KR101021071B1 - 적응 순방향 에러 제어 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패킷 송신 네트워크에 적용된다. 본 발명은 최대 허용 패킷 에러율을 고려할 수 있게 하는, 애플리케이션 레벨에서 구현되는 적응 순방향 에러 제어 구조를 제안한다. 본 발명에 따라, 중복 패킷의 양은 상기 최대 허용 패킷 에러율을 고려할 수 있도록 하는 정정 성능을 제공하도록 적응된다. 유리하게, 상기 최대 허용 패킷 에러율은 애플리케이션에 의해 설정된다.
Description
본 발명은, 패킷-스위칭형 송신 네트워크를 통해 탄성적인 데이터 전송을 제공하는 것을 목적으로 하는, 적응 순방향 에러 정정 구조(FEC: Forward Error Correction scheme)에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 이러한 순방향 에러 제어 구조를 구현하는 송신 시스템, 송신기, 및 수신기에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 이러한 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복패킷(redundancy)의 양을 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 예컨대 이동 송신 네트워크와 같이, 시간에 따라 변하는 상태(time-varying state)를 가진 송신 네트워크를 통한 데이터 전송에 유리하게 적용된다.
국제 특허 출원 WO99/04338은 무선 위성 링크를 통한 송신을 위해 사용될 적응 순방향 에러 정정 구조를 기술한다.
이 자료에서 기술된 순방향 에러 정정 구조는 OSI 기준 모델의 데이터 링크 레벨에서 동작한다(하나의 순방향 에러 정정 코드가 해당 프레임의 에러 정정을 위해 각각의 프레임에 포함된다). 이는, 바이트 에러율을 계산하는 단계와, 이 바이 트 에러율에 기초하여 순방향 에러 정정 코드 길이를 결정하는 단계, 및 상기 순방향 에러 정정 코드 길이를 송신기로 피드백하는 단계를 포함한다. 순방향 에러 정정 코드 길이의 값은, 순방향 에러 정정 코드 길이들과 관련된 역 바이트 에러율 값들을 저장하고 있는 테이블에서 선택된다.
데이터 링크 레벨에서 구현되기 때문에, 상기 제안된 방법은 인터넷과 같은 이종(heterogeneous) 송신 네트워크에는 적합하지 않다. 만약 이종 송신 네트워크에서 상기 기술된 방법을 사용한다면, 통과되는 각각의 네트워크 섹션에서 순방향 에러 정정 구조를 별개로 적응시켜야만 할 것이다. 이것은 구현하기에 매우 복잡할 것이다.
더욱이, 순방향 정정 코드 길이를 결정하기 위하여 테이블을 사용하는 것은 몇가지 단점을 가진다.
첫째, 테이블 내에 정장된 값들을 유도하기 위하여 재분할(repartition) 및 에러의 크기에 대한 구체적인 가정이 이루어진다. 결과적으로, 상기 제안된 방법은, GSM, UMTS, GPRS... 와 같은 이동 네트워크와 같이, 그 상태가 중요한 방식으로 변화될 수 있는 송신 네트워크에는 적합하지 않다.
둘째, 테이블 내에 저장된 값들은 정정 이후 특정 품질을 얻을 수 있도록 유도된다. 이것이 의미하는 것은, 수신기가 성취할 수 있는 품질들의 수만큼 많은 테이블들을 저장해야만 한다는 것이다.
본 발명의 목적은 이들 단점을 극복하는 적응 순방향 에러 제어 구조를 제안하려는 것이다.
이 목적은, 청구항 1 내지 청구항 3에서 한정된 송신 시스템, 청구항 4 내지 청구항 6에서 한정된 수신기, 청구항 7 및 청구항 8에서 한정된 송신기, 청구항 9에서 한정된 순방향 에러 제어 구조에서 사용될 중복패킷(redundancy)의 양을 결정하는 방법, 청구항 10에서 한정된 프로그램에 의해 성취된다.
본 발명의 적응 순방향 에러 정정 구조에서, 중복 패킷이 미디어 패킷으로부터 송신기의 애플리케이션 층에서 생성된다. 따라서, 에러 패킷이 수신기 측의 전송 층에 의해 폐기될 때, 이 애플리케이션 층은 수신기에서 수신된 패킷으로부터 특정 수의 패킷을 복구할 수 있다. 본 발명에 따라, 송신기 측에서 추가되는 중복 패킷의 양은 최대 허용 패킷 에러율을 고려할 수 있게 하는 정정 성능을 얻을 수 있도록 적응된다. 본 발명에 따라, 송신 네트워크의 품질은 패킷 에러율을 관찰함으로써 추정된다.
상기는 애플리케이션 층에서 구현되기 때문에, 본 발명의 방법은 해당 송신 네트워크에 대해 투명하다. 따라서 본 발명의 방법은 이종 송신 네크워크에도 쉽게 적용될 수 있다.
송신 네트워크의 품질은 바이트 에러율이 아니라 패킷 에러율을 사용하여 추정되기 때문에, 테이블을 사용하지 않아도 된다.
본 발명은 최대 허용 패킷 에러를 완전히 보장한다. 유리하게, 최대 허용 패킷 에러율은 수신된 미디어 패킷을 사용하는 애플리케이션에 의해 설정된다.
본 발명의 유리한 일 실시예에서, 미디어 패킷의 비트율은 중복 패킷의 비트율의 변동을 보상할 수 있도록 k의 함수로서 적응된다.
이들 및 본 발명의 다른 양상은 첨부된 도면을 참조하여 더 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 송신 시스템의 개략도.
도 2는 송신 블록의 생성을 도시하는 개략도.
도 3은 송신 네트워크의 상태에 따라 송신 블록에 포함되는 중복 패킷의 양이 적응되는 것을 도시하는 개략도.
도 4는 본 발명에 따라 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복 패킷의 양을 결정하는 방법의 블록도.
본 발명은 임의의 FEC 구조에 적용된다. 이후에 기술되는 예에서, FEC 코드는 두개의 파라미터 k 및 n에 의해 특징이 결정되는데, 여기서 k는 미디어 패킷의 갯수이고, (n-k)는 k개의 미디어 패킷으로부터 생성된 중복 패킷의 갯수이다. 파라미터 n은 일정한 정수값을 가진다. 중복 패킷의 양은 파라미터 k의 값을 변화시킴으로써 적응된다. 이는 제한적이지 않다.
도 1은 본 발명에 따라, 송신기(1), 송신 네트워크(2), 및 수신기(3)를 구비하는 송신 시스템의 일 예를 보여준다. 본 예에서, 송신 네트워크(2)는 인터넷 네트워크 및 무선 액세스 네트워크(예컨대, GPRS 또는 UMTS 표준에 따르는 네트워크)로 구성된다. 송신기(1)는 미디어 패킷을 발신하는 미디어 소스(10)와, 미디어 소스(10)로부터 수신된 미디어 패킷으로부터 중복 패킷을 생성하는 FEC 인코더(12) 와, OSI 기준 모델의 처음 4개의 층을 구현하는 송수신 블록(14)을 포함한다. 본 예에서, 네트워크 프로토콜(제 3 OSI층)은 IP(Internet Protocol)이고, 전송 프로토콜(제 4 OSI층)은 UDP(User Datagram Protocol)을 통한 RTP(Real time Transfer Protocol)이다. 수신기(3)는, OSI 기준 모델의 처음 4개의 층을 구현하는 송수신 블록(32)과, 분석기(34), FEC 디코더(36), 및 애플리케이션 블록(38)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인코더(12)는 k개의 미디어 패킷 M1(i), ..., Mk(i)로부터 (n-k)개의 중복 패킷 R1(i), ..., Rn-k(i)를 생성한다. (n-k)개의 중복 패킷과 k개의 미디어 패킷은 하나의 송신 블록 TB(i)를 형성한다. 이 중복 패킷은 수신기에서 Q(k) 패킷의 정정 성능을 제공하려는 목적을 가진다.
수신기 측에서, UDP 프로토콜은 각각의 수신된 패킷에 대한 UDP 체크섬(checksum)을 제어한다. UDP 프로토콜은 적어도 하나의 비트 에러가 검출된 패킷을 폐기한다. 정확하게 수신된 패킷은 FEC 디코더(36)로 전달된다. FEC 디코더(36)는, 폐기된 패킷의 수가 Q(k)보다 적거나 같은 경우, 수신한 패킷으로부터 상기 폐기된 패킷을 복구할 수 있다.
유리하게, 중복 패킷을 생성하는데 사용된 코드는 리드 솔로몬 코드 RS(n,k)이다. 리드 솔로몬 코드 RS(n,k)의 정정 성능은 Q(k) = n - k 이다.
본 발명에 따라, 중복 패킷의 양은 최적의 방식으로 대역폭을 사용할 수 있도록 네트워크의 상태에 따라 적응된다. 만약 송신 네트워크가 양호한 상태라면, 중복 패킷의 양은 감소되어, 대역폭의 더 많은 부분이 미디어 패킷의 전송에 전용 될 수 있게 할 것이다. 반대로, 만약 송신 네트워크가 불량한 상태라면, 중복 패킷의 양은 증가되어, 수신기 측에서 폐기된 미티어 패킷을 복구할 가능성을 증가시킬 수 있게 할 것이다.
유리하게, k는 최대 허용 중복 패킷의 양에 대응하는 최소 값 kmin보다 더 작지 않을 것이다.
이러한 적응의 예는 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 곡선 S는 시간 t의 함수로서 송신 네크워크의 상태 S(t)의 변화를 제공한다. Y-축 상의 마크 G는 양호한 상태를 나타낸다. Y-축 상의 마크 D는 불량한 상태를 나타낸다. 송신 블록 TB(i)의 조합은 곡선 S와 관련되어 나타나 있다. 송신 블록 TB(i)으로 송신된 미디어 패킷의 갯수 ki는 해당 네크워크의 상태가 더 양호한 때에 더 크다는 것을 알 수 있다.
송신 블록 TB(i)에 포함된 중복 패킷의 양의 적응은 분석기(34)에 의해 제어된다. 분석기(34)는 송신 네트워크 상에서 발생하는 패킷 에러를 분석하고 FEC 인코더(12)를 위해 순서 패킷(order)(42)를 생성시킨다. 이 순서 패킷(42)은 FEC 인코더(12)에 의해 사용될 최적 값 koptimal을 포함한다. 이들은 RTCP 피드백 메시지를 사용하여 송신기(1)로 송신된다.
이제 분석기(34)의 동작이 도 4를 참조하여 더 상세히 기술될 것이다.
koptimal을 계산하기 위하여, 분석기(34)는 수신된 송신 블록 TB(i)에서의 패 킷 에러의 갯수 Pi의 이력을 유지한다. 바람직하게, 이러한 이력은 송신 네크워크를 통한 몇몇 Round Trip Time에 대응한다. 송신 블록 TB(i) 내의 패킷 에러의 갯수는 손실된 패킷의 갯수와 동일하다. 패킷 손실은 RTP 시퀀스 번호를 사용하여 검출된다(RTP 패킷의 헤더는 시퀀스 번호를 포함하며, 이 시퀀스 번호의 값은 하나의 패킷이 송신될 때마다 하나씩 증가하고; 수신기에서, 없어진 시퀀스 번호는 손실 패킷에 대응한다).
분석기(34)가 송신 블록 TB(i)의 종료를 검출하면(도 4에서 박스 T1), 상기 분석기는 이 송신 블록에서의 패킷 에러의 갯수 Pi를 계산하여 저장한다(박스 T2).
그후 분석기(34)는 n 에서부터 kmin까지 변하는 k에 대하여 다음의 동작들을 수행한다.
- 분석기는 정정 성능 Q(k)를 추정한다(박스 T4).
- 패킷 에러의 갯수 Pi와 정정 성능 Q(k)가 주어지면, 분석기(34)는 정정 후 패킷 에러의 갯수 Pi'(k)를 계산한다(박스 T5):
- 분석기(34)는 정정 후 패킷 에러들의 갯수 Pi'(k)의 평균 값 M(k)를 계산한다(박스 T6). 유리하게, 평균 값 M(k)의 계산시 마지막 패킷 에러에 더 큰 중요성이 부여되는데, 이는 이 마지막 패킷 에러가 현재 네크워크 상태를 아는데 있어 더 의미가 있기 때문이다. 이는 송신 네크워크의 변동에 대해 더 빠른 반응을 가능하게 한다. 예컨대:
여기서, m은 이력에 있어서 송신 블록의 갯수이며, 또한:
- 대응하는 패킷 에러율 R(k) = M(k)/n은 최대 허용 패킷 에러율 PERMAX와 비교된다(박스 T7). 만약 R(k) ≤ PERMAX이거나 k = kmin 이라면, koptimal은 k의 현재 값으로 설정되고(koptimal = k), 이것은 FEC 인코더(12)로 피드백 메시지 형태로 보내진다(박스 T8). 그 외의 경우라면, k는 1만큼 감소되고(박스 T9), 위에서 언급된 동작들이 이 새로운 k값에 대해 실행된다.
바람직한 실시예에서, 최대 허용 패킷 에러율은 애플리케이션 블록(38)에 의해 설정된다{도 1의 화살표(39)}. 따라서 서로 다른 애플리케이션은 서로 다른 최대 허용 패킷 에러율을 설정할 수 있다.
k의 최적 값은, 정정 후 최대 허용 패킷 에러율 PERMAX를 고려할 수 있게 하는 k의 가장 높은 값이다.
대안적으로, koptimal의 새로운 값은 이 값이 이전 값과 다를 때에만 송신기로 피드백된다.
유리하게, 미디어 소스(10)는 미디어 비트율이라 불리우는 적응가능한 비트율로 미디어 패킷을 발신하며, 이 미디어 비트율을 중복 패킷 비트율의 변동을 보상하도록 k의 함수로서 적응시키기 위하여 미디어 소스(10)는 FEC 인코더(12)에 의해 제어된다. 제 1 실시예에서, 미디어 소스는 그 인코딩 비트율이 RCE 인코더로부터 순서 패킷을 수신하는 중에 변화되는 실시간 인코더이다. 제 2 실시예에서, 미디어 소스(10)는 몇 개의 예비-인코딩된 파일들 사이에서 스위칭하도록 의도된 파일 스위칭기를 포함하며, 각각의 예비-인코딩된 파일은 하나의 특정 미디어 비트율에 대응한다. 일정한 비트율 CB에서 동작하는 애플리케이션에 있어서, 예비-인코딩된 파일의 미디어 비트율 MB(k)는 유리하게 다음과 같이 선택된다:
다른 실시예(미도시됨)에서, 송신기는 현재 채널 비트율을 추정하고 미디어 소스(10)를 제어하도록 의도된 비트율 제어 블록을 포함한다. 본 실시예에서, 미디어 소스는, 전체 비트율(미디어 비트율과 중복 패킷 비트율의 합과 같음)이 현재 채널 비트율에 부합될 수 있도록, 비트율 제어 블록으로부터 수신된 순서 패킷에 따라 그리고 k에 따라 미디어 비트율을 적응시킨다.
방금 기술된 분석기(34)의 기능들은 수신기(3)의 프로세서 상에서 소프트웨어 형태로 구현된다.
기술된 시스템, 송신기, 수신기, 및 미디어 패킷에 추가될 중복 패킷의 양을 결정하는 방법에 있어서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 수정과 개선이 제안될 수 있다. 따라서 본 발명은 제시된 예로만 국한되는 것은 아니다.
특히, 미디어 패킷 및 각자의 대응하는 중복 패킷은 일정한 크기의 전송 블록으로 전송될 필요는 없다. 수신기에 의해 피드백되는 순서 패킷은 k의 최적값일 필요는 없다. 이것은 해당 미디어 패킷에 추가될 최적의 중복 패킷의 양을 나타내는 임의의 것일 수 있다{이것은 예컨대 (n-k)의 최적값이거나 또는 오버헤드의 최적값일 수 있으며, 이 오버헤드는 전통적으로 라고 정의된다).
본 발명은 리드 솔로몬 코드로만 제한되지 않는다. 그 정정 성능이 k와 n의 함수인 임의의 정정 코드가 사용될 수 있다. 용어 "포함한다" 및 그 활용어는 해당 청구항에서 언급된 외의 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는다. 요소나 단계의 단수형은 이러한 요소나 단계의 복수의 존재를 배제하지 않는다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 패킷-스위칭형 송신 네트워크를 통해 탄성적인 데이터 전송을 제공하는 것을 목적으로 하는, 적응 순방향 에러 정정 구조(FEC: Forward Error Correction scheme)에 이용가능하다. 본 발명은 또한, 이러한 순방향 에러 제어 구조를 구현하는 송신 시스템, 송신기, 및 수신기에 이용가능하다. 본 발명은 또한, 이러한 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복패킷(redundancy)의 양을 결정하는 방법에 이용가능하다. 본 발명은, 예컨대 이동 송신 네트워크와 같이, 시간에 따라 변하는 상태를 가진 송신 네트워크를 통한 데이터 전송에 유리하게 적용가능하다.
Claims (10)
- 적어도, 송신기, 시간에 따라 변하는 상태를 가지는 송신 네트워크, 수신기를 포함하는 송신 시스템으로서, 상기 송신기는 n과 k는 정수로서, n개의 패킷으로 된 송신 블록을 구성하도록, k개의 미디어 패킷으로부터 n-k개의 중복 패킷을 생성하는 인코더를 포함하며,상기 수신기는 분석기를 포함하며, 상기 분석기는- 수신된 송신 블록들의 특정 세트에 대해, n에서 최소 값인 kmin사이에서 변하는 k의 다른 값 각각으로부터 획득된 각각의 패킷 에러율을 계산하며, 특정 값 k에 대한 상기 패킷 에러율은, 상기 특정 값 k에 연관되고 정정될 수 있는 최대 패킷 수에 대응하는 에러 정정 성능으로 상기 수신된 송신 블록들의 특정 세트에서의 패킷을 정정한 후에 남는 패킷 에러의 수의 평균값으로부터 계산되며,- 상기 패킷 에러율이 최대 허용 패킷 에러율을 초과하지 않는 k의 최대 값을 k의 최적 값으로 설정하도록, 설계되는 것을 특징으로 하며,상기 수신기는, 상기 인코더가 상기 최적 값을 사용하도록 상기 송신기로 k의 상기 최적 값을 피드백하는 피드백 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,송신 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분석기는 특정 송신 블록의 패킷의 정정 후에 남는 패킷 에러의 수에 가중치를 부여하도록 설계되며, 상기 가중치는 상기 특정 송신 블록의 수신 시점에 의존하여, 수신 시점이 최근인 송신 블록에 더 높은 가중치를 부여하는, 송신 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신기는 적응가능 미디어 비트율로 상기 미디어 패킷을 발신하는 미디어 소스를 포함하며, 상기 인코더는 해당 인코더에 의해 현재 추가되는 중복 패킷의 양에 따라 상기 미디어 비트율을 적응시키기 위한 순서를 상기 미디어 소스에 보내도록 설계되는, 송신 시스템.
- 시간에 따라 변하는 상태를 가지는 송신 네트워크를 통해 송신기에 의해 송신된 송신 블록들을 수신하는 수신기로서, 상기 송신 블록은 n과 k는 정수로서, k개의 미디어 패킷과 상기 k개의 미디어 패킷으로부터 생성된 n-k개의 중복 패킷을 포함하고, 상기 수신기는 분석기를 포함하며, 상기 분석기는,- 수신된 송신 블록들의 특정 세트에 대해, n에서 최소 값인 kmin사이에서 변하는 k의 다른 값 각각으로부터 획득된 각각의 패킷 에러율을 계산하며, 특정 값 k에 대한 상기 패킷 에러율은, 상기 특정 값 k에 연관되고 정정될 수 있는 최대 패킷 수에 대응하는 에러 정정 성능으로 상기 수신된 송신 블록들의 특정 세트에서의 패킷을 정정한 후에 남는 패킷 에러의 수의 평균값으로부터 계산되며,- 상기 패킷 에러율이 최대 허용 패킷 에러율을 초과하지 않는 k의 최대 값을 k의 최적 값으로 설정하도록, 설계되는 것을 특징으로 하며,상기 수신기는, 인코더가 상기 최적 값을 사용하도록 상기 송신기로 k의 상기 최적 값을 피드백하는 피드백 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,수신기.
- 제 4 항에 있어서, 상기 분석기는 특정 송신 블록의 패킷의 정정 후에 남는 패킷 에러의 수에 가중치를 부여하도록 설계되며, 상기 가중치는 상기 특정 송신 블록의 수신 시점에 의존하여, 수신 시점이 최근인 송신 블록에 더 높은 가중치를 부여하는, 수신기.
- 제 4 항에 있어서, 수신된 상기 미디어 패킷은 임의의 애플리케이션에 의해 사용되도록 의도되며, 상기 최대 허용 패킷 에러율은 상기 애플리케이션에 의해 설정되는, 수신기.
- n 개의 패킷으로 된 송신 블록을 구성하도록, 송신기 측에서 k개의 미디어 패킷으로부터 n-k개의 중복 패킷이 생성되며, n과 k는 정수인, 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복 패킷의 양을 결정하는 방법으로서,- 수신된 송신 블록들의 특정 세트에 대해, n에서 최소 값인 kmin사이에서 변하는 k의 다른 값 각각으로부터 획득된 각각의 패킷 에러율을 계산하는 단계로서, 특정 값 k에 대한 상기 패킷 에러율은, 상기 특정 값 k에 연관되고 정정될 수 있는 최대 패킷 수에 대응하는 에러 정정 성능으로 상기 수신된 송신 블록들의 특정 세트에서의 패킷을 정정한 후에 남는 패킷 에러의 수의 평균값으로부터 계산되는 계산 단계;- 상기 패킷 에러율이 최대 허용 패킷 에러율을 초과하지 않는 k의 최대 값을 k의 최적 값으로 설정하는 단계; 및- 인코더가 상기 최적 값을 사용하도록 상기 송신기로 k의 상기 최적 값을 피드백하는 단계를포함하는 것을 특징으로 하는, 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복 패킷의 양을 결정하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 특정 송신 블록의 패킷의 정정 후에 남는 패킷 에러의 수에 가중치를 부여하는 단계로서, 상기 가중치는 상기 특정 송신 블록의 수신 시점에 의존하여, 수신 시점이 최근인 송신 블록에 더 높은 가중치를 부여하는, 가중치부여 단계를 포함하는, 순방향 에러 정정 구조에서 사용될 중복 패킷의 양을 결정하는 방법.
- 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 매체로서, 상기 프로그램은 프로세서에 의해 실행될 때 제 8 항에 기재된 방법을 구현하기 위한 지령들을 포함하는, 컴퓨터 판독가능 매체.
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