이동통신에 사용되는 음성코덱 소개

이동통신에 사용되는 음성코덱

 

 

음성과 같이 아날로그 입력을 디지털로 부호화 하는 기초적인 방식인 PCM은 8KHz로 표본화해 8bit로 양자화 하기 때문에 64kbps의 대역폭이 필요합니다. 전송로의 신뢰성이 높고 고속 전송이 가능한 환경에서는 문제가 되지 않지만 무선구간과 같이 불확실성이 높은 네트워크에서는 대역폭을 줄이기 위한 기술을 적용하게 됩니다. 방송에서 사용되는 일반적인 음성압축 기술과 달리 이동통신에서는 좀 더 전송에 효율적인 방식을 적용해야 되는데 우리나라의 이동통신 세대별 음성코덱에 대해 알아보겠습니다.

 

1. Vocoder

세대별 음성코덱에 대해 이야기하기 전에 Vocoder를 알아야 합니다. 현재와 같이 데이터 중심 통신과는 다르게 음성을 주목적으로 사용하는 초기 이동통신은 가입자에게 할당되는 대역폭을 최소화해 기지국/채널카드 당 수용 가입자를 증가시켜야 했습니다. 이를 위해 음성통화(Speech)에 맞는 음성 압축과 전송 과정에서 발생하는 전송 에러를 최소화하기 위한 방안을 적용하게 됐는데 이 때 사용하는 압축회로를 Vocoder(Voice+Encoder)라고 부릅니다. 보코더는 일반적으로 파원 부호화 방식을 사용하며 음성의 특징적인 파라미터를 추출해 전송하는 방식을 적용해 전송 데이터를 최소화합니다.

2. CDMA 음성코덱

CDMA에서는 초창기 QCELP(Qualcomm Code Exited Linear Prediction)를 사용했고 음성품질 향상을 위해 이후 EVRC(Enhanced Variable Rate Codec)를 사용했습니다. 두 코덱 모두 8kbps의 전송율을 가지며 EVRC는 잡음이 심한 경우 음성 신호가 밀집된 주파수 영역을 강조하고 그 이외 대역은 억제시키는 소프트웨어 기법을 이용해 음성 품질을 향상하는 기법이 적용돼 있습니다.

3. WCDMA 음성코덱

2세대 이동통신은 CDMA 진영과 GSM 진영으로 나뉘어 기술발전과 서비스 제공이 이루어졌습니다. WCDMA는 GSM에서 사용하던 AMR(Adaptive Multi Rate)를 사용했습니다. AMR 코덱은 12.2~4.75kbps 사이에 8가지 전송율을 가지며 이름과 같이 링크 상태에 따라 가변 동작이 가능합니다. AMR은 200~3,400Hz의 대역을 처리할 수 있으며 샘플링은 8KHz를 사용합니다. (AMR도 처리 대역폭에 따라 AMR-NB(Narrow Band)와 AMR-WB(Wide Band)로 구분되지만 이 글에서는 국내 WCDMA 음성통화에서 주로 사용하는 AMR-NB 기준이니 오해 없으시기 바랍니다. AMR 코덱도 AMR-WB가 나오면서 구분하기 위해 AMR-NB로 표기합니다.) AMR 코덱은 음성이 없는 구간에는 Comport Noise를 발생시키고 패킷 발생 주기를 늘이는 방식을 이용해 전송양을 줄이는 방식도 함께 적용해 효율성을 높이고 있습니다.

4. VoLTE 음성코덱

VoLTE에서는 AMR-WB(Wide Band)와 EVS(Enhanced Voice Services) 방식을 사용합니다.
VoLTE 초기에는 AMR의 개선 버전인 AMR-WB를 사용했습니다. AMR-WB는 16kHz의 샘플링을 사용하고 표현 대역폭은 50~7,000Hz를 적용해 AMR 보다 향상된 음성품질을 제공합니다. AMR-WB는 6.6~23.85kbps의 전송율을 사용할 수 있으며 통화중 CMR(Codec Mode Request) 패킷을 보내 Bitrate가 변경되는 것을 상대측에 전달할 수 있습니다.(이 기능은AMR과 EVS도 동일합니다.) 전송율과 표현 대역폭 외의 기능은 AMR과 유사합니다.
EVS는 AMR-WB의 발전형 코덱으로 2015년 이후에 국내 VoLTE 통화에 사용되고 있습니다. EVS 코덱은 Narrow Band, Wide Band, Super Wide Band를 지원하고 옵션으로 Full Band 사용도 가능합니다. 국내에서는 Super Wide Band를 적용하고 있으며 Super Wide Band는 32kHz의 샘플링 레이트를 적용해 14KHz까지로 표현 영역이 넓어졌습니다. 또한 전송율도9.6~128kbps로 다양하게 적용될 수 있어 사용자의 무선환경에 따라 변경이 가능합니다.(국내는 9.6~24.4kbps 사용)
VoLTE 음성 통화시에는 발신/착신 단말이 서로 제공하는 코덱을 협상해 동일한 코덱으로 통화하는 방식을 사용하고 있으며, PSTN 등 다른 코덱을 사용하는 네트워크와의 통화를 위해서는 게이트웨이 등을 이용해 코덱 협상과 변환을 지원합니다.

이상으로 국내 이동통신에서 사용하는 코덱에 대해 알아보았습니다. 서두에 말씀드린 것처럼 이동통신에 사용되는 음성코덱은 Speech를 염두에 두고 인간의 발화 특성을 고려해 만든 코덱입니다. 이로 인해 표현가능한 대역폭 등에 제약이 있어 실제의 소리와 괴리감이 크게 느껴집니다. 향후 실시간 체감형 통신이 활성화되면 Speech 뿐만 아니라 배경 소리와 현장감을 반영한 음성통신이 필요해 질 것이고 이를 위해서는 현재 방송에 적용되는 다양한 음성 코덱이 이동통신에도 반영되야 할 것입니다.

 

정보통신기술사 박종일