Network architecture for video broadcasting services 

Context in source publication

Context 1

... 스마트폰 어플리케이션들은 무선 통신 기반으로 동 작하며, 이에 따라 대역폭, 신호의 전력 및 변조 방식 등을 효과적으로 조절함으로써 무선 네트워크의 성능을 향상시키 기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[ 1, 2, 3]. 같은 맥락에서 최근 기존 싱글 캐리어 방식을 이용한 통신 방식에서 멀티 캐리어 방식을 이용한 LTE 통신 방식[4]으로의 전환이 이 루어지고 있다. 이를 활용함에 있어서 전송 속도의 향상뿐 만 아니라, 각각의 어플리케이션에서 중요시하는 부분에 적 합하게 전송 방식을 설계하는 것이 중요하며, 그 결과 네트 워크의 서비스 품질 향상 효과를 기대할 수 있을 것이다. 주목할 만한 것은, 스마트폰의 많은 어플리케이션 중에서 도 특히 스트리밍 서비스에 대한 이용이 가장 활발하다는 점이다. 최근 스트리밍 서비스의 영상 부호화 기법으로 Scalable Video Coding (SVC)기법[5]이 주로 사용되고 있는 데, 기존 H.264/AVC 기법[6]의 확장 버전인 SVC 기법은 비디오 데이터를 기본계층(Base Layer)과 상위계층 (Enhancement Layer)으로 분리하여 프레임을 처리한다. 기 본계층은 낮은 품질의 기본적인 영상 정보를 처리하고, 상 위계층은 높은 품질의 추가적인 정보를 기본계층 정보에 더 하여 영상 정보 복호화를 수행한다. 이에 따라 사용자들이 느끼는 영상의 서비스 품질에 있어서 기본계층은 데이터의 정확성이 중요하고, 상위계층은 영상의 완벽한 복원보다는 끊김 없는 영상의 재생이 중요할 것이다. 이처럼 각 계층별 로 중요시해야 할 부분이 각각 다르기 때문에, 전송 성능의 향상을 위해서는 각 계층의 특성을 고려한 전송 방식이 필 요하다. 본 논문에서는 스트리밍 서비스를 이용하는 사용자들이 요구하는 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 전송 방식을 제 안한다. 듀얼-채널을 이용하여 기본계층에 대한 전송의 신 뢰성을 향상시키고, FEC (Forward Error Correction) 기법 을 통해 연속적으로 발생하는 에러에 대하여 추가적으로 에 러율을 낮추도록 전송 방식을 설계한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 비디오 전송에 관련된 Scalable 비 디오 이슈들에 대하여 살펴보고, 3장에서는 비디오 전송 시 뮬레이션을 위한 네트워크 계층을 설계할 것이다. 4장에서 는 제안하는 전송 방식의 성능 향상 효과를 시뮬레이션 결 과를 통해 알아본다. 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다. 비디오 브로드캐스팅 서비스를 제공하기 위한 일반적인 무선 네트워크 구조는 Fig. 1과 같다. 이는 Radio Access Network (RAN)와 Data Core Network (DCN)으로 구성된 다. 브로드캐스트 콘텐츠 공급자는 인터넷 망 내에 IP 스트 림을 이용한 브로드캐스트 콘텐츠를 제공한다. 콘텐츠 서버 는 공급자로부터 콘텐츠를 수신, 저장 및 전달한다. 또한 여 러 공급자로부터 수신한 콘텐츠를 병합하기도 한다. 베이스 스테이션(BS: Base Station)은 무선 채널을 통해 여러 무선 기기에 비디오 스트림을 전송한다[7]. 우리는 이러한 무선 기기와 베이스 스테이션 사이의 포워드 링크에 대해 초점을 맞춰 전송 방식을 제안한다. 이 포워드 트래픽 채널은 여러 무선 기기 사이에 시간 분할 다중화(TDM: Time-Division Multiplexing) 기법에 의해 할당된다고 가정한다. H.264/AVC를 확장한 부호화 기술인 SVC는 기존의 MPEG-2, MPEG-4 등에서 시도한 계층 부호화 기반의 확 장성(Scalability)이 갖는 문제점인 낮은 압축효율, 복합 확장 성의 부재, 높은 구현 복잡성의 문제를 해결하기 위해 개발 된 새로운 확장 비디오 부호화 기법이다. 확장형 부호화 기 술인 SVC는 크게 VCL (Video Coding Layer) 계층과 NAL (Network Abstraction Layer) 계층으로 구분한다. 먼저, SVC의 VCL 계층에서는 영상 정보의 부호화 정보인 기본 계층 부호화 정보와 상위계층의 확장성 부호화 정보를 슬라 이스(Slice) 단위로 생성한다. VCL에서 생성한 각 슬라이스 는 네트워크를 통해 효율적으로 전송되기 위해, NAL 계층 에서 NAL Unit 단위로 만들어지게 되며, NAL Unit 단위로 구성된 SVC 비트스트림(Bitstream)은 IP 네트워크 등을 통 해 전달할 수 있는 구조를 가지게 된다[5]. 이러한 SVC 부호화 기술은 공간적, 시간적, 품질적 확장 성을 지원하는 복합적인 확장 비디오 부호화 방법을 가지고 있다. SVC를 이용하여 한번 부호화된 비트스트림은 두 개 혹은 그 이상의 의존적인 계층으로 구성될 수 있다. 이와 같은 경우 SVC 비트스트림은 하나의 기본계층(Base Layer) 과 기본계층 위에 연속적으로 쌓을 수 있는 다수의 상위계 층(Enhancement Layer)들로 구성된다. 여기서 기본계층에 연속되는 상위계층의 정보를 함께 이용하면, 기본계층의 비 트스트림보다 개선된 화질을 제공하는 비트스트림을 만들 수 있다. 일반적으로 기본계층은 기본 품질을 제공하고, 연 속된 상위계층은 이전 계층들로 만들어진 비디오보다 높은 품질을 갖도록 부호화한다. 이는 상위계층의 확장 레벨에 따라 고화질 디스플레이 혹은 저화질 스트리밍 서비스 등의 다양한 분야에 모두 적용 가능한 기술이다. 공간적인 확장성은 상 ∙ 하향 표본화를 통해 여러 해상도 를 가지는 영상들을 계층적으로 구성하여 제공한다. 우선 하위계층의 크기가 작은 영상을 부호화한 후, 상위계층은 부호화된 하위계층의 정보를 이용함으로써 부호화 효율을 높인다. 시간적 확장성은 MCTF (Motion Compensated Temporal Filterling) 또는 Hierarchical B-Picture 기법을 이용한다. 이는 매 프레임마다 구별된 시간적 레벨을 지정 함으로써 다양한 프레임 율을 제공하며 GOP (Group of Pictures) 단위로 처리한다. 하나의 GOP에서는 적어도 하나 의 주요 Picture를 가지며 다른 Picture들은 이 주요 Picture 의 의존성을 가진다. 마지막으로 화질 확장성은 CGS (Coarse Grain Scalability)와 FGS (Fine Grain Scalability) 에 의해 구현된다. CGS는 계층 기반인 측면에서 공간적 확 장성과 동일한 방식이지만, 계층 간에 동일한 해상도를 가 지는 반면, 양자화(QP: Quantization Parameter) 값을 다르 게 할당하여 상위계층일수록 높은 화질을 제공한다. FGS는 Bit-plane 부호화 기법과 유사한 Cyclic 부호화 기법과 2-scan 부호화 기법으로 만들어지며, CGS보다 세밀한 비트 양 및 화질 차이를 제공할 수 있다. SVC의 시간적 확장성 예로 Fig. 2는 0부터 4까지 5개의 Temporal Level을 가지는 확장성 비디오 비트스트림을 보 여주고 있다. 이 비트스트림은 16개의 GOP size를 가지고 있으며 Hierarchical B-Picture 기법을 이용하여 총 5개의 Temporal Level을 가지고 있다. 주요 Picture에 해당하는 I-Picture (Infra-Picture)는 Temporal Level 0을 가진다. 각 Picture들은 더 낮은 Level의 Reference Picture로부터 Predicted Picture의 연관성을 가진다. Fig. 2와 같이 기본계 층에 해당하는 I/P-Picture (Previous or Predicted-Picture) 의 경우 상위계층에 해당하고 높은 Temporal Level을 가지 는 B0, B1, B2-Picture (Bidirectional-Picture)들과 연관성을 가짐을 알 수 있다[5]. 우리는 I/P-Picture의 신뢰성 증가를 통해 비디오 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 방식을 설계 할 것이다. 진술해야 한다. 이 장에서 우리는 Scalable 비디오 전송에 있어 듀얼-채 널 모델을 적용한 전송 방식을 제안한다. 두 채널은 각각 SVC 부호화 정보들의 전송에 대해 각각 기본계층과 상위계 층을 구분하여 서로 다른 작업을 수행하며 각 계층별로 신 뢰성의 증가 및 전송 속도의 향상 등의 성능 효과를 기대할 수 있다. PHY 계층(Physical Layer)에서 듀얼-채널 전송 방식을 CDMA2000 1xEV-DO를 이용하여 기본계층과 상위계층에 해당하는 부호화 정보를 각각 중복전송과 분산전송을 하도 록 설계한다. MAC 계층(Medium Access Control Layer)에 서는 FEC 기법을 적용하여 에러율을 더 감소시키고, 비디 오 전송에 맞는 패킷 스케줄링 기법을 제안한다. 우리는 PHY 계층을 설계하는데 있어 CDMA2000 1xEV- DO (Evolution-Data Only)를 사용할 것이다. CDMA2000 1xEV-DO는 ITU (International Telecommunication Union) 의 3G 네트워크 표준인 IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) 기술로 승인된 패킷 데이터 전송 전용 프로토콜로서[8, 9], 최대 전송 속도가 순방향 링크의 경 우 2.4Mbps, 역방향 링크의 경우 153.6kbps까지 가능하다[10]. 1xEV-DO 시스템을 위한 채널구조를 살펴보도록 한다. 기 본적인 전송 단위는 1.666ms(=2048chips) 길이의 슬롯(Slot)이 고, 16개의 슬롯을 합쳐 하나의 프레임이 구성된다. 순방향 링크는 파일럿(Pilot) 채널, MAC (Medium Access Channel) 채널, 제어(Control) 및 트래픽(Traffic) 채널로 구성된다. 먼 저, 파일럿 채널은 접속 초기의 시스템 획득(System Acquisition)과 채널추정(Channel Estimation)에 사용된다. MAC 채널은 총 64개로 구성되는데, 단말의 동작을 제어하기 위한 정보를 전송한다. 각 MAC 채널은 슬롯당 1비트의 정보 를 전송하고 Walsh 코드에 의해 채널이 구분된다. 제어 채널 과 트래픽 채널은 각각 단말의 상위 계층에서 발생하는 시그 널링(Signaling) 정보와 사용자 데이터를 전송한다. 우리는 Table 1과 같은 CDMA2000 1xEV-DO 표준에서 변조 파라미터와 포워딩 데이터 채널에 사용되는 데이터 전 송율 등의 각종 파라미터를 선정한다[11, 12]. PHY 계층의 각 패킷 사이즈를 2,048bits로 가정하게 되면, PHY 계층 패 킷의 Payload인 MAC 계층의 패킷은 2,004bits가 된다. 포워 딩 데이터 채널의 참조 데이터 전송율은 1.67ms 타임 슬롯 으로 나뉘어지는 1228.8kbps로 가정한다. EV-DO의 사용 가 능한 대역은 여러 가지가 있다. 우리는 실제 CDMA2000 1xEV-DO 방식 자체를 사용하는 것이 아니고 듀얼-채널로 전송 방식을 시뮬레이션 하기 위해 가상 설계를 할 것이다. 그렇기 때문에, 우리는 900MHz와 1.8GHz 대역을 듀얼-채 널로서 사용하는 것으로 가정한다. 우리는 제안하는 듀얼-채널 전송 방식의 시뮬레이션을 위해 다음과 같은 에러 모델을 사용할 것이다. 에러 모델은 무선 링크에서의 전송 에러가 성능에 미치는 영향만을 고려 하기 위해 유선 링크에서는 Congestion에 의한 손실은 없 고, 모든 손실은 무선 링크에서 발생한 전송 손실로만 가정 하였다. 무선 망에서 발생하는 특성을 고려하기 위해 일반적으로 많이 사용하고 있는 2-State Markov 에러 모델을 사용하였 다[13]. 실제 무선 링크에 대한 정확한 수학적 분석은 불가 능하기 때문에 많은 경우에 무선 링크를 단순화한 모델을 사용한다. Fig. 3과 같이 에러 모델을 사용할 때, Good 상태 와 Bad 상태에 대한 무선 링크의 품질과 사용자의 이동성, 패킷의 길이 등에 대한 고려가 있어야 한다. 하지만 종종 이러한 고려들이 생략된 채 사용되기도 한다. 본 논문에서 는 San Diego에 있는 캘리포니아 대학의 Michele Zorzi 등 에 의해 제안된 Simple Threshold Model을 사용하였다[14, 15]. 이 모델은 전송되는 데이터 블록의 Fading Envelope이 일정 값 이상일 때에만 수신 측에서 수신을 성공할 수 있고, Fading Envelope이 일정 값 이하일 경우는 수신을 실패하 는 Binary Process로 나타낼 수 있다. 하지만 이 모델도 물 리 계층의 코딩이나 변조 기법 등의 고려대상이 하나의 파 라미터로 나타내어지기 때문에 실제 링크와는 다를 수 있 다. 특히 한 블록이 전송되는 동안 Fading Envelope이 일정 하게 유지가 되는 것을 가정했는데 실제 채널에서는 사용자 이동성의 정도가 심할 경우는 그렇게 유지 되지 않는다. 그 럼에도 불구하고 이 모델을 사용하는 것은 실제 코딩이나 변조기법과 하나의 데이터 블록이 N개의 심볼로 구성되었 을 경우를 고려하였을 때의 Detailed Threshold Model과 비 교했을 때 두 모델의 결과가 데이터 블록 전송 중에 Fading Envelope이 변해도 잘 일치를 하고 있기 때문이다[16]. 우리 는 이 모델을 그대로 이용을 하기 때문에 더 심도 있는 에 러 모델에 대한 분석은 하지 ...