이해룡* 박광로* 전병천**

최근 전 세계적으로 크게 각광을 받고 있는 고속 인터넷서비스를 가정에 제공하는 사업영역을 두고 통신망사업자와 케이블TV 사업자간에 뜨거운 논쟁이 벌어지고 있다. 통신망사업자와 케이블TV 사업자가 각기 자신들이 보유하고 있는 인프라를 이용하여 고속 인터넷서비스를 제공하는 방법에는 기술적, 경제적인 측면에서 많은 차이가 있으며, 이에 대한 우위 비교는 아직 진행 중에 있다. 본 고에서는 국내에서도 커다란 관심을 불러일으키면서 상용서비스를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있는 케이블TV 망을 통해 고속의 인터넷서비스를 제공하는 케이블모뎀 기술 및 발전동향에 대해 기술한다. ▒

I. 서 론

우리나라는 1995년부터 케이블 TV 시대가 본격적으로 시작되었다. 케이블 TV는 가입자의 정보욕구 증대에 따라 광대역, 다채널, 쌍방향기능을 갖추어 TV 영상은 물론 고속 인터넷서비스 등 멀티미디어서비스가 가능하게 되었다. 21세기의 정보화사회에 대비하는 초고속정보통신망의 하부 인프라로서 케이블 TV망은 통신과 방송의 융합을 통한 영상산업은 물론 고속 데이터통신 등 정보통신에 이르기까지 그 파급효과가 매우 클 것으로 전망되고 있다.

현재 국내의 케이블 TV 전송망은 광케이블(Optical Fiber)과 동축케이블(Coaxial)로 구성된 HFC(Hybrid Fiber Coaxial) 망으로서, CATV 헤드엔드로부터 가입자 가정으로의 하향신호와 가입자 가정으로부터 CATV 헤드엔드로 전송되는 상향신호의 전송이 가능한 양방향 시스템이다. HFC 망은 아날로그 비디오신호뿐만 아니라 디지털 비디오신호도 동시에 전송할 수 있기 때문에 지상파 방송의 디지털화 이후는 아날로그TV와 디지털TV가 혼재될 2001년부터 2010년까지 아날로그 서비스와 디지털 서비스를 동시에 지원할 수 있을 것으로 보인다.

케이블TV산업에 있어 선진국인 미국은 97%의 일반 가정이 케이블TV 서비스를 즉시 제공 받을 수 있을 정도로 HFC망이 보편화되어 있으므로 일반 가정 및 소규모 업무용 가입자들의 광대역화를 위한 가장 경제적인 대안으로 제시되고 있는 상태이다. 이에 따라 케이블모뎀을 이용한 인터넷접속, 케이블전화, 디지털 비디오 등 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 다양한 시험망 구축과 일부 상용서비스가 진행중이다.

우리나라도 최근 급격한 기술 발전 추세, 서비스 수요 전망, 경제성 등을 고려한 정보통신망 고도화 추진계획을 발표하여, 기존 전화망을 64kbps에서 2Mbps사이의 중속 서비스를 가능하게 하고 상업지역, 인구 밀집지역에는 광케이블 간선망을 구축하고, 가입자망으로는 광케이블뿐만 아니라 경제성 등을 고려하여 무선 가입자망, 케이블TV망을 활용한다는 계획에 있다 [1].

본 고에서는 이처럼 최근 많은 관심을 끌고 있는 HFC 기반의 국내 케이블TV망의 구조를 분석하고, 이러한 망을 통해 고속 인터넷서비스를 제공해주는 케이블모뎀의 기반 기술 및 발전방향에 대해 기술한다.

II. 케이블TV망 사업 현황

1. 종합유선방송 사업현황

국내에서는 선진국과 같은 다채널의 전문 TV채널의 방송시행을 위하여 1991년 12월에 종합유선방송법을 개정하여 1차 지역53개와 1997년 2차 지역 24개 지역에 대한 방송국사업자 허가와 전송망 사업자를 지정하여, 케이블TV 방송 사업자들은 1995년 5월부터 상업방송을 제공하고 있다. 케이블TV전송망이 시설된 1차지역내의 총가구수는 830만으로서 전국 1,300만 가구의 64%에 달하며 서울, 부산 등 6대도시는 100% 시설되었다.

우리나라의 케이블TV방송 사업자는 3분할 체제로 구성되는데 프로그램공급자(Program Provider)는 TV프로그램을 제작, 공급하는 사업자로 케이블TV 프로그램의 공급권과 배분권을 갖는 사업자이며, 방송국운영자(System Operator)는 방송 송출 설비를 갖추고 방송채널을 가입자에게 전송망을 통해 송출하고 가입자를 관리하는 사업자이다. 전송망사업자(Network Operator)는 케이블TV방송국으로부터 가입자까지의 전송망을 시설하여 제공하는 사업자이며, 1차 지역에 전송망을 제공한 사업자는 한국전력과 한국통신이다. 국내의 케이블TV망 구성은 (그림 1)과 같다[2].

2. 중계유선방송 사업현황

중계유선방송은 1983년에 유선방송관리법 제정으로 그 전에 무허가로 난립되어온 중계 유선방송 업소들이 합법화된 방송으로서, 지상파 방송의 동시 재중계 및 녹화 재송신을 목적으로 하고 있다. 1998년 초 전국적으로 836 사업자가 운용하는40여만km의 전송망을 보유하고 있으며 가입가구수는 약 840만에 달하고 있다[3]. 이들이 구축한 전송망은 216MHz 대역까지 보낼 수 있는 망이 대부분이나, 일부 중계유선방송국이 450MHz이상 송출이 가능하도록 교체중에 있다. 그러나 이들 전송망은 하향 전송만이 가능한 경우가 대부분으로서, 상향신호를 가능하게 하기 위해서는 많은 투자가 필요하며 데이터 통신서비스를 위해서는 더 많은 투자가 필요하다.

III. 케이블모뎀 기술 분석

1. 케이블모뎀의 등장배경

또한 신규 케이블TV가입자 증가율이 한계에 도달하는 상황에서 케이블사업자에게는 신규서비스 개발의 필요성이 대두되게 되었고, 통신 서비스의 멀티미디어화로 기존의 PSTN (33.6kbps), ISDN(128kbps)의 제한된 전송속도로는 텍스트, 오디오, 그래픽, 비디오 데이터등과 같은 광대역데이터를 원활하게 수용할 수 없다는 어려움이 인지되었으며, 전화사업자가 VOD같은 방송유사서비스 사업에 진출함과 동시에 케이블 사업자도 통신서비스(인터넷, 전화) 사업에 진출하는 등의 방송과 통신간의 융합의 흐름이 케이블모뎀의 등장배경이 되었다[4].

2. 케이블모뎀의 특징

케이블모뎀은 케이블TV전송망을 이용하여 데이터 통신서비스를 제공하기 위한 접속장치로서 PC와 케이블TV망의 헤드엔드 장치에 위치하여 양측간에 디지털 데이터를 아날로그 링크를 통해 송수신할 수 있도록 한다. 케이블모뎀을 이용하여 데이터서비스를 받기 위해서는 (그림 2)와 같이 케이블모뎀(Cable Modem), 사용자 단말(Terminal Equipment), 헤드엔드 장치(HeadEnd System), 케이블TV전송망(HFC Access Network), 서비스 분배망(Digital Backbone Network), 서비스 서버(Service Server) 등 여러 가지 구성 요소들이 필요하다 [4].

가. 가입자 댁내 장치의 구성

○ 케이블모뎀: 케이블모뎀은 CATV가입자의 댁내에 설치되는 모뎀장치로 CATV의 RF신호를 컴퓨터에서 사용하는 데이터로 바꿔주고, 컴퓨터에서 나오는 데이터를 CATV의 RF신호로 변조하여 CATV망을 통하여 데이터통신을 가능하게 하는 장치이다.

○ MAU(랜트랜시버): 케이블모뎀의 10Base5커넥터에 MAU를 장착하고, MAU의 10BaseT 또는10Base2커넥터에 랜케이블을 연결하여 가입자 PC의 랜카드와 연결하여준다.

○ 랜케이블: 10BaseT또는 10BaseT Type의 케이블을 사용한다.

○ PC(CPU 586급 이상, 16MB RAM, 12MB Hard Disk 공간) 및 TCP/IP 소프트웨어가 필요하다.

나. 헤드엔드내 중앙처리장치의 구성

중앙처리장치는 (그림 3)과 같이 데이터채널제어장치, 주파수변환장치, 신호분배장치로 구성되며, 이 장치는 10BaseT 랜케이블로 허브를 통하여 헤드엔드에 구성된 LAN에 접속되며, 이 LAN을 통하여 망관리장치와 통신을 하고, 가입자에게 전송되어야 하는 신호는 CATV신호로 변환하여 CATV하향신호를 케이블모뎀에 전송하며, CATV상향신호로 수신된 케이블모뎀의 데이터를 헤드엔드랜을 통하여 망관리장치, 라우터를 통하여 인터넷에 전송한다.

○ 주파수변환장치: 헤드엔드장치인 데이터채널제어장치와 케이블모뎀간 또는 케이블모뎀과 다른 케이블모뎀들과의 통신이 가능하게 하기위한 것으로, CATV의 헤드엔드에 사용되며, 상향주파수를 하향주파수로 변환하는데 이용된다. 이것은 주파수 변환시 다른 케이블서비스에 방해되지 않고, 지정된 6MHz의 대역폭 내에서 수행되게 하며, 사용 가능한 채널을 사용할 수 있도록 250kHz단위로 주파수의 조정이 가능하다.

- 상하향 2개의 CATV 6MHz 채널 사용

- 입출력주파수 조정 가능

- RF 출력 신호레벨 조정 가능

○ 데이터채널제어 장치: 케이블모뎀들에 대한 기준신호를 발생하여 케이블모뎀들이 하향주파수와 상향주파수를 조정할 수 있도록 하며, 망관리장치로부터 케이블모뎀들에 대한 정보를 전달 받아 케이블모뎀들이 정상적으로 인터넷에 접속되게 한다. 또한 망관리장치로부터 CATV작동변수(입출력 스트림주파수)를 수신하여 이를 주기적으로 하향채널에 내보내며, 네트워크상의 케이블모뎀들이 이 변수들을 수신하여 자체 조정하도록 한다.

- 케이블모뎀에 주기적인 기준신호 및 정보 전송

- 망관리장치와 연동하여 케이블모뎀의 정보 전송

- 케이블모뎀들로부터 수신된 데이터를 헤드엔드 LAN에 전송

- 케이블모뎀을 인터넷라우터에 접속할 수 있도록 함

- 6MHz CATV 상향채널 및 6MHz하향채널 사용

○ 신호분배장치: 데이터채널제어장치와 주파수변환장치에 들어가는 신호레벨을 조정할 수 있도록 하는 기능과 신호를 중앙제어장치에 분배하는 기능을 하는 장치로서 상향신호를 주파수변환장치로 보내주고, 감쇄기를 거쳐서 데이터채널제어장치에 알맞은 신호레벨로 보내준다. 데이터채널제어장치에서 나오는 하향신호를 감쇄기를 거쳐서 주파수변환장치로 보내고, 가변감쇄기를 거쳐서 기존의 CATV망에 필요한 신호레벨로 망에 결합시키는 기능을 수행한다.

다. 망 관리장치의 구성

망 관리장치는 펜티엄급 PC와 이 위에서 실행되는 소프트웨어로 구성되어 있으며, 중앙처리장치 및 케이블모뎀의 통신 파라미터 및 케이블모뎀 정보를 가지고 있는 데이터베이스와 Bootp 프로그램, 파일 전송 프로그램 및 망 관리 소프트웨어로 구성된다.

○ 망 관리장치 = Network 서버 + SNMP 서버

- Network 서버: IP Address, 망 파라미터, 상ㆍ하향채널, Access Authorization

- SNMP 서버: Simple Network Management Protocol 서버

- IP Address와 Mask변수 지정/시큐리티 변수를 전송하여 네트워크 접근 권한

- Network 파라미터 지정

- IP Address와 경로 설정 케이블

라. 주파수 분배

IV. 공유 접속망의 성능 형태

1. Web상에서의 정보 전달 형태

케이블TV망과 같은 공유 접속망을 이용한 인터넷 접속과정은 사용자가 Web 페이지의 다운로딩을 요구하며, 그 페이지의 마지막 비트까지 전송받는 일련의 작업으로 이루어 진다. 사용자에게로의 전송이 완료된 후, 그 페이지를 검색하는 시간 동안에 데이터의 흐름은 정지된다. 또 다른 링크로 접속할 때 다시 정보의 전달이 시작된다. 이러한 일련의 작업은 버스티한 트래픽의 흐름이 이루어진 후에는 일시적으로 데이터의 흐름이 정지되는 것이다. 이것은 (그림 5)와 같이 인터넷상에서의 일반적인 Web Surfing 과정 형태로 나타난다.[5]

일반적인 Web Surfing 과정에서의 정보의 흐름 특성을 분석하기 위하여 홈 페이지를 담고 있는 서버와 PC간의 정보의 흐름을 추적하는 Web Surfing 실험 결과는Web을 접속할 때 극도의 버스티한 데이터의 흐름을 관찰 할 수 있으며, 다음 페이지로 이동전에 일정시간의 휴지기를 갖는다는 것이 발견된다. 가입자가 Web을 접속할 때의 평균 시간을 60초 정도로 가정하고, 약 1.26Mb의 데이터가 서버로부터 PC로 송신될 때, 역 방향으로 69Kb의 데이터가 송신된다. 69Kb의 상향 트래픽은 사용자의 마우스 클릭 혹은 PC로부터의 올바른 수신을 표시하는 응답(acknowledgement)신호로 이루어 진다. 이런 트래픽 데이터의 버스티한 특성은 다수의 사용자가 동시에 케이블TV전송망을 원활히 공유할 수 있다는 것을 증명한다[5]. 즉, 한명의 사용자가 광대역 전송매체에 접속되어 고속으로 버스티한 정보 전달 기간을 가진 후 정지하고, 또 다른 사용자가 첫번째 사용자의 정지 기간동안에 데이터를 수신하는 과정은 망의 통계적 다중화의 기능으로 설명된다.

2. 케이블모뎀의 동시 사용자 증가에 따른 망의 성능 변이

그러나, 케이블TV망의 동축케이블 구간은 단방향 방송 구조에 적합한 Tree & Branch 망이며, 다중 사용자가 지정된 대역폭을 공유해야 하기 때문에, 각종 접속점 및 가입자 설비에서 발생된 상향 잡음 누적(Funnel Effect)에 따른 통신 품질 저하의 우려가 있다. 현재 국내의 케이블TV전송망은 한 개의 ONU(Optical Network Unit)당 2,000에서 2,500케이블 서비스 가입자를 수용하기 때문에, 케이블모뎀 등과 같은 부가 기능의 데이터 서비스를 위해서는 (그림 7)과 같이 셀당 500서비스 가입자를 수용하는 형태의 셀 분리, 확장 작업이 필요하다. 이외에도, WDM(Wavelength Division Multiplex)방식에 의한 광 신호 수량의 증대로 셀의 분할률을 높이는 것과 상향 주파수 변환 방식(Frequency Stacking)을 적용하여 기존 셀당 서비스 가구 수를 줄이는 방법들이 개선책으로 제안되고 있다.

아울러, 인입선에 3중 차폐 케이블의 사용, 공중 주택의 구내 배선을 단독배선으로 교체, 지속적인 구내 망의 정비 작업 등이 시도되고 있다. 하지만, 케이블TV전송망은 ONU 및 증폭기 등의 능동소자와 케이블 모뎀의 전원 공급을 위하여 개별 급전 방식을 사용하므로 정전시에 통신이 두절되는 기술상의 어려움이 있다.

V. 표준화 및 시장 동향

1. 케이블모뎀 표준화 동향

현재 케이블모뎀의 표준제정은 유럽을 중심으로 한 기관인 IEEE 802.14 위원회와 미국의 주요 케이블사업자들을 중심으로 한 MCNS(Multimedia Cable Network System)에 의해 진행되고 있다. MCNS는 TCI(Tele-Communications Inc.), Time Warner Cable, Cox Com-munications, Comcast Cable Communications와 같은 미국의 주요 케이블 사업자들로 구성되었는데, 초기에는 IEEE 802.14 위원회와 기타 표준제정 기관에 압력을 가할 목적으로 설립된 컨소시엄이었으며, 그들이 제정한 규격을 만족하지 않으면 구매를 하지 않겠다고 발표함으로써, 사실상의 미국내의 표준이 되면서 주도권을 확보하였다. MCNS의 규격은 3단계로 나누어져 규격작업이 진행되었는데, 1997년3월에 DOCSIS(Data Over Cable System Interface Specification)을 발표하였고, 1998년 3월에 ITU에 의해 표준으로 채택되었다.

IEEE 802.14위원회는 1994년 6월 COM21, IBM, Motorola, Alcatel 등의 업체들에 의해 결성된 Cable TV MAC and PHY Working Group로서, 화상, 음성, 데이터 등의 다양한 트래픽이 복합적으로 서비스되어지는 망에서 적절한 QoS(Quality of Service)의 보장을 위한 ATM 기반의 규격을 제정하고 있다. MAC와 PHY의 표준화를 목표로 하고 있는 IEEE 802.14 규격은 현재 Draft 3 Revision 1(Cable-TV Access Method and Physical Layer Specification)까지 발표가 되어있으나, 각 참여 업체의 실리와 입장 차이 때문에 표준안의 확정이 늦어지고 있다.

IEEE 802.14와 MCNS의 물리계층에서의 특징적인 차이점은 MCNS의 하향 전송규격은 대체로 ITU-T의 Recommendation J.83 Annex B를 따르고 있으나, IEEE의 경우 Annex A, B, C를 모두 수용하고 있다. 또한 IEEE 802.14 규격은 ATM에 대한 지원을 제공하는 반면에, MCNS 규격은 지원하지 않는다는 점이다. 국내에서는 TTA CATV 연구위원회에서 MCNS 규격을 기반으로 이견 및 조정사항을 협의 후, 1998년 8월에 국내 규격안 제출을 목표로 하고 있다. 그 외에도 DAVIC 등 몇몇 기구에서도 나름대로의 표준을 제정하고 있으나 큰 흐름을 형성하고 있지는 못하고 있다. <표 2>는 MCNS와 IEEE 802.14 규격의 주요 비교표이다[2].

2. 케이블모뎀 시장 동향

현재 국내외 케이블모뎀 서비스에 사용되는 제품들은 모뎀들간의 상호 동작성에 대한 별 다른 고려 없이 개발되어 서로 시장을 분할함으로써 경쟁력이 약해지고 대규모 투자에 대한 위험부담이 커지고 있다고 판단된다. <표 3>은 주요 케이블모뎀 벤더들이 개발 중이거나 조만간 상용화할 예정인 케이블 모뎀들의 업체 표준 동향으로서 대부분의 벤더들이 MCNS 규격을 지향하는 추세를 보여주고 있다.[6] 일부 벤더들은 협소한 상향 주파수 대역과 상향 잡음의 한계를 극복하기 위한 방편으로 상향 전송에 기존의 전화선을 사용하는 Telco Return 모뎀을 개발중이다. 하지만 이 경우 사용자는 케이블 모뎀에 의한 서비스 사용료 외에도 전화 사용료와 PPP접속료를 부담해야 하는 단점이 있다. 케이블TV망을 이용하여 전화 서비스를 제공해온 호주의 OPTUS사의 경우, 전원 공급 문제로 추가 가입자 수용에는 어려움을 겪고 있다. 이는 일반 PSTN(Public Switched Telephone Network)전화와 같이 전화국에서 전원을 공급하는 방식과는 다르게 Cable Telephony의 경우, 자체 전원을 공급 받아야 하는 문제점이 있다.

3. 케이블모뎀 대응 기술 동향

고속의 데이터서비스를 제공하기 위하여, 케이블TV사업자들은 기존의 케이블 망을 사용하는 케이블모뎀 시스템의 개발에 중점을 두게 되었고, 통신회사들은 기존의 전화망을 이용하여 가입자에게 고속의 데이터서비스를 제공하는 xDSL기술에 많은 투자를 하고 있다. xDSL기술은 광케이블이 완전히 구축되기 전인 B-ISDN(Broadband Integrated Services Digital Network)의 초기 단계에서 경제적으로 광대역서비스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 자연스럽게 B-ISDN망으로 진화될 수 있는 기술친화성이 있으며, 기존의 음성 신호와 광대역 신호를 동시에 전송하기 때문에 가입자측에 새로운 선로를 시설할 필요가 없으므로 투자비를 절감할 수 있다.

ADSL Lite 모뎀은 ANSI T1.413 DMT(Discrete Multi-Tone)표준을 따르며, splitter가 필요 없는 splitterless 방식이므로 ADSL를 설치하더라도 기존 전화에 영향을 주지 않는다. 이는 DSL concentration 장비에서 모아진 DSL시그널은Local Carrier의 프레임릴레이 망이나 ATM망으로 바로 전달되어 ISP(Internet Service Provider)의 POP(Point Of Presence) 로 전송되기 때문에 기존의 PSTN 스위치와는 traverse되지 않는다.[8] (그림 9)는 전형적인 ADSL 시스템과 splitterless방식의 ADSL Lite의 구성을 비교한 그림이다.

VI. 결 론

본 고에서는 최근 커다란 관심을 불러일으키면서 상용서비스를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있는 케이블TV망을 통해 고속의 인터넷서비스를 제공하는 케이블 모뎀 기술 및 발전 동향에 대해 기술하였다. 현재 전 세계 유수 업체들이 MCNS 규격의 케이블 모뎀을 개발 중에 있으며, 전화 사업자들은 xDSL 및 ADSL Lite을 이용한 데이터 서비스를 준비 중이어서 경쟁은 한층 더 치열해질 전망이다. 통신망사업자와 케이블TV사업자가 각기 자신들이 보유하고 있는 인프라를 이용하여 고속의 데이터서비스를 제공하는 방법에는 기술적, 경제적인 측면에서 많은 차이가 있으나, 국내의 기술 발전 추세, 서비스 수요 전망, 경제성 등을 고려하여, 이와 같이 서로 기술적으로 경쟁상태에 있는 다양한 네트워크들도 상호 결합되어 발전해 나가야 할 것이다.

<참 고 문 헌>