KR20120106610A - 부가 정보를 이용한 무선 채널 상태 추정 방법 및 장치, 이를 이용한 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법 - Google Patents

부가 정보를 이용한 무선 채널 상태 추정 방법 및 장치, 이를 이용한 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법 Download PDF

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Abstract

비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버와 유무선망을 통해 연결된 클라이언트 장치에서 수행되는 무선망에서의 무선 채널 상태 추정 방법은 수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율을 추정하는 단계와, 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 상기 무선망의 채널 용량을 추정하는 단계를 포함한다. 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함한다. 서버에서는 상기 추정된 무선망에서의 채널 용량 정보 또는 채널 상태 정보를 상기 클라이언트 장치로부터 피드백 받아서 무선망에서의 최적의 비디오 코딩 레이트 또는 최적의 소스 코딩 레이트를 조정한다. 따라서, 클라이언트 장치에서 실시간으로 수신되는 비디오 스트림의 화질 손실을 줄여 무선망을 통하여 수신되는 비디오의 수신 품질(QoS)을 향상시킬 수 있다.

Description

부가 정보를 이용한 무선 채널 상태 추정 방법 및 장치, 이를 이용한 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법{Methods and apparatus for estimating channel status using side information, and methods of adjusting coding rate in wireless network using the same}
본 발명은 무선 채널 상태 추정 방법에 관한 것이다.
무선 환경에서는 약한 신호 세기로 인하여 많은 비트 에러가 발생하고 이는 패킷 손실을 초래한다. 실시간 비디오 전송과 관련된 상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여 전방향 에러 정정(Forward Error Correction; FEC)을 이용한 레이트 컨트롤(rate control)이 도입되었다.
무선 환경에서 이러한 패킷 손실을 줄이기 위해서는 링크 품질 또는 채널 상태를 추정하는 것이 필요하다. 특히, 실시간 비디오 전송을 위해서는, 실시간으로 무선 채널 용량을 정확히 추정하는 것이 필수적이다. 왜냐하면, 무선 링크 상태(wireless link conditions) 및 링크 품질(link quality)은 간섭(interference), 페이딩(fading), 다중 경로 효과(multi-path effects) 및 이동성(mobility)등에 따라서 변동될 수 있으며, 이러한 변동은 결국 채널 용량에 심한 변화를 주기 때문이다.
즉, 실시간 비디오 전송시 향상된 비디오 품질을 제공하기 위하여 적절한 채널 코딩 레이트를 설정하기 위해서는 무선 채널 상태(channel condition)를 정확하게 추정 또는 예측하는 것은 매우 중요하다.
예를 들어, 사무실내에 설치된 WLAN(IEEE 802.11b) 무선망을 통하여 멀티미디어 컨텐츠 스트림을 시청하는 경우 다른 사무소내에 위치한 액세스 포인트(AP)에 의한 간섭등과 같은 채널 환경의 영향으로 멀티미디어 컨텐츠 스트림에 심각한 왜곡(significant deterioration)이 발생할 수 있다.
종래의 링크 품질 또는 채널 상태를 추정하는 기술로는, 하나 또는 그 이상의 잔류 에러(residue error)(MAC 계층 에러)를 가지는 패킷을 폐기하는 무선 LAN 프로토콜(Conventional Protocol)('CON 프로토콜')이 있는데, 이는 패킷 손실률(PER: Packet Error Rate)을 이용해서 링크 품질 또는 채널용량을 추정한다.
이러한 종래 기술은 비트 에러율(BER: Bit Error Rate)이 아닌 패킷 손실률(PER)을 이용하여 링크 품질 내지 채널용량을 예측하기 때문에, 그 예측의 정확도가 낮아 채널 적응성이 떨어지며, 이로 인하여 바람직한 무선 비디오 품질을 보장하지 못한다는 문제점이 있었다.
한편, 실시간 전송되는 비디오 패킷에 대한 비트 에러율(BER: Bit Error Rate)을 추정하기 위하여 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 정보만을 이용할 경우, 무선망을 통하여 실시간 전송되는 비디오 패킷의 경우 무선망(802.11b, 802.11g, 802.11n, Wimax, LTE등)에 따라서 최대 신호 세기 및 최소 신호 세기가 변경되므로 절대적 신호 세기 정보는 큰 의미가 없게 된다.
한국공개특허 10-2009-0071005(한국전자통신연구원, 공개일 2009년 7월 1일)
본 발명의 제1 목적은 무선망에서의 신호 세기 정보, 무선망 정보 및 변조 방식 정보를 포함하는 부가 정보를 이용하여 무선망에서의 채널 상태를 추정하는 무선 채널 추정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 추정된 무선망에서의 채널 상태 정보를 이용하여 무선망에서의 최적의 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 예측하여 무선망에서의 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버와 유무선망을 통해 연결된 클라이언트 장치에서 수행되는 무선망에서의 무선 채널 상태 추정 방법은, 수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율을 추정하는 단계와, 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 상기 무선망의 채널 용량을 추정하는 단계를 포함하되, 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치이 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함한다. 상기 신호 세기 정보는 상기 클라이언트 장치의 PHY 계층 및 MAC 계층 중 적어도 하나로부터 제공될 수 있다. 상기 추정된 채널 용량은 상기 클라이언트 장치로부터 상기 서버로 피드백될 수 있다. 상기 무선망에서의 무선 채널 상태 추정 방법에서는 소정의 적응주기 동안 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 중 최대 신호 세기 정보 및 최소 신호 세기 정보를 검출하는 단계와, 상기 소정의 적응주기 동안 수신된 수신 패킷에 대하여 대표 신호 세기 정보를 추정하는 단계와, 적어도 하나의 천이구간을 포함하는 복수의 구간으로 상기 신호 세기 구간을 분할하는 단계와, 상기 적응 주기 동안 수신된 각각의 수신 패킷에 대한 대표 신호 세기가 상기 분할된 신호 세기 구간 중 어느 구간에 해당하는 지를 판단하여 신호 세기 구간 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 최대 신호 세기 정보, 상기 최소 신호 세기 정보, 상기 대표 신호 세기 정보 및 상기 생성된 신호 세기 구간에 대한 정보는 상기 부가 정보에 포함될 수 있다. 상기 부가 정보는 상기 무선망에서 전송되는 패킷의 수에 대한 정보를 더 포함할 수 있다. 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치로부터 상기 서버로 피드백될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버와 유무선망을 통해 연결되어 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치는 수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율을 추정하고 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 상기 무선망의 채널 용량을 추정하는 채널 추정기와, 상기 추정된 채널 용량에 기초하여 채널 코딩 레이트를 설정하여 상기 무선망을 통해 수신된 비디오 패킷에 대하여 채널 코딩을 수행하고 상기 채널 코딩이 이루어진 비디오를 복호화하는 디코딩부를 포함하되, 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함한다. 상기 채널 추정기에서는 소정의 적응주기 동안 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 중 최대 신호 세기 정보 및 최소 신호 세기 정보를 검출하고, 상기 소정의 적응주기 동안 수신된 수신 패킷에 대하여 대표 신호 세기 정보를 추정하고, 적어도 하나의 천이구간을 포함하는 복수의 구간으로 상기 신호 세기 구간을 분할하고, 상기 적응 주기 동안 수신된 각각의 수신 패킷에 대한 대표 신호 세기가 상기 분할된 신호 세기 구간 중 어느 구간에 해당하는 지를 판단하여 신호 세기 구간 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유무선망을 통해 클라이언트 장치와 연결되어 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버에서 수행되는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법은 상기 클라이언트 장치로부터 추정된 채널 용량을 피드백 받아 상기 피드백된 추정된 채널 용량을 이용하여 채널 용량을 예측하는 단계와, 상기 예측된 채널 용량을 기초로 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하는 단계를 포함하되, 상기 추정된 채널 용량은 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함하는 부가 정보를 이용하여 추정된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 크로스 레이어 접근(cross layer approach)을 통하여, 클라이언트 장치에서 PHY/MAC 계층에서 제공되는 무선망에서의 신호 세기 정보, 무선망 정보, 변조 방식 정보를 포함하는 부가 정보를 이용하여 무선망에서의 비트 에러율(BER)을 추정하고, 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 무선망의 채널 용량 또는 채널 상태를 추정하고, 서버에서 상기 추정된 무선망에서의 채널 용량 정보 또는 채널 상태 정보를 상기 클라이언트 장치로부터 피드백 받아서 무선망에서의 최적의 비디오 코딩 레이트 또는 최적의 소스 코딩 레이트를 조정하고 상기 조정된 최적의 비디오 코딩 레이트 또는 최적의 소스 코딩 레이트를 기초로 얻어진 LDPC(Low Density Parity Check) 코드를 이용하여 비디오 프레임별(I-frame, P-frame, B-frame)로 차등적 레이트를 적용하여 채널 코딩을 하여 비디오 스트림을 클라이언트 장치로 전송한다. 따라서, 클라이언트 장치에서 실시간으로 수신되는 비디오 스트림의 화질 손실을 줄여 무선망을 통하여 수신되는 비디오의 수신 품질(QoS)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선망에서의 레이트 어댑테이션(Rate Adaptation)을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 클라이언트 장치에서 수행되는 무선 채널 상태 추정 방법 및 서버에서 수행되는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 비디오 신호에 대한 율왜곡(RD; Rate Distortion) 함수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 대표 신호 세기가 분할된 신호 세기 구간 중 어느 신호 세기 구간(Low, Transition, Strong)에 해당하는 지를 설명하기 위한 SNR과 Good Packet율간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 case 1 및 case 2의 무선 채널에 대해 패킷 손실(packet loss) 및 비트 에러가 있는 경우를 도시한 개념도이다.
도 6은 도 5의 case 1의 패킷에 대해 FEC를 적용하는 경우 단지 패킷 손실의 개수 정보만을 활용하는 경우와 신호 세기 정보를 활용하는 경우를 쓰루풋(throughput) 향상 관점에서 비교한 개념도이다.
도 7 내지 도 9는 각각 802.11a, 802.11g, WiMax 무선 네트워크의 BER과 SNR의 상관관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 실시예들에서는 비디오 화질 왜곡 추정함수를 이용하여 무선망에서 최적의 비디오/채널 레이트를 예측하는 방법(1)과 LDPC(Low Density Parity Check) 코드를 이용하여 비디오 화질손실을 줄이기 위한 비디오 프레임의 차등 레이트 적용 방법(2)을 제시한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선망에서의 레이트 어댑테이션(Rate Adaptation)을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 클라이언트(Client) 단말(100)은 향상된 비디오 품질을 제공하기 위하여 하기 수식 1에 나타난 바와 같이 BER 추정치를 이용하여 무선망(wireless network)의 현재 채널 용량을 추정(estimation)한 후 서버(200)로 전송한다. 하나의 비디오 적응 주기 동안의 엔트로피 평균값을 구한후, 그 엔트로피 평균값을 이용하여 채널 용량
Figure pat00001
을 추정할 수 있다.
수식 1
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 패킷 i에 대한 BER 추정치,
Figure pat00004
는 각 패킷에 대한 순시 엔트로피(instantaneous perpacket entropy)를 나타낸다. 즉,
Figure pat00005
는 추정된 각각의 비트에러율(BER)에 대한 엔트로피를 의미한다. 하나의 비디오 적응 주기는 m개의 패킷을 포함하여, 약 5초가 될 수 있다. 상기 수식 1을 이용하여 채널 용량을 구하는 상세한 과정은 본 출원인의 기출원된 한국공개특허 10-2009-0071005를 참조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 부가 정보를 이용하여 상기 BER 추정치를 구하는 방법에 대해서는 후술한다.
클라이언트(Client) 단말(100)은 채널 추정기(110) 및 디코딩부(120)를 포함한다. 디코딩부(120)는 FEC 디코더(120) 및 비디오 디코더(130)를 포함할 수 있다.
채널 추정기(110)에서는 수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보(side infomation)을 이용하여 비트 에러율(BER)을 추정하고, 추정된 BER을 이용하여 무선망(wireless network)의 현재 채널 용량 또는 채널 상태(channel condition)를 추정한다.
디코딩부(120)는 상기 추정된 채널 용량(130) 또는 채널 상태(channel condition)에 기초하여 채널 코딩 레이트를 설정하여 무선망(10)을 통해 수신된 비디오 패킷에 대하여 채널 코딩을 수행하고 상기 채널 코딩이 이루어진 비디오를 복호화한다. 구체적으로, FEC 디코더(120)는 상기 추정된 채널 용량 또는 채널 상태(channel condition)을 이용하여 적절한 채널 코딩 레이트를 설정하여 무선망을 통해 수신된 비디오에 대하여 채널 코딩을 수행하고, 비디오 디코더(130)는 상기 채널 코딩이 이루어진 비디오를 복호화한다.
서버(150)는 레이트 튜너(151) 및 인코딩부(155)를 포함한다. 인코딩부(155)는 비디오 인코더(153) 및 FEC 인코더(154)를 포함한다.
서버(150)는 피드백된 채널 용량 추정치(130)를 이용하여 수식 2에 따라서 최적의 비디오/채널 레이트 또는 소스/채널 레이트를 예측한다.
레이트 튜너(151)는 클라이언트 단말(100)로부터 피드백된 추정된 채널 용량(130)를 이용하여 비디오 인코더(153)의 비디오 코딩 레이트와 FEC 인코더(154)의 채널 코딩 레이트를 최적으로 조정한다.
인코딩부(155)는 비디오 데이터를 일정한 비디오 코딩 레이트에 따라 인코딩하고 상기 비디오 인코딩 결과에 대하여 일정한 채널 코딩 레이트에 따라서 채널 인코딩하여 클라이언트 단말(100)으로 전송한다. 구체적으로, 비디오 인코더(153)는 비디오 데이터를 일정한 비디오 코딩 레이트에 따라 인코딩하며, FEC 인코더(154)는 채널 오류를 정정하기 위한 채널 인코더의 일종으로서 상기 비디오 인코딩 결과에 대하여 일정한 채널 코딩 레이트에 따라서 채널 인코딩을 수행한다. 상기 비디오 인코더(153) 및 FEC 인코더(154)을 통하여 비디오 스트림이 생성된다.
상기 채널 코딩 시, LDPC 코드를 이용하여 비디오 프레임의 특성에 따라 차등 레이트를 적용함으로써 무선망을 통한 전송 오류 시 발생하는 비디오 화질 왜곡을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 클라이언트 장치에서 수행되는 무선 채널 상태 추정 방법 및 서버에서 수행되는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 클라이언트 장치(100)에서는, 먼저, 수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율(BER)을 추정하고(단계 201), 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 무선망의 채널 용량을 추정한다(단계 203). 여기서, 상기 비트 에러율(BER)이 정확히 추정되면 무선망의 채널 용량의 추정이 더 정확하게 이루어질 수 있으므로, 비트 에러율(BER)을 정확히 추정하는 것이 필요하며, 본 발명에서는 부가 정보를 이용하여 비트 에러율(BER)를 추정하는 방법을 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치(100)에 연결된 무선 망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 부가 정보는 신호 세기 정보를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 부가 정보는 최대 신호 세기 정보, 최소 신호 세기 정보 및 신호 세기 구간 정보를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 부가 정보는 상기 신호 세기 정보 외에도 무선 채널의 패킷수를 더 포함할 수 있다. 상기 부가 정보에 포함되는 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보 등에 대해서는 후술한다.
상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치의 PHY 계층 및/또는 MAC 계층에서 제공될 수 있다.
클라이언트 장치(100)에서는 상기 추정된 채널 용량을 서버(150)로 피드백한다(단계 205). 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 클라이언트 장치(100)에서는 상기 부가 정보를 서버(150)로 피드백할 수도 있다.
서버(150)에서는 상기 피드백된 추정된 채널 용량을 이용하여 채널 용량을 예측하고(단계 207), 상기 예측된 채널 용량을 기초로 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하며(단계 209), 상기 조절된 비디오 코딩 레이트를 이용하여 비디오 데이터를 코딩하고 상기 조절된 채널 코딩 레이트를 이용하여 상기 비디오 코딩된 결과 데이터를 채널 코딩하여 클라이언트 장치(100)로 전송한다(단계 211).
서버(150)에서는 최적의 비디오/채널 코딩 레이트 또는 최적의 소스/채널 코딩 레이트(optimal source and channel coding rate)는 아래의 수식 2의 함수를 이용하여 예측한다.
즉, Q'(.) 함수(empirical Rate Distortion (RD) for above-capacity video)를 활용함으로써 보다 정확하게 최적의 비디오/채널 코딩 레이트 또는 최적의 소스/채널 코딩 레이트를 예측할 수 있다.
수식 2
Figure pat00006

Figure pat00007
상기 수식 2를 이용하여 최적의 비디오/채널 코딩 레이트 또는 최적의 소스/채널 코딩 레이트를 구하는 상세한 과정은 본 출원인의 기출원된 한국공개특허 10-2009-0071005를 참조할 수 있다.
서버(150)에서는 상기 채널 코딩 시, LDPC 코드를 이용하여 비디오 프레임의 특성에 따라 차등 레이트를 적용할 수 있다.
패킷의 길이 및 α의 값(아래 설명 참조)에 따라 LDPC 코드의 성능은 변한다(도 5 참조).
또한, 부호화된 비디오 프레임은 종류에 따라 중요도가 서로 다르다. 즉, I frame이 없으면 P 또는 B frame은 복호화할 수 없다. 따라서, I-frame을 포함한 패킷(각 패킷의 길이는 다름)은 클라이언트 단말(100)에서 복호화가 확실한 α값을 적용하여 채널코딩을 한다(즉, 더 많은 redundant bit을 줌으로써 에러에 보다 강하게 한다). 예를 들어, 길이가 800 bit인 I-frame 패킷인 경우, α값을 2.7을 적용하여 채널코딩을 할 수 있다.
I-frame 패킷의 채널 코딩 후, P-frame 패킷은 아래의 수식 3에 따라서 α값을 적용하여 채널 코딩을 한다(수식 5 참조).
수식 3
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
표 1 <Rate adaptation performance comparison in terms of video quality in dB>
표 1에서 Xmit Rate는 비디오 데이터의 전송율(Transmit Rate)를 의미하며, Operation channel은 비디오 데이터를 전송할 경우 현실적으로 가능한 PSNR 최고치를 나타내며, ORPACLDS는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 세기 정보를 포함한 부가 정보를 이용하여 채널 상태를 추정하는 프로토콜을 적용한 경우의 성능을 나타내고, ORPACON는 종래의 WLAN 802.11b 프로토콜을 적용한 경우의 성능을 나타낸다(여기서, ORPA는 Optimal Rate Prediction Architecture를 의미함). 표 1을 참조하면, Phy data rate가 낮은 경우(2 또는 5.5 Mbps인 경우)에는 표 1의 평균 전송률(avg)의 경우 성능을 참조하면, 종래 ORPACON의 성능(30.63 dB, 29.75 dB)에 비하여 본 발명의 일실시예에 따른 ORPACLDS의 성능(30.69dB, 30.11dB)에 큰 차이가 없는 것으로 나타났으나, Phy data rate가 11 Mbps로 높은 경우에는 표 1의 평균 전송률(avg)의 경우 성능을 참조하면, 종래 ORPACON의 성능(23.28 dB)에 비하여 본 발명의 일실시예에 따른 ORPACLDS의 성능(29.47dB)에 6dB 이상의 큰 차이가 있어 크게 성능 개선이 이루어진 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 일실시예에서는 무선망에서 신호 세기 정보(signal strength information)를 활용하여 채널 상태를 추정 및 예측하는 방법을 제시하였다(표 1 참조). 여기서, 상기 신호 세기 정보와 무선상의 패킷 수는 부가 정보(side-information)에 포함될 수 있다.
한편, 실시간 전송되는 비디오 패킷에 대한 비트 에러율(BER: Bit Error Rate)을 추정하기 위하여 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 정보를 이용할 경우, WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a 등 서로 다른 무선 채널에서 신호 세기의 최고점 및 최저점이 WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a 등 무선망에 따라 서로 달라지므로 절대적인 신호 세기 정보는 큰 의미가 없다. 따라서, WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a 등 무선망에 따라 변동되지 않는 표준화된 신호 세기 정보가 필요하다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 부가 정보(side-information)의 표준화된 포맷을 아래와 정의하여 사용할 수 있다(표 2 및 도 4 참조)
표 2
Figure pat00011
표 2 및 도 4를 참조하면, 신호 세기의 최고점 및 최저점이 WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a 등 무선망에 따라 서로 달라지는 경우, 상기 부가 정보는 최대 신호 세기 정보, 최소 신호 세기 정보, 신호 세기 구간 정보(Region type Low, Transition, Strong), 6비트의 정규화된 신호 세기 정보를 포함할 수 있다. 구체적으로, 신호 세기의 최고점 및 최저점이 WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a 등 무선망에 따라 서로 달라지는 경우, 소정의 적응주기 동안 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 중 최대 신호 세기 정보 및 최소 신호 세기 정보를 검출하고, 상기 소정의 적응주기 동안 수신된 수신 패킷에 대하여 대표 신호 세기 정보를 추정하고, 적어도 하나의 천이구간을 포함하는 복수의 구간으로 상기 신호 세기 구간을 분할하고, 상기 적응 주기 동안 수신된 각각의 수신 패킷에 대한 대표 신호 세기가 상기 분할된 신호 세기 구간 중 어느 구간(Low, Transition, Strong)에 해당하는 지를 판단하여 신호 세기 구간 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 표준화된 side-information-신호 세기정보(signal strength information)-의 포맷을 아래와 변형된 포맷을 사용할 수도 있다.
표 3
Figure pat00012
표 3은 예약 비트로 6비트를 더 포함하고, 신호 세기 정보로 6비트가 아닌 8비트를 사용하는 점에서 표 2와 차이가 있다. 표 2 및 표 3에서 사용되는 부가 정보에 포함되는 각각의 정보에 사용되는 비트수는 상기 표 2 및 표 3의 값으로 한정되지 않고 다양하게 변형이 가능함은 물론이다.
상기와 같은 표2 및 표 3의 신호 세기 정보는 패킷 손실, 지터 및 패킷 지연의 개수와 함께 서버로 피드백(예를 들어, RTCP를 사용하여)되는데 사용되어 레이트 어댑테이션 애플리케이션(rate adaptation application)에 있어서 가장 적합한 소스 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 예측하는데 활용되어, 무선 환경에서 비디오 화질(PSNR) 관점에서 성능 향상을 가져올 수 있다.
또한, 무선 채널상의 패킷 수(the number of background traffic)도 무선 채널 예측에 도움이 된다는 것이 연구를 통해 밝혀져 있으며, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 무선 채널상의 패킷수 정보는 아래 표 4와 같이 포맷화하여 상기 부가정보에 추가적으로 포함될 수 있다.
표 4
Figure pat00013

무선 클라이언트 단말의 MAC layer에서 제공되는 부가 정보(예를 들어, 신호세기정보, 무선 채널상의 패킷수등)는 LDPC와 같은 application FEC (에러정정코드)의 계산량을 감소시키기 위한 입력으로 사용될 수 있으며, 상기 부가 정보는 서버로 피드백되어 전달되어 서버에서 최적의 소스 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 예측하는데 중요한 정보로 활용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 부가 정보를 하기 표 5와 같이 표준화된 포맷으로 정의하여 사용할 수 있다.
표 5
Figure pat00014
표 5를 참조하면, 상기 부가 정보는 무선망 정보((WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, WiMax 등), 변조 방식 정보(BPSK, QPSK, 16-QAM등), 신호 세기 정보를 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 각각 802.11a, 802.11g, WiMax 무선네트워크의 BER과 SNR의 상관관계를 보여준다. 각 무선 네트워크는 상기 정보를 바탕으로 네트워크를 설계하므로 상기 정보는 각 네트워크에서 제공 가능하다.
즉, 도 6은 802.11a 무선망에서의 물리적 변조 방식(QPSK, 16-QAM, 64-QAM)에 따라 BER과 SNR의 상관관계를 보여주며, 도 7은 802.11g 무선망에서의 물리적 변조 방식(QPSK, 16-QAM, 64-QAM)에 따라 BER과 SNR의 상관관계를 보여주며, 도 8은 WiMax 무선망에서의 물리적 변조 방식(QPSK, 16-QAM)에 따라 BER과 SNR의 상관관계를 보여준다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 무선망의 종류(WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, WiMax 등), 변조 방식(BPSK, QPSK, 16-QAM등), 신호 세기(dB)에 따라서 BER과 SNR간의 상관 관계가 있음을 알 수 있다.
즉, 클라이언트 단말이 어떤 무선 네트워크에 어떤 모듈레이이션 방법으로 연결되었는지 알면 MAC/Phy layer에서 존재하는 SNR값을 이용하여 비트 에러율(BER)을 클라이언트 단말에서 종래 보다 더 정확하게 추정할 수 있으며 상기 좀 더 정확하게 추정된 BER을 기반으로 채널 용량(channel capacity)을 좀 더 정확하게 추정할 수 있고, 서버에서는 상기 추정된 채널 용량을 기초로 소스 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 좀 더 최적값을 조정이 가능하다. 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선망 정보((WLAN IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, WiMax 등), 변조 방식 정보(BPSK, QPSK, 16-QAM등), 신호 세기 정보를 포함하는 부가 정보를 이용하여 채널 상태를 예측할 경우, 상기 예측치는 기존의 패킷 에러율(PER)만을 이용한 채널 상태 예측치를 사용하는 경우보다 더 정확하므로 더 많은 쓰룻풋(throughput)을 낼 수 있으며, 결과적으로 PSNR 향상 및 수신된 비디오 패킷의 품질 향상을 도모 할 수 있다.
도 5는 case 1 및 case 2의 무선 채널에 대해 패킷 손실(packet loss) 및 비트 에러가 있는 경우를 도시한 개념도이다. 도 5를 참조하면, 종래의 WLAN 프로토콜-예를 들어 WLAN 802.11b 프로토콜-의 경우 case 1 및 case 2의 무선 채널의 에러 비트의 개수가 3개, 10개 또는 100개 인지 여부에 무관하게 case 1 및 case 2을 동일하게 재전송을 통한 FEC를 수행하며 case 1 및 case 2 의 무선 채널을 구분하지 않고 PER에 기초하여 FEC를 수행하므로 패킷 손실의 개수 정보(number of packet loss information)만으로는 상기 case 1 및 case 2의 무선 채널 특성을 포착(capture)할 수 없어 case 1 및 case 2의 무선 채널을 동일한 채널 용량을 가진 것으로 파악하게 된다. 반면에 본 발명의 실시예들의 경우에는 전술한 부가 정보를 이용하여 BER을 좀 더 정확히 추정하여 채널 용량을 추정하는 방식이므로 case 1 및 case 2의 무선 채널의 특성을 BER 관점에서 구분하여 case 1 및 case 2의 무선 채널을 서로 다른 채널 용량을 가진 것으로 파악할 수 있어 채널 용량 추정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6은 도 5의 case 1의 패킷에 대해 FEC를 적용하는 경우 단지 패킷 손실의 개수 정보만을 활용하는 경우와 신호 세기 정보를 활용하는 경우를 쓰루풋(throughput) 향상 관점에서 비교한 개념도이다. 도 6을 참조하면, case 1의 무선 채널로 전송되는 패킷들에 대해 인터리빙 방식으로 FEC를 적용할 경우, 패킷 손실의 개수 정보만을 활용하는 경우에 비하여 신호 세기 정보를 활용하는 경우에 코드 워드(k: 정보 비트; r: 리던던시 비트)에서의 리던던시 비트(r)가 감소함으로써 쓰루풋(throughput) 향상됨을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버와 유무선망을 통해 연결된 클라이언트 장치에서 수행되는 무선망에서의 무선 채널 상태 추정 방법에 있어서,
    수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 상기 무선망의 채널 용량을 추정하는 단계를 포함하되,
    상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 세기 정보는 상기 클라이언트 장치의 PHY 계층 및 MAC 계층 중 적어도 하나로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 추정된 채널 용량은 상기 클라이언트 장치로부터 상기 서버로 피드백되는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 서버에서는
    상기 피드백된 추정된 채널 용량을 이용하여 채널 용량을 예측하고, 상기 예측된 채널 용량을 기초로 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    소정의 적응주기 동안 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 중 최대 신호 세기 정보 및 최소 신호 세기 정보를 검출하는 단계; 및
    상기 소정의 적응주기 동안 수신된 수신 패킷에 대하여 대표 신호 세기 정보를 추정하는 단계;
    적어도 하나의 천이구간을 포함하는 복수의 구간으로 상기 신호 세기 구간을 분할하는 단계; 및
    상기 적응 주기 동안 수신된 각각의 수신 패킷에 대한 대표 신호 세기가 상기 분할된 신호 세기 구간 중 어느 구간에 해당하는 지를 판단하여 신호 세기 구간 정보를 생성하는 단계를 포함하는 무선 채널 상태 추정방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 최대 신호 세기 정보, 상기 최소 신호 세기 정보, 상기 대표 신호 세기 정보 및 상기 생성된 신호 세기 구간에 대한 정보는 상기 부가 정보에 포함되는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 부가 정보는 상기 무선망에서 전송되는 패킷의 수에 대한 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치로부터 상기 서버로 피드백되는 것을 특징으로 하는 무선 채널 상태 추정 방법.
  9. 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버와 유무선망을 통해 연결되어 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치에 있어서,
    수신된 비디오 패킷에 대한 부가 정보를 이용하여 비트 에러율을 추정하고 상기 추정된 비트 에러율을 이용하여 상기 무선망의 채널 용량을 추정하는 채널 추정기; 및
    상기 추정된 채널 용량에 기초하여 채널 코딩 레이트를 설정하여 상기 무선망을 통해 수신된 비디오 패킷에 대하여 채널 코딩을 수행하고 상기 채널 코딩이 이루어진 비디오를 복호화하는 디코딩부
    를 포함하되,
    상기 부가 정보는 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 신호 세기 정보는 상기 클라이언트 장치의 PHY 계층 및 MAC 계층 중 적어도 하나로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 추정된 채널 용량은 상기 클라이언트 장치로부터 상기 서버로 피드백되는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 서버에서는
    상기 피드백된 추정된 채널 용량을 이용하여 채널 용량을 예측하고, 상기 예측된 채널 용량을 기초로 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 채널 추정기에서는
    소정의 적응주기 동안 수신된 비디오 패킷의 신호 세기 중 최대 신호 세기 정보 및 최소 신호 세기 정보를 검출하고,
    상기 소정의 적응주기 동안 수신된 수신 패킷에 대하여 대표 신호 세기 정보를 추정하고,
    적어도 하나의 천이구간을 포함하는 복수의 구간으로 상기 신호 세기 구간을 분할하고,
    상기 적응 주기 동안 수신된 각각의 수신 패킷에 대한 대표 신호 세기가 상기 분할된 신호 세기 구간 중 어느 구간에 해당하는 지를 판단하여 신호 세기 구간 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 최대 신호 세기 정보, 상기 최소 신호 세기 정보, 상기 대표 신호 세기 정보 및 상기 생성된 신호 세기 구간에 대한 정보는 상기 부가 정보에 포함되는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 부가 정보는 상기 무선망에서 전송되는 패킷의 수에 대한 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 무선 채널 상태를 추정하는 클라이언트 장치.
  16. 유무선망을 통해 클라이언트 장치와 연결되어 비디오 패킷 스트림을 전송하는 서버에서 수행되는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법에 있어서,
    상기 클라이언트 장치로부터 추정된 채널 용량을 피드백 받아 상기 피드백된 추정된 채널 용량을 이용하여 채널 용량을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 채널 용량을 기초로 비디오 코딩 레이트 및 채널 코딩 레이트를 조절하는 단계를 포함하되,
    상기 추정된 채널 용량은 상기 클라이언트 장치에 연결된 무선망에 대한 무선망 정보, 변조 방식 정보 및 신호 세기 정보를 포함하는 부가 정보를 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 신호 세기 정보는 상기 클라이언트 장치의 PHY 계층 및 MAC 계층 중 적어도 하나로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 무선망에서의 코딩 레이트 조절 방법.

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