KR100698174B1 - 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및데이터 전송 시스템 - Google Patents

네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및데이터 전송 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 가변 데이터율(VBR: variable bit rate)로 멀티미디어 데이터를 인터넷과 같은 네트워크를 통하여 전송할 때 유효 전송율을 효과적으로 추정하기 위한 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법은, 네트워크를 통하여 가변 데이터율(variable bit rate)에 의한 데이터 전송시에 송신측에서 데이터의 유효 전송율을 추정하는 방법에 있어서, 수신측으로부터 전송된 패킷 손실율을 수신하는 단계; 일정 시간 동안 수신된 패킷 손실율의 평균값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 패킷 손실율의 평균값을 이용하여 유효 전송율을 추정하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
유효 전송율, 가변 데이터율, IP 망, 패킷 손실율, 유효 전송율

Description

네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템 {Method of estimating efficient data transmission rate and data transmission system on network}
도1은 송신자 보고용 RTCP 패킷의 구조를 도시한 도면임.
도2는 수신자 보고용 RTCP 패킷의 구조를 도시한 도면임.
도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 전송율을 가변적으로 추정하여 비디오 데이터를 전송하는 시스템의 일 예를 도시한 것임.
도4 및 도5는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 실험 결과를 도시한 것임.
<도면 주요부호의 설명>
10 송신 시스템, 20 수신 시스템
11 인코더 13 전송율 제어부
15 전송율 추정부 17, 21 프로토콜 실행부
23 채널 상태 보고부 25 디코더 버퍼
27 디코더
본 발명은 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 가변 데이터율(VBR: variable bit rate)로 멀티미디어 데이터를 인터넷과 같은 네트워크를 통하여 전송할 때 유효 전송율을 효과적으로 추정하기 위한 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템에 관한 것이다.
유무선 IP(internet protocol) 망을 통하여 실시간 비디오를 전송하기 위해서는 채널의 충분한 대역폭이 요구되고, 적은 지연과 적은 패킷 손실 등의 조건이 보장되어야 하지만, 현재의 IP 망은 비디오 전송에 필요한 QoS(Quality of Service)를 만족시키기 위해 네트워크 계층에서 적당한 기능을 제공하지 못한다. 따라서, 서비스 품질의 보장은 네트워크 계층의 상위에서 수행되어야만 한다. 이를 위해 제안된 것이 트랜스포트 계층(transport layer) 상에서 동작하는 실시간 트랜스포트 프로토콜(RTP: Real-time Transport Protocol)과 실시간 트랜스포트 제어 프로토콜(RTCP: Real-time Transport Control Protocol)이다. 상기 RTP와 RTCP를 사용하면 비디오 전송에 시간 제약에 따른 특성을 고려해 줄 수 있고, 네트워크 내에서 발생하는 손실에 적응적으로 대처할 수 있다.
도1은 상기 RTCP 의 송신자 보고(SR: Sender Report) 패킷의 구조를 도시한 것이고, 도2는 수신자 보고(RR: Receiver Report) 패킷의 구조를 도시한 것이다. 데이터를 수신만 하는 쪽에서는 RR 패킷만이 전송이 되고, 데이터를 동시에 송수신을 하거나 송신만을 할 경우에는 SR 패킷이 사용된다.
SR 패킷과 RR 패킷에서 각 수신 보고 블록들은 송신측이 보낸 RTP 패킷들을 수신한 통계 정보를 상기 송신측에게 피드백(feedback)한다. 상기 통계 정보에는 다음과 같은 것들이 포함된다. 패킷 손실율(fraction lost)은 이전의 송신자 보고(SR) 또는 수신자 보고(RR) 패킷을 보낸 이후부터, 송신측(SSRC_n)이 보낸 RTP 패킷이 손실된 비율를 나타내는데, 이 비율은 손실된 패킷 수를 수신할 것으로 기대한 패킷 수로 나눈 값이다. 누적 손실 패킷 수(cumulative packets lost)는 수신을 시작한 이래, 송신측(SSRC_n)이 보낸 RTP 패킷 중 손실된 총 패킷 수이다. 이러한 패킷 손실 정보는 송신측에서 향후 전송하게 되는 멀티미디어 데이터의 전송율을 추정하는데 중요한 단서가 된다.
유효 전송율 추정을 위한 종래기술에서의 특징은 패킷 손실율 값을 설정할 때 RTCP SR 패킷 또는 RR 패킷으로부터 얻어진 순간 패킷 손실율을 적용한다는 것이다. 이렇게 할 경우 패킷 손실율의 순간적인 변동량이 매우 크기 때문에 유효 전송율의 변동량 또한 매우 크게 된다. 이는 네트워크 전송을 위한 버퍼 제어에 많은 부담을 줄 수 있고 비디오 또는 오디오의 전송 품질 또한 급격하게 변하게 되어 사용자가 느끼는 멀티미디어 품질이 떨어지게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 네트워크를 통한 데이터 전송시의 유효 전송율을 추정할 때 이동 평균값(moving average)에 의해 구해진 패킷 손실율을 이용함으로써 유효 전송율도 점진적으로 변동하도록 하는 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 및 데이터 전송 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 개요
본 발명에 따른 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법은, 가변 데이터(variable bit rate)율을 사용하는 송신측에서 데이터 전송을 위한 유효 전송율을 추정하는 방법에 있어서, 수신측으로부터 새로운 패킷 손실율을 수신하는 단계; 상기 새로운 패킷 손실율의 수신으로부터 t시간 후에 수신된 패킷 손실율과 상기 새로운 패킷 손실율에 대한 이동 평균값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 이동 평균값을 사용하여 상기 유효 전송율을 추정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 데이터 전송 시스템은, 가변 데이터율(variable bit rate)로 데이터를 전송하는 시스템에 있어서, 수신측으로부터 적어도 하나의 제어 패킷을 수신하는 제1수단; 상기 제어 패킷에 포함된 새로운 패킷 손실율과, 상기 새로운 패킷 손실율의 수신으로부터 t시간 후에 수신된 제어 패킷에 포함된 패킷 손실율에 대한 이동 평균값을 산출하는 제2수단; 상기 산출된 이동 평균값을 사용하여 유효 전송율을 추정하는 제3수단; 및 상기 추정된 유효 전송율에 따라 상기 데이터의 전송율을 제어하는 제4수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 패킷 손실율은 수신자 보고(RR: Receiver Report) 패킷 또는 송신자 보고(SR: Sender Report) 패킷에 포함되어 상기 수신측으로부터 상기 송신측으로 전송되고, 상기 평균값은 이동 평균값(moving average)인 것이 바람직하다.
실시예
이하에서 본 발명에 따른 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법 의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 전송율을 가변적으로 추정하여 비디오 데이터를 전송하는 시스템의 일 예를 도시한 것이다. 도3에서, 송신 시스템(10)과 수신 시스템(20)이 네트워크를 통하여 연결된다. 본 실시예에서 상기 네트워크는 IP(Internet Protocol) 기반 네트워크이지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 송신 시스템(10)은 입력 데이터를 인코딩(encoding)하는 인코더(11)와, 상기 인코딩된 데이터의 전송율을 제어하는 전송율 제어부(13)와, 상기 수신 시스템으로부터 전송된 패킷 손실율을 토대로 유효 전송율을 추정하여 상기 전송율 제어부로 전달하는 전송율 추정부(15)와, 상기 전송율 제어부(13)에 의해 데이터 전송율이 제어된 데이터 스트림을 UDP(또는 TCP) 프로토콜과 IP 프로토콜에 의해 변환하는 프로토콜콜 실행부(17)를 포함하여 구성된다.
상기 수신 시스템(20)은 상기 송신 시스템(10)으로부터 전송된 패킷을 IP 프로토콜 및 UDP(또는 TCP) 프로토콜에 의해 변환하는 프로토콜 실행부(21)와, 상기 송신 시스템(10)으로 전송할 RTCP 패킷을 생성하여 채널 상태를 보고하는 채널 상태 보고부(23)와, 상기 프로토콜 실행부(21)에 의해 프로토콜 변환된 데이터 스트림을 저장하는 디코더 버퍼(25)와, 상기 데이터 스트림을 디코딩(decoding)하는 디코더(27)를 포함하여 구성된다.
상기 수신 시스템(23)의 채널 상태 보고부(23)는 패킷 손실율이나 누적 손실 패킷 수 등을 포함한 RTCP 패킷을 생성한다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 상기 RTCP 패킷은 SR RTCP 패킷과 RR RTCP 패킷의 두 종류가 있다. 상기 채널 상태 보고 부(23)에 의해 생성된 RTCP 패킷은 상기 송신 시스템(10)으로 전송된다.
상기 송신 시스템(10)의 전송율 추정부(15)는 상기 RTCP 패킷을 수신하여 상기 RTCP 패킷에 포함된 패킷 손실율을 토대로 유효 전송율을 추정한다.
패킷 손실률은 네트워크의 상태에 따라 큰 폭으로 변할 수 있다. 따라서, 이 값들로부터 계산되는 유효 전송율 역시 큰 폭으로 변동할 수 있는데, 상기 송신 시스템(10) 가변율 비디오 전송 시스템인 경우에 유효 전송율의 급격한 변동은 화질 또는 음질의 급격한 변동으로 이어지므로 시각적으로나 청각적으로 좋지 않다. 비디오의 화질 측면에서는 채널의 특성이 짧은 시간 간격으로 급격하게 변동하더라도 점진적인 화질 변동을 가져오는 완만한 전송율의 변화가 훨씬 바람직하다. 이와 같은 완만한 변화를 얻는 방법은 네트워크 상태 정보들의 평균값을 이용함으로써 가능하다. 바람직하게는, 패킷 손실율의 평균값을 다음의 수학식1과 같은 이동 평균값(moving average)을 사용하도록 한다.
Figure 112004033377843-pat00001
여기서 p(t)는 새로운 손실률
Figure 112006014824469-pat00002
를 수신한 후 시간 t에서 계산하는 패킷 손실률을 나타낸 것으로, 본 발명에서는 이동 평균값과 동일하다. 다시 말하자면, 이하에서 유효 전송율을 계산하는데 사용되는 패킷 손실률로써, 이동 평균값인 상기 식 1의 결과 값을 사용한다. 따라서 이동 평균값은 새로운 손실률
Figure 112006014824469-pat00014
를 수신한 후에 t시간이 지나서 수신된 패킷 손실율과
Figure 112006014824469-pat00015
의 평균값이다. 손실률
Figure 112006014824469-pat00003
는 RTCP 패킷의 손실비(fraction lost) 필드에 의해 주어진다. i는 가중치로서 네트워크 상태에 대한 적응 속도를 결정한다. 이 값들이 클수록 새로운 상태에 빨리 적응할 수 있으나 유효 전송율의 급격한 변동을 가져오고, 반대로 작을수록 네트워크의 상태에 둔감하게 반응한다. 이 값의 설정은 네트워크의 유효 전송율 변동에 따른 적응력과 멀티미디어 품질의 급격한 변동간의 관계를 고려하여 설정해 주면 된다. 실험을 통해 확인해 본 결과 상기 i 값이 0.1~0.2인 경우 일반적으로 좋은 성능을 나타내었다.
상기 패킷 손실율의 이동 평균값이 산출되면, 상기 이동 평균값을 이용하여 유효 전송율을 추정할 수 있다. 일 예로 다음의 수학식2를 이용한 방법을 사용할 수 있다.
Figure 112004033377843-pat00004
여기서, R(t)은 유효 전송율, P(t)는 패킷 손실율의 이동 평균값, RTT(t)는 왕복 지연 시간(Round Trip Time), 그리고 s는 패킷의 크기를 나타낸다. 상기에서 RTT는 상기 s크기의 패킷이 전송된 후에 상대측으로부터 응답이 도착하기까지의 시간이다.
상기한 바와 같은 방법으로 상기 송신 시스템(10)의 전송율 추정부(15)에서 유효 전송율을 추정되면 그 값은 상기 전송율 제어부(13)로 전달된다. 상기 전송율 제어부(13)는 상기 유효 전송율에 의해 현재의 채널 상태를 추정할 수 있고, 이에 따라 상기 수신 시스템(20)으로 전송하는 데이터 패킷의 전송율을 제어할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
도4 및 도5는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 실험 결과이다. 이 실험에서는 수학식 1에 사용되는 i 값을 0.2로 설정하고 RTT=100ms로 고정하였다. 그림의 결과와 같이 평균값을 취하여 p(t)를 측정하게 되면 순간 손실률(instant loss ratio)이 크게 변하는 경우에도 평균 손실률은 점진적으로 변하게 됨을 알 수 있다. 도4에서 순간 손실율은 RTCP 패킷을 수신할 때마다 갱신이 되므로 매우 변동이 심하지만 수학식 2를 이용하여 패킷 손실율을 이동 평균값으로 구하게 되면 패킷 손실율이 점진적으로 변동하게 된다. 따라서, 도5에 도시된 바와 같이, 유효 전송율의 변동도 점진적으로 변화하기 때문에 화질과 음질의 급격한 변동에 의한 품질 열화를 줄일 수 있는 효과가 있다.
결론적으로, 본 발명에 따르면 사용자가 서비스 받는 화질 및 음질의 변화도 점진적으로 변화하게 되므로 급격한 변화에 의한 품질 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 가변 데이터율을 사용하는 송신측에서 데이터 전송을 위한 유효 전송율을 추정하는 방법에 있어서,
    수신측으로부터 새로운 패킷 손실율을 수신하는 단계;
    상기 새로운 패킷 손실율의 수신으로부터 t시간 후에 수신된 패킷 손실율과 상기 새로운 패킷 손실율에 대한 이동 평균값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 이동 평균값을 사용하여 상기 유효 전송율을 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 패킷 손실율들은,
    상기 수신측으로부터 전송되는 데이터 전송을 지원하기 위한 제어 패킷들 중에서 상기 수신측의 데이터 전송에 대한 정보를 보고하기 위해 사용되는 수신자 보고(RR: Receiver Report) 패킷에 포함되어 수신되는 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서 데이터의 유효 전송율 추정 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 평균값 P(t)는, 다음의 식
    Figure 112006014824469-pat00005
    에 의해 구해지며, 상기 Pnew는 상기 새로운 패킷 손실율이고, 상기 i는 상기 네트워크의 상태에 대해 상기 유효 전송율의 적응 속도를 결정하기 위한 가중치인 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서 유효 전송율 추정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 전송율은, 다음의 식,
    Figure 712007000418550-pat00006
    (여기서, R(t)은 상기 유효 전송율, P(t)는 상기 이동 평균값, RTT(t)는 왕복 지연 시간, s는 패킷의 크기)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서의 유효 전송율 추정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 데이터는 동영상(video) 데이터인 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서의 유효 전송율 추정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크는 IP(Internet Protocol) 망인 것을 특징으로 하는 네트워크 상에서의 유효 전송율 추정 방법.
  8. 가변 데이터율로 데이터를 전송하는 시스템에 있어서,
    수신측으로부터 적어도 하나의 제어 패킷을 수신하는 제1수단;
    상기 제어 패킷에 포함된 새로운 패킷 손실율과, 상기 새로운 패킷 손실율의 수신으로부터 t시간 후에 수신된 제어 패킷에 포함된 패킷 손실율에 대한 이동 평균값을 산출하는 제2수단;
    상기 산출된 이동 평균값을 사용하여 유효 전송율을 추정하는 제3수단; 및
    상기 추정된 유효 전송율에 따라 상기 데이터의 전송율을 제어하는 제4수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 패킷은 상기 수신측의 데이터 전송에 대한 정보를 보고하기 위해 사용되는 수신자 보고(RR: Receiver Report) 패킷인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2수단은 상기 이동 평균값 P(t)을 다음의 식
    Figure 112006014824469-pat00016
    에 의해 구하며, 상기 Pnew는 상기 새로운 패킷 손실율이고, 상기 i는 상기 네트워크의 상태에 대해 상기 유효 전송율의 적응 속도를 결정하기 위한 가중치인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3수단은 상기 유효 전송율을 다음의 식,
    Figure 712007000418550-pat00017
    (여기서, R(t)은 상기 유효 전송율, P(t)는 상기 이동 평균값, RTT(t)는 왕복 지연 시간, s는 패킷의 크기)에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 데이터는 동영상(video) 데이터인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크는 IP(Internet Protocol) 망인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
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