[논문]대역폭 감소를 위한 QUIC-DASH 기반 360VR 영상 전송 시스템 개발

송민정; 유성근; 박상일

대역폭 감소를 위한 QUIC-DASH 기반 360VR 영상 전송 시스템 개발
A Development of QUIC-DASH-based 360VR Video Transmission System for Bandwidth Reduction 원문보기

송민정 (서울과학기술대학교) , 유성근 (서울과학기술대학교) , 박상일 (서울과학기술대학교)

최근 시청자에게 실재적인 몰입감을 제공하는 실감미디어가 발전하고 있다. 이러한 실감미디어 중 가장 접근성이 뛰어난 것은 VR으로, 현재 다양한 서비스에 응용되고 있는 상황이다. 하지만 360VR은 높은 비트 전송률과 고해상도의 특성을 지니고 있기 때문에 대역폭 비용 및 시청자의 QoE 보장의 불확실성 등의 다양한 문제가 있다. 이러한 문제를 개선시키기 위해 HTTP 기반의 적응적 스트리밍 기법이 발전해나가고 있으며 이 기술의 표준으로 MPEG-DASH가 채택되었다. MPEG-DASH는 TCP 기반의 전송 프로토콜을 사용하고 있지만 현재 TCP는 고용량의 데이터가 전송되는 웹 기반에서 HTTP의 병목현상을 일으켜 대역폭 효율성을 떨어뜨리는 하나의 원인으로 나타나고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 UDP 기반의 QUIC 프로토콜을 MPEG-DASH에 적용하는 시스템을 고안하고 이를 QUIC-DASH라 칭한다. 고해상도의 360VR 송출 실험으로 QUIC-DASH 시스템과 기존의 MPEG-DASH 시스템을 비교 분석한 결과로 대역폭의 절감이 이루어진 것을 확인하였다.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 구글(Google)에서 개발한 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 QUIC(Quick UDP Internet Connection) 을 MPEG-DASH에 적용하여 기존 TCP 전송 프로토콜의 단점을 개선하고 사용자에게 하여금 개선된 대역폭 활용을 제공하여 QoE를 보장할 수 있는 360VR을 시청할 수 있도록 하는 전송 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 QUIC 프로토콜을 MPEG-DASH에 적용시킨 새로운 QUIC-DASH 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 기존 MPEG-DASH와 달리 HTTP/1.

제안 방법

또한, 4K 360VR 비디오[9]를 x264를 이용해 키 프레임 간격을 96 프레임으로 설정하고 초당 24프레임으로 인코딩하였다. 그 후 생성된 파일을 MP4Box를 이용해 4000ms 청크(Chunk)로 분리하여 동영상 세그먼트 및 MPD 파일을 생성하였다. 현재 사용자가 360VR을 가장 많이 시청하는 환경인 모바일에서의 콘텐츠 로드를 시뮬레이션하기 위하여 3Mbps로 전송 대역폭을 제한하였다.
그림 6과 같이 총 20번의 반복을 통하여 문서와 영상 세그먼트 8개가 로드되는 총 시간을 측정하였다. HTTP/1.
0 클라이언트를 적용시켰다. 또한 QUIC 서버를 시스템에 응용하고 QUIC 프로토콜의 구조로 구성되어있는 UDP 프로토콜을 사용하였다. 따라서, 본 시스템은 QUIC 기반의 MPEG-DASH 기술로써, QUIC-DASH라고 칭하였다.
13을 포함 하였다. 또한, 4K 360VR 비디오[9]를 x264를 이용해 키 프레임 간격을 96 프레임으로 설정하고 초당 24프레임으로 인코딩하였다. 그 후 생성된 파일을 MP4Box를 이용해 4000ms 청크(Chunk)로 분리하여 동영상 세그먼트 및 MPD 파일을 생성하였다.
본 시스템에서는 가장 먼저 기어 360으로 촬영한 비디오를 MPD 파일로 생성하고 전송할 360VR 영상의 세그먼트들을 QUIC 서버에저장한다. 이 QUIC 서버는 HTTP/2.
현재 사용자가 360VR을 가장 많이 시청하는 환경인 모바일에서의 콘텐츠 로드를 시뮬레이션하기 위하여 3Mbps로 전송 대역폭을 제한하였다. 이와 같은 웹 페이지를 HTTP/1.1 서버와 QUIC 서버에 동일하게 업로드 하여 총 8개의 MPEG-DASH 세그먼트가 로드될 때까지 문서 오브젝트 모델 콘텐츠 로드(DOM Contents Loaded)에 걸리는 시간과 PLT을 측정하였다.
그 후 생성된 파일을 MP4Box를 이용해 4000ms 청크(Chunk)로 분리하여 동영상 세그먼트 및 MPD 파일을 생성하였다. 현재 사용자가 360VR을 가장 많이 시청하는 환경인 모바일에서의 콘텐츠 로드를 시뮬레이션하기 위하여 3Mbps로 전송 대역폭을 제한하였다. 이와 같은 웹 페이지를 HTTP/1.
본 논문에서 제안하는 시스템의 구조는 그림 3과 같다. 현재의 MPEG-DASH의 시스템과 유사하지만 기존 MPEG-DASH는 HTTP 서버 및 HTTP/1.1과 TCP 전송프로토콜을 사용하지만 제안 시스템은 MPEG에서 연구하고 있는 것과 마찬가지로 HTTP/2.0 응용 계층 (Layer)을 사용하고 HTTP/2.0 클라이언트를 적용시켰다. 또한 QUIC 서버를 시스템에 응용하고 QUIC 프로토콜의 구조로 구성되어있는 UDP 프로토콜을 사용하였다.

대상 데이터

문서에 추가적인 엘리먼트 (Element)가 없기 때문에 문서 로드에도 같은 시간이 걸렸다. 8개의 영상 세그먼트를 로드하는 데에는 총 38.89초가 소요되었고 총 23개의 리퀘스트를 통하여 총 14.1MB의 데이터가 전송되었다. QUIC을 이용한 서버는 그림 5.
85 초가 소요되었고 문서 로드에도 같은 시간이 걸렸다. 또한, 8개의 영상세그먼트를 로드하는 데에는 총 38.79초가 소요되었고 총 23개의 리퀘스트를 통하여 총 14MB의 데이터가 전송되었다.
사용된 QUIC 프로토콜의 버전은 VERSION39이다. 실험하려는 웹페이지는 MPEG-DASH 레퍼런스클라이언트인 Dash.js와 Javascript 프레임워크인 jQuery 3.13을 포함 하였다. 또한, 4K 360VR 비디오[9]를 x264를 이용해 키 프레임 간격을 96 프레임으로 설정하고 초당 24프레임으로 인코딩하였다.

이론/모형

QUIC을 지원하는 서버는 오픈소스로 공개된 Google의 proto-quic 소스를 빌드하여 서버를 구현하였다. 사용된 QUIC 프로토콜의 버전은 VERSION39이다. 실험하려는 웹페이지는 MPEG-DASH 레퍼런스클라이언트인 Dash.

성능/효과

기존 HTTP/1.1 기반의 MPEG-DASH와 본 논문에서 제안한 HTTP/2.0 기반의 QUIC-DASH를 비교 분석한 결과, 23 request를 수신 받았을 때, 전송 속도의 큰 차이는 존재하지 않지만 800Kb의 데이터가 절약되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 같은 데이터를 전송하더라도 대역폭을 감소할 수 있는 것으로 확인할 수 있었고, 세그먼트의 길이가 긴 360VR을 전송하는 경우 더 좋은 결과를 보여줄 것으로 예상할 수 있었다.
또한 QUIC 서버를 시스템에 응용하고 QUIC 프로토콜의 구조로 구성되어있는 UDP 프로토콜을 사용하였다. 따라서, 본 시스템은 QUIC 기반의 MPEG-DASH 기술로써, QUIC-DASH라고 칭하였다.
0 기반의 QUIC-DASH를 비교 분석한 결과, 23 request를 수신 받았을 때, 전송 속도의 큰 차이는 존재하지 않지만 800Kb의 데이터가 절약되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 같은 데이터를 전송하더라도 대역폭을 감소할 수 있는 것으로 확인할 수 있었고, 세그먼트의 길이가 긴 360VR을 전송하는 경우 더 좋은 결과를 보여줄 것으로 예상할 수 있었다.
1초 가량 전송이 빠른 것을 볼 수 있었다. 이러한 실험 결과에서 주목할 만한 점은총 리퀘스트의 수가 23개로 많지 않음에도 불구하고, 800Kb의 데이터가 절약 되었다는 것이다. 이와 같은 결과가 도출된 것은 QUIC이 HPACK을 이용한 자체 헤더 압축과 UDP기반의 전송을 사용하기 때문으로, 같은 데이터를 전송하더라도 대역폭을 감소할 수 있는 것으로 확인되었다.
이러한 실험 결과에서 주목할 만한 점은총 리퀘스트의 수가 23개로 많지 않음에도 불구하고, 800Kb의 데이터가 절약 되었다는 것이다. 이와 같은 결과가 도출된 것은 QUIC이 HPACK을 이용한 자체 헤더 압축과 UDP기반의 전송을 사용하기 때문으로, 같은 데이터를 전송하더라도 대역폭을 감소할 수 있는 것으로 확인되었다.
5~37초 초반의 시간을 기록하였다. 평균적으로 QUIC이 1초 이상 빠른 것을 확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과는 영상의 길이가 더 길거나 특히 세그먼트의 길이가 긴 영상에서 더 좋은 결과를 보여줄 것으로 예상된다. 하나의 세그먼트가 로드되고 재생되고 나야 그 다음 세그먼트를 전송하는 MPEG-DASH의 특성으로 인하여 QUIC의 효율이 다소 적게 나타났으나, 앞에 재생할 콘텐츠를 미리 로드하는 새로운 방식이 적용된다면더욱 더 효율적인 HAS기법이 QUIC을 기반으로 구현될 것으로 전망한다.

후속연구

QUIC-DASH 시스템은 현재 하나의 세그먼트의 전송이 완료된 후 다음 세그먼트를 전송하는 MPEG-DASH의 특성으로 인하여 QUIC 프로토콜의 효율이 두드러지지 않았지만, 앞에 재생할 콘텐츠를 예측하는 새로운 적응적 스트리밍 방식이 개발이 된다면, QUIC 프로토콜을 통해 더욱 뛰어난 성능을 보일 수 있을 것이라 전망된다.
평균적으로 QUIC이 1초 이상 빠른 것을 확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과는 영상의 길이가 더 길거나 특히 세그먼트의 길이가 긴 영상에서 더 좋은 결과를 보여줄 것으로 예상된다. 하나의 세그먼트가 로드되고 재생되고 나야 그 다음 세그먼트를 전송하는 MPEG-DASH의 특성으로 인하여 QUIC의 효율이 다소 적게 나타났으나, 앞에 재생할 콘텐츠를 미리 로드하는 새로운 방식이 적용된다면더욱 더 효율적인 HAS기법이 QUIC을 기반으로 구현될 것으로 전망한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

MPEG-DASH는 전송 프로토콜로 무엇을 사용하는가?

현재 MPEG-DASH는 전송 프로토콜로 TCP(Transmission Control Protocol)를 이용한다. TCP는 현재 HTTP 병목 현상을 일으 키는 하나의 원인으로 대두되고 있다.

UDP는 어디에서 개발했는가?

따라서 본 논문에서는 구글(Google)에서 개발한 UDP(User Datagram Protocol) 기반의 QUIC(Quick UDP Internet Connection) 을 MPEG-DASH에 적용하여 기존 TCP 전송 프로토콜의 단점을 개선하고 사용자에게 하여금 개선된 대역폭 활용을 제공하여 QoE를 보장할 수 있는 360VR을 시청할 수 있도록 하는 전송 시스템을 개발하였다.

QUIC 프로토콜의 장점은 무엇인가?

0을 이용함으로써 웹 페이지의 트래픽 성능을 향상시키고 새로운 전송 솔루션으로의 발돋움을 하고 있다. 전통적인 TCP가 아닌 UDP를 이용하도록 개발된 QUIC은 다양한 응용 프로그램의 일부로 배포가 용이해졌다. 기존의 UDP는 보안성에 취약했으나 QUIC은 TLS를 상위 계층으로 설계되어 있기 때문에 패킷이인증되고 암호화되어 수정을 방지할 수 있다는 장점이 있다[6].

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