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문제 정의
- 부족하다. 본 절에서는 2장에서 설명한 스트리밍프로토콜들의 문제점과 기존 SVC 비트스트림 선택 기법의 문제점을 개선하기 위해 T-NASS(TCP-Feiendly Network Adaptive SVC Streaming) 프로토콜을 제안한다.
- 제공한다. 이러한 SVC의 목적은 한번의 부호화 과정으로 다양한 확장성을 제공하는 비트스트림 콘텐츠를 생성하여, 다양한 접속 네트워크 및 이기종 단말에서 QoS가 보장되는 비디오 스트리밍 서비스를 사용자에게 제공한다. 이와 같은 서비스가 효율적으로 제공되기 위해서는 원본 비디오 영상으로부터 네트워크 환경과 사용자 단말에 상태를 인지하여 현재 상태에 적합한 비트율를 갖는 비트스트림을 선택하여 전송하는 방법에 대한 연구를 수행 할 필요가 있다[3, 4].
- 평균적인 네트워크 상황을 반영한 전송률 결정은 비트스트림의 변화 횟수를 줄여 사용자 체감품질은 향상시킬 수 있지만, 네트워크 상황을 실시간으로 반영할 수 없는 단점을 갖는다. 이에 본 논문에서는 네트워크 장비에서 제공하는 ECN기능을 사용하여 코어 네트워크의 혼잡 상황을 실시간으로 반영할 수 있도록 하였다. ECN은 불필요한 패킷 손실을 막기 위해 송신자에게 혼잡 상황을 알려주며, RED(Random Early Detection), Fuzzy-RED, Weighted-RED와 같은 큐 관리 기법을 이용하여 혼잡 상황을 IP헤더에 기록한다.
제안 방법
- 시뮬레이션 시작 후, %초 동안은 품질 적응 기법을 적용한 세션만올 동작시켜 네트워크 전체 대역폭을 점유하도록 하였다. 30초 이후부터는 TCP 트래픽올 유입하여 네트워크 대역폭을 경쟁하도록 하였으며 네트워크 상태 정보 전달을 위해서 클라이언트는 1초마다 한번씩 RTCP 제어 메시지를 서버로 전달하도록 하였다.
- NS-2 시뮬레이터를 이용하여 네트워크 상태를 반영한 T-NASS 프로토콜의 성능을 검중하고, 기존의 방식과 비교하기 위해 선택된 비트스트림의 비트율 및 영상 품질, TCP 친화적인 전송률에 대해 비교 분석 하였다. 실험 결과를 통해서 T-NASS 프로토콜은 기존 TCP 친화적인 전송률 보다 안정적인 전송률을 보였으며, 링크 사용률 측면에서 약 40% 이상의 성능 향상을 확인할 수 있었다.
- 수행되는 비트스트림 선택 알고리즘의 비트율 조절동작 순서를 보여주고 있다. T-NASS 프로토콜은 사용자 체감 품질과 프레임율의 관계를 정량화 한 이론인 Expo-algorithm Function[20]을 기반으로 확장성을 조절하는 알고리즘을 제안하였다. Area A일 경우, 현재전송되고 있는 영상의 프레임율을 검사하여 기준 프레임 율(Refeience Frame Rate)보다 낮으면 시간적 확장성을 조절하고, 기준 프레임율보다 높으면 품질적 확장성과 시간적 확장성을 선택적으로 조절하여 비트스트림을 선택한다.
- 각 영역은 현재 패킷 손실률과 라우터에서의혼잡 상황의 변화 경향에 따라 작은 변화 경향을 갖는 Area A와 네트워크의 변화 경향이 큰 Area B, Area C로 구분하였다. 네트워크 상태 영역 테이블은 패킷 손실률과 ECN 수신 확률의 변화 경향을 5가지 레벨로 구분한다.
- ADM은 부정확한 기존의 TCP 친화적인 전송률 산출 방식의 문제점을 해결하기 위해 이벤트 기반의 패킷 손실률 계산 기법을 적용하며, 전송률 변화를줄이기 위하여 저대역 필터링된 RTT를 계산한다. 또한 ADM은 라우터에서의 혼잡 상황을 나타내는 ECN이 표기된 패킷의 수신율과 패킷 손실률의 변화량을 계산하고, 이를 BEMT(Bitstream Extraction Mapping Table) 에 적용하여 네트워크 상태에 적합한 비트스트림을 선택한다.
- TCP 친화적인 전송률 산출은 패킷 이벤트 기반의 패킷손실률 계산 방법을 통해 패킷 손실률의 변화폭을 크게감소시키고 링크 사용률을 향상 시켰으며, RTT에 2차저대역 필터를 사용하여 전송률의 변화폭을 감소시켰다. 또한 패킷 손실률의 변화 경향과 ECN이 표시된 패킷의수신율 변화 경향을 정량화하여 네트워크 상태에 따라다른 비트스트림 선택 기법을 제안하였다. 비트스트림의선택은 SVC 부호화 기법의 확장성에 따른 비트율의 변화 특성을 이용하여 네트워크 상태 변화가 작을 경우에는 비트율의 변화량이 작은 시간적 확장성을, 네트워크상태 변화가 클 경우에는 비트율의 변화량이 큰 공간적, 품질적 확장성을 조절 할 수 있도록 설계 하였다.
- 분석을 하였다. 본 논문에서 제안하는 T-NASS 프로토콜은 네트워크 상태 인지를 통해 TCP 친화적인전송률올 계산하여 네트워크의 패킷 손실률과 라우터에서의 혼잡 상황을 고려한 비트스트림 선택기법 제어함으로써 네트워크 상태에 적응적인 최적의 비트스트림이선택 될 수 있도록 하였다. 또한 사용자 관점에서 끊김없는 부드러운 비디오 재생이 가능하도록 성능을 향상시켰다.
- 본 논문에서 제안한 T-NASS 프로토콜은 TCP 친화적인 전송률을 기반으로 네트워크 상황을 인지하여 네트워크 상황에 최적의 SVC 비트스트림올 선택한다. TCP 친화적인 전송률 산출은 패킷 이벤트 기반의 패킷손실률 계산 방법을 통해 패킷 손실률의 변화폭을 크게감소시키고 링크 사용률을 향상 시켰으며, RTT에 2차저대역 필터를 사용하여 전송률의 변화폭을 감소시켰다.
- 본 논문에서는 SVC 기반의 스트리밍 시스템에서 네트워크 상태를 인지하여 비트스트림을 선택하는 새로운기법을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 알고리즘에 대한성능 분석을 하였다. 본 논문에서 제안하는 T-NASS 프로토콜은 네트워크 상태 인지를 통해 TCP 친화적인전송률올 계산하여 네트워크의 패킷 손실률과 라우터에서의 혼잡 상황을 고려한 비트스트림 선택기법 제어함으로써 네트워크 상태에 적응적인 최적의 비트스트림이선택 될 수 있도록 하였다.
- 본 장에서는 새로 제안한 T-NASS(TCP-Friendly Network Adaptive SVC Streaming) 프로토콜의 성능평가를 위해 LBNL(Lawrence Berkely National Labo ratory)^ ns-2(network simulator)# 사용하여 그림 9 와 같은 환경에서 다양한 실험을 수행하였다[21]. 혼잡상황을 발생시키기 위해, 경쟁 트래픽으로 TCP 트래픽을 유입하였으며 전체 120초 동안 실험을 수행하였다.
- 또한 패킷 손실률의 변화 경향과 ECN이 표시된 패킷의수신율 변화 경향을 정량화하여 네트워크 상태에 따라다른 비트스트림 선택 기법을 제안하였다. 비트스트림의선택은 SVC 부호화 기법의 확장성에 따른 비트율의 변화 특성을 이용하여 네트워크 상태 변화가 작을 경우에는 비트율의 변화량이 작은 시간적 확장성을, 네트워크상태 변화가 클 경우에는 비트율의 변화량이 큰 공간적, 품질적 확장성을 조절 할 수 있도록 설계 하였다.
- 혼잡상황을 발생시키기 위해, 경쟁 트래픽으로 TCP 트래픽을 유입하였으며 전체 120초 동안 실험을 수행하였다. 시뮬레이션 시작 후, %초 동안은 품질 적응 기법을 적용한 세션만올 동작시켜 네트워크 전체 대역폭을 점유하도록 하였다. 30초 이후부터는 TCP 트래픽올 유입하여 네트워크 대역폭을 경쟁하도록 하였으며 네트워크 상태 정보 전달을 위해서 클라이언트는 1초마다 한번씩 RTCP 제어 메시지를 서버로 전달하도록 하였다.
- 있다. 이를 해결하기 위해 T-NASS 프로토콜은 네트워크의 상태뿐만 아니라 비트스트림의 특성을 고려한 비트스트림 선택기법을 제안한다.
- 제안하는 비트스트림 선택 기법은 네트워크 측면에서 패킷 손실률과 전송 경로에 설치된 라우터에서 발생하는 흔잡 상황을 고려한다. 패킷 손실를 측정은 보다 정확한 패킷 손실 측정을 위해 패킷 수 기반의 패킷 손실를 계산 방법을 사용하며, 패킷 손실률의 변화폭을 줄이기 위해서 패킷 손실률의 중가.
- 혼잡상황을 발생시키기 위해, 경쟁 트래픽으로 TCP 트래픽을 유입하였으며 전체 120초 동안 실험을 수행하였다. 시뮬레이션 시작 후, %초 동안은 품질 적응 기법을 적용한 세션만올 동작시켜 네트워크 전체 대역폭을 점유하도록 하였다.
대상 데이터
- 나타난다. 비교 대상은 TCP 친화적인 전송률 내에서 최대의 비트율을 갖는 비트스트림을 선택하는 기법을 사용한 경우와 T-NASS 프로토콜의 비트스트림 선택 기법을 적용한 경우, 선택된 비트스트림의 비트율을 나타내었다. T-NASS 프로토콜은 네트워크 상태 정보를 통해서 영역을 결정하며 각 영역에서 비트스트림의 특성에 맞는최적의 비트스트림을 선택하기 때문에 비트율의 변화폭이 적으며, 비트율의 변화가 단계적으로 이루어진다N 또한 비트스트 림의 선택 빈도수를 크게 줄여 사용자가 느끼는 체감 품질의 향상뿐만 아니라 네트워크 안정성에있어서 보다 큰 성능 향상을 보였다.
이론/모형
- SVC 형태로 인코딩된 비디오 영상은 SE(Ser- vct Entity)의 스트리밍 서버를 통해서 CECClient Entity) 로 전송된다. T-NASS 프로토콜은 기본적으로 표준 스트리밍 프로토콜인 RTP/RTCP 모델을 사용한다. 제어프로토콜인 RTCP는 패킷 손실률과 RTT등의 네트워크상태 정보를 주기적으로 MEXManagement Entity)내에있는 MM(Monitoring Module)에게 보고한다.
- 나타낸다. T-NASS 프로토콜이 적용된 트래픽은 3.3.절에서 설명한 이벤트 기반의 패킷 손실률 계산 기법과 2차 저역필터를 사용한 RTT 계산 기법을 적용하였다. 기존의 TCP 친화적인 전송률 조절 기법은 전체적으로 낮은 전송률을 나타내며, 짧은 구간 사이에서 전송률 변화가 크다.
- 우선 하위계층의 크기가 작은 영상을 부호화한 후, 상위계층은 부호화된 하위계층의 정보를 이용함으로써 부호화 효율을 높인다. 시간적 확장성은 계충적 B 화면 (Hierarchical B Picture) 기법을 이용한다. 이는 매 프레임마다 구별된 시간적 레벨을 지정함으로써 다양한 프레임 율을 제공한다.
성능/효과
- 비트율의 상한치를 결정한다. 2.3절에서 언급한 것과 같이 Padhye의 공식을 사용하는 기존 스트리밍프로토콜은 패킷 수 기반의 패킷 손실률을 사용하여 전송률을 결정한다. 패킷 수 기반의 패킷 손실률은 상대적으로 큰 값으로 결정되므로 실제 TCP의 평균 전송률에 비해 작은 값으로 TCP 친화적인 전송률을 계산하게 되며, 연속적인 패킷 손실이 발생할 경우 전송률 변화에 큰 영향을 끼치게 된다.
- UDP를 사용하는 RTP는 RTCP 패킷 전송 주기 동안의 종단간 지연과 패킷 손실률의 변화폭이 크며, 특히 패킷 손실률은 전체적으로 높게 측정되어 TCP 친화적인 전송률을 결정할 때 전송률을 감소시키는 원인이 되었다. 하지만 T-NASS 프로토콜은 종단간 지연에 2차저역필터 사용과 이벤트 기반의 패킷 손실률 측정 방법으로 인하여 종단간 지연의 변화폭을 줄이며 패킷 손실 발생이 크게 감소하였다.
- 반면 T-NASS 프로토콜의 트래픽은 높은 링크 사용률을 가지며, 변화 폭도 비교적 낮은 범위에서 존재한다. 결과를 통해 보다 안정적으로 높은 비트율을 갖는 비트스트림을 선택하는 것을 확인 하였다. 하지만 전송률의 변화는 여전히 존재하며, 이산적인 비트율을 갖는 비트스트림의 선택에 있어 적합하지 않다.
- 변화를 결과로 나타내었다. 결과를 통해 확인할 수 있듯이 이벤트 기반의 패킷 손실률 계산 방법은기존의 패킷 수 기반의 패킷 손실률 계산에 비해 작은값을 가지며 패킷 손실률의 변화도 크게 줄어드는 것을볼 수 있다. 이러한 이벤트 기반의 패킷 손실률을 Padhye의 공식에 적용할 경우, 경쟁하는 TCP와의 형평성이 향상되는 동시에 전송률의 변화폭이 줄어드는긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
- 네트워크 상태의 변화 경향은 네트워크가 흔잡상황으로 진입하는 구간에서는 낮은 수치로 나타내었고, 네트워크가 안정적인 상태로 진입하는 구간에서는 높은 수치로 나타내었다. 각 영역에서는 변화 경향에 대한 수치를 이용하여 네트워크 상태를 식 (7)과 같이 정량적인스코어로 나타낸다.
- 이러한 결과를 통해 제안하는 T-NASS 프로토콜이 같은 비트율을 갖는 비트스트림 중에서 더 높은 품질을 갖는 비트 스트림을 선택하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 T-NASS 프로토콜은 기존 SVC 코딩기법을 이용한 전송률 조절 기법인 SVSH8]보다 동일 네트워크 환경에서 좀 더 높은 품질을 제공할 수 있다.
- T-NASS 프로토콜은 네트워크 상태 정보를 통해서 영역을 결정하며 각 영역에서 비트스트림의 특성에 맞는최적의 비트스트림을 선택하기 때문에 비트율의 변화폭이 적으며, 비트율의 변화가 단계적으로 이루어진다N 또한 비트스트 림의 선택 빈도수를 크게 줄여 사용자가 느끼는 체감 품질의 향상뿐만 아니라 네트워크 안정성에있어서 보다 큰 성능 향상을 보였다. 따라서, 본 논문에서 제안한 T-NASS 프로토콜은 기존 TRFC를 기반으로 제안되었던 MSTFP, SRTP, TF-RTP 방법 보다안정된 전송률 특성을 제공하여 영상의 비트율 변화를줄여 줄 수 있다.
- 수 있다. 또한 30초 이후 구간에서 경쟁 트래픽으로 저하된 네트워크 상태에도 불구하고 영상품질이 좋은 비트 스트림을 선택할 수 있는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 제안하는 T-NASS 프로토콜이 같은 비트율을 갖는 비트스트림 중에서 더 높은 품질을 갖는 비트 스트림을 선택하는 것을 확인할 수 있다.
- 실험 결과를 통해서 T-NASS 프로토콜은 기존 TCP 친화적인 전송률 보다 안정적인 전송률을 보였으며, 링크 사용률 측면에서 약 40% 이상의 성능 향상을 확인할 수 있었다. 또한 빈번하게 비트스트림을 선택하는 문제도 개선하여 낮은 빈도수로 비트스트림을 선택하며, 낮은 비트율을 갖는 비트스트림을 선택한 상황에서도 높은 영상 품질을 유지하는 것을 확인하였다.
- 본 논문에서 제안하는 T-NASS 프로토콜은 네트워크 상태 인지를 통해 TCP 친화적인전송률올 계산하여 네트워크의 패킷 손실률과 라우터에서의 혼잡 상황을 고려한 비트스트림 선택기법 제어함으로써 네트워크 상태에 적응적인 최적의 비트스트림이선택 될 수 있도록 하였다. 또한 사용자 관점에서 끊김없는 부드러운 비디오 재생이 가능하도록 성능을 향상시켰다.
- 새롭게 제안된 T-NASS 프로토콜은 네트워크 관점에서 TCP 친화적인 전송률을 계산하여 네트워크 자원을 공평하게 사용하도록 하였으며, 패킷 손실률 및 라우터의 혼잡 상황과 같은 네트워크 특성과 비디오 영상 특성을 함께 고려하여 최적의 비트스트림을 선택함으로써 전송되는 비디오의 품질을 향상 시켰다.
- 14 환경에서 결합형 확장성을 고려하여 인코딩된 비트스트림의 비트율과 영상 품질 간의 관계를 나타낸 것이다. 시간적 확장성이 최대가 되는 107.1Kbps, 154.2Kbps, 187Kbps, 228.4Kbps의 비트율을 갖는 비트스트럼에서 PSNR(Peak Sign히 to Noise Ratio) 값이 크게 증가하였으며, 이는 시간적, 공간적, 품질적 확장성을 모두 고려하여 인코딩된 비트스트림 비트율은 영상의 품질과 항상 비례하지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 기존 연구와 같이 네트워크 가용 대역폭 내에서 최대의 비트율을 갖는 비트스트림을 선택하는 것은 영상 품질을 저하시키는 원인이 된다.
- 하였다. 실험 결과를 통해서 T-NASS 프로토콜은 기존 TCP 친화적인 전송률 보다 안정적인 전송률을 보였으며, 링크 사용률 측면에서 약 40% 이상의 성능 향상을 확인할 수 있었다. 또한 빈번하게 비트스트림을 선택하는 문제도 개선하여 낮은 빈도수로 비트스트림을 선택하며, 낮은 비트율을 갖는 비트스트림을 선택한 상황에서도 높은 영상 품질을 유지하는 것을 확인하였다.
- 하지만 T-NASS 프로토콜은 종단간 지연에 2차저역필터 사용과 이벤트 기반의 패킷 손실률 측정 방법으로 인하여 종단간 지연의 변화폭을 줄이며 패킷 손실 발생이 크게 감소하였다. 이러한 결과를 통해 T-NASS 프로토콜이 네트워크의 안정성을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
- 또한 30초 이후 구간에서 경쟁 트래픽으로 저하된 네트워크 상태에도 불구하고 영상품질이 좋은 비트 스트림을 선택할 수 있는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 제안하는 T-NASS 프로토콜이 같은 비트율을 갖는 비트스트림 중에서 더 높은 품질을 갖는 비트 스트림을 선택하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 T-NASS 프로토콜은 기존 SVC 코딩기법을 이용한 전송률 조절 기법인 SVSH8]보다 동일 네트워크 환경에서 좀 더 높은 품질을 제공할 수 있다.
- 패킷의 변화 경향은 그림 13과 같이 나타난다. 전체적으로 네트워크의 변화 경향은 네트워크 상태가 비교적 안정적인 Area A가 주로 나타났으며 다른 트래픽이 유입되는 30초 이후 구간에서는 Area B와 Area C 사이에서 단계적으로 상태가 변하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 향후 연구과제로는 본 논문에서 제안한 T-NASS 프로토콜과 비트스트림 선택 방식을 실 환경에 적용하여성능을 확인 및 평가해 보아야 할 것이다. 특히 유.
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