 안되다 보니 영상을 재생하는 도중 끊기는 단점이 존재한다. 한편 사용자가 콘텐츠를 다운로드 받아 저장할 수가 있어서 보안 관점에서 보면 취약점이 있고 이를 악용하여 YouTube 콘텐츠를 다운로드 받는 무료 프로그램도 많았다. 

  HTTP Progressive Download와 경쟁하는 기술에 HTTP Adaptive Streaming이 있다. Progressive Download와 동일하게 전체 영상 파일을 다운로드 받지 않고, 일정 데이터를 전송받으면 재생이 가능하다. 또한 추가적으로 HTTP Adaptive Streaming은 동일한 멀티미디어 콘텐츠에 대해 다양한 품질을 가지는 복수 파일을 준비해 두고, 네트워크 혼잡 상황 등에 맞게 적합한 품질의 파일을 전송하는 방식이다. 멀티미디어 콘텐츠는 시간 관점에서도 여러 세그먼트로 분리된다. 네트워크 상황, 해상도 및 CPU 사용률 등 단말 상황 등을 고려하여 클라이언트가 적절한 품질의 멀티미디어 세그먼트를 요청한다. 즉 네트워크 대역폭이 감소하면 멀티미디어 품질을 낮추어 이용하고, 네트워크 대역폭이 증가하면 멀티미디어 품질을 높여서 이용하는 방식이다. HTTP Adaptive Streaming에는 여러 회사나 기관에서 발표한 기술들이 존재한다. 이들은 기본 원리는 동일하지만 구현 방식에서 차이가 존재한다.

 

[ Adaptive Streaming 종류 ]

 

  여러 기술 중에서 가장 많이 사용되는 것은 애플사의 기술인 HLS(HTTP Live Streaming) 이다. 2007년에 HLS를 이용한 사파리 브라우저를 아이폰에 탑재하여 출시했을 때, Safari 브라우저가 HLS를 지원했기 때문에, 아이폰에 동영상 서비스를 제공하려는 영상 사업자들은 어쩔 수 없이 HLS를 도입했고 이로 인해 많이 확산되었다. 또한 배포를 위한 서버를 구매할 필요가 없기에 비용측면에서 저렴하여 2018년 기준 HLS 기술이 한국 모바일 IPTV 기술로 많이 사용된다.

 

4. 모바일 IPTV 기술적 과제 

  모바일 IPTV 서비스는 유선통신망, 이동통신망에서 TCP/IP 네트워크를 통하여 서비스된다. 모바일 IPTV는 TCP/IP를 이용하고 무선환경에서 서비스되기에 QoS가 보장되지 않는 환경이라는 과제를 가지고 있다. 이동통신망 무선 구간에서 간섭과 잡음 등으로 인해 통신 환경은 계속 변동되고, TCP/IP는 최선 서비스(Best Effort)를 제공하기 때문에 QoS 보장이 어렵다. 이에 대한 극복이 모바일 IPTV의 기술적 과제이다.

 

  TCP/IP 처럼 최선 서비스(Best Effort)를 제공하는 네트워크에서는 대역(Bandwidth)가 트래픽(Traffic)으로 인하여 네트워크에 혼잡(Congestion)이 발생하면 데이터 손실(Loss), 지연(Delay) 현상이 나타날 수 있다. 모바일 IPTV가 안정적으로 서비스 되려면,  최선 서비스(Best Effort)를 제공하는 다양한 네트워크 환경에서도 끊김 없는 영상서비스를 제공해야 한다. 이러한 문제 해결을 위하여 초기에는 RTP 등도 활용되었지만, RTP가 방화벽을 통과하지 못 하는 등의 문제가 있어서, HTTP 기반 방식으로 진화하게 된다. RTP는 방화벽을 통과하기 어렵고, 시스템 구축에 비용이 더 발생하는 단점이 있다. 이에 비하여 HTTP 방식은 방화벽 통과에 유리하고, 시스템 구축비용이 저렴하다.

 

  HTTP를 이용하여 모바일 IPTV 서비스를 제공하는 기술은 HLS 방식인데, HLS는 HTTP Adaptive Streaming의 한 부류이다. HTTP Adaptive Streaming에는 지터, 지연, 데이터 손실 등의 문제를 고려한 스트리밍 기술이다. 네트워크의 혼잡으로 인하여 발생하는 지터, 지연, 데이터 손실 등의 문제를 해결하기 위한 일반적인 방식 중 하나가 버퍼를 활용하는 것이다. 버퍼는 최선서비스를 제공하는 TCP/IP 기반 유선 인터넷에서 많이 이용된다. 예를 들어 TCP 기술은 버퍼로 혼잡윈도우(Congestion Window)를 이용한다. 그러나 버퍼만으로는 모바일 환경에서 발생하는 간섭, 잡음에 따라 발생하는 대역폭의 빠른 변화까지 대응하기에는 한계가 있다. 따라서 HTTP Live Streaming에서는 버퍼 방식의 한계를 극복하기 위하여, 전송하는 데이터양 이외에 영상 품질을 조절한다. 즉 유선 네트워크 혼잡 상황 및 모바일 환경의 지연, 잡음에 맞게 멀티미디어 품질을 조절하는 것이다. 상황이 좋으면 파일 크기가 큰 높은 품질의 데이터를 전송하고, 네트워크 상황이 안 좋으면 낮은 품질 데이터를 전송한다. HTTP Live Streaming은 응용 계층 프로토콜이라서 TLS(Transport Layer Security)를 이용하여 암호화가 된 패킷을 사용하게 된다. 네트워크 장비는 암호화된 패킷 내용을 파악할 수 없기에 네트워크 장비가 HTTP Live Streaming의 품질 관리에 관여하기 어렵다. 따라서 HTTP Live Streaming은 네트워크 장비가 관여하지 않고 클라이언트가 네트워크 혼잡을 판단한다.

가. HLS 시스템 구성 및 구현방식

  HLS 시스템은 서버 소프트웨어와 클라이언트 소프트웨어로 구성되고, 서버 소프트웨어는 서버 컴포넌트, 배포 컴포넌트로 구성된다.

 

[ HLS 시스템 구성도, 출처: 애플 HLS 웹사이트 ]

 

(1) 서버 컴포넌트 기능

  서버 컴포넌트는 “미디어 인코딩 및 스트림 세그먼터”라고도 불리운다. 서버 컴포넌트는 멀티미디어 파일을 입력 받아서 HEVC 동영상 포맷과 AC-3 오디오 포맷으로 변경하여 여러 세그먼트로 나누어진 MPEG-2 TS(Transport Stream), 또는 CMAF(Common Media Application Format) 세그먼트 파일들을 출력으로 내놓는다. 

(2) 배포 컴포넌트 기능

  서버 컴포넌트에서 만들어낸 미디어 세그먼트들과 메타데이터에 미디어 재생목록을 저장하고 있다가, 클라이언트 요청 시 웹을 통하여 멀티미디어 데이터를 제공/배포하는 역할을 수행한다.

(3) 클라이언트 소프트웨어 기능

  클라이언트 소프트웨어는 동영상 파일을 요청하고 파일을 수신하여 화면에서 동영상을 표출하는 기능을 수행한다. 

 

나. 전송을 위한 파일 포맷

(1) 파일종류

  HLS 전송 파일 종류는 메타데이터를 담은 메니페스트(Manifest) 파일인 m3u8 파일과 멀티미디어 데이터를 세그먼트로 세분하여 나눈 미디어 세그먼트 파일인 MPEG-2 TS, CMAF로 나누어진다.

(2) MPEG-2 TS

MPEG-2 Part 1에서는 TS(Transport System)와 PS(Program Stream) 두 가지로 정의 되며, MPEG-2 TS는 현재 디지털 방송 등의 전송표준규격이며, 다른 코덱도 전송이 가 능하다. 비디오와 오디오는 부호기 및 패킷화기를 통하여 패킷 elementary stream으로 변환되고, TS(Transport System) 다중화기를 통하여 TS 및 PS으로 변환된다.

(3) MPEG DASH와 CMAF

  2018년 1월에 애플, 마이크로소프트는 MPEG을 만드는 단체에서 HLS와 MPEG DASH를 통합하는 프로토콜로 CMAF를 만들었다.

 

5. 모바일 방송 발전 방향

  현재는 IPTV 사업자들이 HLS 기술을 이용하고 있지만, 향후 모바일 IPTV 기술 진화에 영향을 줄 요소로는 다음과 같은 것을 예상할 수 있다. 망중립성 관련 규제 환경 변화, 5G와 6G 이동통신 서비스 발전과 360도 비디오, 8K 등 대용량 미디어 컨텐츠 진화 등 이다.