KR102384585B1 - 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치 - Google Patents

방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 p 값을 조절하면, 각 계층의 채널 용량에 대응하는 SNR이 변하기 때문에 각 통신 또는 방송 시스템의 목적에 따라 다양한 SVC 방법을 지원할 수 있다.

Description

방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SCALBLE VIDEO CODING IN BROADCAST OR COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치에 관한 것이다.
방송 혹은 통신 시스템에서 서비스 제공자는 사용자에게 컨텐츠를 제공할 때 네트워크 환경과 단말기의 종류에 따라서 최적의 서비스를 제공할 필요가 있다. 서비스 제공자가 다양한 공간적 해상도(spatial resolution)와 품질을 지원하는 영상 컨텐츠를 하나의 비트 스트림으로 구성하여 사용자 단말기로 전송하고, 각 사용자들의 단말기에서는 상기 단말기의 능력에 맞게 비트 스트림을 받아 복원하는 과정을 거쳐 상기 영상 컨텐츠를 재생하게 된다. 이처럼 다양한 단말기 또는 환경을 고려하여 하나의 비트 스트림으로부터 단말기의 능력에 맞게 각기 서로 다른 품질의 컨텐츠를 제공할 수 있도록 데이터를 전송하는 기술을 "스케일러블 비디오 코딩(이하, SVC(Scalable Video Coding))"이라고 한다.
중첩 부호화 변조(이하, SCM(Superposition Coded Modulation)) 기술은 서로 다른 계층(layer)의 독립적인 정보들을 단순히 중첩하여 전송하는 기법으로서, 이를 이용하여 방송 및 통신 시스템을 위한 SVC 기술을 구현할 수 있다.
이와 같이 SCM을 적용하는 시스템에서 SVC를 구현하게 되면, 서비스 제공자는 복수 개의 다양한 능력의 단말기에 맞는 컨텐츠 정보를 하나의 비트 스트림을 통해 전송할 수 있게 되므로 네트워크 효율성이 높아지는 장점이 있다. 하지만, 통상적으로 SCM은 독립적인 계층이 많아질수록 성능을 최적화 하기 어려운 단점이 있다. 따라서 효율적으로 SCM 기법의 성능을 극대화시킬 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 SCM 기법을 적용하여 SVC 기술을 구현하는 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 SCM 기법을 적용할 때 SCM 기법의 각 계층 별 부호화율이 결정되어 있는 경우, 계층 별 성능을 최대화 시킬 수 있는 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명의 실시 예에 따른 신호를 수신하는 방법은, 잡음을 포함하는 신호를 수신하는 과정과, 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 잡음을 포함하는 신호를 디-매핑하는 과정과, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 경판정 값들을 결정하기 위해, LDPC (low density parity check) 코드를 기반으로 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩 및 매핑하는 과정과, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 경판정 값들과 상기 잡음을 포함하는 신호를 기반으로 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 결정하는 과정과, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 디-매핑하는 과정과, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 대응하는 정보 비트들을 결정하기 위해, 상기 LDPC 코드를 기반으로 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩하는 과정을 포함하며, 상기 잡음을 포함하는 신호는 중첩 부호화 변조 (superposition coded modulation, SCM) 계수, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 기반으로 결정되고, 상기 SCM 계수는 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 기반하여 생성된 신호의 전송 전력을 정규화하기 위해 사용되며, 상기 제1 계층의 QoS (quality of service) 레벨은 상기 제2 계층의 QoS 레벨과 상이함을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 신호를 수신하는 디바이스는, 수신기; 메모리; 및
상기 수신기 및 메모리와 연결되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하며, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 잡음을 포함하는 신호를 수신하도록 상기 수신기를 제어하고, 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 잡음을 포함하는 신호를 디-매핑하고, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 경판정 값들을 결정하기 위해, LDPC (low density parity check) 코드를 기반으로 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩 및 매핑하고, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 경판정 값들과 상기 잡음을 포함하는 신호를 기반으로 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 결정하고, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 디-매핑하고, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 대응하는 정보 비트들을 결정하기 위해, 상기 LDPC 코드를 기반으로 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩하며, 상기 잡음을 포함하는 신호는 중첩 부호화 변조 (superposition coded modulation, SCM) 계수, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 기반으로 결정되고, 상기 SCM 계수는 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 기반하여 생성된 신호의 전송 전력을 정규화하기 위해 사용되며, 상기 제1 계층의 QoS (quality of service) 레벨은 상기 제2 계층의 QoS 레벨과 상이함을 특징으로 한다.
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 SCM 기법을 적용하여 효율적으로 SVC 기술을 구현할 수 있다.
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 SCM 기법을 적용할 때 SCM 기법의 각 계층 별 부호화율이 결정되어 있는 경우 계층 별 성능을 최대화 시킬 수 있다.
본 발명은 방송 혹은 통신 시스템에서 p 값을 조절하여 계층 별 성능을 최대화 시킬 수 있다.
본 발명은 변형된 신호 성좌를 이용한 변조 방식으로부터 각 계층 별로 요구하는 서로 다른 QoS(Quality of Service)를 유연하게(flexible) 지원할 수 있다.
도 1은 Q개의 독립적인 계층(layer)를 가지는 SCM 부호화기의 예시도;
도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 SCM 신호 성좌의 일 예를 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 SCM 복호기 구조도;
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 p=1.0일 경우, 두 개의 독립적인 계층을 가지는 SCM의 채널 용량을 도시한 그래프;
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 p=0.9일 경우, 두 개의 독립적인 계층을 가지는 SCM의 채널 용량을 도시한 그래프;
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 256-QAM이고, p1 = p2 = p3 = p4 = 1.0일 경우, 계층별 채널 용량 곡선을 나타낸 그래프;
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 256-QAM이고, 제 3 계층과 제 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프;
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 계층과 제 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프;
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 계층과 제 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프;
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제 1 계층과 제 2, 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프;
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법을 도시한 흐름도; 및
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 SCM 방식의 성능 개선 효과를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 Q개의 독립적인 계층(layer)를 가지는 SCM 부호화기의 예시도이다.
도 1은 Q개의 독립적인 정보 계층을 가진다고 가정할 때, 본 발명의 실시 예에 따른 LDPC 부호를 사용하는 SCM 부호화기의 일 예를 나타낸 구조도이다.
도 1에서 LDPC 부호화기(101-1, …, 101-Q)는 다른 채널 부호의 부호화기로 쉽게 교체 가능하다.
SCM 부호화기(110)는 Q개의 계층이기 때문에, Q개의 변조기(111-1, …, 111-Q), Q개의 곱셈기(113-1, …, 113-Q), 한 개의 가산기(115) 등을 포함한다. 상기 LDPC 부호화기(101-1, …, 101-Q)는 도 1에 도시한 바와 같이, SCM 부호화기(110)와 별도로 구비될 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, i = 1, 2, …, Q에 대해, i 번째 계층에 포함되는 j 번째 정보어 비트 b i ,j 들은 i 번째 LDPC 부호화기에 입력된다. 그러면, i 번째 LDPC 부호화기는 정보어 비트 b i ,j 들을 부호화한다. i 번째 LDPC 부호화기에 의해 부호화된 정보어 비트 b i ,j 들은 i 번째 변조기(modulator)에 입력된다. i 번째 변조기는 부호화된 정보어 비트 b i ,j 들을 변조한다. i 번째 변조기는 부호화된 정보어 비트
Figure 112013105223168-pat00001
들
Figure 112013105223168-pat00002
신호 성좌(signal constellation)에 대응하는 계층 신호
Figure 112013105223168-pat00003
로 변환한다. 마지막으로 각 계층의 j 번째
Figure 112013105223168-pat00004
들을 하기 <수학식 1>과 같이 중첩(superposition)하여 j 번째 전송 심볼
Figure 112013105223168-pat00005
를 생성한다.
Figure 112013105223168-pat00006
상기 <수학식 1>에서
Figure 112013105223168-pat00007
값은 i 번째 계층 신호
Figure 112013105223168-pat00008
에 대응되는 SCM 계수(coefficient)라 정의한다.
도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 SCM 신호 성좌의 일 예를 도시한 도면이다.
통상적으로 파워(power)를 정규화(normalization)하기 위해서, 시스템에 따라 하기 <수학식 2>와 같은 제약 조건(constraint)을 추가할 수도 있다.
Figure 112013105223168-pat00009
예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 2 개의 독립적인 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 신호
Figure 112013105223168-pat00010
에 대해 파라미터(parameter) p를 가지는 SCM 계수
Figure 112013105223168-pat00011
를 적용한다고 한다고 가정한다. 도 3a와 같이, 도 2a 및 도 2b에 기재된 2 개의 독립적인 QPSK 신호를 합치게 되면, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 16-ary 신호 성좌를 구성할 수 있다.
만일, p=1로 설정할 경우에는, 상기 도 3a에 대응되는 SCM 기법의 신호 성좌는 도 3b와 같이, 통상적인 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 동일함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 SCM 계수 p 값을 조절하여, 변형된 형태의 16-QAM 신호 성좌를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 이러한 변형된 신호 성좌를 이용한 변조 방식으로부터 각 계층 별로 요구하는 서로 다른 QoS(Quality of Service)를 유연하게(flexible) 지원할 수 있다.
이하에서는, SCM 시스템의 복호 방법에 대해 개념적으로 간단히 살피기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 SCM 복호기 구조도이다.
먼저, SCM으로 부호화된 심볼
Figure 112013105223168-pat00012
가 AWGN(additive white Gaussian noise) 채널을 통과한다고 가정한다. 이때, 수신 신호
Figure 112013105223168-pat00013
는 아래 <수학식 3>과 같다.
Figure 112013105223168-pat00014
여기서, n j 는 AWGN 노이즈 샘플을 의미한다.
그리고 본 발명의 실시 예에서 SCM 신호 성좌에서 계층별 채널 신뢰도(reliability)가 큰 순서부터 인덱싱(indexing) 한다고 가정한다. 즉, 첫 번째 계층의 채널 신뢰도가 가장 높고, Q 번째 계층의 신뢰도가 가장 낮다고 가정한다. 이러한 경우에, Q개의 독립적인 정보어를 도 4와 같이 간섭 제거기(interference canceller)(401-1,…, 401-Q-1)를 통한 (Q-1)번의 간섭 제거 과정과 LDPC 복호기(405-1,…, 405-Q)를 이용한 Q번의 LDPC 복호 과정을 통해 첫 번째 계층에서 Q 번째 계층까지 순차적으로 데이터를 복원한다.
보다 구체적으로 데이터 복원 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 디-매퍼 1(403-1)는 수신된 신호로부터 첫 번째 계층에서 LDPC 복호기 1(405-1)의 복호를 위한 입력 값을 계산한다(예컨대, 입력값은 LLR(Log-Likelihood Ratio) 값이 될 수 있다.). 디-매퍼 1(403-1)는 상기 계산된 입력 값을 상기 LDPC 복호기 1(405-1)로 출력한다. 상기 LDPC 복호기 1(405-1)는 LDPC 복호를 수행하여
Figure 112013105223168-pat00015
의 값을 경판정(hard decision) 값
Figure 112013105223168-pat00016
으로 결정하고, 결정된 값을 간섭 제거기 1(401-1)로 전송한다. 그러면, 간섭 제거기 1(401-1)는 경판정 값
Figure 112013105223168-pat00017
을 이용하여 수신된 신호(
Figure 112013105223168-pat00018
)로부터 상기 결정된 신호를 분리한다(
Figure 112013105223168-pat00019
). 상기 분리된 신호는 두 번째 계층의 디-매퍼 2(403-2)로 전달된다. 디-매퍼 2(403-2)는 LDPC 복호기 2(405-2)의 복호를 위한 입력 값을 계산한 다음, LDPC 복호기(305)로 전달한다. LDPC 복호기 2(405-2)는 LDPC 복호기 1(405-1)와 같이 LDPC 복호를 수행한다. 디-매핑 과정, LDPC 복호 과정, 간석 제거 과정은 마지막 계층까지 계속해서 반복한다. 즉, 이와 같은 과정은, 마지막 계층의 LDPC 복호가 완료될 때까지 반복한다. 상기 도 4에서 나타낸 각각의 디-매퍼, LDPC 복호기, 간섭 제거기 등은 복수 개의 독립적인 프로세서로 구현할 수도 있지만(최대 각 Q개), 각각의 계층은 순차적으로 동작하기 때문에 디-매퍼, LDPC 복호기, 간섭 제거기 등 각각 하나의 프로세서를 통해 각 계층 별로 순차적으로 동작시킬 수도 있다.
연속 간섭 제거 방식의 경우, 일반적으로 계층 별로 신뢰도가 서로 달라지며, 이전 계층에서 발생하는 오류가 현재 계층에 전파되는 오류 전파 효과가 발생한다. 즉, 이전 계층에서 오류가 발생할 경우 간섭 제거에 영향을 주기 때문에 현재 계층의 성능에 영향을 준다. 따라서 연속 간섭 제거 방식을 SCM 복호 방식으로 사용하는 경우에는 이전 계층의 신뢰도가 최대한 높아진 상황에서 현재 계층의 복호가 이루어질수 있도록 각 계층의 신뢰도를 조절할 필요가 있다.
각 계층의 신뢰도를 조절하는 방법으로는 각 계층의 LDPC 부호의 부호율을 조절하거나 상기 <수학식 1>에서 나타낸 SCM 계수 d i 들의 조절하는 방법이 있다. 본 발명에서는 각 계층에서 동일한 부호율을 가지는 LDPC 부호를 사용하는 경우에 SCM 계수를 통해 신뢰도를 조절하여 다양한 SVC를 지원하는 방법을 제안한다.
본 발명의 실시 예에서는 각 계층의 신뢰도를 평가하는 방법으로서, 잡음 임계치(noise threshold) 또는 채널 용량(Channel Capacity) 또는 또는 채널 용량에 대응하는 SNR을 활용하는 방법을 적용한다.
잡음 임계치는 주어진 부호율과 변조 방식에 대해서 오류가 없이 복호가 가능한 신호 대 잡음비(SNR(Signal-to-Noise Ratio))의 최소값을 의미한다. 통상적으로 잡음 임계치는 사용하는 채널 부호가 정해질 경우 다양한 방법을 통해서 구할 수 있다. 상기 잡음 임계치를 구하는 방법으로서는 밀도 진화(density evolution) 분석 방법이 가장 대표적이다.
이러한 잡음 임계치는 부호에 따라 달라지기 때문에 통상적으로 Shannon이 정의한 채널 용량을 이용하면, 보다 쉽게 각 계층의 신뢰도를 평가하기 용이하다. 통상적으로 잘 설계된(well-designed) 부호의 잡음 임계치와 거의 유사한 값을 가지기 때문에 채널 용량 또는 채널 용량에 대응하는 SNR을 이용하여 각 계층의 신뢰도를 평가하는 것이 많은 면에서 유리하다.
상기 도 1에 나타낸 SCM 부호화기에 대해 상기 도 4에 나타난 SCM 복호기를 적용한 시스템의 전체 채널 용량(
Figure 112013105223168-pat00020
)은 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013105223168-pat00021
여기서, 채널 용량의 단위는 bps/Hz 또는 bits/channel use라는 dimension이다.
또한, 이와 유사하게 각 계층 별 채널 용량(
Figure 112013105223168-pat00022
)는 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013105223168-pat00023
여기서, h(X)는 확률 변수(random variable) X의 엔트로피(entropy) 함수를 나타내며, <수학식 6>과 같이 정의된다.
Figure 112013105223168-pat00024
이 때,
Figure 112013105223168-pat00025
는 X의 확률 밀도 함수(probability density function)를 나타낸다.
이와 같이, 상기 <수학식 6>을 이용하면, 잡음 임계치 대신 채널 용량 또는 채널 용량에 대응하는 SNR을 이용하여 각 계층의 신뢰도를 예측할 수 있다.
상기 <수학식 6>을 살펴보면, 일반적으로 채널 용량
Figure 112013105223168-pat00026
는 SCM 계수
Figure 112013105223168-pat00027
들의 값에 따라 달라질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 상기 도 2a 및 도 2b에 나타낸 2 개의 독립적인 QPSK 신호
Figure 112013105223168-pat00028
에 대해 파라미터(parameter) p를 가지는 SCM 계수
Figure 112013105223168-pat00029
를 적용한다고 할 때, p 값에 따른 각 계층의 채널 용량을 계산하여 도 5 및 도 6에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 p=1.0일 경우, 두 개의 독립적인 계층을 가지는 SCM의 채널 용량을 도시한 그래프를 나타내고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 p=0.9일 경우, 두 개의 독립적인 계층을 가지는 SCM의 채널 용량을 도시한 그래프를 나타낸다.
상기 도 5 및 도 6을 살펴보면, p 값이 작아질수록 첫 번째 계층의 채널 용량은 감소하며, 두 번째 계층의 채널 용량은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 상기 도 6을 참조하면, 높은 SNR 영역에서는 p 값이 작아질 경우 두 번째 계층의 채널 용량이 첫 번째 영역의 채널 용량을 초과하는 현상이 발생하기도 함을 알 수 있다.(단, 통상적으로 d1>d2를 만족하도록 설정하므로 p는
Figure 112013105223168-pat00030
보다는 큰 값으로 설정한다)
이와 같이 p 값을 조절하면, 각 계층의 채널 용량이 변하기 때문에 각 통신 또는 방송 시스템의 목적에 따라 다양한 SVC 방법을 지원할 수 있다.
예를 들어, 상기 도 5를 살펴보면, 만일 상기 통신 또는 방송 시스템의 동작 영역(operating point)의 SNR이 4 dB라 할 때, 제 1 계층의 스펙트럼 효율(spectral efficiency)는 대략 1.2이고, 제 2 계층의 스펙트럼 효율은 0.6 정도로 서로 다른 값을 가지게 되어 각 계층에 서로 다른 데이터 양을 전송해야 한다.
이와 반면에, 상기 도 6을 살펴보면, 동작 영역 SNR이 4 dB일 때, 두 계층의 스펙트럼 효율이 대략 0.9 정도로 동일하기 때문에 각 계층에는 동일한 양의 데이터를 전송할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 p 값을 조절하여 SCM 방법을 적용하면 방송 또는 통신 시스템에서 수행 하고자 하는 SVC 방법에 따라 각 계층을 통해 전송하고자 하는 데이터 양을 쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시 예를 통해 실제 p 값을 조절하는 방법에 대해 살펴보자.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 256-QAM이고,
Figure 112013105223168-pat00031
일 경우, 계층별 채널 용량 곡선을 나타낸 그래프를 나타내고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 256-QAM이고, 제 3 계층과 제 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프를 나타낸다.
먼저, 계층의 개수는 4개이며(
Figure 112013105223168-pat00032
), 각 계층은 모두 QPSK를 사용한다고 가정하자. 이때, <수학식 2>의 조건 등을 만족시키면서
Figure 112013105223168-pat00033
일 때 4개의 계층이 결합된 SCM 방식이 통상적인 256 QAM 변조 방식과 동일하도록 설정하기 위해 d1, d2, d3, d4 등의 값을 하기 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다. ;
Figure 112013105223168-pat00034
상기 <수학식 7>을 만족시키면서
Figure 112013105223168-pat00035
일 때, 각 계층의 채널 용량을 도 7에 나타내었다. 도 7을 살펴보면, 각 계층 별로 SNR 대비 채널 용량이 눈에 띄게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 제 1 계층과 제 2 계층이 동일한 스펙트럼 효율 = 1.0을 제공하기 위해 필요한 SNR이 각각 대략 3 dB와 19 dB로서 거의 16 dB 정도의 큰 차이가 남을 확인할 수 있다.
이하에서는, 각 계층 별로 동일한 데이터를 전송하고자 할 때 SCM 계수를 조절하는 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 첫 번째 계층과 두 번째 계층이 완벽하게 복호되었다고 가정하면, 세 번째 계층과 네 번째 계층의 신뢰도는 p3와 p4에 의해서 결정된다. 세 번째 계층과 네 번째 계층에서 사용될 LDPC 부호의 부호율이 결정되면 아래와 같이 <수학식 8>에 나타낸 제약 조건 하에서 p3를 변화 시켜가면서 세 번째 계층과 네 번째 계층의 잡음 임계치 또는 또는 채널 용량에 대응하는 SNR의 차이가 0.5 dB 보다 작아지게 만드는 p3와 p4를 찾는다.
Figure 112013105223168-pat00036
예를 들어 세 번째 계층과 네 번째 계층에서 사용될 LDPC 부호의 부호율이 4/9로 결정되면, 이론적인 스펙트럼 효율이 8/9이 된다. 도 8에 나타낸 것처럼 p3 =0.91로 조절하여, 상기 세 번째 계층의 채널 용량 곡선과 네 번째 계층의 채널 용량 곡선이 해당 스펙트럼 효율 8/9를 지나가도록 설정한다.
이때, 채널 용량에 대응하는 SNR의 차이가 계층 사이에서 0.5 dB 정도 차이가 나도록 하는 이유는 앞서 설명한 바와 같이 계층이 존재하는 경우 오류 전파 효과를 줄이기 위해 처음에 복호되는 계층의 신뢰도가 나중에 복호되는 계층에 비해 높아야 된다. 이는 다시 말해 처음에 복호되는 계층의 잡음 임계치가 나중에 복호되는 계층에 비해 낮아야 됨을 의미한다. 또한 이는 처음에 복호되는 계층의 채널 용량이 나중에 복호되는 계층의 채널 용량에 비해 높아야 됨을 의미한다. 본 발명의 실시 예에서는 채널 용량에 대응하는 SNR이 대략적으로 0.5 dB의 차이를 두어 계층 별 신뢰도에 약간의 차이를 설정하였으나 경우에 따라 적절하게 변경할 수 있음은 물론이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 계층과 제 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프를 나타내고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 계층과 제 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프를 나타낸다.
위에서 찾은 새로운 p3, p4 값을 p3'=0.91, p4'=1.3이라 가정한다. 이번에는 아래와 같이 <수학식 9>의 제약 조건 하에서 p2를 도 9 및 도 10에 나타낸 것처럼 변화시켜 가면서 두 번째와 세 번째 계층의 채널 용량에 대응하는 SNR의 차이가 0.5 dB 이내로 들어오는 p2, p3, p4 값을 찾는다.
Figure 112013105223168-pat00037
상기 <수학식 8>의 조건을 통해 p3, p4를 조절하면, 전송 신호의 평균 전력을 변화시키지 않을 뿐만 아니라, 이전 단계에서 찾은 p3와 p4의 비율을 그대로 유지하면서 p2을 통제할 수 있다. p3와 p4의 비율이 그대로 유지되면, p2를 조절하더라도 세 번째 계층과 네 번째 계층의 채널 용량(또는 잡음 임계치) 차이가 크게 변화되지 않는다. 이와 같은 방식으로 찾은 최적의 p2, p3, p4를 각각 p2''=0.85, p3''=1.25, p4''=1.78이라고 가정한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제 1 계층과 제 2, 3, 4 계층의 채널 용량 변경의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 11은 4 개의 계층이고, 256-QAM이고, p1 = 1.0, p2 = 0.85, p3 = 1.25, p4 = 1.78일 경우, 계층별 채널 용량 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 12는 4 개의 계층이고, 256-QAM이고, p1 = 0.82, p2 = 1.20, p3 = 1.76, p4 = 2.55일 경우, 계층별 채널 용량 곡선을 나타낸 그래프이다.
마지막으로 다음과 같은 <수학식 9>의 제약 조건 하에서 도 11 및 도 12에 나타낸 것처럼 p1을 변화시켜 가면서 첫 번째와 두 번째 계층의 채널 용량에 대응하는 SNR(또는 잡음 임계치) 차이가 0.5 dB 이내로 들어오는 p1, p2, p3, p4를 찾고, 이를 최종적인 SCM 계수로 이용한다.
Figure 112013105223168-pat00038
상기 <수학식 7>내지 <수학식 10>의 제한 조건을 적용하여 찾은 SCM 계수들은 각 계층에서 사용되는 LDPC 부호의 부호율에 상관없이 계층 간 채널 용량에 대응하는 SNR의 차이를 0.5 dB 이내로 유지시켜 준다. 또한 항상 한 개의 변수만을 가지고 계층 별 채널 용량에 대응하는 SNR을 조절할 수 있기 때문에 계층의 수가 늘어나더라도 계층 별 원하는 채널 용량을 만족시키는 신호 성좌를 항상 간단하게 설계할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 방송 혹은 통신 시스템에서 스케일러블 비디오 코딩 방법을 도시한 흐름도이다.
수신 장치는 1301 단계에서 각 계층 별로 전력 계수(p)를 조절한다. 수신 장치는 1301 단계에서 각 계층에서 p값을 조절함에 따라 각 계층의 채널 용량 또는 채널 용량에 대응하는 SNR이 변경된다. 이때, 도 8, 도 10, 도 12에 도시한 바와 같이, 각 계층에서 p값을 조절함에 따라 각 계층의 채널 용량 및/또는 상기 채널 용량에 대응되는 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 동일하게 되는 지점이 발생한다. 실시 가능한 예로써, 부호율을 조절함에 따라 각 계층의 채널 용량 또는 채널 용량에 대응하는 SNR을 변경할 수 있다.
하기 <표 1>은 각 계층 별로 사용한 부호율이 달라질 경우에 최적화된 SCM 계수들을 구한 실시 예를 나타낸 결과를 나타낸다. 하기 <표 1>의 가장 좌측에는 각 계층별 부호율을 나타낸다.
하기 <표 1>의 가장 우측을 보면, 실제 잡음 임계치(또는 채널 용량에 대응하는 SNR)가 계층별로 증가하지만, 거의 유사(0.5 dB 이내 차이)함을 알 수 있다.
[표 1]
Figure 112013105223168-pat00039
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 SCM 방식의 성능 개선 효과를 나타낸 도면이다. 상기 도 14를 살펴보면, 기존의 256 QAM 형태의 고정된 신호 성좌를 이용하는 SCM 방식에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 SCM 방식이 BER = 10-5 영역에서 대략 7 dB의 큰 성능 이득을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

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  11. 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    잡음을 포함하는 신호를 수신하는 과정과,
    제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 잡음을 포함하는 신호를 디-매핑하는 과정과,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 경판정 값들을 결정하기 위해, LDPC (low density parity check) 코드를 기반으로 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩 및 매핑하는 과정과,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 경판정 값들과 상기 잡음을 포함하는 신호를 기반으로 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 결정하는 과정과,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 디-매핑하는 과정과,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 대응하는 정보 비트들을 결정하기 위해, 상기 LDPC 코드를 기반으로 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩하는 과정을 포함하며,
    상기 잡음을 포함하는 신호는 중첩 부호화 변조 (superposition coded modulation, SCM) 계수, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 기반으로 결정되고,
    상기 SCM 계수는 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 기반하여 생성된 신호의 전송 전력을 정규화하기 위해 사용되며,
    상기 제1 계층의 QoS (quality of service) 레벨은 상기 제2 계층의 QoS 레벨과 상이함을 특징으로 하는 수신 방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 제1 계층의 부호율은 상기 제2 계층의 부호율과 상이하거나,
    상기 제1 계층의 변조 기법은 상기 제2 계층의 변조 기법과 상이함을 특징으로 하는 수신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들은 상기 잡음을 포함하는 신호에 해당하는 LLRs (log-likelihood ratios)를 기반으로 결정되고,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들은 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 해당하는 LLRs를 기반으로 결정됨을 특징으로 하는 수신 방법.
  14. 신호를 수신하는 디바이스에 있어서,
    수신기;
    메모리; 및
    상기 수신기 및 메모리와 연결되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    잡음을 포함하는 신호를 수신하도록 상기 수신기를 제어하고,
    제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 잡음을 포함하는 신호를 디-매핑하고,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 경판정 값들을 결정하기 위해, LDPC (low density parity check) 코드를 기반으로 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩 및 매핑하고,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 경판정 값들과 상기 잡음을 포함하는 신호를 기반으로 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 결정하고,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 복호를 위한 입력 값들을 생성하기 위해, 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 디-매핑하고,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 대응하는 정보 비트들을 결정하기 위해, 상기 LDPC 코드를 기반으로 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들을 디코딩하며,
    상기 잡음을 포함하는 신호는 중첩 부호화 변조 (superposition coded modulation, SCM) 계수, 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호를 기반으로 결정되고,
    상기 SCM 계수는 상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호 및 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 기반하여 생성된 신호의 전송 전력을 정규화하기 위해 사용되며,
    상기 제1 계층의 QoS (quality of service) 레벨은 상기 제2 계층의 QoS 레벨과 상이함을 특징으로 하는 디바이스.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제14항에 있어서,
    상기 제1 계층의 부호율은 상기 제2 계층의 부호율과 상이하거나,
    상기 제1 계층의 변조 기법은 상기 제2 계층의 변조 기법과 상이함을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들은 상기 잡음을 포함하는 신호에 해당하는 LLRs (log-likelihood ratios)를 기반으로 결정되고,
    상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호의 상기 복호를 위한 입력 값들은 상기 제2 계층의 신호 성좌에 대응하는 신호에 해당하는 LLRs를 기반으로 결정됨을 특징으로 하는 디바이스.
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