[논문]다수 사용자 OFDM 시스템에서의 비디오 전송을 위한 비례 율 적용 왜곡 최소화 자원 할당 방법

하호진; 임창훈; 김영용

다수 사용자 OFDM 시스템에서의 비디오 전송을 위한 비례 율 적용 왜곡 최소화 자원 할당 방법
Distortion Minimization Resource Allocation Scheme for Multiuser Video Transmission Over OFDM Network with Proportional Rates 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.33 no.7B, 2008년, pp.583 - 591

하호진 (연세대학교 전기전자공학부) , 임창훈 (건국대학교 인터넷미디어공학부) , 김영용 (연세대학교 전기전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 다수의 비디오를 전송하는 직교 주파수 다중 분할 시스템의 다운링크에서 종단간 비디오에서 발생하는 왜곡을 최소화하는 자원 할당 방법을 제안한다. 제안된 알고리즘은 제한된 시스템 리소스에서 다수 사용자의 다양성과 패킷 왜곡 모델을 이용한 비트 왜곡 함수를 이용하여 전체 사용자의 비디오 왜곡을 최소화한다. 첫 단계에서, H.264 비디오 코딩 구조에 존재하는 에러 은닉과 전파를 이용하여 비트 왜곡 함수를 유도한다. 두 번째 단계에서는 전체적인 비디오 화질 저하를 최소화하기 위해서, 직교 주파수 다중 분할 시스템의 자원을 사용자의 다양성을 이용하여 부 반송파와 파워를 할당하는 자원 할당 알고리즘을 제안한다. 또한 각 사용자에 의해서 요구되는 비디오 화질을 얻기 위해서, 비례 율의 요소를 적용한다. 실험결과에서, 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 시간 분할 다중 접속 방법 그리고 비트 왜곡의 정보를 이용하지 않는 알고리즘과 비교해서, 종단간의 비디오 화질을 크게 향상시키는 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a resource allocation algorithm for minimizing the overall distortion of multiple users in orthogonal frequency division multiplex (OFDM). The proposed algorithm exploits the diversity of multiuser and the rate-distortion function using packet distortion model in a system with limited resources. We first induce a rate-distortion function considering error concealment and error propagation properties of H.264 video structures. Then we perform adaptive resource allocation utilizing multiuser diversity for minimizing the overall video quality degradation. We also consider the proportional rate which is pre-determined for each user. Simulation results show that compared to the previous time division multiple access method and the resource allocation method maximizing data rate, the proposed rate allocation algorithm substantially improves the received video quality.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다중 사용자의 비디오 왜곡을 최소화하기 위해서, 각 사용자에 대한 채널 환경의 다양성과 비디오 패킷에 존재하는 비 대칭성을 이용하여 전체 사용자의 비디오 화질을 최소화하는 알고리즘을 제안한다. 각 사용자에 의해서 요구되는 비디오 화질을 얻기 위해서, 비례 율 (proportional rate)을 고려하여 알고리즘을 수행한다.
본 논문은 OFDM 시스템의 다운링크 전송상황을 고려한다. [그림 1]은 다중 사용자 OFDM 시스템의 블록 다이어그램을 나타내고 있다.
본 논문은 직교 주파수 다중 분할 다 사용자 시스템의 다운링크에서 종단간 비디오에서 발생하는 왜곡을 최소화하는 자원 할당 알고리즘을 제안하였다. 다수 사용자의 채널에 존재하는 다양성과 전송하려는 비디오 패킷에 존재하는 비대칭성을 이용하여, 전체 사용자의 비디오 왜곡을 최소화 하였다.
본 장에서는 다중 사용자의 패킷이 OFDM 시스템을 사용하여 전송될 때 각 패킷이 비디오 화질 열화에 어느 정도 영향을 미치는 가를 예측하기 위해서, 패킷 왜곡 모델을 제시한다. 패킷 p를 포함하는 프레임을 F(p)라고 하면, 제시되는 왜곡 모델은 손실된 패킷이 속해있는 현재 프레임의 왜곡 (EC), 欧과 연속된 프레임에 존재하는 에러의 전파에 의한 왜곡 (EP), 苻仞의 합으로 전체 왜곡을 예측한다.
결과적으로 각 사용자에 할당된 비트에 대한 왜곡의 크기는 요구되는 비트율과 전송 패킷의 손실로 인한 왜곡의 크기에 비례한다고 할 수 있다. 제안된 비트 왜곡율이 요구되는 비트 율과 비례하는 이유는 큰 요구 되는 비트율을 가지고 있는 사용자에게 더 많은 자원을 할당하기 위해서 이다.

가설 설정

무선채널에 대한 모델은 지수적으로 감소하는 6개의 독립적인 Rayleigh 다중경로를 이용한 주파수의 선택적 채널모델을 사용하였다同. 최대 지연 확산과 최대 도플러는 각각 5ps오! 30Hz로 가정하였다.
[그림 1]은 다중 사용자 OFDM 시스템의 블록 다이어그램을 나타내고 있다. K명의 사용자가 전체 N개의 부 반송파를 가지고 있는 OFDM 시스템을 사용한다고 가정한다. 각 사용자의 비디오 인코더는 전송 프레임들의 시간과 공간에 존재하는 연관성 (correlation)을 이용하여 압축하고 비디오패킷을 버퍼에 저장한다.
적응적 자원 할당 모듈은 각 사용자의 채널 정보와 비트 왜곡 정보를 이용하여 부 반송파 및 비트 할당을 수행한다. 여기에서 OFDM 시스템은 모든 부 반송파에 대한 모든 사용자의 채널 정보를 알고, 하나의 부 반송파는 한 사용자만이 사용한다고 가정한다. 적응적 변조기와 역 고속 푸리에 변환 (IFFT) 모듈은 각 부 반송파에 할당된 비트를 M-레벨 QAM과 IFFT를 사용해서 OFDM 심볼로 변조한다.
변조된 OFDM 심볼은 시간에 따라 천천히 변하는 주파수 선택적 페이딩 채널을 통해서 전송된다. 전체 채널 대역폭을 B로 가정하고 같은 부 반송파에 대한 모든 사용자의 페이딩 효과는 다운링크 채널에서 모두 다르다고 가정한다. 평균은 제로이고 분산이 02인 부가적인 백색 가우시안 잡음 (AWGN)을 포함하는 부 반송파 〃에 대한 사용자 *의 채널 이득과 파워를 각각 g■"과 Pk, «로 정의하면, 수신되는 신호 대 잡음비, JWe 다음과 같이 계산된다.

제안 방법

제안한다. 각 사용자에 의해서 요구되는 비디오 화질을 얻기 위해서, 비례 율 (proportional rate)을 고려하여 알고리즘을 수행한다. 제안된 알고리즘은 우선, 각 사용자에 존재하는 계층적(hierarchical) 비디오 코딩의 특성을 이용하여, 전송패킷 손실에 의한 비디오 왜곡의 크기를 나타내기 위해서 패킷 왜곡 모델을 제안한다.
K명의 사용자가 전체 N개의 부 반송파를 가지고 있는 OFDM 시스템을 사용한다고 가정한다. 각 사용자의 비디오 인코더는 전송 프레임들의 시간과 공간에 존재하는 연관성 (correlation)을 이용하여 압축하고 비디오패킷을 버퍼에 저장한다. 이 과정에서 비트 왜곡 함수를 유도한다.
제안된 알고리즘은 우선, 각 사용자에 존재하는 계층적(hierarchical) 비디오 코딩의 특성을 이용하여, 전송패킷 손실에 의한 비디오 왜곡의 크기를 나타내기 위해서 패킷 왜곡 모델을 제안한다. 그리고 계산된 패킷 왜곡 정보와 각 사용자들에 존재하는 채널의 다양성을 이용하여 각 사용자에게 자원을 할당하는 알고리즘을 제안한다. 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 시간 분할 다중 접속 (time division multiple access, TDMA) 그리고 비트 왜곡 정보를 이용하지 않는 방법과 비교해서, 1.
다수 사용자의 채널에 존재하는 다양성과 전송하려는 비디오 패킷에 존재하는 비대칭성을 이용하여, 전체 사용자의 비디오 왜곡을 최소화 하였다. 우선적으로, 우리는 H.
이를 기초显 낮은 복잡도에서 직교 주파수 다중 분할 시스템의 자원할당 알고리즘을 제안한다. 또한 제안된 알고리즘은 각 사용자에 대해서 요구되는 비트 율을 설정하여, 각 사용자에게 차별화된 서비스를 제공하도록 구성하였다. 실험결과에서, 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 TDMA 그리고 비트를 최대화 하는 알고리즘과 비교해서, L450dB의 성능향상 결과를 보여 주고 있다.
畔은 비디오 인코딩 과정에서 부차적인 결과로써 얻어질 수 있다. 복잡도를 낮추기 위해서, 손실 패킷 “에 속해있는 마크로 블록의 왜곡을 계산하기 우]해서, 그 이전 프레임의 같은 위치의 마크로 블록을 대치함으로써, 时을 예측 한다
다수 사용자의 채널에 존재하는 다양성과 전송하려는 비디오 패킷에 존재하는 비대칭성을 이용하여, 전체 사용자의 비디오 왜곡을 최소화 하였다. 우선적으로, 우리는 H.264 비디오 코딩 구조에 존재하는 에러 은닉과 전파를 이용하여 비트 왜곡에 관한 함수를 유도하였다. 이를 기초显 낮은 복잡도에서 직교 주파수 다중 분할 시스템의 자원할당 알고리즘을 제안한다.
264 비디오 코딩 구조에 존재하는 에러 은닉과 전파를 이용하여 비트 왜곡에 관한 함수를 유도하였다. 이를 기초显 낮은 복잡도에서 직교 주파수 다중 분할 시스템의 자원할당 알고리즘을 제안한다. 또한 제안된 알고리즘은 각 사용자에 대해서 요구되는 비트 율을 설정하여, 각 사용자에게 차별화된 서비스를 제공하도록 구성하였다.
본 장에서는, 앞 장에서 계산된 비트 왜곡 함수를 이용하여, 각 사용자의 비트 왜곡 율을 먼저 유도한다. 이를 이용하여, 부 반송파와 파워를 할당하는 차선(suboptimal)의 자원 할당 알고리즘을 제안한다.
제안된 비트 왜곡 율을 기초로 해서, 제한된 리소스에서 부 반송파 할당 알고리즘을 수행 한다. 모든 부 반송파에는 같은 파워가 할당되어 있다고 가정하고 사용자 k 에 할당된 부 반송파의 집합을 Q라고 정의한다.
각 사용자에 의해서 요구되는 비디오 화질을 얻기 위해서, 비례 율 (proportional rate)을 고려하여 알고리즘을 수행한다. 제안된 알고리즘은 우선, 각 사용자에 존재하는 계층적(hierarchical) 비디오 코딩의 특성을 이용하여, 전송패킷 손실에 의한 비디오 왜곡의 크기를 나타내기 위해서 패킷 왜곡 모델을 제안한다. 그리고 계산된 패킷 왜곡 정보와 각 사용자들에 존재하는 채널의 다양성을 이용하여 각 사용자에게 자원을 할당하는 알고리즘을 제안한다.
제안된 파워 할당 알고리즘은 각 사용자에 할당된 부 반송파의 집합, .와와 워터필링(waterfilling) 알고리즘을 이용하여, μ이에서와 같이 각 부 반송파에 할당될 파워의 크기를 결정한다.
패킷 왜곡 모델을 제시한다. 패킷 p를 포함하는 프레임을 F(p)라고 하면, 제시되는 왜곡 모델은 손실된 패킷이 속해있는 현재 프레임의 왜곡 (EC), 欧과 연속된 프레임에 존재하는 에러의 전파에 의한 왜곡 (EP), 苻仞의 합으로 전체 왜곡을 예측한다. 畔은 비디오 인코딩 과정에서 부차적인 결과로써 얻어질 수 있다.

대상 데이터

시뮬레이션을 위해서, 프레임 율이 15fps이고 QCIF 크기의 * Foreman'4 'Mobile, 시퀀스를 사용하였다. 실험에 사용된 OFDM 시스템은 전송을 원하는 사용자가 랜덤으로 테스트 시퀀스를 선택하여, 버퍼에 저장한다.

이론/모형

[표 1]의 파라메터를 사용하여, 시뮬레이션을 수행하였다. 무선채널에 대한 모델은 지수적으로 감소하는 6개의 독립적인 Rayleigh 다중경로를 이용한 주파수의 선택적 채널모델을 사용하였다同. 최대 지연 확산과 최대 도플러는 각각 5ps오! 30Hz로 가정하였다.
부 반송파의 집합, .와와 워터필링(waterfilling) 알고리즘을 이용하여, μ이에서와 같이 각 부 반송파에 할당될 파워의 크기를 결정한다. 부 반송파 n에서 사용자 *에 할당 가능한 피워의 레벨에 대한 집합을 命f키 로 나타내면, 파워 할당 레벨 에서의 파워와 파워 할당에 의해서 계산된 비트를 각각。*顷과 an 로 정의하고 다음과 같이 계산된다.

성능/효과

PSNR이 분포하는 것을 볼 수 있다. PDM을 사용하는 제안된 자원 할당 알고리즘은 데이터 율을 최대화하는 Shen의 알고리즘과 비교하여 더 높은 PSNR의 분포를 가진다. 이것은 전체 사용자의 비디오 왜곡을 줄이기 위해서, 약간의 복잡도■가 추가되지만, 정확한 패킷 왜곡 모델을 이용하여, 패킷지연으로 인한 왜곡을 최소화한 결과이다.
&(Q)은 AW 이 된다. 결과적으로 각 사용자에 할당된 비트에 대한 왜곡의 크기는 요구되는 비트율과 전송 패킷의 손실로 인한 왜곡의 크기에 비례한다고 할 수 있다. 제안된 비트 왜곡율이 요구되는 비트 율과 비례하는 이유는 큰 요구 되는 비트율을 가지고 있는 사용자에게 더 많은 자원을 할당하기 위해서 이다.
또한 제안된 알고리즘은 각 사용자에 대해서 요구되는 비트 율을 설정하여, 각 사용자에게 차별화된 서비스를 제공하도록 구성하였다. 실험결과에서, 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 TDMA 그리고 비트를 최대화 하는 알고리즘과 비교해서, L450dB의 성능향상 결과를 보여 주고 있다. 따라서 제안된 알고리즘은 다중 사용자 OFDM 시스템에서 비디오 왜곡을 최소화하면서, 실시간 비디오를 전송하기위한 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있다.
[그림 6](a)오]" 유사한 경향을 가지지만, 각 사용자에 할당된 비트는 요구되는 율에 비례해서 할당 된 결과를 볼 수 있다. 이와 같이 제안된 알고리즘은 계층간의 정보즉 각 사용자의 채널 특성을 통한 자원 할당 알고리즘과 비디오 코딩 특성을 이용함으로써, 전체 사용자의 비디오 화질을 향상시키면서, 요구되는 비트율에 비례한 할당을 제안된 알고리즘이 수행함으로 알 수 있다.
그리고 계산된 패킷 왜곡 정보와 각 사용자들에 존재하는 채널의 다양성을 이용하여 각 사용자에게 자원을 할당하는 알고리즘을 제안한다. 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 시간 분할 다중 접속 (time division multiple access, TDMA) 그리고 비트 왜곡 정보를 이용하지 않는 방법과 비교해서, 1.4-5.0 曲의 성능향상 결과를 보여주고 있다.

후속연구

실험결과에서, 제안된 자원할당 알고리즘은 기존의 TDMA 그리고 비트를 최대화 하는 알고리즘과 비교해서, L450dB의 성능향상 결과를 보여 주고 있다. 따라서 제안된 알고리즘은 다중 사용자 OFDM 시스템에서 비디오 왜곡을 최소화하면서, 실시간 비디오를 전송하기위한 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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