KR101482484B1 - 멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법 - Google Patents

멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법 Download PDF

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Abstract

액세스 포인트(11) 및 프록시(3)를 포함하는 전송 체인을 통해 비디오 디코더(72)를 갖춘 수신기(7)로의 멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법으로서, 프록시(3)는 포스트 인코더 버퍼(31) 및 제어기(32)를 갖추고, 액세스 포인트(11)는 하위 계층의 버퍼(4)를 갖추고, 방법은, 액세스 포인트(11) 내 버퍼(4)의 상태 및 프록시(3) 내 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태를 제어하는 최적화 문제의 해결 단계를 포함한다.

Description

멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법{A VIDEO PACKET SCHEDULING METHOD FOR MULTIMEDIA STREAMING}
본 발명은 전반적으로 유선 및 무선 네트워크를 통한 멀티미디어 스트리밍에 관한 기술 분야에 관한 것이다.
멀티미디어 애플리케이션(가령, 모바일 텔레비전, 주문형 비디오(video on demand), IPTV, 화상 회의, 디지털 비디오 방송(DVB), 오디오/비디오 스트리밍, 양방향 화상 통화, 실시간 게임 등)은, 특히 모바일 사용자들 사이에서 여전히 인기와 환영을 받고 있다. 그러한 발전은 주로 기존 유선 인프라에 확장되고 최종 사용자를 위한 이동 및 휴대의 편의성을 제공하는 무선 네트워크로 인한 것이다. 이러한 이유로, 멀티미디어 애플리케이션에 관한 무조건적 채택의 목적으로 서비스 품질(Quality of Service: QoS) 요구조건 만족에 대한 엄청난 주의가 기울여진다.
그럼에도 불구하고, 멀티미디어 데이터 전송은, 최종 사용자에게 제공되어야 하는 QoS를 심하게 제한하는 여러 제한들을 특히 경험한다. 이러한 제한들은 - 다른 종류의 애플리케이션과 비교할 때 - 신뢰성 있고 효율적인 전송을 제공하기 위해 충족될 필요가 있는 멀티미디어 애플리케이션의 특정 속성에 관한 다수의 중요한 요구조건과 주로 관계가 있다:
- 고 데이터 전송 속도(high data transmission rate)에 대한 요구와 관련된 대역폭 변화에 용이한 적응성(대역폭-소비 애플리케이션);
- 패킷 지연에 대한 멀티미디어 애플리케이션의 민감성과 관련된 데이터 손실에 대한 견고성(레이턴시 및 지터) 및/또는 패킷 손실에 대한 내성(패킷 손실에 내성 있는 애플리케이션).
더욱이, 증가한 사용자 수로 인한 대역폭 부족 외에, 무선 수신기로의 멀티미디어 전달은 특히 다음과 같은 것에 대하여 어렵다:
- 무선 채널의 시변동 특성(time-varying characteristics)(가령 에러율 및 대역폭); 및
- 일부 멀티미디어 애플리케이션, 특히 화상 회의, 양방향 화상 전화, 또는 모바일 텔레비전과 같은 실시간 멀티미디어와 같은 실시간 멀티미디어 애플리케이션의 전달 시간지연 제한.
이러한 문제를 해결하기 위해, 피드백 메커니즘, 즉, 수신기로부터 소스(source)로의 이용에 기초한 다양한 에러 제어 전략이 제안되어 왔다. 이러한 피드백 메커니즘은 경로 특성 및 (수신기에서 추정된) 수신기 거동에 관한 정보를 전송기(즉, 소스)로 전달하는 역할을 한다. 그러는 동안, 수신기는 채널 품질 측정(예를 들어, 이용가능한 대역폭, 스트림 경로의 상태, 손실률)을 소스로 송신한다. 이러한 피쳐를 실행하는 공통 기술은, 예를 들어,
- RTCP 메시지와 같은 응용 피드백(applicative feedbacks)(즉, 애플리케이션 계층으로부터 유래한); 또는
- 매체 액세스(MAC) 계층 포워드 에러 정정(forward error correction)을 사용한다.
그 이후, 보고된 네트워크 정보는, 애플리케이션 계층에서의 RTCP에 기초한 트래픽 인코딩 조정(a RTCP-based traffic-encoding adjustment)과 같이 멀티미디어 스트림의 전송을 최적화(스케일러블 스트림의 경우 레이트 적응, 트랜스코딩, 패킷 드롭, 프레임 드롭, 또는 계층 드롭)하도록 소스에 의해 사용된다.
최근 참고문헌에서, 이러한 피드백을 사용하는 크로스 계층 접근법에 관한 상이한 제안들이 발견될 수 있다. 이러한 접근법들은, 끊임없이 변하는 보고된 피드백들에 이들의 거동을 적응시킴으로써 계층 성능을 공동으로 또는 개별적으로 조정하고 최적화하는 것을 목표로 한다.
그러나 또 다른 측면으로, 다음을 언급할 수 있다:
- RFC에서 언급되는 바와 같이, 응용 피드백은, 초기에 멀티미디어 콘텐츠 전송에 할당되어야 하는 대역폭의 무시못할 부분(5%)을 차지한다. 따라서, 피드백 메시지는, 이미 부족한 대역폭을 공유하기 위해 멀티미디어 스트림과 경쟁하게 된다.
- 이러한 피드백은, 스트림 경로 상태에 대한 즉각적인 정보를 제공하지 않고, 보통 가변적인 시간지연으로 획득된다. 예를 들어, 유니캐스트 애플리케이션을 고려할 때, 수신기로부터의 다양한 타입의 피드백은, 예를 들어, 애플리케이션 계층에서 버퍼의 레벨에 대한 정보를 얻도록 RTCP 피드백을 통해 애플리케이션 계층에서 획득될 수 있거나, 또는 채널 조건에 대한 정보를 얻기 위해 HARQ ACK/NACK(S. Sesia, I. Toufik, and M. Baker, LTE, The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, chapter 17, Feb. 2009)를 통해 MAC 계층에서 획득될 수 있다. 여기서, 주요 문제점은 이러한 제어 스킴과 함께, 피드백에 시간지연이 따른다는 것이다. 이러한 시간지연은, 안정성 문제를 야기할 수 있는, HARQ ACK/NACK에 대하여 약 수십에서 수백 초 내지 RTCP 패킷에 대하여 일 초 또는 수 초일 수 있다. 분명히, 이러한 시간지연의 존재는 RTCP 모드(예를 들어, 즉각적 피드백 모드, 조기 RTCP 모드, 또는 주기적 RTCP 모드)와는 별개이다.
추가의 문제점은 모바일 수신기와 멀티미디어 애플리케이션의 소스 사이의 피드백 관리의 복잡성에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 수신기로부터의 피드백 메시지를 사용하지 않고 멀티미디어 애플리케이션 내에서 최종 사용자 QoS를 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MAC 계층으로부터 피드백을 사용하여 멀티미디어 스트림의 신뢰할 수 있는 전송을 보장하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응용 피드백(예를 들어, RTCP)을 제거하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응용 피드백 없이 시변 채널에서 채널 상태를 추정하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유선 및 무선 네트워크를 통해 실시간 멀티미디어 애플리케이션의 전송을 위해 할당된 대역폭을 효과적으로 사용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응용 피드백을 사용하지 않고 바람직한 QoS 지표(metrics)의 도출(derivation)을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응용 피드백을 사용하지 않고 에러 제어 스킴 및 채널 적응형 소스 코딩(a channel-adaptive source coding)을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대역폭 변화 및 데이터 손실에 대처하는 에러 제어 스킴 및 채널 적응형 소스 코딩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 채널 상태에 대하여 멀티미디어 애플리케이션을 위한 개선된 QoS를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응용 피드백을 사용하지 않고 데이터 인코딩 레이트를 제어하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무선 네트워크를 통한 실시간 멀티미디어 애플리케이션의 QoS를 개선할 수 있는 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유선 및/또는 무선 네트워크를 통한 멀티미디어 데이터의 전송 동안 시간지연 및 패킷 손실률을 완화하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 위에서 개시된 하나 이상의 문제점의 영향을 다룬다. 다음은, 본 발명의 일부 양태들에 관한 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명에 관한 간략화된 요약을 제시한다. 이 요약은 본 발명에 관한 완전한 개요는 아니다. 이 요약은 본 발명의 중요한 구성요소의 키를 식별하고 본 발명의 범주를 기술하고자 하는 것이 아니다. 이 요약의 유일한 목적은 나중에 설명되는 더 상세한 설명에 대한 전초로서 간략화된 형식으로 일부 개념들을 제시하는 것이다.
본 발명은 액세스 포인트 및 프록시를 포함하는 전송 체인을 통해 비디오 디코더를 갖춘 수신기로의 멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법에 관한 것이며, 프록시는 포스트 인코더 버퍼 및 제어기를 갖추고, 액세스 포인트는 하위 계층의 버퍼를 갖추고, 방법은, 액세스 포인트 내 버퍼의 상태 및 프록시 내 포스트 인코더 버퍼의 상태를 제어하는 최적화 문제(an optimisation problem)의 해결 단계(a resolution step)를 포함한다.
개략적인 양태에 따르면, 수신기로부터 전송된 피드백 메시지는 비디오 패킷 스케줄링을 위한 제어기에서 고려되지 않는다.
또 다른 개략적인 양태에 따르면, 최적화 문제는 이산 시간 마르코프 결정 프로세스(a discrete time Markov Decision Process)의 프레임워크에서 표현된다.
본 발명은 또한 포스트 인코더 버퍼로부터 액세스 포인트 내 하위 계층의 버퍼로의 비디오 패킷 스케줄링을 위한 제어기에 관한 것이며, 비디오 패킷은 비디오 디코더를 갖춘 수신기로 스트리밍되고, 제어기는 액세스 포인트 내 버퍼의 상태 및 프록시 내 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태를 제어하는 최적화 문제를 해결하기 위해 프로그래밍된다.
본 발명은 또한 위에서 언급된 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 형태를 허용할 수 있으나, 이의 구체적인 실시예들은 예시의 방법으로 도면으로 도시되었다. 그러나, 구체적인 실시예들에 관한 본원의 설명은 개시된 특정 형태로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.
임의의 그러한 실제 실시예의 개발에서, 구현 구체적인 결정(implementation-specific decisions)은, 시스템 관련 및 비지니스 관련 제한의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표를 달성하도록 실시되어야 하다는 것이 물론 인식될 수 있다. 그러한 개발 노력은 시간 소모가 클 수 있으나 그럼에도 불구하고 본 개시물의 이득을 가지는 당업자를 위한 통상적인 이해일 수 있다는 것이 인식될 것이다.
본 발명의 목적, 이점 및 다른 피쳐는 다음의 개시물 및 특허청구범위로부터 더 명백해질 것이다. 바람직한 실시예들에 관한 다음의 비제한적인 설명은, 단지 첨부된 도면에 관한 예증의 목적을 위해 제공된다.
도 1은 기능적인 실시예를 예증하는 블록도이다.
도 2는 예증의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 1은 무선 네트워크(12)에 접속된 모바일(또는 무선) 스테이션(7)으로의 비디오 시퀀스(1)의 스트리밍을 도시한다.
비디오 시퀀스(1)는 저장 디바이스와 같은 상이한 소스(예를 들어, 데이터 베이스, 멀티미디어 서버, 비디오 서버) 또는 라이브 카메라 공급(a live camera feed)으로부터 비롯될 수 있다.
모바일 스테이션(7)은 멀티미디어 스트리밍을 수신하고 플레이할 수 있는 임의의 사용자 장비이다. 스마트 폰, 태블릿, 컴퓨터, PDA, 랩톱은 그러한 모바일 스테이션(7)에 관한 비제한적인 예시들이다.
무선 네트워크(12)는 무선 IP 네트워크, 무선 사설망(a Wireless Personal Area Network), 무선 근거리 통신망(a Wireless Local Area Network), 무선 도시지역망(a Wireless Metropolitan Area Network), 무선 광대역 통신망(a Wireless Wide Area Networks), 또는 더 일반적으로 하나 이상의 무선 네트워크의 조합으로부터 생성할 수 있는 임의의 모바일 디바이스 네트워크일 수 있다.
더 일반적으로, 비디오 시퀀스(1)는 다음을 포함하는 유선 네트워크(10)를 통해 모바일 스테이션(7)으로 라우팅된다:
- 스케일러블 비디오 인코더(21)를 갖춘 스트리밍 서버(2)(예를 들어, FGS(Fine Granularity Scalability) 코딩 또는 AVC(an Advanced Video Coding));
- 일반적으로 유선 네트워크(10)의 가장자리에 위치되는 프록시(3);
- 일반적으로 프록시(3)와 같은 장소에 배치되는 액세스 포인트(11)(즉, 3G를 위한 Node B, LTE를 위한 eNode-B와 같이 배치된 통신 기술에 따라 상이하게 지정될 수 있는 기지국).
스트리밍 서버(2) 내에서, 비디오 시퀀스(1)는 다음으로 인코딩된 프레임들로 분할된다:
- H264 SVC의 경우, 베이스 계층과 L-1 강화 계층(L-1 enhancement layers)의 세트;
- H264 AVC의 경우, 인트라(intra) 및 인터(inter) 프레임.
본 기술 분야의 당업자는, 두 종류의 인터 프레임(보통
Figure 112013079538673-pct00001
로 표시되는 예측 프레임, 보통
Figure 112013079538673-pct00002
로 표시되는
Figure 112013079538673-pct00003
예측 프레임)이 존재하는 H264 AVC의 경우에서 L의 수가 2라는 것을 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 또한, H264 AVC는 사용된 확장성(scalability)이 일시적 확장성인 H264 SVC의 특정 경우로서 볼 수 있다. 따라서, 이후 내용에서 그리고 일반성을 위해서 L의 표기 및 용어 H264 SVC가 사용된다.
H264 SVC 확장성 스킴의 경우에서, 액세스 유닛(AU)은 기본적인 프로세싱 유닛, 매크로블록(들), 슬라이스, 또는 프레임(들)이며, 이는 베이스 계층 및 이의 대응 강화 계층으로 구성된다.
인코딩 파라미터(양자화 스텝, 프레임 레이트 등)는, 전송 체인의 나머지 부분에 관계없이, 스트리밍 서버(2)에 의해 제어된다. 각 인코딩된 프레임의 각 스케일러블 계층은 패킷화(예를 들어, RTP, UDP, 또는 IP 패킷)되고, 그 이후 오버 프로비젼된 코어 네트워크(an over-provisioned core network)(10)를 통해 프록시(3)에 위치된 L개의 포스트 인코더 버퍼(31)(계층 당 한 개)로 전달된다. 제어기(32)는 프록시(3) 내에서 계층 필터링(layer filtering)을 수행한다: 각 계층에 대하여, 패킷들은 송신, 유지, 또는 드롭될 수 있다.
송신된 패킷은, 패킷 데이터 유닛(Packet Data Units: PDUs)으로 분할된 이후에 액세스 포인트(11) 내 MAC 버퍼(4)(또는 더 일반적으로 하위 계층의 버퍼(4))로 공급된다. PDU는 그 이후 정확히 수신된 PDU를 자신의 MAC 버퍼(71)에 저장하는 모바일 스테이션(7)으로 전송된다. 모바일 스테이션(7)의 애플리케이션 계층에서 L개 버퍼들(71) 중 하나에서의 패킷 복호화(packet de-encapsulation) 및 버퍼링은 모든 대응 PDU가 수신되자마자 실시된다. 완전한 또는 불완전한 AU는 그 이후 모바일 스테이션(7)의 비디오 디코더(72)에 의해 처리된다. 낡은 패킷(outdated packets)은 디코딩되지 않고 드롭된다.
액세스 포인트(11)의 컴포넌트들 중에서, 이의 MAC(또는 하위 계층) 버퍼(4)가 특히 주목된다. 이후에 이것이 명백해지도록, 이 액세스 포인트(11)의 나머지 컴포넌트들(예를 들어, MAC 스케줄러(5), 물리 계층, 무선 프런트-엔드(the radio front-end))은 채널(13)에 속하는 것으로 가정된다. 이 채널(13)은 무선 채널(6), 모바일 스테이션(7)의 물리계층, 및 모바일 스테이션(7)의 MAC 버퍼(71)(즉, ACK/NACK 절차를 관리하는 MAC 계층)를 더 포함한다.
액세스 포인트(11)의 MAC 버퍼(4)는 프록시(3)의 제어기(32)로 피드백(도 1 상의 링크(34)) 자신의 버퍼 상태를 송신한다.
액세스 포인트(11)의 MAC 버퍼(4)로부터 보고된 피드백에만 기초하여, 프록시(3)의 제어기(32)에 의해 동작되는 스케일러블 계층 필터링 프로세스는 다음과 같은 방법으로 설계된다:
- PDU가 드롭되는 것을 방지하기 위해, MAC 버퍼(4)의 오버플로우(overflow)는 회피됨;
- 최적의 그리고 효율적인 방법으로 채널을 사용하기 위해, MAC 버퍼(4)의 언더플로우 또한 회피됨;
- 시스템에 의해 도입된 시간지연을 제한하도록 포스트 인코더 버퍼(31)의 오버플로우는 회피됨;
- 또한 포스트 인코더 버퍼(31)의 언더플로우는 특히 베이스 계층에서 회피되는데, 이는 다른 계층에 비해 베이스 계층에 너무 많은 중요성이 주어졌음을 표시하기 때문임.
따라서, 채널(13) 상태에 대한 임의의 추가 관찰 없이, 제어기(32)는, MAC 버퍼(4)에서 실시된 관찰만을 사용하여 (일부 스케일러빌리티 계층이 드롭될 수 있음을 주의하면서) 스케일러블 계층 필터링을 수행해야 한다. 대안적으로 또는 조합하여, MAC 버퍼(4) 대신 다른 관찰 지점, 가령 RLC 버퍼 또는 PDPC 버퍼가 사용될 수 있다.
다시 말해, 무선 채널(12) 이전 경로 내 마지막 버퍼, 즉 MAC 버퍼(4)의 충원도(fullness)의 발전만을 관찰함으로써, 프록시(3)의 제어기(32)가 패킷/계층을 어디로 전송할지 결정하는 것이 가능하다. 즉, 제어기(3)는 무선 스테이션(7)에서 프록시(3)로의 RTCP 피드백 메시지 없이 비디오 패킷 스케줄링 알고리즘을 수행한다. ACK/NACK에 의해 제공된 피드백(도 1의 링크(57))만이 채널의 상태를 도출하는데 이용될 수 있다.
이러한 위의 아이템들은 이산 시간 마르코프 결정 프로세스(Markov Decision Process: MDP)의 프레임워크로 표현되는 최적화 문제의 해결을 통해 달성된다.
따라서, 효율적인 계층 필터링 프로세스의 설계는 이산 시간 MDP의 프레임워크에서 해석된다(R.S Sutton 및 A.G Barto, Reinforcement Learning: An Introduction, MIT Press, 1998). 사실, 4-투플(S,A,P,R)의 MDP가 정의되며, 여기서,
- S는 시스템의 상태 세트이고,
- A는 액션 세트이고,
- P(s, s′,a)는, 액션
Figure 112013079538673-pct00004
가 시스템에 적용될 때, 시간 t에서의
Figure 112013079538673-pct00005
로부터 시간 t+1에서의
Figure 112013079538673-pct00006
로의 천이 확률(transition probability)이고;
- R(s, s′,a)는, 액션 a를 사용함으로써 획득되는 s에서 s′로의 천이 이후에 수신된 즉각적 보상(immediate reward)(또는 예측되는 즉각적 보상)을 나타낸다.
즉각적 보상을 최대화하는 일부 방침
Figure 112013079538673-pct00007
,
Figure 112013079538673-pct00008
(근시안적 방침) 또는 미래 보상의 디스카운드된 합(예견의 방침)이 또한 발견되어야 한다.
제어된 시스템의 상태는 다음을 수집하는 것을 포함한다:
- 포스트 인코더 버퍼(31)의 레벨
Figure 112013079538673-pct00009
;
- 베이스 스테이션(11) 내 MAC 버퍼(4)의 레벨에 대응하는 sm ;
- 채널 상태를 나타내는 h.
따라서, 시스템의 상태는
Figure 112013079538673-pct00010
이다.
채널은 알려진 천이 확률 p(ht +1|ht) 및 정상 확률(stationary probability) p(ht)과 함께, n 상태를 가진 1차 마르코프 프로세스에 의해 모델링된다. ht는 예를 들어 고려된 시간 슬롯 동안 이용가능 레이트를 나타낼 수 있다. 채널 상태에 관한 지식에 관한 토우 가설(Tow hypotheses)이 고려된다:
- 가설 1: 시간 t와 t+1 사이에 적용할 액션을 선택할 때 ht가 이용가능한 것으로 가정되는 순시 채널 상태(instantaneous channel state); 이는 매우 짧은 시간지연을 가진 피드백이 가능할 때만 실현가능함;
- 가설 2: 어떤 채널 상태 피드백도 고려되지 않는 시나리오인 알려지지 않은 채널 상태.
액션 a에 관하여, 프록시(3)는 시간 t에서 각 계층 ℓ에 대한 패킷을 송신, 홀드, 또는 드롭할 수 있다. 시간 t와 시간 t+1 사이에서 ℓth 계층에 대하여 행해진 액션
Figure 112013079538673-pct00011
은, 포스트 인코더 버퍼(31)로부터 MAC 버퍼(4)로 전송된 패킷의 수(aℓ,t>0일 때), 또는 드롭된 패킷의 수 (aℓ,t<0일 때)를 나타낸다. aℓ,t=0인 경우, 패킷은 포스트 인코더 버퍼(31) 내에서 유지된다. 모든 액션을 수집하는 벡터는
Figure 112013079538673-pct00012
이다.
일단 모든 상태 S 및 액션 A가 식별되고 나면, 천이 확률 행렬 P(s, s′, a)을 판정해야 한다. 이를 종료하기 위해, 두 가지 경우가 다음과 같이 구별된다:
- 경우 1(가설 1): 채널 상태 ht는 시간 t에서 상태 s에서 액션 a를 적용할 때 제어기(32)에 이용가능하다. 상태 천이 행렬은 그 이후 다음과 같으며, 이는 p(ht+1|ht)가 알려진 사실을 사용하여 쉽게 계산될 수 있다
Figure 112013079538673-pct00013
.
Figure 112013079538673-pct00014
는 모든 포스트 인코더 버퍼(31) 상태에 관한 벡터이고, at는 모든 액션에 관한 벡터이다.
- 경우 2(가설 2): 어떤 채널 상태 ht도 제어기(32)에 이용가능하지 않다. 상태 천이 행렬은,
Figure 112013079538673-pct00015
(모든 포스트 인코더 버퍼 (31)에 관한 벡터),
Figure 112013079538673-pct00016
, 또는 at(모든 액션에 관한 벡터)가 ht에 대한 추가 정보를 제공하지 않기 때문에, 그 이후 다음과 같이 작성된다
Figure 112013079538673-pct00017
.
이러한 천이 행렬 P1(st, st +1, at)의 크기를 제한하기 위해서, 복잡성 및 설명 정확성 사이에서 절충을 얻는 대략 열악한 방법(a more or less coarse way)으로 상태 S에 의해 행해질 수 있는 값을 양자화할 수 있다.
시간 t에서의 보상 함수 R(s, s′, a)를 고려하여, 제어기(31)에 의해 수행되는 계층 필터링 프로세스(즉, 스케줄링 알고리즘)는, 수신기 측(즉, 모바일 스테이션(7)에서)에서 QoS(즉, 비디오 품질)를 최대화하는 액션을 선택한다. 그 목적을 달성하기 위해, 디코딩된 프레임의 평균 피크 신호 대 잡음 비(Peak Signal to Noise Ratio: PSNR)가 최대화된다.
AU가 필터링되는 시간과 이것이 디스플레이되는 시간 사이의 시간지연의 변동을 회피하기 위해, 시스템 제한 사항에 따라 드롭된 패킷뿐만 아니라 버퍼 오퍼플로우 및 언더플로우에 패널티를 부과하는 대안적인 보상 함수 R(s, s′, a)가 세워진다. 이 보상 함수는 다음과 같이 표현되며, 여기서 E[.]는 기대값 함수를 나타낸다:
Figure 112013079538673-pct00018
.
ℓ=1...L을 가지는 양의 파라미터 γℓ, αℓ 및 βℓ 은 다양한 제한들의 중요성의 트레이드 오프(trade off)한다. 보상 함수(3)는 다수의 부분, 즉, 전송된 SNR 계층의 수와 연관된 첫 번째 부분, 포스트 인코더 버퍼(31) 및 MAC 버퍼(4) 제한사항에 연관된 다른 부분들을 수반한다. 보상 함수(3)는 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태 및 MAC 버퍼(4)의 상태의 함수이다.
전송된 패킷의 양의 증가가 수신된 품질을 증가시킨다고 가정하면, 전송 보상은 전송된 패킷의 양을 최대화하도록 도와야 한다.
파라미터 γℓ은, 강화 계층에 속하는 패킷에 비해 베이스 계층에 속하는 패킷에 더 높은 우선권을 부여하도록 허용한다. 포스트 인코더 버퍼(31) 및 MAC 버퍼(4) 제한사항에 대하여, ρ1(.) 및 ρ2(.)는 버퍼 상태를 충족하기 위한 양의 보상 및 회피되어야 하는 상태를 위한 음의 보상을 제공한다.
방침 π는, 고려되는 시스템 내 조인트 상태에서 조인트 액션으로의 매핑으로서, 전송될 스케일러블 계층의 수를 표시하고, 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태 및 MAC 버퍼(4)의 상태를 안다.
최적의 예견 방침(optimal foresighted policy)은, 다음과 같이 정의된 최적의 상태 값 함수에 대응하는 최적의 정상 마르코프 방침(stationary Markov policy)
Figure 112013079538673-pct00019
을 발견하는 것에 존재하며, 0 < α <1 는 현재 및 미래 보상의 상대적 중요성을 정의하는 할인 계수(discount factor)이다:
Figure 112013079538673-pct00020
최적의 예견 방침은, 값 또는 방침 반복 알고리즘(R.S Sutton 및 A.G Barto, Reinforcement Learning: An Introduction, MIT Press, 1998)에 의해 획득될 수 있다. (4)의 값은, 이것이 우변과 동일한 좌변으로 수렴될 때까지 모든 상태 s에 대하여 반복되고 업데이트된다(이는 이 문제에 대한 Bellman 방정식임). α=0일 때, 하나는 즉각적 보상만을 최대화하는 근시안적 방침(a myopic policy)을 얻는다.
따라서, 제안된 알고리즘은 통신 체인의 전송기 측에서 애플리케이션 계층(도 1의 링크(57)) 그리고 MAC(도 1의 링크(34))에서의 버퍼(4) 레벨을 제어한다. MAC 계층에서의 피드백은 내재적으로 사용되지만, 모바일 사용자로부터의 어떠한 응용 피드백(즉, 애플리케이션 계층에서의)도 고려되지 않으며, 시간지연된 측정의 사용을 회피한다.
제안된 알고리즘은, 크로스 계층 제어 메커니즘에 따라 전송기 측에서 애플리케이션 계층 및 MAC 계층 모두에서 공동의 버퍼 관리 및 패킷 스케줄링을 수행한다.
제어기(32)는 MAC 버퍼(4)에 관한 정보를 검색하고, 상기 MDP 최적화 문제를 해결하고, 그 이후 물리 계층 및 애플리케이션 계층에 대하여 업데이트된 동작 파라미터들을 도출한다.
최적화된 파라미터의 사용은 다음을 허용한다:
- 비디오 컨텐츠(1)의 전송된 계층의 수를 최대화;
- MAC 버퍼(4) 내 언더플로우 및 오버플로우 상태를 회피;
- 포스트 인코더 버퍼(71) 내 언더플로우 및 오버플로우 상태를 회피;
- 프레임 패킷 레벨에서의 버퍼 충원도를 고려; 그리고 후속하여
- 신뢰성 있는 통신 달성 및 모바일 스테이션(7) 측에서의 QoS를 최대화.
따라서, 제안된 방법은 다음을 허용한다:
- 무선 네트워크 내 업링크 채널의 스펙트럼 효율성(spectral efficiency) 증가(응용 피드백 없음);
- 응용 피드백을 가질 필요 없이, 블라인드 방법으로 패킷을 필터링;
- 최종 사용자의 서비스 품질을 개선;
- 베이스 계층/패킷을 우선적으로 처리함으로써 최종 사용자에 대한 특정 플레이백 마진을 유지.
제안된 방법은, 품질 인식 적응적 및 선택적 프레임/패킷 전송을 갖도록 하기 위하여 AVC 또는 SVC 비디오 스트리밍을 위한 스케줄링 알고리즘이다.
제안된 계층 필터링 프로세스의 성능은 다수의 비디오 시퀀스 상에서 평가되었다.
도 2는, 제어기(32)에 의한 적응을 이용한 시뮬레이션 및 제어기(32)에 의한 적응 없는 시뮬레이션에 대하여 피크 신호-잡음비(PSNR) 거동 대 시간을 도시한다. 그 이후 비디오 품질은, 적응 이득 면에서 스트리밍 성능을 추정하도록 PSNR로 측정된다.
개시된 방법과 함께 달성될 수 있는 이득의 예증으로서, 도 2는 30fps에서 비디오 시퀀스 "Foreman.Qcif"에 대하여 획득된 결과를 설명한다. H.264 SVC 인코더는 프레임 당 L=3의 SNR 스케일러빌리티 계층을 사용한다.
5개 곡선이 도 2에 도시된다. 이러한 곡선들 각각은, 도 2의 아래에서부터 위로, 채널 상태를 갖지 않는 PSNR(근시안적 제어), 채널 상태를 갖지 않는 PSNR에(예견의 제어), 채널 상태를 가진 PSNR(근시안적 제어), 채널 상태를 가진 PSNR(예견의 제어), 그리고 무한 대역폭을 가진 PSNR에 관한, 시간(프레임 인덱스)에 걸친 에볼루션(dB)을 나타낸다.
이러한 예증의 예시에서 사용되는 설정은 다음과 같다:
- 축적된 평균 레이트(및 휘도에 대한 PSNR)는 다음과 같다:
。계층 1에 대하여
Figure 112013079538673-pct00021
,
。계층 1 및 2에 대하여
Figure 112013079538673-pct00022
,
。모든 계층에 대하여
Figure 112013079538673-pct00023
.
- 무선 채널은 2-상태 마르코프 모델(n = 2): 좋은 상태 ht=1 및 나쁜 상태 ht=0로서 모델링된다. 채널 레이트는
Figure 112013079538673-pct00024
이다. 채널 상태 천이 확률은,
Figure 112013079538673-pct00025
의 평균 채널 레이트를 야기하는 ｐ11=0.9 및 ｐ00=0.8이다. 계층 당 4 개의 가능한 액션이 각 시간 인스턴스 A={-1,0,1,2}에서 고려된다:
- 복잡성을 최소화하도록, 모든 버퍼의 레벨이 3개의 가능한 값: 언더플로우를 나타내는 1, 만족스러운 레벨에 대한 2, 오버플로우에 대한 3으로 양자화된다;
- 포스트 인코더 버퍼(31)는 최대 크기(패킷 수 면에서) Se=55를 갖는 것으로 가정된다; 오버플로우 및 언더플로우 레벨은 Semax=50 그리고 Semin=10이다. MAC 버퍼(4)에 대하여, Sm=220의 최대 크기는 각각이 44kbits의 최대 사이즈에 대응하는 200bits의 PDU 크기와 동일하고, 언더플로우 및 오버플로우에서 고려되는 레벨은 Smmin=10kbits 그리고 Smmax=25kbits이다;
- 보상 함수(식 3)에서 파라미터들의 값은, 다양한 제한들의 중요성을 반영하도록 설정되었다: γ1,2,3={150,60,15}, λ1,2,3={100,40,10} 및 β=300.
알려진 평균 소스 및 인코더 특성들이 고려되었고, 이는 각 계층에서 알려진 평균 패킷 길이로 이어진다.
위에서 고려된 두 가지 경우에서, 근시안적 방침(α=0) 및 예견의 방침(α=0.9)으로 획득된 디코딩된 시퀀스의 PSNR의 에볼루션은 도 2에 나타난다.
응용 피드백이 사용되는 경우, 근시안적 방침과 비교하면 예견의 방침으로는 약 1.5dB의 평균 이득이 획득된다. 이 이득은 주로 수신기에 도착하는 제 1 강화 계층의 더 많은 패킷으로 인한 것이다.
응용 피드백을 사용하지 않는 경우(실시예의 목표), 근시안적 방침으로, 약 46%의 시간 동안, MAC 버퍼(4)는, 소정의 시간을 초과하는 오버플로우 상태에서 최대 버퍼 크기이다. 이러한 상황은 수신된 비디오 품질의 눈에 띄는 감소를 유발하는 일부 PDU 손실을 야기한다. 예견의 방침으로, MAC 버퍼는 약 25%의 시간 동안 오버플로우 상태에 있지만 PDU 패킷을 손실시키지는 않는다.
실질적인 피드백 없이 예견의 방침을 사용하는 것은 응용 피드백 전략을 적용하는 경우와 비교하면 PSNR에서 0.5dB의 손실을 야기한다. 따라서 MAC 버퍼(4) 상태의 이용가능성은, 수신된 비디오 품질에 관한 규정을 만족하는 것을 허용하면서 채널 상태에 관한 합리적인 추정을 제공한다.
따라서, 최대 PSNR은, 개시된 방법이 도입될 때 획득되며, 특히 이 예시에서는 50번째 이후의 프레임들에 대하여 획득된다.
전술된 방법은, H264 AVC, H263/SVC, 이들의 임의의 추가 버전, 또는 임의의 균등 코덱과 같은, 본 기술 분야의 당업자에게 알려져 있는 전통적인 코덱을 다룬다는 것을 언급하는 것은 주목할만하다.
전술된 방법은, 특히 헤비 트래픽 조건에서, 상당히 감소된 패킷 손실률로 이어지는 빈번한 채널 변경에 기인하는 무선 네트워크를 통한 멀티미디어 스트리밍에 적합하다.
특히 유선 네트워크에서의 멀티미디어 데이터 전송을 위해 설계된 다른 QoS 피쳐들(예를 들어, IntServ/DiffServ) 및 혼잡(congestion) 제어 메커니즘은 본원에서 설명된 방법과 조합될 수 있다.

Claims (9)

  1. 액세스 포인트(11) 및 프록시(3)를 포함하는 전송 체인을 통해 비디오 디코더(72)를 갖춘 수신기(7)로의 멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법으로서,
    상기 프록시(3)는 포스트 인코더 버퍼(31) 및 제어기(32)를 갖추고, 상기 액세스 포인트(11)는 하위 계층의 버퍼(4)를 갖추고,
    상기 방법은, 이산 시간 마르코프 결정 프로세스(a discrete time Markov Decision Process)의 프레임워크에서 표현되는 최적화 문제(an optimisation problem)의 해결 단계를 포함하고, 상기 마르코프 결정 프로세스 시스템의 보상 함수(reward function)는 상기 액세스 포인트(11) 내 버퍼(4)의 상태 및 상기 프록시(3) 내 상기 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태의 함수일뿐인
    비디오 패킷 스케줄링 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마르코프 결정 프로세스의 보상 함수(reward function)는
    Figure 112014087317061-pct00026

    이고,
    Figure 112014087317061-pct00030
    는 액션
    Figure 112014087317061-pct00031
    를 사용함으로써 획득되는 마르코프 결정 프로세스의 상태 st에서 상태 st+1로의 천이 이후에 수신된 시간 t에서의 보상을 나타내며, E[.]는 기대값 함수를 나타내고, ℓ= 1...L을 갖는 상기 양의 파라미터
    Figure 112014087317061-pct00032
    는 상기 액세스 포인트(11) 내 버퍼(4) 및 상기 프록시(3) 내 포스트 인코더 버퍼(31)와 관련된 다양한 제한의 중요성을 트레이드 오프(trade off)하고, ρ1(.) 및 ρ2(.)는 버퍼 상태를 충족하기 위한 양의 보상 및 회피되어야 하는 상태를 위한 음의 보상을 제공하고,
    Figure 112014087317061-pct00033
    는 계층 ℓ(ℓ=1...L)에 대한 상기 포스트 인코더 버퍼(31)의 레벨을 나타내고,
    Figure 112014087317061-pct00034
    는 상기 버퍼(4)의 레벨을 나타내고,
    Figure 112014087317061-pct00035
    는 시간 t와 시간 t+1 사이에서 계층ℓ에 대해 취해진 액션을 나타내는
    비디오 패킷 스케줄링 방법.
  5. 프록시(3)를 위한 제어기(32)로서,
    상기 제어기(32)는 상기 프록시(3)의 포스트 인코더 버퍼(31)로부터 액세스 포인트(11) 내 하위 계층의 버퍼(4)로의 비디오 패킷의 스케줄링을 위한 것이고,
    상기 비디오 패킷은 비디오 디코더(72)를 갖춘 수신기(7)로 스트리밍되고,
    상기 제어기는 이산 시간 마르코프 결정 프로세스(a discrete time Markov Decision Process)의 프레임워크에서 표현되는 최적화 문제(an optimisation problem)를 해결하기 위해 프로그래밍되고,
    상기 마르코프 결정 프로세스의 보상 함수(reward function)는 상기 액세스 포인트(11) 내 버퍼(4)의 상태 및 상기 프록시(3) 내 상기 포스트 인코더 버퍼(31)의 상태의 함수일뿐인
    비디오 패킷의 스케줄링을 위한 제어기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 마르코프 결정 프로세스의 보상 함수는
    Figure 112014087317061-pct00027

    이고,
    Figure 112014087317061-pct00036
    는 액션
    Figure 112014087317061-pct00037
    를 사용함으로써 획득되는 마르코프 결정 프로세스의 상태 st에서 상태 st+1로의 천이 이후에 수신된 시간 t에서의 보상을 나타내며, E[.]은 기대값 함수를 나타내고, ℓ= 1...L을 갖는 상기 양의 파라미터
    Figure 112014087317061-pct00038
    는, 상기 액세스 포인트(11) 내 버퍼(4) 및 상기 프록시(3) 내 포스트 인코더 버퍼(31)와 관련된 다양한 제한의 중요성을 트레이드 오프(trade off)하고, ρ1(.) 및 ρ2(.)는 버퍼 상태를 충족하기 위한 양의 보상 및 회피되어야 하는 상태를 위한 음의 보상을 제공하고,
    Figure 112014087317061-pct00039
    는 계층 ℓ(ℓ=1...L)에 대한 상기 포스트 인코더 버퍼(31)의 레벨을 나타내고,
    Figure 112014087317061-pct00040
    는 상기 버퍼(4)의 레벨을 나타내고,
    Figure 112014087317061-pct00041
    는 시간 t와 시간 t+1 사이에서 계층ℓ에 대해 취해진 액션을 나타내는
    비디오 패킷의 스케줄링을 위한 제어기.
  9. 명령(instructions)을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령은, 컴퓨터 및/또는 전용 시스템에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터 및/또는 상기 전용 시스템으로 하여금 제1항 또는 제4항의 방법을 수행하도록 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
KR1020137023096A 2011-01-31 2012-01-04 멀티미디어 스트리밍을 위한 비디오 패킷 스케줄링 방법 KR101482484B1 (ko)

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