KR101958069B1 - 무선 통신 환경에서 svc 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법 및 장치, 및 시스템 - Google Patents

무선 통신 환경에서 svc 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법 및 장치, 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 양태는 무선 통신 환경에서 기지국이 SVC(Scalable Video Coding) 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 SVC 비디오 데이터를 입력받는 단계, 상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하는 단계 및 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법 및 장치, 및 시스템{METHOD, APPARATUS AND SYSTEM FOR TRANSMITTING SVC VIDEO DATA IN RADIO COMMUNICATION ENVIRONMENT}
본 발명은 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 통신 환경에서 비디오 데이터에 대한 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다.
SVC(Scalable Video Coding)는 H.264 국제 표준규격으로 하나의 BL(Base Layer)과 여러 개의 EL(Enhancement Layer) 계층으로 형성되고 있어, 많은 비디오 데이터 트래픽을 유발할 수도 있다. 또한, 향후 멀티캐스트 서비스가 활성화됨에 따라 이동통신망을 통한 비디오 멀티캐스트 서비스가 확대될 전망이다. 이러한 비디오 멀티캐스트 서비스로 인해 발생하는 많은 리소스 소비 문제와 QoS(Quality of Service) 문제에 대한 연구가 필요하다.
종래에는 OFDMA(Othogonal Frequency Division Modulation/Multiplexing Access) 기반 시스템에서 SVC 데이터 전송 시, 확률적 모델이나 서브그룹핑 방법을 이용하여 MCS(modulation and coding scheme)를 선택하여 리소스를 최소로 사용하면서, 비디오 전송 효율을 높이는 방법이 제안되었다. 하나의 변조 방식(modulation)을 멀티캐스트 그룹에 동일하게 사용할 경우, 셀-에지 유저(cell-edge user: 이동망 바깥부분에 위치한 사용자)는 비디오 데이터 전송에 대한 병목현상이 발생하게 되고 원활한 서비스를 받을 수 없게 되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 목적은 CQI(Channel Quality Indicator)를 이용하여 비디오 전송 품질을 보장하면서 최소 리소스를 할당하기 위한 무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 무선 통신 환경에서 기지국이 SVC(Scalable Video Coding) 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법은 SVC 비디오 데이터를 입력받는 단계, 상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하는 단계 및 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 SVC 비디오 데이터의 모든 계층에 대한 전체 리소스의 합이 최소가 되어야 한다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정할 수 있다.
상기 무선 통신 환경을 복수 개의 사용자 단말들에 대한 멀티캐스트 환경을 고려할 때, 멀티캐스트 환경 내의 전체 사용자 단말들의 수 대비 제 1 SVC 계층에 대한 영상 품질을 만족하는 사용자 단말의 수의 임계비율(threshold ratio)을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정할 수 있다.
제 1 SVC 계층보다 상위 계층의 SVC 비디오 품질의 최소 사용자 수에 대한 비율이 상기 제 1 SVC 계층의 최소 품질을 만족하는 사용자 수보다 작다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정할 수 있다.
상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계는, 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 최고 차수의 변조 및 코딩 방식으로부터 차수를 하나씩 감소시키면서 상기 임계 영상 품질을 만족하는지 판단하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계는 제 1 계층의 SVC 비디오 데이터를 전송받을 확률이 제 1 임계값 이상 가능한 리소스를 산출하는 단계, 상기 산출된 리소스와 사용가능한 리소스를 비교하는 단계, 비교 결과, 사용가능한 리소스보다 상기 산출된 리소스가 작은 경우, 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 제외하고 최소 영상 품질을 만족하는 리소스를 계산하는 단계 및 상기 계산된 리소스에 기반하여 상기 SVC 비디오 데이터의 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
임계 영상 품질을 만족하는지 여부에 대한 판단은 상기 SVC 비디오 데이터의 모든 계층의 데이터를 사용자 단말이 성공적으로 전송받을 확률을 직접 시뮬레이션함으로써 이루어질 수 있다.
상기 스케줄링 방법은 상기 선택된 적어도 하나의 변조 및 코딩 방식을 고려하여 리소스 블록(RB: Resource Block)을 할당하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스케줄링 방법은 복수 개의 사용자 단말로 상기 SVC 비디오 데이터를 전송하는 멀티캐스트 환경에서 사용될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양태에 따른 무선 통신 환경에서 SVC(Scalable Video Coding) 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 장치는 SVC 비디오 데이터를 입력받는 데이터 입력부, 상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하는 후보 선정부 및 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 보장받을 수 고려하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 변조 및 코딩 방식 결정부를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 무선 통신 시스템은 상기 상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하고, 상기 선정된 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 보장받을 수 고려하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 기지국 및 상기 할당된 자원에 기반하여 상기 SVC 비디오 데이터를 송수신하는 사용자 단말을 포함할 수 있다.
본 발명의 무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법 및 장치에 따르면, 기지국에서 리소스 할당의 효율을 높이고, 비디오 데이터의 손실율을 줄일 수 있으며, RLNC(Random Linear Network Coding)을 사용시 가우시안(Gaussian) 소거법을 이용한 하드웨어 구현이 가능하여 구현에 따른 복잡도를 줄이는 효과가 있다.
도 1은 LTE-A 환경에서 SVC 비디오 멀티캐스트 전송 시스템을 나타낸 개념도,
도 2는 LTE-A 환경에서 주파수/시간 도메인 간의 스케줄링 방법을 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법의 MAC 및 PHY 단계별 흐름을 설명하기 위한 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법의 MCS 결정 과정을 구체적으로 설명하기 위한 상세흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 장치를 개략적으로 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법과 종래 방법을 비교한 리소스 로드(Resource Load) 대비 거리를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법과 종래 방법을 비교한 베이스 레이어(BL)의 복원 확률 대비 거리를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 LTE-A 환경에서 SVC 비디오 멀티캐스트 전송 시스템을 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티캐스트 전송 시스템은 기지국(120), 멀티캐스트 그룹(130)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기지국(120)은 무선통신의 서비스를 위해 네트워크와 단말기를 연결하는 무선 통신설비로써, 주파수 및 시간과 같은 무선자원을 할당하는 주체이다. 기지국(120)은 LTE/LTE-A 환경에서는 e-NB(e-UTRAN node-B)로 불리고, 3G 통신에서는 node-B로 불릴 수 있다. 기지국은 eNB 및 node-B 이외에도, 베이스 스테이션(base station), 어드밴스드 기지국(advanced base station; ABS), HR-BS, 사이트 제어기, BTS(base transceiver system), 액세스 포인트(Access Point, AP) 또는 무선 환경에서 동작할 수 있는 임의의 다른 타입의 인터페이싱 디바이스를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되진 않는다.
기지국(120)은 기지국 제어기(base station controller; BSC), 라디오 네트워크 제어기(radio network controller; RNC), 중계 노드들 등과 같은 다른 기지국들 및/또는 네트워크 엘리먼트들(도시되지 않음)을 또한 포함할 수 있는 RAN의 일부일 수 있다. 기지국은 셀(도시되지 않음)로서 지칭될 수 있는 특정한 지리적인 영역 내에서 무선 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LTE/LTE-A 환경을 가정할 수 있고, eNB(120)는 계층화된 비디오 데이터, 즉, SVC 비디오 데이터(110)를 멀티캐스트 방식으로 복수 개의 사용자 단말, 즉, 멀티캐스트 그룹(130) 내의 각 사용자 단말들로 전송할 수 있다. eNB(120)는 멀티캐스트 그룹(130) 내의 사용자 단말에 동일한 MCS(Modulation and Coding Scheme)을 적용할 경우, 셀-에지 유저들의 병목현상을 야기하므로, 각 사용자 단말에 대응되는 서로 다른 MCS를 선택하여 SVC 비디오 데이터(110)를 전송할 수 있다. 이때, 전송대상 SVC 비디오 데이터(110)의 각 계층에 따른 최소 영상 품질이 MCS를 선정하는 기준이 되는 팩터로써 고려될 수 있다.
전송되는 SVC 비디오 데이터(110)는 레이어 1서부터 레이어 L까지 다수 개의 레이어를 포함할 수 있고, 각 레이어는 하위 레이어일수록 보다 높은 중요도를 갖는다. 따라서, 레이어 1(베이스 레이어(BL))가 복호화되어야 이를 기반으로 상위 레이어들(레이어 2 이상)도 복호화할 수 있다. 따라서, eNB(120)는 SVC 계층의 중요도에 따라 최소 영상 품질을 다르게 설정하여 SVC 비디오 품질을 극대화하면서 리소스 할당도 최소화하는 MCS를 선정하는 것이 바람직하다. 또한, eNB(120)는 멀티캐스트 그룹(130) 내의 사용자 단말들로부터 피드백 받은 CQI 인덱스를 기반으로 서브그룹핑(subgrouping) 전략을 수행할 수 있다. 즉, 멀티캐스트 그룹(130) 내의 사용자를 서브그룹핑하여 각각의 서브그룹에 각각 다른 MCS를 적용할 수 있도록 한다. 이를 통해 멀티캐스트 그룹(130) 내의 모든 사용자 단말이 최소한의 비디오 품질을 달성할 수 있도록 있다.
eNB(120)는 멀티캐스트 비디오 데이터의 손실율을 줄이기 위해, RLNC(Random Linear Network Coding)를 사용할 수 있다. RLNC는 네트워크 코딩 방법 중 하나이다. RLNC를 이용하여 비디오 데이터의 손실율을 줄이면, 전체적인 전송효율을 높이고 효율적인 리소스 사용이 가능하다. 또한, RLNC는 가우시안 소거법을 이용한 하드웨어 구현이 가능하여 구현에 따른 복잡도를 낮출 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, eNB(120)는 SVC 비디오 데이터(110) 전송에 있어, RLNC를 사용하며 리소스 할당 방법에 대한 최적화를 달성한다.
멀티캐스트 그룹(130)은 복수 개의 사용자 단말로 구성되며, eNB(120)가 선정한 MCS에 따라 코딩된 SVC 비디오 데이터(110)를 수신한다.
도 2는 LTE-A 환경에서 주파수/시간 도메인 간의 스케줄링 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, eNB는 주파수/시간 도메인의 리소스를 할당한다. 이를 스케줄링이라고 한다. 주파수 축 및 시간 축을 기반으로 하는 2차원 도메인에서, 하나의 프레임은 10ms을 갖고, 하나의 서브 프레임은 1ms를 가질 수 있다. 또한, 하나의 슬롯은 0.5ms의 크기를 가질 수 있다.
하나의 슬롯과 하나의 단위 주파수를 갖는 리소스 블록(resource block)은 12개의 부반송파 및 7개의 심볼들을 포함하는 84개의 리소스 요소로 구성될 수 있다. LTE/LTE-A 환경에서, eNB는 위와 같이 구성된 리소스 블록 단위로 스케줄링을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법의 MAC 및 PHY 단계별 흐름을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, eNB는 MAC 영역과 PHY 영역에서 스케줄링 동작을 수행한다. MAC 영역에서 원본 SVC 비디오 데이터 V1, V2, ..., VL를 입력받으면, 주파수 도메인 스케줄러(310)는 전송을 위해 할당되는 리소스 블록의 수를 최소화하도록 주파수를 선택한다. 이때, eNB는 고정된 리소스 블록의 크기를 고려하지만, 리소스 블록의 용량은 MCS에 의해 가변될 수 있다. 즉, 높은 부호화율을 갖는 MCS에 의하면 보다 많은 정보를 실어보낼 수 있다. 다만, 이 경우, 패킷 손실율이 높아 영상 품질에는 악영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 높은 부호화율에 따라 전송되는 심볼의 수가 높아지지만, 손실율 역시 높아지기 때문에, CQI 인덱스를 고려하여 손실율에 따른 영상 품질 악화의 최소한의 선을 마련할 필요가 있다.
CQI 값과 리소스 블록 당 코딩된 심볼들의 수를 MCS 방식에 따라 나타낸 표는 다음과 같다.
[표 1]
Figure 112016129523496-pat00001
표 1에 나타난 바와 같이, CQI 인덱스에 따라 MCS에 따른 부호화율 SINR 값이 다르고, 따라서, eNB는 이러한 정보를 기반으로 CQI를 고려하여 MCS를 선정하는 것이 바람직하다.
다시 도 3을 참조하면, Vl은 l번째 SVC 레이어와 연관된 원본 비디오 심볼들의 세트를 의미하고, |Vl|은
Figure 112016129523496-pat00002
로 정의될 수 있다. 여기서, |·|은 세트의 구성요소의 수를 의미하고, TTI는 전송시간 간격이고, Rl은 l번째 SVC 계층의 비트레이트를 의미하며, SS는 심볼 사이즈를 나타낸다. 모든 심볼을 고정된 사이즈를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, Vl은 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112016129523496-pat00003
여기서, vi,l은 l번째 SVC 계층과 연관된 i번째 원본 심볼을 의미한다. 본 발명의 실시예에 따르면, MAC 계층을 RLNC 동작으로 변형할 수 있다. 따라서, 각 계층의 각 원본 비디오 심볼들은 개별적으로 인코딩된다. l번째 SVC 계층의 네트워크 코딩된 심볼들은 l번째 SVC 계층 내의 모든 원본 비디오 심볼들의 선형 조합이다. 이는
Figure 112016129523496-pat00004
로 표현될 수 있다. 여기서, fi,l은 난수생성기(RNG: Random Number Generator)를 사용하여 사이즈 q의 한정 필드 GF(q) 너머 무작위로 균일하게 생성된 코딩 계수를 의미한다.
즉, 중요도에 따라 네트워크 코딩된
Figure 112016129523496-pat00005
을 입력으로 받아, 주파수 도메인 스케줄러(310)는 피드백 받은 CQI를 고려하여 적절한 MCS를 적응적으로 선택한다. 이를 AMC(Adaptive Modulation and Coding)이라 부른다. 주파수 도메인 스케줄러(310)는 AMC 모듈을 포함하고, AMC 모듈은 SVC 비디오 품질을 극대화하면서 리소스 할당을 최소화하는 방향으로 MCS를 선정한다. AMC 모듈은 네트워크 코딩된 심볼들의 전송을 위해 사용되는 최적의 MCS를 할당한다. 주파수 도메인 스케줄러(310)는 할당된 리소스 블록들 및 할당된 MCS에 대한 정보를 PDCCH(Physical Downlink Control Channel)를 통해 사용자 단말로 전송한다. 각 사용자 단말은 PDCCH의 페이로드를 읽고, 적절한 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)의 페이로드로 액세스할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, eNB는 전송할 SVC 비디오 데이터를 입력받는다(S410). 그리고는, SVC 비디오 품질을 유지하면서 전송을 위해 할당되는 리소스의 블록의 수가 최소가 되도록 RB를 할당하는 것이 바람직하다.
이를 위해, eNB는 위와 같은 목표에 부합하도록 실제 선택가능한 MCS 후보를 먼저 선정한다(S420). 후보 선정에는 다음과 같은 제약사항이 존재하고, 제약사항을 만족하는 MCS를 후보 MCS로 선정한다. 이때, SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI)를 고려하여 선택가능한 MCS 후보를 선정한다.
그리고는, 선정된 후보 중에서, 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정한다(S430). 이하, 단계(S420) 및 단계(S430)에 대해서 도 5를 통해 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법의 MCS 결정 과정을 구체적으로 설명하기 위한 상세흐름도이다.
먼저, 1번 계층(BL)부터 l번 계층까지의 모든 리소스의 합을 다음의 수학식을 통해 산툴한다(S510).
[수학식 1]
Figure 112016129523496-pat00006
여기서, Nl은 l번째 SVC 계층에 할당된 리소스를 의미하고, N은 서브프레임 1ms동안 사용가능한 리소스를 의미한다. 이하, 변수로 나오는 ml은 l번째 리소스 블록을 위해 할당되는 MCS 인덱스를, C는 CQI 레벨 집합을 의미한다.
eNB는 위 수학식 1의 좌변의 모든 리소스의 합이 최소값을 구하는 것을 지향한다. 수학식 1은 전체 리소스의 합이 가용한 리소스(|N|)보다 작아야 하는 조건을 의미한다.
그리고, 상기 수학식 1과 관련된 제약사항으로 다음의 수학식들이 고려대상이 된다.
[수학식 2]
Figure 112016129523496-pat00007
[수학식 3]
Figure 112016129523496-pat00008
[수학식 4]
Figure 112016129523496-pat00009
먼저, eNB는 수학식 2를 고려하여 전체사용자 중 l번째 계층 SVC 비디오 데이터의 품질을 만족하는 사용자의 비율이 UTH,l 이상인지 확인한다(S520). 수학식 2에서 UTH,l는 멀티캐스팅 서비스를 받는 전체 사용자수 대비 l번 째 SVC 계층 지원이 가능한 사용자수의 비율의 최소 임계값이다. UTH,l는 0보다 크거나 같고, 1보다 작거나 같은 소수로 표현될 수 있다.
ul은
Figure 112016129523496-pat00010
과 같이 표현되며, 최소품질을 보장하는 l번째 계층의 전송 성공확률(PTH,l)보다 높은 전송 성공확률을 갖는 전제(Pk,l≥PTH,l) 하에 l-1번째 계층 데이터를 받은 사용자들을 U1이라 표현한다. 따라서 수학식 2는 전체 사용자 중 l번째 계층 SVC 비디오 품질을 만족하는 사용자의 비율을 의미하고, 전체 사용자 중 l번째 계층 SVC 비디오 품질을 만족하는 사용자의 비율이 UTH,l 이상 되어야 한다는 조건을 의미한다.
다음으로, 수학식 3을 통해 l+1번째 계층의 품질 만족 사용자 수 비율이 l번째 계층의 품질 만족사용자 수 비율보다 작은지 확인한다(S530).
수학식 3은 l+1번째 상위 계층 SVC 비디오 품질 만족 최소 사용자수 비율은 그 아래 계층인 l번째 계층의 최소 품질 만족 사용자수 비율보다 작아야 한다는 조건을 나타내는 수학식이다. 상위 계층이기 때문에 품질 만족 최소 사용자수 비율이 작게 설정하는 것이 보통이고, eNB는 이러한 조건을 만족하는지 확인한다.
다음으로, eNB는 l+1번째 계층 전송확률이 l번째 계층 전송확률보다 작은지 확인한다(S540).
수학식 4 역시 수학식 3과 마찬가지로 l+1번째 계층 전송 확률은 l번째 계층 전송확률보다 작다는 전제를 의미하는 수학식이 된다.
다음으로, 다음의 수학식을 고려하여 최적의 MCS 선정을 위한 시뮬레이션을 수행한다(S550).
[수학식 5]
Figure 112016129523496-pat00011
수학식 5는 l번째 계층뿐만 아니라 그 이전의 모든 계층의 SVC 데이터를 성공적으로 받을 수 있는 확률을 MCS ml(특정 MCS를 의미함)를 이용하여 표현한 식이다. 여기서, Pe의 목표 에러 확률을 나타낸다. eNB는 Pk,l≥PTH,l인 조건을 만족하는 |N| 리소스 블록들을 전송할 필요가 있다.
eNB는 위 수학식 5를 통해 시뮬레이션을 수행한 결과를 기반으로 각 계층마다 가장 성능이 좋은 MCS를 선택할 수 있다(S560).
결과적으로 수학식 1 내지 수학식 4를 만족하는 조건하에 요구되는 전체 리소스의 합이 최소가 되도록 하는 변조와 RLNC를 적용하는 것이 최종 목표이다.
본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 방법은 MAC 계층에서 구현되며, SVC 멀티캐스트 전송에 적용이 적합할 수 있다.
상기한 MCS 선정을 위한 단계를 프로그래밍 한다면 다음의 두 가지 메인 알고리즘(main algorithm)으로 구현될 수 있다. 즉, 도 5의 단계(S520) 및 단계(530)을 알고리즘 1에서 수행하고, 단계(540) 내지 단계(560)을 알고리즘 2에서 수행하는 것이 바람직하다. 알고리즘 1은 최대 MCS를 계산하는 알고리즘이고, 알고리즘 2는 모든 사용자들이 최소 SVC 품질을 보장받을 수 있는 변조방식을 각각의 SVC 계층을 모두 고려하여 계산하는 알고리즘일 수 있다.
알고리즘 1은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016129523496-pat00012
알고리즘 1을 참조하면, 물리계층에서 지원하는 변조방식은 다양하다. 이 많은 변조방식을 모두 고려하기에는 성능 제약이 발생한다. 따라서 최소 QoS를 보장하는 변조방식 중 최대값을 찾아 그 이하의 변조방식에서 각 계층별 적용할 변조방식을을 정한다
알고리즘 1은 앞선 수학식 2 및 수학식 3을 만족하는 조건에서 MCS의 최대값을 찾는 것이 목적이다. 알고리즘 1의 2번 라인에서 모든 리소스가 수학식 2 및 수학식 3을 만족하는지 체크한다. 3번 라인에서 허용가능한 4 이상의 CQI 레벨을 모두 체크한다. 4번 라인은 멀티캐스트 그룹에 모든 사용자들의 CQI 값을 취합하여 합계를 내고, 5번 라인에서 합계값이 임계값 이상 되면 최대 MCS 후보로 삼아 전체 리소스에 대해서 임계값을 보장하는 최대 MCS를 구한다. 최대 MCS는 최소 CQI 4번까지만 체크하고, 그 이하는 알고리즘 2에서 통신 환경이 좋지 않은 경우에만 체크한다.
알고리즘 1을 통해 최대 MCS를 구하는 이유는 알고리즘 2를 수행할 때, ㄱ계계산 시간이 오래 걸리기 때문에, 최대 MCS를 선정하여 최대 MCS 이하의 성능을 갖는 변조방식만 체크하기 위함이다.
다음은 알고리즘 2이다.
Figure 112016129523496-pat00013
알고리즘 2는 모든 사용자들이 최소 SVC 품질을 보장받을 수 있는 변조방식을을 각각의 SVC 계층을 모두 고려하여 계산하는 알고리즘이다. 3번 라인에서 CQI 값을 기반으로 최대 MCS(|C|)를 알고리즘 1을 이용하여 계산한다. 4번부터 17번 라인까지 최대 MCS부터 하나씩 감소하면서 최소 품질을 만족하는 MCS를 선정하게 된다. 9번 라인에서 성공적으로 디코딩할 수 있도록 l번째 계층의 데이터를 전송 받을 확률 확률 Pk,l≥이 임계값(PTH,l) 이상 가능한 리소스(|Nl|)를 찾는다. 10번에서 필요한 리소스 수가 사용가능한 리소스 수보다 작을 경우, 즉 현재 통신 채널상태가 좋지 않은 경우(예컨대, CQI 값이 3인 경우)(4까지는 알고리즘 1에서 체크하기 때문) 알고리즘 1에서 제안한 최저 MCS 4 이하에서 최소품질을 만족하는 리소스를 계산한다. 따라서 알고리즘 2에서는 각 SVC 계층별 사용할 변조방식과 할당받은 리소스를 구할 수 있다.
알고리즘 2의 전체복잡도는 O(L|N||C|)가 된다. 여기서, |C|는 MCS 인덱스의 총 수가 된다. eNB에서 이만큼의 시간 소비가 필요하지만 최소 품질을 보장하며 최소의 리소스를 할당하기 때문에, 종래의 전송 후 실패(fail)되는 경우의 수(case)를 고려한다면 큰 지연(delay)은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스케줄링 장치(600)는 데이터 입력부(610), MCS 후보 선정부(620), MCS 결정부(630)를 포함한다.
도 6을 참조하면, 데이터 입력부(610)는 전송할 SVC 비디오 데이터를 입력받는다.
MCS 후보 선정부(620)는 실제 선택가능한 MCS 후보를 먼저 선정한다(S420). 후보 선정에는 앞선 수학식들과 제약사항이 존재하고, 제약사항을 만족하는 MCS를 후보 MCS로 선정한다. 이때, SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI)를 고려하여 선택가능한 MCS 후보를 선정한다.
MCS 결정부(630)는 선정된 후보 중에서, 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정한다.
시뮬레이션 결과
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법과 종래 방법을 비교한 리소스 로드(Resource Load) 대비 거리를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 리소스 점유율 측면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 스케줄링 방법이 가장 적은 리소스를 사용함을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법과 종래 방법을 비교한 베이스 레이어(BL)의 복원 확률 대비 거리를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, BL 디코딩 측면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 스케줄링 방법의 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 무선 통신 환경에서 기지국이 SVC(Scalable Video Coding) 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법에 있어서,
    SVC 비디오 데이터를 입력받는 단계;
    상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하는 단계; 및
    상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함하되,
    제 1 SVC 계층보다 상위 계층의 SVC 비디오 품질의 최소 사용자 수에 대한 비율이 상기 제 1 SVC 계층의 최소 품질을 만족하는 사용자 수보다 작다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정하고,
    상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계는,
    상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 최고 차수의 변조 및 코딩 방식으로부터 차수를 하나씩 감소시키면서 상기 임계 영상 품질을 만족하는지 판단하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함하는 무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 SVC 비디오 데이터의 모든 계층에 대한 전체 리소스의 합이 최소가 되어야 한다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정하는 무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 통신 환경을 복수 개의 사용자 단말들에 대한 멀티캐스트 환경을 고려할 때, 멀티캐스트 환경 내의 전체 사용자 단말들의 수 대비 제 1 SVC 계층에 대한 영상 품질을 만족하는 사용자 단말의 수의 임계비율(threshold ratio)을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정하는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계는,
    제 1 계층의 SVC 비디오 데이터를 전송받을 확률이 제 1 임계값 이상 가능한 리소스를 산출하는 단계;
    상기 산출된 리소스와 사용가능한 리소스를 비교하는 단계;
    비교 결과, 사용가능한 리소스보다 상기 산출된 리소스가 작은 경우, 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 제외하고 최소 영상 품질을 만족하는 리소스를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 리소스에 기반하여 상기 SVC 비디오 데이터의 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 단계를 포함하는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    임계 영상 품질을 만족하는지 여부에 대한 판단은 상기 SVC 비디오 데이터의 모든 계층의 데이터를 사용자 단말이 성공적으로 전송받을 확률을 직접 시뮬레이션함으로써 이루어지는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 적어도 하나의 변조 및 코딩 방식을 고려하여 리소스 블록(RB: Resource Block)을 할당하는 단계를 더 포함하는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 사용자 단말로 상기 SVC 비디오 데이터를 전송하는 멀티캐스트 환경에서 사용되는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 방법.
  10. 무선 통신 환경에서 SVC(Scalable Video Coding) 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 장치에 있어서,
    SVC 비디오 데이터를 입력받는 데이터 입력부;
    상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하는 후보 선정부; 및
    상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 보장받을 수 고려하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 변조 및 코딩 방식 결정부를 포함하되,
    제 1 SVC 계층보다 상위 계층의 SVC 비디오 품질의 최소 사용자 수에 대한 비율이 상기 제 1 SVC 계층의 최소 품질을 만족하는 사용자 수보다 작다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정하고,
    상기 변조 및 코딩 방식 결정부는,
    상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 최고 차수의 변조 및 코딩 방식으로부터 차수를 하나씩 감소시키면서 상기 임계 영상 품질을 만족하는지 판단하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 무선 통신 환경에서 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 스케줄링 장치.
  11. SVC 비디오 데이터 전송을 위한 무선 통신 시스템에 있어서,
    상기 SVC 비디오 데이터의 계층에 대한 임계(threshold) 영상 품질을 만족하는 범위 내에서 채널 품질 표시자(CQI: Channel Quality Indicator)를 고려하여 선택가능한 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme) 후보를 선정하고, 상기 선정된 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 전송 대상 사용자 단말들이 각 계층별 임계 영상 품질을 보장받을 수 있도록 보장받을 수 고려하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 기지국; 및
    할당된 자원에 기반하여 상기 SVC 비디오 데이터를 송수신하는 사용자 단말을 포함하되,
    제 1 SVC 계층보다 상위 계층의 SVC 비디오 품질의 최소 사용자 수에 대한 비율이 상기 제 1 SVC 계층의 최소 품질을 만족하는 사용자 수보다 작다는 조건을 고려하여 상기 변조 및 코딩 방식 후보를 선정하고,
    상기 기지국은, 상기 변조 및 코딩 방식 후보 중에서 최고 차수의 변조 및 코딩 방식으로부터 차수를 하나씩 감소시키면서 상기 임계 영상 품질을 만족하는지 판단하여 상기 SVC 비디오 데이터의 각 계층별로 적용할 변조 및 코딩 방식을 결정하는 SVC 비디오 데이터 전송을 위한 무선 통신 시스템.


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