KR20080114343A

KR20080114343A - 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치및 방법

Info

Publication number: KR20080114343A
Application number: KR1020070063808A
Authority: KR
Inventors: 배성준; 김재곤; 고성제; 김혜수; 남형민; 홍진우
Original assignee: 한국전자통신연구원; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2008-12-31
Also published as: KR100902114B1

Abstract

본 발명은 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 스트리밍 서버에서 클라이언트로 패킷쌍을 전송하는 단계와, 상기 클라이언트에서 수신된 패킷간 시간차를 스트리밍 서버로 전송하는 단계와, 상기 시간차에 대응하여 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 스트리밍 서버와 클라이언트간 크로스 트래픽을 제외한 가용 대역폭을 예측하는 단계와, 그리고 상기 가용 대역폭에 대응하여 데이터 인코딩 비트율을 조절하는 단계를 진행하여 멀티미디어 스트리밍을 망 상황에 적응적으로 대응함으로써, 망 운용의 효율성을 높일 수 있다.

멀티미디어 스트리밍, 가용 대역폭

Description

멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법{END-TO-END AVAILABLE BANDWIDTH ESTIMATION APPARATUS AND METHOD FOR MULTIMEDIA STREAMING}

도 1은 패킷쌍을 이용하여 채널용량을 측정하는 개념도,

도 2는 망의 각 링크에서의 채널용량, 가용 대역폭, 크로스 트래픽의 관계를 나타낸 도면,

도 3은 N개의 패킷쌍들의 시간차를 측정하여 이들 시간차 값들로부터 채널용량을 예측한 히스토그램,

도 4는 채널용량 간격을 점차적으로 넓히면서 예측하는 방법을 나타낸 개념도,

도 5는 구간별 시간차를 나타낸 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스트리밍 서버 2 : 클라이언트

본 발명은 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단(End-to-End)간 가용 대역폭을 예측하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 WLAN(Wireless Local Area Network) 환경에서 비디오 스트림을 패킷쌍으로 사용하여 가용 대역폭(available bandwidth)을 예측함으로써 망 상황에 적응적으로 비디오 인코딩 비트율을 조절하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

데이터를 전송함에 있어, 데이터를 전송할 경로인 스트리밍 경로는 멀티미디어 스트리밍을 위한 네트워크의 중요한 요소 중 하나이다. 가장 이상적인 스트리밍 경로는 스트리밍 서버의 데이터 비트율과 클라이언트가 수신하는 데이터 비트율이 동일하도록 채널용량을 갖는 것이다. 그러나, 실질적으로 채널용량이 각기 다른 링크가 존재하게 되며, 이로 인해 데이터 전송의 지연 또는 심지어 손실이라는 현상이 발생하게 된다. 이 같은 현상을 방지하기 위해서는 링크의 대역폭을 고려하여 데이터의 비트율을 조절하여 전송하거나, 각 링크의 사용 가능한 채널용량을 예측하여 비트율을 조절하는 방안이 제시되어야 한다.

기존의 IP 망에서의 단말 대 단말의 사용 가능한 채널용량(channel capacity) 예측 알고리즘은 비디오 전송과는 별개로 추가적인 프로빙 패킷(probing packet) 등을 이용하여 비교적 무선망보다 대역폭이 큰 IP망에서 채널용량만을 예측하는데 사용되어 왔다. 기존의 방식은 스트리밍 서버에서 패킷쌍(packet pair - 같은 크기의 연달아 바로 보내지는 두 패킷)들을 전송하여 클라이언트에서의 두 패킷간의 시간차를 필터링하여 채널용량을 측정하고 있다.

그러나, 기존의 채널용량 예측 알고리즘은 채널용량 측정을 위한 추가적인 프로빙 패킷들이 필요하여 무선망과 같은 비교적 채널용량이 작은 상황에서의 비디오 스트리밍에 적합하지 않으며, IP망 기반의 알고리즘이기 때문에 무선 단말의 성능을 고려하지 않은 비교적 복잡한 알고리즘이 대부분이다.

한편, 이를 WLAN 기반의 비디오 스트리밍에 적용하기 위해서는 단말 대 단말간의 가용 대역폭을 일정시간 내에 예측하여 스트리밍 서버로 주기적으로 피드백할 수 있어야 한다. 그리고 무선망의 시변하는 가용 대역폭을 신뢰성 있게 예측하여야 하며, 프로빙 패킷과 같은 비디오 컨텐츠 이외의 추가적인 데이터 사용을 줄여야 한다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 스트리밍 서버에서 인코딩된 하나의 비디오 스트림을 같은 크기로 나누어 패킷쌍으로 전송하고, 클라이언트에서 수신받은 패킷간의 시간차를 이용하여 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 스트리밍 서버와 클라이언트간 크로스 트래픽을 제외한 가용 대역폭을 예측함으로써 스트리밍 서버 에서 비디오 인코딩 비트율을 망에 적응적으로 조절하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치는, 클라이언트로 전송한 패킷쌍에 대한 패킷간 수신 시간차를 해당 클라이언트로부터 피드백받아, 상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭을 측정하는 가용 대역폭 측정부; 및 상기 가용 대역폭 측정 결과에 대응하여 상기 데이터 인코딩 비트율을 조절하는 인코딩 비트율 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치는, 스트리밍 서버에서 전달된 패킷쌍을 재조합하여 패킷간 시간차를 체크하는 시간차 체크부; 및 상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭이 산출될 수 있도록, 상기 체크된 시간차 값을 스트리밍 서버로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 방법은, 스트리밍 서버에서 클라이언트로 패킷쌍을 전송하고, 해당 클라이언트로부터 패킷간 시간차를 피드백받는 단계; 상기 시간차에 대응하여 스트리밍 서버에서 가 용 대역폭을 예측하는 단계; 및 상기 가용 대역폭에 대응하여 스트리밍 서버에서 데이터 인코딩 비트율을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 스트리밍 서버로부터 전달된 패킷쌍을 재조합하여 클라이언트에서 시간차를 체크하는 단계; 및 상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭이 산출될 수 있도록, 상기 체크된 시간차 값을 스트리밍 서버로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치는 크게 스트리밍 서버와 클라이언트로 구성되어 있다.

스트리밍 서버는 임의의 비트율로 비디오 데이터를 인코딩하여 전송하고, 클라이언트로부터 전송된 패킷간 시간차 값을 피드백 받아 가용 대역폭을 측정하며, 비디오 인코딩 비트율을 재조정하여 클라이언트로 전송하는 기능을 수행한다.

클라이언트는 수신되는 패킷간의 시간차를 체크하여 스트리밍 서버로 전달하는 기능을 수행한다.

상기한 기능을 수행하기 위해 스트리밍 서버는, 기존 스트리밍 서버 구성에서 가용 대역폭을 측정하는 가용 대역폭 측정부와, 가용 대역폭 측정 결과에 대응하여 비디오 인코딩 비트율을 조절하는 인코딩 비트율 조절부를 더 포함하게 된다.

또한, 상기한 기능을 수행하기 위한 클라이언트는, 기존 클라이언트 구성에서 수신되는 패킷쌍을 재조합하여 시간차를 체크하는 시간차 체크부와, 체크된 시간차 값을 피드백하는 피드백부를 더 포함하게 된다.

도 1은 패킷쌍을 이용하여 채널용량을 측정하는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 패킷쌍(packet piar)은 스트리밍 서버에서 클라이언트로 연달아 보내지고, 이 패킷쌍은 클라이언트에 시간차(t)를 가지고 도착한다. 이에 따라 타이트 링크(tight link, C_tightlink)의 채널용량(C_tightlink)은 다음의 수식에 따라 측정할 수 있다.

--- [식 1]

여기서, L은 패킷 하나의 길이이다. 도 1에 도시된 바와 같이, C₁, C₂, C₃는 해당 링크의 채널용량을 의미하며, C_tightlink = C₂ 가 된다.

도 2는 망의 각 링크에서의 채널용량(C), 가용 대역폭(A), 크로스 트래픽(Cross Traffic, u)의 관계를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 가용 대역폭(A)은 다음과 같은 [식 2]로 정의할 수 있다.

--- [식 2]

[식 2]에서 H는 링크의 수를 의미한다. 도 2에서는 C_tightlink = C₂ 이 되며, H가 3 이 된다.

가용 대역폭을 예측하기 위해서는 망의 여러 링크 중에 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크와 타이트 링크에서의 크로스 트래픽을 예측하여야 한다. 본 발명은 클라이언트에서 측정된 N개의 패킷쌍들의 시간차를 분류하여 타이트 링크의 채널용량과 크로스 트래픽을 예측하는 방식을 기술한다. 일반적인 경우 타이트 링크의 가용 대역폭이 단말 대 단말 전 구간의 가용 대역폭이므로 타이트 링크의 채널용량을 구하고 [식 2]에 따라 해당 구간(타이트 링크)의 크로스 트래픽을 예측하면 단말 대 단말간 가용 대역폭을 구할 수 있다.

도 3은 N개의 패킷쌍들의 시간차를 측정하여 이들 시간차 값들로부터 채널용량을 예측한 히스토그램이다.

도 3을 참조하면, N개의 패킷쌍들의 시간차를 측정하고 이 시간차 값들로부터 [식 1]에 따라 채널용량을 예측하여 히스토그램으로 만든다. 히스토그램에서 크로스 트래픽으로 인하여 작게 예측된 채널용량 구간들과 타이트 링크의 채널용량을 나타내는 구간으로 분류한다. 경계 B₀(미도시)은 측정된 N개의 채널용량의 평균으로 한다. 경계 B₃ 보다 큰 채널용량은 측정 오류 또는 잡음으로 분류하여 히스토그램에서 제거한다. 즉, B₃은 B₀을 의미한다.

한편, 경계 B₁, B₂를 분류하는 방식은 각 채널용량에서 히스토그램의 기울기 를 이용하여 도 4와 같이 정한다. 도 3과 같은 히스토그램에서는 경계 B₁, B₂ 를 분류하는 것은 높은 복잡도를 요구한다. 즉, 각 채널용량에서 다음 채널용량을 빈도수 상단점을 연결하게 되면 테두리의 패턴이 지그재그 형태를 취하게 되어 경계 B₁, B₂를 결정하는데 모호함이 발생되며, 각 채널용량간의 기울기 연산을 수행하여야 하므로 연산량이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 복잡도를 낮추기 위해서, 도 4와 같이 x축의 간격을 점차적으로 증가하게 나눈 뒤 채널용량의 히스토그램을 구성한다. 히스토그램에서 시작점과 다음 m개의 점들간의 기울기는 x축에서 증가하는 방향으로 구해 나간다. 이때, m은 자연수로서 임의로 설정될 수 있으며, 도 4에 도시된 a, 2a, 3a는 실험에 의해 임의로 설정된다.

도 3에 점선으로 표시된 테두리를 도 4에서 구하기 위해, 다음 m개의 점에 대해서 현재 시작점과의 기울기가 가장 큰 점을 선택하여 연결하고 선택된 가장 기울기가 큰 점을 시작점으로 다시 m개의 점에 대해서 기울기를 구한다. 이 과정을 반복하여 도 4와 같이 점들의 테두리를 구성하고 기울기가 감소하다가 증가하는 지점을 경계로 B₁, B₂를 구한다. 위의 경계값을 바탕으로 타이트 링크의 채널용량을 의미하는 구간([B₂, B₃])과 크로스 트래픽으로 인하여 작게 예측된 채널용량을 의미하는 구간([0, B₁], [B₁, B₂])들로 선택한다. 각 구간의 집합은 다음과 같이 정의한다.

--- [식 3]

단말의 성능이 허용하는 범위 안에서 x축에서 감소하는 방향으로도 기울기를 계산하여 테두리를 구성하고 그 전에 구한 경계들과 비교하여 사용할 수 있다. S₃ 에 해당하는 채널용량들을 평균하여 C_tightlink(E[S₃])를 구한다. P(S₁), P(S₂)는 각각 S₁, S₂ 의 확률을 의미한다. 확률(P(S₁), P(S₂)) 값들과 E[S₃]을 이용하여 다음 수식에 따라 가용 대역폭을 구할 수 있다.

--- [식 4]

여기서, 크로스 트래픽(u)은 다음과 같이 구할 수 있다.

--- [식 5-1]

--- [식 5-2]

[식 5-1] 및 [식 5-2]에서처럼 P(S₁), P(S₂), L_C 를 로그(log)나 다항식으로 표현한 형태를 u로 사용하며 a, b, c 는 실험적으로 구한다. [식 5-1] 및 [식 5-2]에서 a, b, c, d는 가중치이며, WLAN 장치마다 달라질 수 있다. d는 N(패킷쌍)이 비교적 큰 경우에 한해서 사용되며 N이 작은 경우에는 0으로 한다.

여기서, 크로스 트래픽의 평균적인 크기(L_C)는 도 5로부터 다음과 같은 수식 으로 구할 수 있다.

--- [식 6]

[식 6]에서 T는 [B₁, B₂] 구간에서 측정되는 시간차의 평균을 의미하고 t 값은 [B₂, B₃] 구간에 해당하는 시간차 값들로부터 구할 수 있다. [식 6]에 따라 구한 L_C 들의 평균을 사용한다. N 값이 줄어들수록 정확도는 떨어지고 피드백 주기는 짧아지게 되며 적절한 값을 클라이언트이나 스트리밍 서버와 비디오 콘텐츠에 따라서 조절하여 사용한다. 도 4와 같이 m 값은 보통 4정도를 시용하며 상황에 맞게 조절할 수 있다. 단말 성능에 따라 크로스 트래픽을 [식 5-1]과 [식 5-2]를 이용하여 구한다. [식 5-1]과 [식 5-2]의 예는 [식 6-1] 및 [식 6-2]와 같다.

- 802.11b 단말 1 -

--- [식 6-1]

- 802.11b 단말 2 -

--- [식 6-2]

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치 및 방법은, 무선망에서의 비디오 스트리밍에 적합한 채널용량, 가용 대역폭 예측 알고리즘을 이용하여 스트리밍 서버에 가용 대역폭을 피드백하고, 이 피드백 받은 정보를 바탕으로 스트리밍 서버는 망 상황에 적응적으로 비디오 인코딩 비트율을 조절한다. 이에 따라, 시변하는 무선망의 대역폭을 초과함으로 인한 패킷 손실을 방지함으로써 화질 저하를 줄일 수 있다.

Claims

클라이언트로 전송한 패킷쌍에 대한 패킷간 수신 시간차를 해당 클라이언트로부터 피드백받아, 상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭을 측정하는 가용 대역폭 측정부; 및

상기 가용 대역폭 측정 결과에 대응하여 상기 데이터 인코딩 비트율을 조절하는 인코딩 비트율 조절부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치.
스트리밍 서버에서 전달된 패킷쌍을 재조합하여 패킷간 시간차를 체크하는 시간차 체크부; 및

상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭이 산출될 수 있도록, 상기 체크된 시간차 값을 스트리밍 서버로 피드백하는 피드백부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 장치.
스트리밍 서버에서 클라이언트로 패킷쌍을 전송하고, 해당 클라이언트로부터 패킷간 시간차를 피드백받는 단계;

상기 시간차에 대응하여 스트리밍 서버에서 가용 대역폭을 예측하는 단계; 및

상기 가용 대역폭에 대응하여 스트리밍 서버에서 데이터 인코딩 비트율을 조절하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 방법.
제3항에 있어서, 상기 가용 대역폭은 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 스트리밍 서버와 클라이언트간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 타이트 링크의 채널용량을 구하는 과정은,

채널용량의 축 간격을 점차적으로 증가시키는 단계;

현재 시작점(빈도수 끝점)과 기울기가 가장 큰 점(빈도수 끝점)을 연결하고, 상기 기울기가 가장 큰 점과 다음 m개의 점들간의 연결하여 상기 기울기가 가장 큰 점과 m번째 점이 기울기가 증가하는 상태일 경우에 상기 기울기가 가장 큰 점과 m번째 점을 잇는 라인을 테두리로 결정하는 단계;

상기 테두리에서 기울기가 음(-)에서 양(+)으로 변하는 영역을 경계로 타이트 링크의 채널용량을 의미하는 구간([B₂, B₃])과 크로스 트래픽으로 인하여 작게 예측된 채널용량을 의미하는 구간([0, B₁], [B₁, B₂])을 구분하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 방법.

(여기서, m은 자연수)
스트리밍 서버로부터 전달된 패킷쌍을 재조합하여 클라이언트에서 시간차를 체크하는 단계; 및

상기 시간차에 대응하는 채널용량에 대해 상기 채널용량이 가장 낮은 타이트 링크의 채널용량에서 종단간 크로스 트래픽(u)을 제외한 대역폭인 가용 대역폭이 산출될 수 있도록, 상기 체크된 시간차 값을 스트리밍 서버로 피드백하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 스트리밍을 위한 종단간 가용 대역폭 측정 방법.